CN113703312B - 一种基于功率平衡的主动悬挂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率平衡的主动悬架控制方法，包括：S1、计算车辆的主运动功率P_M、伴随运动功率P_A；S2、将主运动功率P_M、伴随运动功率P_A输入到整个系统主运动方向的动态功率平衡方程，得到输入整个系统伴随运动的动态功率P_A(t)；S3、基于伴随运动方向的动态功率P_A(t)，选取不同的车体垂向速度目标值进行计算，得到伴随运动功率损耗和作动器功率P_E；S4、根据作动器功率P_E限制以及车体垂向速度目标值v_z限制对目标控制强度进行修正，采用PID控制器，根据车体垂向速度目标值v_z与实际值的偏差，得到主动悬挂的目标控制力。本发明有效提高了车辆动力装置的功率利用率，在不增加车辆总体能耗的情况下，提高了车辆的舒适性和安全性。

Description

一种基于功率平衡的主动悬挂控制方法

技术领域

本发明涉及车辆动力学控制技术领域，特别是涉及一种基于功率平衡的主动悬挂控制方法。

背景技术

悬架系统是车辆的重要组成部分，对于车辆安全性和舒适性均有重要的影响。主动悬架是提高车辆舒适性和安全性的重要技术，而主动悬架的控制方法对主动悬架的性能有重要的影响作用。目前的主动悬架控制方法主要以车速垂向加速度、车轮动载荷和悬架动挠度为性能指标，采用线性二次最优控制理论设计主动悬架控制方法,该方法能够较为有效的解决提高车辆乘坐舒适性。但是以上控制方法忽略了对主动悬架能耗的考虑，而主动悬架能耗往往较大，导致主动悬架实用性变差。因此，本发明提出一种基于功率平衡的主动悬架控制方法，以解决目前主动悬架能耗较高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能解决上述问题的基于功率平衡的主动悬架控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于功率平衡的主动悬架控制方法，包括以下步骤：

S1、计算车辆的主运动功率P_M、伴随运动功率P_A；

S2、将所述主运动功率P_M、伴随运动功率P_A输入到整个系统主运动方向的动态功率平衡方程，得到输入整个系统伴随运动的动态功率P_A(t)；

S3、基于所述伴随运动方向的动态功率P_A(t)，选取不同的车体垂向速度目标值进行计算，分别得到伴随运动功率损耗和作动器功率P_E；

S4、根据所述作动器功率P_E限制以及车体垂向速度目标值v_z限制对目标控制强度进行修正，最后采用PID控制器，根据所述车体垂向速度目标值v_z与实际值的偏差，得到主动悬挂的目标控制力。

优选的，所述S2中，主运动方向的动态功率平衡方程为：

其中，M_c为车体质量；Z_c为车体垂向位移；F_Zi为车体与负重轮之间的垂向作用力；g为重力加速度；F_Tri为履带工作段拉力；F_Tfi为履带张紧段拉力；γ_r为履带工作段与地面之间的夹角；γ_f为履带张紧段与地面之间的夹角；

为车体俯仰角度；X_c为车体纵向位移；F_xi为车体与负重轮之间的纵向作用力。

优选的，计算所述伴随运动的动态功率P_A(t)的方法为：

其中，F_Tri为履带工作段拉力，F_Tfi为履带张紧段拉力，γ_r为履带工作段与地面之间的夹角，γ_f为履带张紧段与地面之间的夹角，

为车体俯仰角度，Z_c为车体垂向位移，L为主动轮、诱导轮与履带接触点距车体质心之间纵向距离，H为主动轮、诱导轮与履带接触点距车体质心之间垂向距离。

优选的，所述S3中，作动器功率P_E计算如下式：

其中，F_u—作动器输出力；

—等效车体部分垂向速度；

—等效负重轮垂向速度。

优选的，所述车体垂向速度目标值v_z的取值范围为[v_min:delta_v:v_max]；当车体垂向速度绝对值大于所述垂向速度目标值v_z时，通过所述作动器输出作动力进行主动调控，其他情况下所述作动器处于关闭状态。

优选的，所述S4中，对目标控制强度进行修正的方法为：

当作所述作动器功率P_E大于所述伴随运动功率P_A时，减小作动器功率，增大所述车体垂向速度目标值v_z；

当所述作动器功率P_E小于所述伴随运动功率P_A时，则增大所述作动器功率P_E，减小所述车体垂向速度目标值v_z；

当所述作动器功率P_E与所述伴随运动功率P_A相等时，此时对应的控制强度，即车体垂向速度目标值v_z，作为主动悬架控制时的目标控制强度。

本发明的有益效果为：

本发明通过主动悬架的控制，减小车辆俯仰运动、垂向运动和侧倾运动等车辆运动消耗的功率，有效提高了车辆动力装置的功率利用率，实现主动悬架消耗功率与车辆其他运动减小功率的平衡，解决主动悬架能耗高的问题，在不增加车辆总体能耗的情况下，提高了车辆的舒适性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于功率平衡的主动悬挂控制方法流程图；

