CN110843449B - 一种阻尼多模式半主动悬架电控系统的模糊切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻尼多模式半主动悬架电控系统的模糊切换控制方法，首先利用传感器，获得簧上质量加速度，簧下质量加速度，将获得的加速度信号进行积分得到簧上和簧下质量的速度和位移信号。进而将速度位移信号进行处理，作为悬架此时拉伸压缩状态的判断依据，并以此作为模糊控制器的输入信号，进行模糊判别，输出为悬架的两个高速开关电磁阀的开闭信号。开闭信号控制高速开关电磁阀的通断状态，使得不论车辆处于何种状态时，悬架都能提供很好的减振效果。本发明可以实现悬架系统很好的阻尼切换控制效果，并且利用了模糊控制避免了传统控制计算量大的缺点，提高了车辆行驶平顺性。

Description

一种阻尼多模式半主动悬架电控系统的模糊切换控制方法
技术领域
本发明涉及汽车悬架系统控制领域，具体设计一种汽车阻尼多模式半主动悬架模糊切换控制方法。
背景技术
近年来，随着人们对车辆乘坐舒适性要求的逐渐提高，高性能悬架系统的研究日益受到广泛关注。相较于传统被动悬架和主动悬架，半主动悬架由于能够更好地兼顾悬架系统性能、成本以及能耗等多方面要求，因而发展前景十分广阔。一般而言，车辆半主动悬架是通过阻尼连续可调减振器实现悬架系统阻尼特性的自适应调节。这些不同类型的减振器在阻尼调节方面均具有卓越的性能，但是仍然面临一定程度上的结构复杂、成本高以及控制难度大等问题，进而制约了车辆半主动悬架的快速发展。与此同时，已有研究表明，较小的阻尼变化并不会对车辆半主动悬架的控制效果产生显著影响，因此，进一步研究结构简单、成本低以及控制难度较小的阻尼多级可调减振器具有重要的学术意义和实际工程应用价值。
目前关于阻尼多级可调悬架的研究大多集中在悬架减振器整体参数确定以及阻尼调节机构设计等方面，对包含阻尼多模式切换减振器的车辆半主动悬架控制策略方面则较少涉及。
特别对于阻尼档位切换控制，传统的连续可调悬架阻尼控制方法不再适用，无法较好的实现控制器连续输入离散输出的要求，并且传统控制计算量较大，对模型精度要求高，控制不够精确。
发明内容
本发明旨在提供一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，该方法分别通过对悬架阻尼调节结构中的两个电磁阀进行模糊控制，以悬架动行程位移及其导数作为输入，输出为每个电磁阀的开关控制信号，通过两个电磁阀开闭实现悬架阻尼档位的切换，显著地提高了悬架性能和车辆的平顺性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，包括以下步骤：
步骤1、首先建立半主动悬架系统模型，由系统模型确定悬架基于安全性和舒适性的最佳阻尼比，进而确定悬架阻尼切换控制中各个档位划分和阻尼范围；
步骤2、根据确定的悬架档位划分，基于悬架流体力学方程确定相关参数选取并建立数学模型进行仿真分析，获得各模式下相应速度位移特性曲线；
步骤3、分别使用加速度传感器测量车辆簧下质量和簧上质量的加速度信号
Figure BDA0002246131600000021
和
Figure BDA0002246131600000022
将簧下质量和簧上质量加速度信号进行多次积分得到相应的速度和位移信号，进而求得悬架动行程及其导数作为模糊控制器的输入；
步骤4、分别建立关于电磁阀s1和电磁阀s2的模糊控制器，将输入的信号进行模糊判别，输出为在(0，1)之间连续的两个电磁阀开关趋势信号；建立模糊控制规则选取的标准，使得悬架处于拉伸和压缩两种工作行程都能获取最佳对应的阻尼模式；
步骤5、对模糊输出开关控制信号进行取整，输出为0和1控制信号控制两个电磁阀开闭，使得阻尼模式发生变化。
进一步，所述步骤1建立的半主动悬架系统模型为：
Figure BDA0002246131600000023
式中，ms为簧上质量，mu为簧下质量，k为悬架等效弹簧刚度，kt为轮胎的等效刚度，zs为簧上质量位移，zu为簧下质量位移，zr为路面的激励，c为阻尼系数；
为了方便，引入以下变量：
Figure BDA0002246131600000024
式中：rk为刚度比，rm为质量比，ω0为车身固有圆频率，ξ为悬架系统阻尼比；
以车身的垂向加速度作为判断舒适性指标，车轮动载荷作为判断安全性指标，根据之前建立的半主动悬架模型，分别求得在受到白噪声振动下关于舒适性和安全性的响应解析式：
Figure BDA0002246131600000025
Figure BDA0002246131600000026
式中：n0为空间频率，v为车速，Gq(n0)为路面不平系数。
分别
Figure BDA0002246131600000031
得到悬架基于舒适性最佳阻尼比：
Figure BDA0002246131600000032
悬架基于安全性最佳阻尼比：
Figure BDA0002246131600000033
根剧ξoc和ξos确定悬架切换控制的阻尼比范围为[ξoc,ξos]，多模式半主动悬架共分为4个档位，规定复原行程和压缩行程由模式1到模式4阻尼系数分别由小到大，悬架阻尼特性依次变硬，因此将基于舒适性的阻尼系数
Figure BDA0002246131600000034
作为模式1的阻尼大小选取依据，
Figure BDA0002246131600000035
作为模式4的阻尼大小选取依据，模式2和模式3的阻尼系数分别取其中间值。
