CN107825930A - 一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法 - Google Patents
一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法，具体为：测得簧下质量、簧上质量的加速度信号和；将测得的加速度信号分别进行积分，得到相对应的振动速度和；通过天棚控制方法和地棚控制方法得到天棚阻尼力Fsky、地棚阻尼力Fground；将得到的天棚阻尼力Fsky和地棚阻尼力Fground进行加权求和，得到混合棚阻尼力F，其加权系数分别为α与1‑α；采用模糊控制对天棚阻尼加权系数α进行动态匹配；模糊控制时两个输入接口分别输入误差、误差变化率
Description
技术领域
本发明属于车辆振动控制领域，具体涉及一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法。
背景技术
汽车在行驶过程中，悬架将传递车轮与车身之间所有的作用力，其性能直接影响车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性、行驶安全性。传统被动悬架系统因其悬架刚度和阻尼系数无法实时自动调整，严重制约其行驶平顺性和操纵稳定性的提升空间，在整车开发中迫切需要一款具有高控制精度、结构简单的悬架系统。
目前用于车辆悬架的控制方法主要包括：天棚控制、地棚控制、LQG控制、H无穷最优控制、滑模控制、自适应控制、模糊控制等。各种控制方法均有其优点，但也有些方法受结构及计算量的影响应用性较差。从工程应用出发，天棚控制以及地棚控制由于其结构简单、控制效果好，在很多车上得到应用。但是其适应性较差，只能根据预先设计的参数值进行悬架控制，无法给出所有工况下的最优控制。模糊控制可以处理系统不确定性问题，因此非常适用于具有随机扰动和复杂数学模型的汽车悬架系统，并具有较好的鲁棒性。近年来，基于专家经验的模糊控制器在车辆悬架设计中得到广泛应用。不过由于模糊控制器输入接口的限制，只能控制一项性能指标，同时其对输入量的区间范围较为敏感。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法，该控制方法将混合棚控制方法和模糊控制方法结合，以车身与车轮的振动速度、加速度为输入，通过模糊控制与混合棚的联合控制，得到最优的减振器阻尼控制力，显著提高悬架的性能，增加车辆的乘坐舒适性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
步骤S1、采用混合棚控制方法，将天棚控制方法与地棚控制方法进行融合，分别通过加速度传感器测得簧下质量的加速度信号和簧上质量的加速度信号
步骤S2、将测得的簧下质量加速度信号、簧上质量加速度信号分别进行积分，得到相对应的簧下质量振动速度和簧上质量振动速度用采集得到的簧下质量振动速度以及簧上质量振动速度分别通过天棚控制方法和地棚控制方法得到天棚阻尼力Fsky、地棚阻尼力Fground；
步骤S3、将得到的天棚阻尼力Fsky和地棚阻尼力Fground进行加权求和，得到混合棚阻尼力F，其加权系数分别为α与1-α；
F＝α×Fsky+(1-α)×Fground
步骤S4、采用模糊控制对天棚阻尼加权系数α进行动态匹配，模糊控制时采用二输入单输出模糊控制器，其两个输入接口分别输入误差、误差变化率，输出为天棚阻尼加权系数α；所述误差为式中的β为簧下质量与簧上质量振动速度的归一系数，通过被动悬架在路面输入下的簧下质量与簧上质量振动速度的均方根值的比例进行确定；所述误差变化率为式中的γ为簧下质量与簧上质量振动加速度的归一系数，通过被动悬架在路面输入下的簧下质量与簧上质量振动加速度的均方根值的比例进行确定。
本发明步骤S1是通过安装在四分之一悬架车轮上方的加速度传感器，测得簧下质量的加速度信号通过安装在四分之一悬架车身上的加速度传感器，测得簧上质量的加速度信号
步骤S2、用采集得到的簧下质量振动速度以及簧上质量振动速度分别通过天棚控制方法和地棚控制方法得到天棚阻尼力Fsky、地棚阻尼力Fground，
所述天棚控制方法为：
式中，Fsky为天棚阻尼力；Csky为天棚阻尼系数；
所述地棚控制方法：
式中，Fground为地棚阻尼力；Cground为地棚阻尼系数。
作为本发明的优选，所述步骤S4模糊控制时，将输入的误差及误差变化率分为7段，分别为负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB；输出的天棚阻尼加权系数也采用负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB七个模糊变量，其值均控制在0-1。
作为本发明的进一步优选，模糊控制规则制定的原则为：当误差大时，选择控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统稳定性为主。
本发明的优点与积极效果：
