CN103587369A

CN103587369A - 一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法

Info

Publication number: CN103587369A
Application number: CN201310486838.1A
Authority: CN
Inventors: 孙晓强; 陈龙; 汪少华; 徐兴
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-10-17
Also published as: CN103587369B

Abstract

本发明提供一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，将车身高度定义为“车身高位”、“车身中位”以及“车身低位”三种模式，利用车速传感器和车身高度传感器在线提取反映车辆实际行驶状况的相关信号，根据上述信号确定车辆应处的高度模式；根据不同的车身高度调节目标模式，进行车身高度控制模型的相关参数调整，从而形成三个不同的车身高度控制模型，在此基础上，分别设计具有不同控制参数的车身高度PID控制器；建立切换控制单元，该单元根据车身高度调节目标模式的不同分别选择相应的PID控制器进行车身高度控制。本发明针对车身高度调节目标模式不同所引起的车身高度控制差异性，分别采用针对性的PID控制器进行控制，可使车身高度控制更加精确有效。

Description

一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种电控空气悬架车身高度控制方法，特指是针对不同的车身高度调节目标模式分别采用具有不同控制参数的车身高度PID控制器进行车身高度切换控制。

背景技术

车辆在不同行驶工况下，对车身高度具有不同要求，例如，当车辆高速行驶时，通过降低车身高度可以提高车辆贴地性能，在提高车辆高速行驶稳定性的同时还可以降低风阻和油耗；当车辆以较低的速度行驶在崎岖道路上时，通过提升车身高度，可以降低悬架撞击限位概率，提高车辆行驶通过性。传统悬架由于结构部件的限制无法实现车身高度调节，从而一定程度上限制了车辆动态性能的进一步提升。

随着汽车技术的快速发展，以电控空气悬架为代表的新型车辆悬架突破了这一技术瓶颈，实现了对车身高度的有效控制。以电控空气悬架为例，车身高度的调节原理是：当车身高度需要提升时，系统将压缩气体充入空气弹簧，空气弹簧高度增加，当车身高度需要降低时，系统将压缩气体排出空气弹簧，空气弹簧高度降低，即通过改变空气弹簧的高度实现车身高度的主动调节，因此，空气弹簧的充放气控制成为实现车身高度调节的关键。

空气弹簧的充放气是由电磁阀的开关进行控制，但由于电磁阀的进、出气口较大，因此，无论电磁阀的反应有多么灵敏，都有可能会有过量的气体充入或者放出气囊，从而导致车身高度偏离期望目标高度。为了精确保持目标高度，同时改善车身高度调节过程中出现的振荡现象，空气弹簧的充放气过程必须进行控制。

PID控制便于工程实现并且在实际中得到了广泛应用，但由于传统PID控制参数一旦确定便无法改变，因此，当系统特性变化时，控制效果便会降低。近年来，PID控制参数自整定技术得到了快速发展，但是基于模型的PID参数自整定应用效果仍不理想，虽然可以通过其他智能化技术如模糊推理实现PID控制参数的自整定，但系统实现较为复杂，并且增加了控制成本。

因此，针对车身高度控制这类由于目标模式改变而引起控制模型改变的控制问题，需要提出一种控制器参数可变的控制方法，并且易于实现，结构简单。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，针对不同的高度调节目标模式分别采用具有不同控制参数的车身高度PID控制器，以此实现对车身高度精确有效的控制。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，将车身高度定义为“车身高位”、“车身中位”以及“车身低位”三种模式，利用车速传感器和车身高度传感器在线提取反映车辆实际行驶状况的相关信号，将所述信号发送至车身高度调节目标模式确定单元，所述车身高度调节目标模式确定单元根据所述信号确定车身高度调节目标模式；建立切换控制单元，所述切换控制单元根据不同的车身高度调节目标模式分别选择具有不同控制参数的PID控制器进行车身高度控制。

进一步，前述方法中，车身高度调节目标模式确定单元确定所述车身高度调节目标模式的条件为：

A所述车身高度调节目标模式由“车身中位”跃变为“车身低位”的条件为：车速达到进入“车身低位”模式的临界车速，且持续时间大于参考时间，为防止车身高度调节目标模式出现频繁切换，参考时间不低于5秒。

B所述车身高度调节目标模式由“车身中位”跃变为“车身高位”的条件为：在一个观测周期内，车身高度变化值超过参考值的次数达到临界次数，为防止车身高度调节目标模式出现频繁切换，观测周期不低于5秒。

