CN114337428B - 一种工业车辆动态性能改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于叉车动态性能技术领域，具体是一种工业车辆动态性能改善方法，包括步骤：S1、在动态过程开始瞬间，采样当时调节器积分值并保持住，作为计算参考；S2、根据负载情况，给出经验前馈计算增益M1，计算出需要补偿的前馈值；S3、决定出所述前馈将要给定的斜率，根据其大小和计算周期，计算出给定的微分数M2以及积分添加时间，积分时间开关由条件判据的输出M3作为积分开关信号；S4、所述前馈大小＝M1×采样保持积分；当所述前馈微分次数M2＝4，以1ms为计算周期时，所述前馈会在4ms内平均给定完成；S5、当积分计算值大于M2时，积分开关断开停止积分；本发明通过改变前馈给定方式，使得给定的前馈在解决快速退积分的问题的同时，增加指令的响应速度。

Description

一种工业车辆动态性能改善方法

技术领域

本发明属于叉车动态性能技术领域，具体是一种工业车辆动态性能改善方法。

背景技术

动态性能是指系统在动态过程中所表现出的性质、特点及功能情况(性能)，控制系统正常运作中的两种状态为动态和稳态，对于定值控制系统，当控制系统没有输入(包括扰动)变化时，整个系统最终达到平衡态，即系统中各个环节暂不动作，输出相对静止，这种状态被称为稳态，当处于稳态的系统接收到扰动，稳态被破坏，各个环节开始动作，输出量发生变化，一直到建立下一次稳态之间的过程称为动态。

中国发明专利CN2016109879456提供一种电动汽车电机驱动系统测试平台，包括工控机、测功机系统、电压/电流采样电路、转矩/转速采样电路和电源模拟系统。工作时首先通过路况模拟系统再现真实的汽车行驶的加减速各种工况；其次，采用基于模型预测控制的负载模拟跟踪控制系统实现测功机系统对负载模拟的快速响应和精确跟踪控制；最终通过性能分析系统实现电机驱动系统的综合性能测试和分析，该申请不能根据叉车的具体使用场景进行分析，通过控制前馈值的添加位置调节转速的响应速度。

在转速－电流双闭环的电机控制系统中，为了提高转速响应速度，往往采用添加电流指令前馈的方式实现，添加方式是以偏置的形式直接添加到PI调节器的输出端。在常规的应用中，这种前馈添加方式没有问题。但是当调节器中积分项很大，甚至达到饱和点时，此种前馈方式并不能帮助控制器快速退积分，所以最终输出的响应速度还是会因为退积分速度慢而导致响应慢，使得前馈的作用没有发挥到最优。

并且，在叉车不同的负重以及不同的行驶条件下，叉车需要将前馈值的添加位置不同，进而叉车的响应速度也不相同。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种工业车辆动态性能改善方法，通过改变前馈的给定方式，使得给定的前馈在解决快速退积分的问题的同时，增加指令的响应速度，并且可以根据叉车实际的负重以及行驶条件自适应调节前馈值的添加位置，进而提高车辆的响应速度进行调节。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种工业车辆动态性能改善方法，包括步骤：