1、本发明采用混合棚控制方法来控制减振器阻尼控制力，该方法可以有效结合天棚控制方法和地棚控制方法各自的优势，将天棚控制与地棚控制的优点进行融合，同时实现车身加速度与轮胎动载荷的优化，保证汽车行驶平顺性和轮胎抓地性，实现悬架综合性能的最优化。
2、本发明采用模糊控制器对天棚、地棚的加权系数进行动态优化，可以根据不同的激励输入匹配最优的加权系数；通过在不同激励下选择不同的加权系数，可有效减小簧载质量和非簧载质量的速度及加速度的峰值，并减小其均方根值。
3、本发明模糊控制时，对模糊控制器的输入量进行全新设计，选用作为误差，作为误差变化率，不仅可以体现误差变化量和对控制器的影响，而且可以包含簧下质量振动情况和簧上质量振动情况之间的的相对关系。同时该误差及误差变化率无论在什么工况下均控制在因此该模糊控制器的论域可始终选为而不用对其进行变论域控制，不仅结构简单，而且控制精度较高。
4、本发明根据经验制定模糊控制规则，可以针对不同的输入得出最优的加权系数，实现最优的控制效果。
附图说明
图1是四分之一半主动悬架系统示意图。
图2是采用一个模糊控制器以及变论域控制的系统图。
图3是采用两个模糊控制器以及变论域控制的系统图。
图4是被动悬架的簧载质量、非簧载质量的速度与加速度仿真结果及归一化处理。
图5是本发明智能模糊混合棚半主动控制的系统图。
图6是本发明中模糊控制器的规则表。
具体实施方式
为使本领域技术人员清楚理解本发明的技术方案及其优点，下面结合具体实施案例对本发明进行详细描述，但并不用于对本发明保护范围的限定。
本发明通过对天棚控制方法、地棚控制方法、模糊控制方法这三种半主动悬架控制方法进行深入剖析，针对它们在设计上存在的不足，提出了一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法，具体说明如下：
如图1所示，四分之一半主动悬架系统模型包括：簧下质量m和簧上质量M，该四分之一主动悬架系统模型忽略了轮胎的阻尼特性，簧下质量m与地面1之间可等效为车轮弹簧2，其刚度为kt；簧下质量m和簧上质量M之间连接着等效的悬架弹簧3，其刚度为k；簧下质量m和簧上质量M还安装有减振器4，其阻尼值C可以根据半主动控制的结果进行动态改变。
首先，为提高悬架行驶平顺性以及轮胎抓地能力，本发明利用混合棚半主动控制方法得到混合棚阻尼力，具体步骤如下：
步骤S1，对于以上四分之一半主动悬架系统模型，可以通过通过安装在四分之一悬架车轮上方的加速度传感器，测得簧下质量m的加速度信号通过安装在四分之一悬架车身上的加速度传感器，测得簧上质量M的加速度信号
步骤S2、将测得的簧下质量、簧上质量的加速度信号分别进行积分，得到相对应的簧下质量和簧上质量的振动速度和用采集得到的簧下质量以及簧上质量的振动速度，分别通过天棚控制方法和地棚控制方法计算得到两个阻尼力；
所述天棚控制方法：
式中，Fsky为天棚阻尼力；Csky为天棚阻尼系数；
所述地棚控制方法：
式中，Fground为地棚阻尼力；Cground为地棚阻尼系数；
步骤S3、将得到的天棚阻尼力和地棚阻尼进行加权求和，得到混合棚阻尼力F，其加权系数分别为α与1-α；
混合棚阻尼力：F＝α×Fsky+(1-α)×Fground；
通过混合棚控制可以同时优化车身加速度和轮胎动载荷，实现行驶平顺性和操纵稳定性的兼顾。
由于汽车行驶的工况较为复杂，固定的加权系数只能适应设计工况下对悬架的优化控制；当路面输入变化后，其并无法产生最优的效果；为进一步提高混合棚的控制效果，需要使悬架控制系统可以根据车身加速度和轮胎动载荷的变化，动态控制加权系数，因此本发明所述的控制方法还包括步骤S4、通过模糊控制对天棚阻尼加权系数进行动态匹配。
首先，传统的模糊控制器由于其输入接口的限制，无法同时对多个参数进行匹配。如图2所示，若只使用一个模糊控制器，并分别以和作为误差，将无法体现误差变化率和的影响，其控制效果并不理想。如图3所示，若使用两个模糊控制器，第一个模糊控制器以和作为误差，第二个模糊控制器以和作为误差，将无法包含簧下质量振动情况和簧上质量振动情况之间的的相对关系，不仅控制效果不理想，而且计算量过大。
同时，以上两种模糊控制器均匀测量量作为输入，由于在不同等级的路面上，误差及误差变化率的变化幅度较大，为了进一步提高控制精度一般需要再添加一个模糊控制器进行变论域控制，结构过于复杂。
本发明步骤S4采用模糊控制对天棚阻尼加权系数进行动态匹配时，通过合理的设计避免了以上所论及的种种弊端，所述的模糊控采用以下方案实现：
(1)采用比例的输入形式，对于二输入模糊控制器，可以实现对四个参数进行同时考虑。
(2)对簧上质量和簧下质量的振动速度进行归一化处理，对簧上质量和簧下质量的加速度进行归一化处理，一次使输入量的论域可以始终保持在固定的范围，提高控制精度。
(3)将输入量及输出量均分成7个等级，并根据不同输入量所对应的物理意义及需求，制定合理的规则表。