C所述车身高度调节目标模式由“车身低位”只能跃变为“车身中位”，其条件为：

设定参考车速为所述进入“车身低位”模式的临界车速减去车速滞回区间值，当车速低于此参考车速时，进入所述“车身中位”模式，由于滞回区间的存在，此时无需进行持续时间的判断。

D所述车身高度调节目标模式由“车身高位”只能跃变为“车身中位”，其条件为：

在一个观测周期内，车身高度变化值超过参考值的次数低于临界次数，为防止车身高度调节目标模式出现频繁切换，观测周期不低于5秒。

进一步，前述方法中，所述车身高度PID控制器控制参数的确定包括以下步骤：

E建立空气悬架车身高度控制模型，所述车身高度控制模型主要包括车身（1）、非簧载质量（4）以及连接二者的空气弹簧（2）和减振器（3），所述非簧载质量（4）通过车轮（5）与路面（6）相连，所述空气弹簧（2）的充放气是由电磁阀（7）进行控制，当需要充气时，气体由储气罐（8）经电磁阀（7）、管路（10）流入空气弹簧（2），当需要放气时，空气弹簧（2）中的气体经管路（10）、电磁阀（7）释放到大气环境（9）中。

F根据车身高度调节目标模式对车身高度控制模型中的相关参数进行调整，具体调整过程为：当目标模式为“车身低位”模式时，车身高度控制模型中的车速设定为90km/h，路面等级为B级；当目标模式为“车身中位”模式时，车身高度控制模型中的车速设定为60km/h，路面等级为C级；当目标模式为“车身高位”模式时，车身高度控制模型中的车速设定为20km/h，路面等级为E级。

G根据车身高度调节目标模式的不同，分别设置不同的车身高度跟踪偏差死区范围，其中，车身低位模式的死区范围为2mm，车身中位模式的死区范围为3mm，车身低位模式的死区范围为5mm。

H根据经过参数调整后的车身高度控制模型以及设定的不同车身高度跟踪偏差死区范围，以车身高度控制性能最优为目标，进行车身高度PID控制器控制参数的差异化整定，从而分别形成车身低位车身高度PID控制器、车身中位车身高度PID控制器和车身高位车身高度PID控制器；所述PID控制器的控制输出为进出空气弹簧的气体质量流量，将所述气体质量流量的控制量转化为PWM占空比，再通过控制PWM占空比的方式实现对电磁阀的开关控制。

进一步，前述方法中，所述切换控制单元接受来自车身高度调节目标模式确定单元的信号，根据所述信号确定车身高度PID控制器的选择，其选择过程为：当目标模式为“车身低位”模式时，选择车身低位车身高度PID控制器；当目标模式为“车身中位”模式时，选择车身中位车身高度PID控制器；当目标模式为“车身高位”模式时，选择车身高位车身高度PID控制器。

由以上本发明的技术方案可知，其有益效果在于针对不同的车身高度调节目标模式，分别建立了三个具备不同参数的车身高度控制模型，并且完成了相应的车身高度PID控制器控制参数差异化整定，实现了对车身高度的针对性控制，同时通过在不同高度模式下设置不同的高度跟踪偏差死区范围，可以更加有效地消除由于频繁控制所引起的系统振荡，车身高度控制效果可以得到明显提升。

附图说明

图1为车身高度调节目标模式变迁图。

图2为车身高度PID控制器控制参数差异化整定流程图。

图3为车身高度控制模型图。

图4为车身高度PID控制器的切换控制图。

图中：!为逻辑非；&为逻辑与；1-车身 2-空气弹簧 3-减振器 4-非簧载质量 5-车轮 6-路面垂直振动输入 7-电磁阀 8-储气罐 9-大气环境。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，将车身高度定义为“车身高位”、“车身中位”以及“车身低位”三种模式，利用车速传感器和车身高度传感器在线提取反映车辆实际行驶状况的相关信号，将所述信号发送至车身高度调节目标模式确定单元，所述车身高度调节目标模式确定单元根据所述信号确定车身高度调节目标模式。图中，e₁、e₂、e₃和e₄分别代表车辆在行驶过程中的行驶工况变化事件，其中，e₁为：车速v低于进入“车身低位”模式的临界车速v ₀减去车速滞回区间值v _h，即v<(v ₀-v _h)；e₂为：车速v达到进入“车身低位”模式的临界车速v ₀，且持续时间t大于参考时间t ₀，即(v≥v ₀)&(t>t ₀)；e₃为：在一个观测周期T内（T≧5s），车身高度变化值Δ_h超过参考值h ₀的次数n低于临界次数n ₀，即n<n ₀；e₄为：在一个观测周期T内（T≧5s），车身高度变化值Δ_h超过参考值h ₀的次数n达到临界次数n ₀，即n≧n ₀。