S1、在动态过程开始瞬间，采样当时调节器积分值并保持住，作为计算参考；

S2、根据负载情况，给出经验前馈计算增益M1，计算出需要补偿的前馈值；

S3、决定出所述前馈将要给定的斜率，根据其大小和计算周期，计算出给定的微分数M2以及积分添加时间，积分时间开关由条件判据的输出M3作为积分开关信号；

S4、所述前馈大小＝M1×采样保持积分；当所述前馈微分次数M2＝4，以1ms为计算周期时，所述前馈会在4ms内平均给定完成；

S5、当积分计算值大于M2时，积分开关断开并停止积分。

进一步的，所述M1决定前馈值大小，所述M2和M3绝对给定斜率。

进一步的，通过负向所述前馈值在积分项中的累积，抵消/减小其中的原有所述积分值，即等同于快速退积分的效果，同时也增加了电流指令的响应速度。

进一步的，通过对所述前馈值的微分次数和积分累加时间的处理，来实现自由调节其给定的斜率。

进一步的，电流指令前馈是控制环路中常用的一种补偿方法，按照负载特性分为加速度前馈和摩擦力前馈两种。

进一步的，传统的所述电流指令前馈给定方式，是以偏置的方式并联在PI调节器的输出端。

进一步的，在转速－电流双闭环的电机控制系统中，为了提高所述转速响应速度，采用添加所述电流指令前馈的方式实现，添加方式是以偏置的形式直接添加到PI调节器的输出端。

进一步的，所述前馈值微分后再经过积分累加送入调节器积分项，所述速度环路PI调节器Kp，Ki的参数计算及整定。

进一步的，对比传统流程，最优流程可把总前馈分为两种：1，传统的所述偏置前馈加在调节器输出端；2，微分好的所述前馈量加入积分项中。

进一步的，一种工业叉车，包括叉车，所述叉车的前端和后端面设有行驶摄像头，所述叉车的前端设有叉头，所述叉头的顶部设有重量传感器用于检测叉头的负重，所述叉车的底部转动连接有轮胎，所述轮胎的内部设有摩擦力传感器用于检测轮胎与地面之间的摩擦力。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过改变前馈的给定方式，使得给定的前馈在解决快速退积分的问题的同时，增加指令的响应速度。

2.相比现有传统前馈的给定方式，本发明在保证电流响应速度的同时，可帮助调节器积分项快速退积分/饱和，减轻控制环路负担；同时可调节前馈给定斜率，改善电流响应曲线，优化驾驶体验感，另外，由于是以积分的形式给定前馈，所以本发明也通过对前馈值的微分次数，和积分累加时间的处理，来实现自由调节其给定的斜率，避免了因前馈注入过快导致电流突变，影响控制和驾驶体验的问题。

3.本发明通过对叉车实际行驶中的负重以及路面情况的判断，综合判断其前馈值的添加位置，具体的，当叉车前端叉头处的重力传感器检测到的负重值大于所设阈值时，将前馈值在积分项中累加从而快速得到转矩电流指令输出，进而提高电流指令的响应速度；而当车辆前端的行驶摄像头检测到接下来行驶路面较差，且轮胎摩擦力传感器检测到的摩擦力较大，则即使叉车负重大于所设阈值，但由于路面对叉车的行驶具备一定的制动力，则叉车可借助该制动力进行制动，因此通过将需要添加的前馈值以偏置的方式并联在PI调节器的输出端，就可以增加指令的响应速度，达到快速制动的效果，该控制过程结合叉车的适应行驶情况，进而判断前馈值的具体添加方式，进一步提高装置的反应速度，降低对控制和驾驶体验的影响。

附图说明

图1为本发明中传统电流指令前馈给定方式；

图2为本发明中流程示意图；

图3为本发明中总体算法示意图；

图4为本发明中积分前馈给定效果示意图。

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。

第一实施例

如图1所示，一种工业车辆动态性能改善方法，传统的电流指令前馈给定方式，是以偏置的方式并联在PI调节器的输出端。

电流指令前馈是控制环路中常用的一种补偿方法，按照负载特性大致分为加速度前馈和摩擦力前馈两种，目前大量的文献都集中在前馈值计算这个方面进行讨论，而如何有效给定这个问题相对较少，因此如果解决了上述问题，则能够使得前馈的作用发挥到最大化。

在转速－电流双闭环的电机控制系统中，为了提高转速响应速度，往往采用添加电流指令前馈的方式实现，添加方式是以偏置的形式直接添加到PI调节器的输出端，在常规的应用中，这种前馈添加方式没有问题，但是当调节器中积分项很大，甚至达到饱和点时，此种前馈方式并不能帮助控制器快速退积分，所以最终输出的响应速度还是会因为退积分速度慢而导致响应慢，使得前馈的作用没有发挥到最优。

通过常规并联加在输出端的前馈给定方式，是最简单直接的方式，但是当调节器中反向积分值很大甚至饱和时，由于退积分需要时间，会使得最终的叠加输出仍然不能达到最快响应。

前馈给定方式及斜率也鲜有讨论，斜率过快的给定，会使电流指令变化过快，使得最终电流变化太快而导致电流突变带来的不好的驾驶体验感。

区别于以上的传统方式，可以把需要添加的前馈值，加到积分项中去，通过负向前馈值在积分项中的累积，可以抵消/减小其中的原有积分值，即等同于快速退积分的效果，同时也增加了电流指令的响应速度。

