CN113696689A - 一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，属于车辆悬架系统技术领域，所述可调式空气悬架主要由空气弹簧、减振器、两个高速开关电磁阀、四个单向阀、附加气室以及若干气体管路等元件所组成，所述空气悬架通过控制两个高速开关电磁阀的通断状态，即可实现对空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径的直接控制，从而达到多级调节空气弹簧刚度的目的，所述控制方法采用模糊自适应控制策略，模糊控制器的输入为簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率，控制器的输出为两个高速开关电磁阀的通断状态。本发明能够实现对空气弹簧刚度状态的有效调节，系统结构简单，可靠性高，为车辆空气悬架系统的性能提升提供了良好基础。

Description

一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，属于车辆悬架系统技术领域。
背景技术
伴随着我国机动车保有量的持续升高，机动车事故的发生率也连年升高，消费者对汽车行驶平顺性和安全性的要求也不断提高，各大汽车制造商为了不被技术革新淘汰，已经把目光聚集在了性能更加优越的空气悬架技术上。传统板簧在不考虑钢板间干摩擦的情况下，刚度特性基本呈线性趋势，而空气弹簧的主要承载介质是空气，由于复杂的空气动力学现象，空气弹簧的刚度具有较强的非线性特性，空气弹簧刚度可以通过改变空气弹簧内压和气体体积来实现实时调节。
空气悬架系统变刚度控制可有效改善车辆动力学性能。尽管现有研究针对空气悬架的刚度调节已开展大量研究，但大多是针对刚度连续可调的空气悬架系统进行分析和设计，系统结构复杂，建模难度大，控制要求高，从而难以实现实际工程应用。因此，如何在现有研究基础上提出一种结构简单，可靠性高的刚度多级可调式空气悬架，并掌握其刚度多级控制方法对于提升现有空气悬架系统的综合性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法。为达成上述目的，本发明所采用的技术方案为：
所述可调式空气悬架主要由簧载质量(1)、减振器(2)、非簧载质量(3)、空气弹簧(4)、单向阀c(5)、单向阀d(6)、高速开关电磁阀(7)、高速开关电磁阀(8)、附加气室(9)、单向阀b(10)、单向阀a(11)以及若干气体管路等元件所组成，所述空气悬架通过控制高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态，即可实现对空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径进行直接控制，从而达到多级调节空气弹簧刚度的目的；所述刚度多级可调式空气悬架采用模糊自适应控制算法控制高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态，模糊控制器的输入为簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率，控制器的输出为两个高速开关电磁阀的通断状态。
优选地，所述单向阀c(5)、单向阀d(6)、单向阀b(10)、单向阀a(11)的开阀压力均不相同，且单向阀b(10)与单向阀c(5)的开阀压力之和与单向阀a(11)与单向阀d(6)的开阀压力之和也不相同。
优选地，所述基于模糊控制算法实现高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态直接控制包括如下步骤：
步骤1，制定模糊控制规则，掌握簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率两个高速开关电磁阀通断状态间的逻辑关系；
步骤2，定义模糊控制器输入输出变量的模糊子集；
步骤3，定义模糊控制器输入输出变量的基本论域和模糊论域；
步骤4，制定模糊控制规则表；
步骤5，确定模糊控制器输入输出的隶属度函数及解模糊方法。
优选地，在所述模糊控制过程中，采用七个模糊集表示簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率的模糊状态，相应的模糊子集设置为PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NM(负中)以及NB(负大)，采用五个模糊集表两个高速开关电磁阀通断状态的控制趋势，即ZE(闭)、S(小)、M(中)、B(大)、K(开)。
优选地，在所述模糊控制过程中，簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率的基本论域分别设置为[-0.02,0.02]和[-0.1,0.1]，模糊论域分别设置为[-0.1,0.1]和[-0.5,0.5]，模糊控制输出，即高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)通断状态的基本论域和模糊论域均设置为[0,1]。
优选地，在所述模糊控制步骤5中，模糊控制器解模糊时需进一步进行取整处理，使得模糊控制器的输出为0到1之间的离散信号，从而直接控制开关电磁阀的通断状态。
本发明技术方案通过引入两个高速开关电磁阀和四个开阀压力均不相同的单向阀，实现了空气弹簧在拉伸和压缩行程中的刚度多级调节，同时基于模糊控制算法掌握空气悬架刚度多级调节控制规律，最终形成一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为一种刚度多级可调式空气悬架结构示意图；
图2为不同通断状态组合下空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径1；