进一步，步骤4建立的模糊控制规则中，需满足：当悬架动行程满足要求时，保持阻尼器为低档模式，阻尼较小，使得悬架能够获得较好的舒适性能，垂向加速度较小；当悬架动行程不满足要求时，此时控制电磁阀闭合，使得阻尼器变为高档位模式，阻尼变大，降低悬架动行程和动载荷。
进一步，步骤4中悬架处于拉伸和压缩两种工作行程都能获取最佳的对应阻尼模式，具体过程为：悬架分为拉伸和压缩两种工作行程，即zs-zu＞0，此时悬架处于拉伸行程，zs-zu＜0，悬架处于压缩行程；zs-zu＞0时:若
Figure BDA0002246131600000036
此时悬架处于拉伸行程，且有继续拉伸的趋势，减振器应趋向于使用硬拉伸模式，选取模式2或模式4；若
Figure BDA0002246131600000037
此时有压缩趋势，选取模式3；zs-zu＜0时:若
Figure BDA0002246131600000038
此时悬架处于压缩行程，且有继续压缩的趋势，减振器应趋向于使用硬压缩模式，选取模式3或模式4；若
Figure BDA0002246131600000039
此时有拉伸趋势，选取模式2；若悬架动行程及其导数均较小，此时采用模式1，减振器保持软压缩软复原状态。
进一步，步骤4中，对模糊控制器的输入动行程E及其导数
Figure BDA00022461316000000310
采用五个模糊集表示它们的模糊状态，相应的模糊子集为PB为正大、PM为正中、PS为正小、ZE为零、NS为负小、NM为负中、NB为负大；而对于输出的电磁阀开闭控制信号采用五个模糊集表示对电磁阀开闭控制趋势，即ZE为闭、S为小、M为中、B为大、K为开；在设计中，输入变量E和
Figure BDA00022461316000000311
的基本论域分别设置为[-0.1,0.1]和[-0.5,05],模糊输出的基本论域为[0,1]；模糊控制的隶属度函数选取：输入变量采用三角形函数，输出变量采用高斯型函数。
进一步，步骤4中，对于电磁阀s1建立模糊规则表具体可描述为：当输入变量动行程语言值E变量为NB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA00022461316000000411
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为NM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000041
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为NS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000042
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，S，S，S；当输入变量动行程语言值E变量为ZE，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000043
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为M，M，K，K，K，M，M；当输入变量动行程语言值E变量为PS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000044
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为B，B，B，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为PM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000045
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为K，K，B，M，B，K，K；当输入变量动行程语言值E变量为PB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA00022461316000000412
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为K，K，B，M，B，K，K；
对于电磁阀s2,建立模糊规则表具体可描述为：当输入变量动行程语言值E变量为NB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000046
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，B，K，K。当输入变量动行程语言值E变量为NM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000047
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，B，K，K；当输入变量动行程语言值E变量为NS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000048