另外，由于是以积分的形式给定前馈，所以本发明也通过对前馈值的微分次数，和积分累加时间的处理，来实现自由调节其给定的斜率，避免了因前馈注入过快导致电流突变，影响控制和驾驶体验的问题。

如图2和图4所示，

一种工业车辆动态性能改善方法，包括步骤：

S1、在动态过程开始瞬间，采样当时调节器积分值并保持住，作为计算参考；

S2、根据负载情况，给出经验前馈计算增益M1，计算出需要补偿的前馈值；

S3、决定出所述前馈将要给定的斜率，根据其大小和计算周期，计算出给定的微分数M2以及积分添加时间，积分时间开关由条件判据的输出M3作为积分开关信号；

S4、所述前馈大小＝M1×采样保持积分；当所述前馈微分次数M2＝4，以1ms为计算周期时，所述前馈会在4ms内平均给定完成；

S5、当积分计算值大于M2时，积分开关断开并停止积分。

总的来说，M1决定前馈值大小，M2，M3决定给定斜率。

对比基本流程，最优流程可把总前馈分为两种：1，传统的偏置前馈加在调节器输出端；2，微分好的前馈量加入积分项中。通过两种前馈共同给定的方式，保证电流响应速度的同时，也帮助系统快速退积分饱和。

相比现有传统前馈的给定方式，本发明在保证电流响应速度的同时，可帮助调节器积分项快速退积分/饱和，减轻控制环路负担；同时可调节前馈给定斜率，改善电流响应曲线，优化驾驶体验感。

其中，该技术的关键点在于：

1.通过改变了前馈的给定方式，助力了调节器动态过程中退积分的过程，使前馈的效果最大化；

2.通过前馈微分份数，积分时间，可自由调整前馈给定斜率，保证电流响应曲线最优。

本发明通过改变前馈的给定方式，使得给定的前馈在解决快速退积分的问题的同时，增加指令的响应速度。

第二实施例

结合叉车等工业车辆的实际使用场景，由于叉车在行驶过程中其需要负重前行工作，因此在不同的路面以及负重重量的情况下，叉车在实际行驶制动过程中需要前馈值的给定方式就有所不同，则叉车内的控制系统接可以通过对路面已经负重情况的判断进一步判断积分项的饱和程度，进而控制前馈值的加入方向，从而获得最优的响应结果，提高叉车驾驶员实际的驾驶舒适度。

一种工业叉车，该叉车适用于第一实施例提供的一种工业车辆动态性能改善方法，包括叉车，所述叉车的前端设有叉头，所述叉头的顶部设有重量传感器用于检测叉头的负重。

具体的，叉车的叉头位置设有重量传感器用于检测叉车的负重，当叉车的负重大于所设阈值时，叉车在制动时叉车的惯性较大，因此需要的制动力同样较大，由于叉车的在实际行驶时就需要较大的动力去带动重物进行运输工作，则实际在转速－电流双闭环的电机控制系统中想要达到合适的转动，就需要电机提供更大的电流，则在该种情况下调节器中的积分项就很容易达到饱和点，从而及时将制动的前馈值以偏置的形式直接添加到PI调节器的输出端时，就会出现最终的输出响应速度因退积分速度慢而导致响应速度慢，使得前馈的作用并没有发挥到最优。

而此时为了通过改变前馈值的给定方式，进而使得给定的前馈在解决快速退积分的问题的同时，增加指令的响应速度，进而提高驾驶舒适度，就需要调节器控制该前馈值直接加到积分项中去，这样就可以通过在叉车行驶过程中的负前馈值在积分项中的累积，可以抵消/减小其中的原有积分值，即等同于快速退积分的效果，同时也增加了电流指令的响应速度。