图2为车身高度PID控制器控制参数差异化整定流程图，首先根据目标车辆建立车身高度控制模型，然后针对不同的车身高度调节目标模式，进行车身高度控制模型中的部分参数调整，具体参数调整过程将在建立车身高度控制模型时进行叙述，最后根据调整后的车身高度控制模型，以高度控制性能最优为目标，进行PID控制器控制参数的差异化整定，达到最优则参数整定完毕，否则继续进行参数整定。同时，为了防止由于频繁控制而引起的系统振荡，在PID控制器控制参数整定时，针对不同的高度调节模式分别设置不同的高度跟踪偏差死区范围e ₀，其中，车身低位模式的死区范围为2mm，车身中位模式的死区范围为3mm，车身低位模式的死区范围为5mm。因此，车身高度跟踪误差e _k可用下式表示：

（1）

如图3所示，建立车身高度单轮控制简化模型，包括车身1、非簧载质量4以及连接二者的空气弹簧2和减振器3，非簧载质量4通过车轮5与路面6相连。空气弹簧2的充放气通过电磁阀7控制，当需要充气时，气体由储气罐8经电磁阀7、管路10流入空气弹簧2，当需要放气时，气体经管路10、电磁阀7释放到大气环境9中。

把整个车身高度调节过程分为空气弹簧变质量充放气过程和电磁阀关闭后的系统稳定过程。根据热力学第一定律，建立空气弹簧变质量充放气模型为：

（2）

式中，

是绝热系数，

为气体常数，为空气弹簧内的温度，

为流入（或者流出，为负值）空气弹簧的气体质量流量，m为气体质量，t为时间，为空气弹簧体积，为空气弹簧内绝对压力。

当电磁阀关闭后，即

，系统将成为内部气体质量不变的封闭状态，这是一个延续电磁阀关闭前的多变过程，因此其初始状态即为上一过程的最终状态，故有下式：

（3）

为了将空气弹簧充放气热力学过程和悬架动力学行为结合起来，在建立车身高度控制模型时，空气弹簧的垂向作用力F采用下式：

（4）

式中，P _a为大气压强，

为空气弹簧有效面积，同时，空气弹簧体积的变化可以近似看成容积变化率下的垂直位移变化，即

（5）

式中，

为空气弹簧容积变化率，

为车身垂直位移，

为非簧载质量垂直位移。因此，式（2）可以进一步写成

（6）

式中，为气体质量流量。

根据车辆系统动力学原理，悬架动力学行为可用下式表示：

（7）

（8）

式中，

为车身质量，为非簧载质量，c为减振器阻尼系数，为轮胎刚度，

为路面垂直振动输入。路面不平度时域表达式如下：

（9）

式中，v为车辆行驶速度，

为路面不平度系数，与路面等级有关，为均值为0的高斯白噪声。由路面输入表达式可以看出，路面输入受到车速和路面等级的影响，而不同车身高度调节目标模式与车辆行驶工况有关，因此，路面输入要随着车身高度调节目标模式的不同进行调整，即车身高度控制存在差异性。

根据所定义的车身高度调节目标模式以及车辆实际行驶工况，对车身高度控制模型中的参数进行调整，具体为：当目标模式为“车身低位”模式时，车速设定为90km/h，路面等级为B级；当目标模式为“车身中位”模式时，车速设定为60km/h，路面等级为C级；当目标模式为“车身高位”模式时，车速设定为20km/h，路面等级为E级。根据调整后的车身高度控制模型以及车身高度跟踪偏差死区范围，以高度控制性能最优为目标，应用临界比例法对PID控制器控制参数进行差异化整定，整定后得到各PID控制器的控制参数K _p（比例系数）、K _i（积分系数）、K _d（微分系数）如下：当目标模式为“车身低位”模式时，K _p=3、K _i=0.15、K _d=1.8；当目标模式为“车身低位”模式时，K _p=2.4、K _i=0.28、K _d=0.6；当目标模式为“车身低位”模式时，K _p=4.5、K _i=0.12、K _d=2.6。