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为ZE，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000049
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为M，M，K，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为PS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA00022461316000000410
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，S，S，S；当输入变量动行程语言值E变量为PM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000051
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为PB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000052
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE。
进一步，步骤5中还包括，模糊控制器在接受到输入后，输出的是(0,1)范围内连续的电磁阀开关控制趋势，因此对于输出还需要进行取整，因此在模糊控制器后面进行四舍五入化取整，当输出为0时，控制电磁阀闭合，输出为1时，电磁阀打开，通过模糊控制和取整，可以实现悬架阻尼模式切换并避免切换系统频繁跳变的产生。
本发明的优点与积极效果
1.本发明基于两种不同最佳阻尼比确定了悬架阻尼范围和档位划分，分别在悬架安全性和舒适性作了权衡，为悬架阻尼档位划分提供了有效地依据。
2.本发明采用了模糊控制方法，很好的实现了悬架阻尼档位的切换控制。采用模糊控制避免了传统控制计算量大，对模型要求精确的缺点，并且具有较高的容错率。并且通过模糊控制离散化的方法，通过模糊控制和取整，有效地避免了在切换控制中跳变的可能性，使得控制器较为稳定。
3.本发明根据悬架拉伸压缩情况制定了模糊规则，使得悬架处于拉伸和压缩两种工作行程都能获取最佳对应的阻尼模式，有效避免了悬架产生的过度拉伸和压缩趋势，能够很好地抑制悬架的垂向振动。经过仿真分析，采用该模糊控制的多阻尼模式半主动悬架，悬架动行程和垂向加速度也获得的很好的优化。
附图说明
图1：半主动悬架系统示意图
图2：多阻尼模式悬架减振器结构示意图
图3：悬架电磁阀s1模糊输入输出曲面图
图4：悬架电磁阀s2模糊输入输出曲面图
图5：随机路面输入下电磁阀s1模糊控制输出的开关信号
图6：随机路面输入下电磁阀s2模糊控制输出的开关信号
图7：随机路面输入下阻尼模式切换模式
图8：随机路面输入采用不同控制策略半主动悬架车身垂向加速度响应对比
图9：随机路面输入采用不同控制策略半主动悬架动行程响应对比
图10：悬架不同阻尼模式阻尼力—速度特性曲线
图中：1.气室2.浮动活塞3.压缩腔4.液压阀5.开关电磁阀6.复原阀7.活塞8.压缩阀9.活塞杆10.复原腔
具体实施方式
为了使本领域技术人员清楚本发明技术方案特点下面结合具体实施方案对本发明进行详细描述。
首先步骤1建立半主动悬架模型，根据最佳阻尼比确定悬架阻尼范围和档位划分。车身的垂向加速度作为判断舒适性指标，车轮动载荷作为判断安全性指标。根据之前建立的半主动悬架模型，分别求得在受到白噪声振动下关于舒适性和安全性的响应解析式：
Figure BDA0002246131600000061
Figure BDA0002246131600000062
式中：n0为空间频率，v为车速，Gq(n0)为路面不平系数。
分别
Figure BDA0002246131600000063
得到悬架基于舒适性最佳阻尼比：
Figure BDA0002246131600000064
悬架基于安全性最佳阻尼比：
Figure BDA0002246131600000065
根剧ξoc和ξos确定悬架切换控制的阻尼比范围为[ξoc,ξos]。多模式半主动悬架共分为4个档位，规定复原行程和压缩行程由模式1到模式4阻尼系数分别由小到大，悬架阻尼特性依次变硬。因此将基于舒适性的阻尼系数
Figure BDA0002246131600000066
作为模式1的阻尼大小选取依据，
Figure BDA0002246131600000067
作为模式4的阻尼大小选取依据，模式2和模式3的阻尼系数分别取其中间值。
步骤2，根据确定的悬架阻尼档位划分，基于悬架流体力学方程确定相关参数选取并建立数学模型进行仿真分析，获得各模式下相应速度位移特性曲线。
悬架阻尼切换机构结果如图2所示，从图中可以看出，该机构包括6个液压阀，其中，s1，s2为两个开关电磁阀，两个电磁阀具有相同的尺寸参数，a,b,c,d为4个单向止回阀。为了能够实现四种不同的阻尼模式，每一个单向止回阀油液压力损失并不相同。该结构通过控制两个电磁阀的开闭状态，实现油路的改变，保证了阻尼的多级可调特性。其中，悬架阻尼力方程可以表达为：
Figure BDA0002246131600000071
式中：Fr是复原行程中总的阻尼力，Fc是压缩行程总的阻尼力；Pr是油液复原腔压力，Pc为油液压缩腔压力；ΔPrc和ΔPcr分别为复原腔和压缩腔压力差，Ap,Ar分别为压缩腔和复原腔活塞的有效面积。在阻尼调节机构中，油液分别经由电磁阀s1,s2和四个单向止回阀流通上下腔。其中开关电磁阀可以被视作薄壁孔板，可以计算通过的压力损失为：