图3为不同通断状态组合下空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径2；
图4为不同通断状态组合下空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径3；
图5为不同通断状态组合下空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径4；
图6为高速开关电磁阀(7)通断状态的模糊控制规则表；
图7为高速开关电磁阀(8)通断状态的模糊控制规则表。
图中，簧载质量(1)、减振器(2)、非簧载质量(3)、空气弹簧(4)、单向阀c(5)、单向阀d(6)、高速开关电磁阀(7)、高速开关电磁阀(8)、附加气室(9)、单向阀b(10)、单向阀a(11)。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，其中，所述刚度多级可调式空气悬架结构示意图如图1所示，从图中可以看出，所述可调式空气悬架主要由簧载质量(1)、减振器(2)、非簧载质量(3)、空气弹簧(4)、单向阀c(5)、单向阀d(6)、高速开关电磁阀(7)、高速开关电磁阀(8)、附加气室(9)、单向阀b(10)、单向阀a(11)以及若干气体管路等元件所组成。
从图1中还可看出，通过控制高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态，即可实现对空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径进行直接控制，从而达到多级调节空气弹簧刚度的目的。图2、图3、图4以及图5分别给出高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)不同通断状态组合下空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径，图中，实线为气体从空气弹簧流向附加气室的行动路径，虚线为气体从附加气室流向空气弹簧的行动路径。从上述图中可以看出，在开关电磁阀不同通断状态下，气体流动路径显著不同。
与此同时，值得指出的是，所述单向阀c(5)、单向阀d(6)、单向阀b(10)、单向阀a(11)的开阀压力均不相同，且单向阀b(10)与单向阀c(5)的开阀压力之和与单向阀a(11)与单向阀d(6)的开阀压力之和也不相同。因此，在空气弹簧压缩和拉伸过程中总计会形成四种刚度特性显著不同的多级刚度调节状态，即四种空气弹簧刚度模式。
不同空气弹簧刚度模式下的电磁阀开关状态和流经单向阀情况如下所述：
刚度模式1：高速开关电磁阀(7)打开，高速开关电磁阀(8)打开，空气弹簧压缩行程流经单向阀：无；空气弹簧拉伸行程流经单向阀：无；
刚度模式2：高速开关电磁阀(7)关闭，高速开关电磁阀(8)打开，空气弹簧压缩行程流经单向阀：c(5)；空气弹簧拉伸行程流经单向阀：d(6)；
刚度模式3：高速开关电磁阀(7)打开，高速开关电磁阀(8)关闭，空气弹簧压缩行程流经单向阀：b(10)；空气弹簧拉伸行程流经单向阀：a(11)；
刚度模式4：高速开关电磁阀(7)关闭，高速开关电磁阀(8)关闭，空气弹簧压缩行程流经单向阀：c(5)+b(10)；空气弹簧拉伸行程流经单向阀：d(6)+a(11)；
为实现所述刚度多级可调式空气悬架的刚度控制，必须设计合适的控制算法实现对高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)通断状态的直接控制。
本发明采用模糊自适应控制算法控制高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态，模糊控制器的输入为簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率，控制器的输出为两个高速开关电磁阀的通断状态。
所述基于模糊控制算法实现高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态直接控制包括如下步骤：
步骤1，制定模糊控制规则，掌握簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率两个高速开关电磁阀通断状态间的逻辑关系；
步骤2，定义模糊控制器输入输出变量的模糊子集；
步骤3，定义模糊控制器输入输出变量的基本论域和模糊论域；
步骤4，制定模糊控制规则表；
步骤5，确定模糊控制器输入输出的隶属度函数及解模糊方法。
具体内容包括：
当悬架动行程及其变化趋势满足设计要求时，尽量将空气弹簧的刚度特性调节为“偏软”，从而降低簧载质量的垂向振动加速度；当悬架动行程及其变化趋势不满足设计要求时，将空气弹簧的刚度特性调节为“偏硬”，从而保证悬架动行程能够运行在合理范围内，降低悬架撞击限位的概率。因此，当悬架动行程大于0且其导数也大于0时，说明此时悬架处于拉伸行程，且有继续拉伸的趋势，空气弹簧应趋向于处在硬回弹模式，故应选取刚度模式2或刚度模式4；若悬架动行程大于0但其导数小于0，则说明此时虽然悬架处于拉伸行程，但拉伸趋势渐缓，空气弹簧可选刚度模式2或刚度模式3；若悬架动行程小于0且其导数也小于0，说明此时悬架处于压缩行程，且有继续压缩的趋势，空气弹簧应趋向于处在硬压缩模式，故应选取刚度模式3或刚度模式4；若悬架动行程大于0但其导数大于0，则空气弹簧可选刚度模式2或刚度模式3；若悬架动行程及其导数均较小，则可选取空气弹簧刚度模式为1，刚度特性偏软。
根据上述分析，分别采用七个模糊集表示悬架动行程及其变化率的模糊状态，相应的模糊子集设置为PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NM(负中)以及NB(负大)，模糊控制器的输出应为相应刚度模式下的高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态，为便于实现，这里采用五个模糊集表示电磁阀开关状态的控制趋势，即ZE(闭)、S(小)、M(中)、B(大)、K(开)。