这样在实际使用时即使负重过大，叉车也能通过将前馈值添加到积分项中进而增加电流指令的响应速度，进一步实现叉车的制动，从而提高驾驶感受，保证叉车的行驶安全。

如果重量传感器检测到的重量值未到达所设阈值时，只需要将前馈值直接以偏置的方式并联在PI调节器的输出端即可，这样叉车在该负重的情况下响应速度同样足够快，并且可以有效地保证车辆的驾驶感受以及制动效果。

第三实施例

由第二实施例可知，当叉车的负重达到所设阈值时，需要直接将前馈值添加到积分项中，进而保证负向前馈值在积分项中的累计可以抵消/减小其中的原有积分值，即等同于快速退积分的效果，同时也增加了电流指令的响应速度，但是，如果即使叉车的负重达到所设阈值，但叉车所处的行驶条件较差，路面条件会对叉车施加一定的制动力进而保证叉车可以快速退积分，则如果仍然仅通过叉车的负重值对前馈值的添加方式进行判断，则会对实际驾驶情况造成影响，进而对车辆的制动力以及驾驶感受造成影响。

所述叉车的前端和后端面均设有行驶摄像头，通过行驶摄像头可以对行驶路况进行判断，进而预先对前馈值的添加位置进行调节，做到叉车的自适应控制，所述叉车的底部转动连接有轮胎，所述轮胎的表面设有摩擦力传感器用于检测轮胎与地面之间的摩擦力。

为了解决以上问题，在叉车已经检测到负重后，车前端和后端会通过行驶摄像头对行驶路面进行提前预警判断，并结合车轮位置的摩擦力传感器检测到车轮端受到的摩擦力的大小，共同且均衡的判断车辆的具体行驶路面情况以及车轮端受到的摩擦力的大小，进而通过综合条件，即叉车的负重以及车轮端的摩擦力的大小共同判断前馈值需要添加的位置。

同理，当叉车在实际行驶中负重未达到所设的阈值，车辆的转速－电流双闭环电机控制系统中的转速在合适值时，其电流值并未达到所设的阈值，则此时在叉车需要进行制动时，只需要直接将电流指令前馈值以偏置的形式直接添加到PI调节器的输出端，因此此时积分值并未到达饱和，因此这样就可以快速地得到转矩电流指令输出，从而提高车辆的响应速度，保证车辆的正常行驶以及制动。

而叉车在实际行驶中负重未达到所设的阈值，但车辆行驶的路面较为光滑，路面的摩擦力较小，因此车辆在制动时仍需要提高较大的制动力才能使得叉车完全的停止，因此此时仅借助传统的偏置前馈夹在调节器输出端的方式就会造成车辆制动过慢，出现安全事故；则此时就应该直接将微分好的前馈值加入积分项中，进而实现车速的快速响应停止，保证车辆的制动效果以及驾驶的舒适性。

相对的，当叉车负重一定，但是在较为复杂的路面行驶时，例如泥泞路面或者斜坡等，则对叉车的制动时前馈值的加入方式的判断形式不仅要和叉车的负重有关，同时还要与车辆的行驶条件有关，相较于平整路面，泥泞路面对于车辆的制动有着极强的辅助作用，因此在负重一定的条件下当车辆行驶的路面对于制动效果越大的情况下，退积分时间越快，则前馈值的添加方式对应的就需要有所不同。

由于叉车在进行制动过程中路面会对车辆施加一定的制动力，则在配合叉车的负重所能在不同路面上形成的制动力，则共同判断叉车在该负重以及路面情况下的退积分的时间，具体的，当路面较为泥泞或者车辆行驶在倾斜向上的斜坡时，相同负重条件下的叉车所受到的制动力更大，则退积分时间更快，为了叉车能够得到更快的响应速度，进而提高驾驶舒适度，则此时只需要将前馈值以偏置的形式直接添加到PI调节器的输出端，则就可以快速地对叉车进行制动，进而保证叉车的行驶稳定性以及驾驶的舒适性，且制动反应速度快，不会对正常驾驶产生影响。

同理，当叉车的行驶负重为一定值，而车辆行驶路面较为平整，此时决定叉车制动力以及前馈值添加方式就要与叉车的负重有关，由上述可直接求得，在此不做赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种工业车辆动态性能改善方法，所述工业车辆动态性能改善方法基于调节器，所述调节器为PI调节器，其特征在于，