Figure BDA0002246131600000072
式中：ΔPrc-sv1和ΔPrc-sv2分别为通断电磁阀s1，s2的压力损失；ρ为减振器内部油液密度；C为压力损失系数；Asv为通过的薄壁孔板面积；Qrc-ac表示通过阻尼调节执行器的油液流量。在建立的悬架阻尼机构数学模型基础上，进行动态仿真，可以获得悬架的阻尼速度特性曲线如图10所示，其等效阻尼力如表3。
表3
Figure BDA0002246131600000073
步骤3、分别使用加速度传感器测量车辆簧下质量和簧上质量的加速度信号
Figure BDA0002246131600000074
和
Figure BDA0002246131600000075
将簧下质量和簧上质量加速度信号进行多次积分得到相应的速度和位移信号，进而求得悬架动行程及其导数作为模糊控制器的输入。
步骤4、建立两个电磁阀对应的模糊控制器。其中关于建立的模糊控制器，所选取的控制器的输入为悬架动行程及其导数，控制器的输出的是两个电磁阀的开闭控制信号。通过模糊控制器，使得代表悬架舒适性的动行程和垂向加速度，代表安全性的动载荷三个指标均有所优化。根据悬架振动特性机理，随着阻尼比的增大，悬架垂向加速度均方根值也会随之提升，而动行程和动载荷性能则会改善。因此，模糊控制器设计准则就是当悬架动行程满足要求时，保持阻尼器为低档模式，阻尼较小，使得悬架能够获得较好的舒适性能，垂向加速度较小。当悬架动行程不满足要求时，此时控制电磁阀闭合，使得阻尼器变为高档位模式，阻尼比变大，降低悬架动行程和动载荷。
悬架分为拉伸和压缩两种工作行程，即zs-zu＞0，此时悬架处于拉伸行程，zs-zu＜0，悬架处于压缩行程。zs-zu＞0时:若
Figure BDA0002246131600000081
此时悬架处于拉伸行程，且有继续拉伸的趋势，减振器应趋向于使用硬拉伸模式，选取模式2或模式4。若
Figure BDA0002246131600000082
此时有压缩趋势，选取模式3。zs-zu＜0时:若
Figure BDA0002246131600000083
此时悬架处于压缩行程，且有继续压缩的趋势，减振器应趋向于使用硬压缩模式，选取模式3或模式4。若
Figure BDA0002246131600000084
此时有拉伸趋势，选取模式2。若悬架动行程及其导数均较小，此时采用模式1，减振器保持软压缩软复原状态。以此原理，作为模糊控制器模糊规则的选取依据。
依据实际控制对象，对模糊控制器的输入动行程E及其导数
Figure BDA0002246131600000087
采用五个模糊集表示它们的模糊状态，相应的模糊子集为PB为正大、PM为正中、PS为正小、ZE为零、NS为负小、NM为负中、NB为负大；而对于输出的电磁阀开闭控制信号采用五个模糊集表示对电磁阀开闭控制趋势，即ZE为闭、S为小、M为中、B为大、K为开；。在设计中，输入变量E和
Figure BDA0002246131600000088
的基本论域分别设置为[-0.1,0.1]和[-0.5,05],模糊输出的基本论域为[0,1]。根据之前对悬架运动过程分析，可以分别得到电磁阀s1,s2模糊规则表如表1和表2所示。
表1
Figure BDA0002246131600000085
表2
Figure BDA0002246131600000086
Figure BDA0002246131600000091
对于电磁阀s1建立模糊规则表具体可描述为：当输入变量动行程语言值E变量为NB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000092
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为NM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000093
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为NS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000094
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，S，S，S；当输入变量动行程语言值E变量为ZE，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000095
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为M，M，K，K，K，M，M；当输入变量动行程语言值E变量为PS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000096
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为B，B，B，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为PM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000097