当车身高度控制器设计完毕后，建立切换控制单元，进行车身高度PID控制器的切换控制，如图4所示。切换控制单元接受来自高度调节目标模式确定单元的信号，根据该信号选择相应的车身高度PID控制器，即：当高度调节目标模式为“车身低位”时，切换控制单元选择车身低位车身高度PID控制器，当高度调节目标模式为“车身中位”时，切换控制单元选择车身中位车身高度PID控制器，当高度调节目标模式为“车身高位”时，切换控制单元选择车身高位车身高度PID控制器。然后控制器根据车身高度跟踪偏差以及设定的死区范围对车身高度进行控制，控制器的输出为进出空气弹簧的气体质量流量，将所述气体质量流量的控制量转化为PWM占空比，再通过控制PWM占空比的方式实现对电磁阀的开关控制，控制系统的输出为车身实际高度。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。

熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，其特征在于，将车身高度定义为“车身高位”、“车身中位”以及“车身低位”三种模式，利用车速传感器和车身高度传感器在线提取反映车辆实际行驶状况的相关信号，将所述信号发送至车身高度调节目标模式确定单元，所述车身高度调节目标模式确定单元根据所述信号确定车身高度调节目标模式；建立切换控制单元，所述切换控制单元根据不同的车身高度调节目标模式分别选择具有不同控制参数的PID控制器进行车身高度控制。

2.根据权利要求1所述的一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，其特征在于，所述车身高度调节目标模式确定单元确定所述车身高度调节目标模式的条件为：

A 所述车身高度调节目标模式由“车身中位”跃变为“车身低位”的条件为：车速达到进入“车身低位”模式的临界车速，且持续时间大于参考时间，为防止所述车身高度调节目标模式出现频繁切换，所述参考时间不低于5秒；

B 所述车身高度调节目标模式由“车身中位”跃变为“车身高位”的条件为：在一个观测周期内，车身高度变化值超过参考值的次数达到临界次数，为防止所述车身高度调节目标模式出现频繁切换，所述观测周期不低于5秒；

设定参考车速为所述进入“车身低位”模式的临界车速减去车速滞回区间值，当车速低于此参考车速时，进入所述“车身中位”模式，由于滞回区间的存在，此时无需进行持续时间的判断；

D 所述车身高度调节目标模式由“车身高位”只能跃变为“车身中位”，其条件为：

在一个观测周期内，车身高度变化值超过参考值的次数低于临界次数，为防止所述车身高度调节目标模式出现频繁切换，所述观测周期不低于5秒。

3.根据权利要求1所述的一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，其特征在于，所述车身高度PID控制器控制参数的确定包括以下步骤：

E建立空气悬架车身高度控制模型，所述车身高度控制模型主要包括车身（1）、非簧载质量（4）以及连接二者的空气弹簧（2）和减振器（3），所述非簧载质量（4）通过车轮（5）与路面（6）相连，所述空气弹簧（2）的充放气是由电磁阀（7）进行控制，当需要充气时，气体由储气罐（8）经电磁阀（7）、管路（10）流入空气弹簧（2），当需要放气时，空气弹簧（2）中的气体经管路（10）、电磁阀（7）释放到大气环境（9）中;

F根据车身高度调节目标模式对车身高度控制模型中的相关参数进行调整，具体调整过程为：当目标模式为“车身低位”模式时，车身高度控制模型中的车速设定为90km/h，路面等级为B级；当目标模式为“车身中位”模式时，车身高度控制模型中的车速设定为60km/h，路面等级为C级；当目标模式为“车身高位”模式时，车身高度控制模型中的车速设定为20km/h，路面等级为E级;

G根据车身高度调节目标模式的不同，分别设置不同的车身高度跟踪偏差死区范围，其中，车身低位模式的死区范围为2mm，车身中位模式的死区范围为3mm，车身低位模式的死区范围为5mm;

4.根据权利要求1所述的一种电控空气悬架车身高度多模式切换控制方法，其特征在于，所述切换控制单元接受来自车身高度调节目标模式确定单元的信号，根据所述信号确定车身高度PID控制器的选择，其选择过程为：当目标模式为“车身低位”模式时，选择车身低位车身高度PID控制器；当目标模式为“车身中位”模式时，选择车身中位车身高度PID控制器；当目标模式为“车身高位”模式时，选择车身高位车身高度PID控制器。