图2为本发明功率平衡控制目标强度计算流程图；

图3为本发明功率平衡主动悬挂控制流程图；

图4为本发明实施例中含作动器的单负重轮物理模型；

图5为本发明实施例中伴随运动、作动器功率损耗变化示意图；

图6为本发明实施例中伴随运动能量损耗对比示意图；

图7为本发明实施例中伴随运动和作动器能量总损耗对比示意图；

图8为本发明实施例中整车纵向速度对比示意图；

图9为本发明实施例中车体垂向速度对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为更好的说明技术方案，本发明定义车辆伴随运动为车辆因行驶过程产生的垂向运动、俯仰运动和侧倾运动，车辆阻力功率是由于车辆克服道路阻力所消耗的功率，车辆主运动为车辆纵向运动。本发明的理论依据：车辆动力装置发出的能量，经过传动系统，传递到车轮，进而推动车辆的前进，车辆在运动过程中，其所消耗的功率主要用于克服道路阻力、空气阻力、坡道阻力，还有很大一部分能量转换为热量的形式耗散掉了，主要是传动系统的发热、悬挂系统发热和制动器发热。假设主动悬架消耗的功率也来源于车辆动力源，虽然主动悬架会消耗部分功率，但是车辆在主动悬架控制后，车辆的伴随运动功率可能减小，进而保证在车辆总消耗功率不变的情况下，提高车辆机动性和舒适性。

车体的垂向振动速度是一个反映伴随运动剧烈程度的动力学参数，因此选取车体的垂向运动速度

作为整个控制过程中的输入量，控制器的输出量是位于车轮与车体之间的作动器的作动力F_u。选取单轮模型对主动悬挂功率平衡控制方法进行仿真分析。含有作动器的单轮物理模型如图4所示。

单负重轮模型的仿真参数如表1所示：

表1

本实施例利用所建立的单负重轮车辆模型对本发明所提出的控制方法进行验证。本实施例中，仿真道路工况选取了E级随机路面。如图1所示为本发明方法流程图。

S1、计算车辆的主运动功率P_M、伴随运动功率P_A；

车辆伴随运动为车辆因行驶过程产生的垂向运动、俯仰运动和侧倾运动；

1)在车辆车体空间动力学方程基础上，对车辆的主运动功率P_M和伴随运动功率P_A进行计算。将车辆系统的空间耦合动力学方程两边同时乘以对应广义坐标的一阶导数，得到车辆在行驶过程中的动态功率平衡方程。

车体垂向运动功率平衡方程：

其中，M_c为车体质量；Z_c为车体垂向位移；F_Zi为车体与负重轮之间的垂向作用力；g为重力加速度；F_Tri为履带工作段拉力；F_Tfi为履带张紧段拉力；γ_r为履带工作段与地面之间的夹角；γ_f为履带张紧段与地面之间的夹角；

为车体俯仰角度。

车体纵向运动功率平衡方程：

其中，X_c为车体纵向位移；F_xi为车体与负重轮之间的纵向作用力。

车体俯仰运动功率平衡方程：

其中，I_y为车体俯仰转动惯量；h_i为第i个负重轮轮心与车体质心间的垂向距离；z_i为第i个负重轮的垂向位移；l_i为第i个负重轮轮心与车体质心间的纵向距离；L为主动轮、诱导轮与履带接触点距车体质心之间纵向距离；H为主动轮、诱导轮与履带接触点距车体质心之间垂向距离。

车体侧倾运动功率平衡方程：

I_x为车体侧倾转动惯量；δ为车体侧倾角；bs_i为左右两侧负重轮轮心与车体质心间的横向距离。F_T(f，r)i为履带车辆前后履带的张力、γ_(f，r)分别为前后履带与水平地面之间的夹角。