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为K，K，B，M，B，K，K；当输入变量动行程语言值E变量为PB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000098
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为K，K，B，M，B，K，K；
对于电磁阀s2,建立模糊规则表具体可描述为：当输入变量动行程语言值E变量为NB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA00022461316000000911
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，B，K，K。当输入变量动行程语言值E变量为NM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000099
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，B，K，K；当输入变量动行程语言值E变量为NS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA00022461316000000910
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为ZE，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000101
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为M，M，K，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为PS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000102
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，S，S，S；当输入变量动行程语言值E变量为PM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000103
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为PB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure BDA0002246131600000104
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE。
一般而言，隶属度函数选取具有很大的主观性，需要根据实际情况具体分析。本发明输入变量采用三角形函数，输出变量采用高斯型函数。
步骤5、模糊控制器在接受到输入后，输出的是(0,1)范围内连续的电磁阀开关的趋势，因此对于输出还需要进行取整。因此在模糊控制器后面进行四舍五入化取整，当输出为0时，控制电磁阀闭合，输出为1时，电磁阀打开。
为了对所设计的控制器效果进行验证，在Matlab/Simulink环境下对建立的整个悬架系统进行仿真分析，悬架系统将动行程及其导数作为控制信号输送到模糊控制模块，控制器输出电磁阀控制信号对多模式阻尼减振器进行模式切换，减振器根据工况实现阻尼参数的调节。图5和图6中，给出了当随机路面输入时，两个电磁阀通断状态。在此基础上，整个控制器阻尼模式输出如图7所示。为了进一步评估所设计的带有多模式阻尼减振器的半主动悬架控制效果，采用了具有连续可调阻尼减振器并带有天棚控制的半主动悬架作为对比。一般而言，天棚控制常被视为一种基准控制方法，用于验证车辆悬架新型控制策略的效果，天棚控制器阻尼力为：
Figure BDA0002246131600000105
式中：Ksky为天棚阻尼系数。系统的仿真结果，即所设计的阻尼多模式可调半主动悬架与天棚控制半主动悬架垂向振动加速度、动行程对比如图8和图9所示，对图中的仿真结果进一步进行分析和处理，得其均方根值变化结果如表4所示。
从图8,9和表4中可以看出，带有模糊控制器的阻尼多模式半主动悬架有效地改善了悬架垂向加速度和动行程性能，表明所设计的控制方法达到了改善悬架舒适性的目的，并且能够很好的与多模式阻尼悬架相匹配。
表4
Figure BDA0002246131600000111
综上，本发明的一种阻尼多模式半主动悬架电控系统的模糊切换控制方法，通过悬架的最佳阻尼比特性，确定阻尼切换的档位划分和阻尼范围。通过控制两个高速开关电磁阀的通断状态即可实现可调悬架的四种不同阻尼工作模式，从而使得车辆半主动悬架的阻尼控制更加高效和节能。首先利用传感器，获得簧上质量加速度，簧下质量加速度，将获得的加速度信号进行积分得到簧上和簧下质量的速度和位移信号。进而将速度位移信号进行处理，作为悬架此时拉伸压缩状态的判断依据，并以此作为模糊控制器的输入信号，进行模糊判别，输出为悬架的两个高速开关电磁阀的开闭信号。开闭信号控制高速开关电磁阀的通断状态，使得不论车辆处于何种状态时，悬架都能提供很好的减振效果。本发明可以实现悬架系统很好的阻尼切换控制效果，并且利用了模糊控制避免了传统控制计算量大的缺点，提高了车辆行驶平顺性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、首先建立半主动悬架系统模型，由系统模型确定悬架基于安全性和舒适性的最佳阻尼比，进而确定悬架阻尼切换控制中各个档位划分和阻尼范围；