具体的使用作为误差，作为误差变化率，该设计可以利用模糊控制的两个输入接口，体现误差变化量和对控制器的影响，而且可以包含簧下质量振动情况和簧上质量振动情况之间的的相对关系。式中的β为簧下质量与簧上质量振动速度的归一系数，可通过被动悬架在路面输入下的簧下质量与簧上质量振动速度的均方根值的比例进行确定；γ为簧下质量与簧上质量振动加速度的归一系数，可通过被动悬架在路面输入下的簧下质量与簧上质量振动加速度的均方根值的比例进行确定。如图4所示，其中RMS表示均方根值，因此对于该车辆模型而言，归一系数可取β＝0.0784，γ＝0.365。通过以上归一，可使误差与误差变化率均控制在的范围内，因此该设计可以解决误差及误差变化率在不同路面上变化幅度较大对控制精度造成的影响。
具体的使用图6中的模糊控制规则，将误差及误差变化率分为7段，分别为负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB；输出为天棚阻尼加权系数，也采用NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB七个模糊变量，且其值控制在0-1。模糊控制规则制定的原则为：当误差大时，选择控制量以尽快消除误差为主：当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统稳定性为主。
当误差与误差变化率均为NB是，即表示簧上质量的速度值远大于加权后的簧下质量的速度值，簧上质量的加速度值远大于加权后的簧下质量的加速度值，且簧上质量的速度和加速度在同一方向，速度有进一步增大的趋势，因此输出应该为正大的一个值。该正大的输出意味着天棚控制的加权系数为1，即主要利用天棚控制施加一个与车身速度相反的力来提高汽车行驶平顺性。规则表中其余内容可根据相同的逻辑推得。
当然，本领域技术人员也可以对上述的控制结构及控制表进行若干的改变和调整，以便满足特定的附带需求，然而所有的这些改变和调整都落入本发明权利要求定义的保护范围内。
Claims (3)
1.一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1、采用混合棚控制方法，将天棚控制方法与地棚控制方法进行融合，分别通过加速度传感器测得簧下质量的加速度信号和簧上质量的加速度信号
步骤S2、将测得的簧下质量加速度信号、簧上质量加速度信号分别进行积分，得到相对应的簧下质量振动速度和簧上质量振动速度用采集得到的簧下质量振动速度以及簧上质量振动速度分别通过天棚控制方法和地棚控制方法得到天棚阻尼力Fsky、地棚阻尼力Fground；
步骤S3、将得到的天棚阻尼力Fsky和地棚阻尼力Fground进行加权求和，得到混合棚阻尼力F，其加权系数分别为α与1-α；
混合棚阻尼力F＝α×Fsky+(1-α)×Fground
步骤S4、采用模糊控制对天棚阻尼加权系数α进行动态匹配，模糊控制时采用二输入单输出模糊控制器，其两个输入接口分别输入误差、误差变化率，输出为天棚阻尼加权系数α；所述误差为式中的β为簧下质量与簧上质量振动速度的归一系数，通过被动悬架在路面输入下的簧下质量与簧上质量振动速度的均方根值的比例进行确定；所述误差变化率为式中的γ为簧下质量与簧上质量振动加速度的归一系数，通过被动悬架在路面输入下的簧下质量与簧上质量振动加速度的均方根值的比例进行确定。
2.根据权利要求1所述的一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法，其特征在于：所述步骤S1是通过安装在四分之一悬架车轮上方的加速度传感器，测得簧下质量的加速度信号通过安装在四分之一悬架车身上的加速度传感器，测得簧上质量的加速度信号
所述步骤S2、用采集得到的簧下质量振动速度以及簧上质量振动速度分别通过天棚控制方法和地棚控制方法得到天棚阻尼力Fsky、地棚阻尼力Fground，
所述天棚控制方法为：
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式中，Fsky为天棚阻尼力；Csky为天棚阻尼系数；
所述地棚控制方法：
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式中，Fground为地棚阻尼力；Cground为地棚阻尼系数。
3.根据权利要求1所述的一种用于车辆悬架系统的智能模糊混合棚半主动控制方法，其特征在于：所述步骤S4模糊控制时，将输入的误差及误差变化率分为7段，分别为负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB；输出的天棚阻尼加权系数也采用负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB七个模糊变量，其值均控制在0-1；模糊控制规则制定的原则为：当误差大时，选择控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统稳定性为主。
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