负重轮垂向运动功率平衡方程：

m_i为第i个负重轮等效质量；F_Niz为第i个负重轮与履带之间的垂向作用力。

车轮纵向运动功率平衡方程：

x_i为第i个负重轮纵向位移；F_Nix为第i个负重轮与履带之间的纵向作用力。

2)根据所述车体纵向运动功率平衡方程得到车辆纵运动方向的动态功率P_M(t)：

S2、将所述主运动功率P_M、伴随运动功率P_A输入到整个系统主运动方向的动态功率平衡方程，得到输入整个系统伴随运动的动态功率P_A(t)；

对车辆的主运动和伴随运动的动态功率取平均值。得到车辆在[t₁,t₂]这段时间内经过不平路面时，输入车辆系统中的主运动平均功率和伴随运动平均功率计算公式分别为：

由公式(1)—(12)确立的车辆系统中的主运动平均功率和伴随运动平均功率计算方法，为后续主动悬架的控制提供计算方法。

S3、基于所述伴随运动方向的动态功率P_A(t)，选取不同的车体垂向速度目标值进行计算，分别得到伴随运动功率损耗和作动器功率P_E；

在含有主动悬架控制的车辆中，由于需要对车辆伴随运动进行控制，主动悬架作动器会消耗功率，作动器功率P_E计算如下式所示：

其中，F_u—作动器输出力；

—等效车体部分垂向速度；

—等效负重轮垂向速度；

总功率由三部分组成，分别是主运动功率P_M、伴随运动功率P_A、作动器功率P_E，因此P_sum＝P_M+P_A+P_E。

S4、根据所述作动器功率P_E限制以及车体垂向速度目标值v_z限制对目标控制强度进行修正，最后采用PID控制器，根据所述车体垂向速度目标值v_z与实际值的偏差，得到主动悬挂的目标控制力。

首先计算主动悬架的目标控制强度。根据图2，选取不同的车体垂向速度目标值进行计算，分别计算出伴随运动和作动器的功率损耗，得到伴随运动和作动器功率损耗变化如图5所示。

通过图5可以看出，随着调控作用的加强，伴随运动功率损耗明显降低，但作动器功率功率增大，也就是意味着对伴随运动功率进行调控需要更大的功率。根据计算结果，得到在E级路面下，E级路面参考GB 7031-86《车辆振动输入路面平度表示方法》，主动悬架要实现功率平衡的车体垂向速度目标值为0.05m/s。

得到E级路面下主动悬架目标控制强度后，采用PID控制算法实现主动悬架的控制，控制流程如图3所示。PID控制器的输入是系统的目标值与实际值的偏差，其控制律如公式(14)所示。

式中，u(t)—控制器的输出控制量；K_p—控制器的比例增益系数；K_i—控制器的积分增益系数；K_d—控制器的微分增益系数；e(t)—被控对象输出值与理想值的相对偏差；

在PID控制器中，K_p，K_i，K_d三个增益系数的选取对控制器的动态性能起着至关重要的作用。

在总输入功率为12kW的条件下,对比功率调控前后整车的伴随运动能量损耗情况。在对伴随运动功率进行调控时，选取了不同的调控目标值，即不同的车体垂向速度目标值，来表征控制的强弱程度。车体垂向速度目标值分别为0m/s，0.05m/s。PID控制器参数K_p＝180000，K_I＝10，K_d＝1000。第2种调控状态下，意味着当车体的垂向速度绝对值大于0.05m/s时才通过作动器输出作动力进行主动调控，其他情况下作动器处于关闭状态。这两种调控状态分别为调控1和调控2。对伴随运动功率进行积分运算，得到调控前后的车体伴随运动能量损耗如图6所示。

图6分别对比了无功率调控、功率调控1和功率调控2三种状态下，车辆的伴随运动能量损耗。可以看出，通过对伴随运动的功率进行调控，能够明显的降低车辆伴随运动的能量损耗。将作动器功率算入整车功率之中，调控后的伴随运动和作动器总的能量损耗对比如图7所示。将调控后的伴随运动和作动器总的能量损耗进行整体考虑时，调控1状态下车辆的伴随运动和作动器的总能量损耗要大于不进行调控时的能量损耗，说明此时对伴随运动进行调控消耗掉的那一部分能量要大于伴随运动减小的那一部分能量，从总体上来看，说明此时调控是耗能的，即此时调控从能量的角度来说是不划算的。当降低伴随运动调控的强度时，即调控2的状态，通过图像可以看出此时对伴随运动进行调控消耗掉的功率要小于伴随运动减小的功率，从总体上来看，说明此时调控是节能的。由此，可以推断出，在上述仿真条件下，存在一功率平衡点，即对伴随运动调控所需的功率和利用调控减小的伴随运动功率损失相等。