步骤2、根据确定的悬架档位划分，基于悬架流体力学方程确定相关参数选取并建立数学模型进行仿真分析，获得各模式下相应速度位移特性曲线；
步骤3、分别使用加速度传感器测量车辆簧下质量和簧上质量的加速度信号
Figure FDA0003889167450000011
和
Figure FDA0003889167450000012
将簧下质量和簧上质量加速度信号进行多次积分得到相应的速度和位移信号，进而求得悬架动行程及其导数作为模糊控制器的输入；
步骤4、分别建立关于电磁阀s1和电磁阀s2的模糊控制器，将输入的信号进行模糊判别，输出为在(0，1)之间连续的两个电磁阀开关趋势信号；建立模糊控制规则选取的标准，使得悬架处于拉伸和压缩两种工作行程都能获取最佳对应的阻尼模式；
步骤5、对模糊输出开关控制信号进行取整，输出为0和1控制信号控制两个电磁阀开闭，使得阻尼模式发生变化；
所述步骤1建立的半主动悬架系统模型为：
Figure FDA0003889167450000013
式中，ms为簧上质量，mu为簧下质量，k为悬架等效弹簧刚度，kt为轮胎的等效刚度，zs为簧上质量位移，zu为簧下质量位移，zr为路面的激励，c为阻尼系数；
为了方便，引入以下变量：
Figure FDA0003889167450000014
式中：rk为刚度比，rm为质量比，ω0为车身固有圆频率，ξ为悬架系统阻尼比；
以车身的垂向加速度作为判断舒适性指标，车轮动载荷作为判断安全性指标，根据之前建立的半主动悬架模型，分别求得在受到白噪声振动下关于舒适性和安全性的响应解析式：
Figure FDA0003889167450000015
Figure FDA0003889167450000021
式中：n0为空间频率，v为车速，Gq(n0)为路面不平系数；
分别
Figure FDA0003889167450000022
得到悬架基于舒适性最佳阻尼比：
Figure FDA0003889167450000023
悬架基于安全性最佳阻尼比：
Figure FDA0003889167450000024
其中，R为轮胎半径；根剧ξoc和ξos确定悬架切换控制的阻尼比范围为[ξoc,ξos]，多模式半主动悬架共分为4个档位，规定复原行程和压缩行程由模式1到模式4阻尼系数分别由小到大，悬架阻尼特性依次变硬，因此将基于舒适性的阻尼系数
Figure FDA0003889167450000025
作为模式1的阻尼大小选取依据，
Figure FDA0003889167450000026
作为模式4的阻尼大小选取依据，模式2和模式3的阻尼系数分别取其中间值。
2.根据权利要求1所述的一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，其特征在于，步骤4建立的模糊控制规则中，需满足：当悬架动行程满足要求时，保持阻尼器为低档模式，阻尼较小，使得悬架能够获得较好的舒适性能，垂向加速度较小；当悬架动行程不满足要求时，此时控制电磁阀闭合，使得阻尼器变为高档位模式，阻尼变大，降低悬架动行程和动载荷。
3.根据权利要求1所述的一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，其特征在于，步骤4中悬架处于拉伸和压缩两种工作行程都能获取最佳的对应阻尼模式，具体过程为：悬架分为拉伸和压缩两种工作行程，即zs-zu＞0，此时悬架处于拉伸行程，zs-zu＜0，悬架处于压缩行程；zs-zu＞0时:若
Figure FDA0003889167450000027
此时悬架处于拉伸行程，且有继续拉伸的趋势，减振器应趋向于使用硬拉伸模式，选取模式2或模式4；若
Figure FDA0003889167450000028
此时有压缩趋势，选取模式3；zs-zu＜0时:若
Figure FDA0003889167450000029
此时悬架处于压缩行程，且有继续压缩的趋势，减振器应趋向于使用硬压缩模式，选取模式3或模式4；若
Figure FDA00038891674500000210
此时有拉伸趋势，选取模式2；若悬架动行程及其导数均较小，此时采用模式1，减振器保持软压缩软复原状态。
4.根据权利要求1所述的一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，其特征在于，步骤4中，对模糊控制器的输入动行程E及其导数
Figure FDA0003889167450000031
采用七个模糊集表示它们的模糊状态，相应的模糊子集为PB为正大、PM为正中、PS为正小、ZE为零、NS为负小、NM为负中、NB为负大；而对于输出的电磁阀开闭控制信号采用五个模糊集表示对电磁阀开闭控制趋势，即ZE为闭、S为小、M为中、B为大、K为开；在设计中，输入变量E和
Figure FDA0003889167450000032
的基本论域分别设置为[-0.1,0.1]和[-0.5,0.5],模糊输出的基本论域为[0,1]；模糊控制的隶属度函数选取：输入变量采用三角形函数，输出变量采用高斯型函数。