结合系统的实际响应特征，悬架动行程及其变化率基本论域分别设置为[-0.02,0.02]和[-0.1,0.1]，模糊论域分别设置为[-0.1,0.1]和[-0.5,0.5]，模糊控制输出的基本论域和模糊论域均设置为[0,1]。
值得指出的是，若不加额外设置，则此处模糊控制器的输出为0到1之间的连续信号，无法对电磁阀开关状态进行直接控制，因此，在模糊控制器解模糊时进一步进行取整处理，使得模糊控制器的输出为0到1之间的离散信号，从而直接控制开关电磁阀。
通过前述驾驶室悬架系统垂向振动模糊控制策略设计原则分析以及设置的相应模糊量，可得开关电磁阀s1和s2通断状态的模糊控制规则如图6和图7所示，图中，E表示簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值，
Figure BDA0003241098320000051
表示簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值的变化率。
模糊控制器输入输出的隶属度函数选取对模糊控制器的性能也有较大影响，综合考虑不同隶属度函数的控制精度以及与后续变论域模糊控制策略的性能进行对比，本发明均选取三角函数作为垂向振动模糊控制器输入输出的隶属度函数。
综上，本发明提出了一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，通过引入两个高速开关电磁阀和四个开阀压力均不相同的单向阀，实现了空气弹簧在拉伸和压缩行程中的刚度多级调节，同时基于模糊控制算法掌握空气悬架刚度多级调节控制规律，最终形成一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法。本发明能够实现对空气弹簧刚度特性的多级模糊调节，为车辆空气悬架系统性能提升提供了良好的技术支持。
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。

Claims (6)

1.一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，其特征在于，所述可调式空气悬架主要由簧载质量(1)、减振器(2)、非簧载质量(3)、空气弹簧(4)、单向阀c(5)、单向阀d(6)、高速开关电磁阀(7)、高速开关电磁阀(8)、附加气室(9)、单向阀b(10)、单向阀a(11)以及若干气体管路等元件所组成，所述空气悬架通过控制高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态，即可实现对空气弹簧与其附加气室间的气体流动路径的直接控制，从而达到多级调节空气弹簧刚度的目的；所述刚度多级可调式空气悬架采用模糊自适应控制算法控制高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态，模糊控制器的输入为簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率，控制器的输出为两个高速开关电磁阀的通断状态。
2.根据权利要求1所述的一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，其特征在于，所述单向阀c(5)、单向阀d(6)、单向阀b(10)、单向阀a(11)的开阀压力均不相同，且单向阀b(10)与单向阀c(5)的开阀压力之和与单向阀a(11)与单向阀d(6)的开阀压力之和也不相同。
3.根据权利要求1所述的一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，其特征在于，所述基于模糊控制算法实现高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)的通断状态直接控制包括如下步骤：
步骤1，制定模糊控制规则，掌握簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率两个高速开关电磁阀通断状态间的逻辑关系；
步骤2，定义模糊控制器输入输出变量的模糊子集；
步骤3，定义模糊控制器输入输出变量的基本论域和模糊论域；
步骤4，制定模糊控制规则表；
步骤5，确定模糊控制器输入输出的隶属度函数及解模糊方法。
4.根据权利要求3所述的一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，其特征在于，采用七个模糊集表示簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率的模糊状态，相应的模糊子集设置为PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NM(负中)以及NB(负大)，采用五个模糊集表两个高速开关电磁阀通断状态的控制趋势，即ZE(闭)、S(小)、M(中)、B(大)、K(开)。
5.根据权利要求3所述的一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，其特征在于，簧载质量与非簧载质量之间的垂向位移差值及差值变化率的基本论域分别设置为[-0.02,0.02]和[-0.1,0.1]，模糊论域分别设置为[-0.1,0.1]和[-0.5,0.5]，模糊控制输出，即高速开关电磁阀(7)与高速开关电磁阀(8)通断状态的基本论域和模糊论域均设置为[0,1]。
6.根据权利要求3所述的一种刚度多级可调式空气悬架及其控制方法，其特征在于，所述步骤5中，在模糊控制器解模糊时进一步进行取整处理，使得模糊控制器的输出为0到1之间的离散信号，从而直接控制开关电磁阀的通断状态。
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