最后对比了不同调控强度下，车辆纵向、垂向动力学响应，如图8-图9所示。

通过图8-图9可以看出，对采用本发明所提出的基于功率平衡的主动悬架控制方法(即调控2)之后，在经过E级路面上时的纵向车速相比较无调控时，整车平均纵向车速得到了提高。与此同时，对比车体的垂向速度可以看出，在调控2的作用下，车体垂向速度均有明显的降低，车体垂向速度均方根值降低了66.7％。

利用基于功率平衡的主动悬挂控制方法，能够改变整车的功率分布，并且调控后，整车伴随运动能量损耗均有明显的降低。从整体上来看，当车体垂向加速度目标值为0m/s时，即调控作用较强时，调控消耗掉的能量要大于伴随运动减小的能量，说明此时调控是耗能的；当车体垂向速度目标值为±0.05m/s时，即减弱调控作用时，调控消耗掉的能量要小于伴随运动减小的能量，说明此时调控是节能的。仿真结果得出当车体垂向加速度目标值为±0.036m/s左右时，伴随运动进行调控消耗掉的能量等于伴随运动减小的能量。即此时达到调控耗能和伴随运动减小的能耗达到平衡点。采用本发明所提出的主动悬架控制方法，在功率平衡的条件下，不仅可以提高平均纵向车速，并且车体垂向速度明显降低。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于功率平衡的主动悬架控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算车辆的主运动功率P_M、伴随运动功率P_A；

其中，所述伴随运动功率P_A包括车体垂向运动功率、车体俯仰运动功率和车体侧倾运动功率；

S2、将所述主运动功率P_M、伴随运动功率P_A输入到整个系统主运动方向的动态功率平衡方程，得到输入整个系统伴随运动的动态功率P_A(t)；

S3、基于所述伴随运动方向的动态功率P_A(t)，选取不同的车体垂向速度目标值进行计算，分别得到伴随运动功率损耗和作动器功率P_E；

S4、根据所述作动器功率P_E限制以及车体垂向速度目标值v_z限制对目标控制强度进行修正，最后采用PID控制器，根据所述车体垂向速度目标值v_z与实际值的偏差，得到主动悬挂的目标控制力。

2.根据权利要求1所述的基于功率平衡的主动悬架控制方法，其特征在于，所述S2中，主运动方向的动态功率平衡方程为：

其中，M_c为车体质量；Z_c为车体垂向位移；F_Zi为车体与负重轮之间的垂向作用力；g为重力加速度；F_Tri为履带工作段拉力；F_Tfi为履带张紧段拉力；γ_r为履带工作段与地面之间的夹角；γ_f为履带张紧段与地面之间的夹角；

为车体俯仰角度；X_c为车体纵向位移；F_xi为车体与负重轮之间的纵向作用力。

3.根据权利要求1所述的基于功率平衡的主动悬架控制方法，其特征在于，计算所述伴随运动的动态功率P_A(t)的方法为：

其中，F_Tri为履带工作段拉力，F_Tfi为履带张紧段拉力，γ_r为履带工作段与地面之间的夹角，γ_f为履带张紧段与地面之间的夹角，

为车体俯仰角度，Z_c为车体垂向位移，L为主动轮、诱导轮与履带接触点距车体质心之间纵向距离，H为主动轮、诱导轮与履带接触点距车体质心之间垂向距离，z_i为第i个负重轮的垂向位移，δ为车体侧倾角，bs_i为左右两侧负重轮轮心与车体质心间的横向距离。

4.根据权利要求1所述的基于功率平衡的主动悬架控制方法，其特征在于，所述S3中，作动器功率P_E计算如下式：

其中，F_u—作动器输出力；

—等效车体部分垂向速度；

—等效负重轮垂向速度。

5.根据权利要求1所述的基于功率平衡的主动悬架控制方法，其特征在于，所述车体垂向速度目标值v_z的取值范围为[v_min:delta_v:v_max]；当车体垂向速度绝对值大于所述垂向速度目标值v_z时，通过所述作动器输出作动力进行主动调控，其他情况下所述作动器处于关闭状态。

6.根据权利要求1所述的基于功率平衡的主动悬架控制方法，其特征在于，所述S4中，对目标控制强度进行修正的方法为：

当作所述作动器功率P_E大于所述伴随运动功率P_A时，减小作动器功率，增大所述车体垂向速度目标值v_z；

当所述作动器功率P_E小于所述伴随运动功率P_A时，则增大所述作动器功率P_E，减小所述车体垂向速度目标值v_z；

当所述作动器功率P_E与所述伴随运动功率P_A相等时，此时对应的控制强度，即车体垂向速度目标值v_z，作为主动悬架控制时的目标控制强度。

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