5.根据权利要求4所述的一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，其特征在于，步骤4中，对于电磁阀s1建立模糊规则表具体可描述为：当输入变量动行程语言值E变量为NB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000033
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为NM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000034
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为NS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000035
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，S，S，S；当输入变量动行程语言值E变量为ZE，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000036
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为M，M，K，K，K，M，M；当输入变量动行程语言值E变量为PS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000037
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为B，B，B，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为PM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000038
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为K，K，B，M，B，K，K；当输入变量动行程语言值E变量为PB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000039
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为K，K，B，M，B，K，K；
对于电磁阀s2,建立模糊规则表具体可描述为：当输入变量动行程语言值E变量为NB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA00038891674500000310
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，B，K，K；当输入变量动行程语言值E变量为NM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000041
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，B，K，K；当输入变量动行程语言值E变量为NS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000042
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为ZE，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000043
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为M，M，K，K，B，B，B；当输入变量动行程语言值E变量为PS，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000044
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为S，S，S，K，S，S，S；当输入变量动行程语言值E变量为PM，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000045
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE；当输入变量动行程语言值E变量为PB，另一个输入变量动行程导数语言值
Figure FDA0003889167450000046
变量为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，对应的输出变量电磁阀开闭趋势语言值分别为ZE，ZE，S，M，S，ZE，ZE。
6.根据权利要求1所述的一种汽车半主动悬架系统的阻尼切换控制方法，其特征在于，步骤5中还包括，模糊控制器在接受到输入后，输出的是(0,1)范围内连续的电磁阀开关控制趋势，因此对于输出还需要进行取整，因此在模糊控制器后面进行四舍五入化取整，当输出为0时，控制电磁阀闭合，输出为1时，电磁阀打开，通过模糊控制和取整，可以实现悬架阻尼模式切换并避免切换系统频繁跳变的产生。
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