所述调节器包括作差运算模块、PID比例增益模块kp、PID积分增益模块ki、加减运算模块、延迟一拍单元Z-1、1/M2增益模块、M1增益模块、加运算模块，所述作差运算模块的输入端分别连接转速指令和实际转速，所述作差运算模块的输出端输出作差结果Err，所述作差结果Err分别输入至PID比例增益模块kp和PID积分增益模块ki的输入端，所述PID比例增益模块kp的输出端连接加运算模块的一个输入端，所述PID积分增益模块ki的输出端连接加减运算模块的一个输入端，所述加减运算模块的输出端分别连接加运算模块的一个输入端、延迟一拍单元Z-1的输入端以及通过第一受控开关连接瞬时历史积分值/采样保持模块的输入端，所述瞬时历史积分值/采样保持模块的输出端连接M1增益模块的输入端，M1增益模块的输出端连接1/M2增益模块的输入端，1/M2增益模块的输出通过积分时间开关连接加减运算模块的一个输入端，所述积分时间开关受控于条件判据的输出M3，所述第一受控开关受控于制动信号；

所述作差运算模块用于信号作差，所述PID比例增益模块kp用于PID比例增益，所述PID积分增益模块ki用于PID积分增益，所述加减运算模块用于信号之间加减运算，所述延迟一拍单元Z-1用于延迟一拍，所述1/M2增益模块用于乘以1/M2 增益系数，所述M1增益模块用于乘以M1增益系数，所述加运算模块用于信号相加运算；

包括步骤：

S1、在动态过程开始瞬间，采样当时调节器积分值Int并保持住，作为计算参考，所述调节器积分值Int并保持住包括将积分值Int存储在瞬时历史积分值/采样保持模块中；

S2、根据负载情况，给出经验前馈计算增益M1，计算出需要补偿的前馈值；所述计算出需要补偿的前馈值包括把存下来的积分值大小乘以M1系数，得到系统要补偿的前馈大小值；

S3、决定出所述前馈将要给定的斜率，根据其大小和计算周期，计算出给定的微分数M2以及积分添加时间，积分时间开关由条件判据的输出M3作为积分开关信号；所述积分添加时间为为前馈分批次完全添加进积分项所需要的总时间；

S4、所述前馈大小＝M1×采样保持积分；

S5、当积分计算值大于M2时，积分开关断开并停止积分；

其中，动态性能是指系统在动态过程中所表现出的性质、特点及功能情况，控制系统正常运作中的两种状态为动态和稳态，对于定值控制系统，当控制系统没有输入变化时，整个系统最终达到平衡态，即系统中各个环节暂不动作，输出相对静止，这种状态被称为稳态，当处于稳态的系统接收到扰动，稳态被破坏，各个环节开始动作，输出量发生变化，一直到建立下一次稳态之间的过程称为动态。

2.根据权利要求1所述的一种工业车辆动态性能改善方法，其特征在于，所述M1决定前馈值大小，所述M2和M3决定给定斜率。

3.根据权利要求1所述的一种工业车辆动态性能改善方法，其特征在于，通过负向所述前馈值在积分项中的累积，抵消/减小其中的原有所述积分值。

4.根据权利要求1所述的一种工业车辆动态性能改善方法，其特征在于，通过对所述前馈值的微分次数和积分累加时间的处理，来实现自由调节其给定的斜率。

5.根据权利要求1所述的一种工业车辆动态性能改善方法，其特征在于，步骤S2中前馈为电流指令前馈，具体分为加速度前馈或摩擦力前馈两种。

6.根据权利要求5所述的一种工业车辆动态性能改善方法，其特征在于，所述前馈值微分后再经过积分累加送入调节器积分项，将所述PI调节器中PID比例增益模块Kp和PID积分增益模块Ki输出的参数进行计算及整定。

7.一种工业叉车，该叉车适用于权利要求1-6任一所述的一种工业车辆动态性能改善方法，其特征在于，包括叉车，所述叉车的前端和后端面均设有行驶摄像头，所述叉车的前端设有叉头，所述叉头的顶部设有重量传感器用于检测叉头的负重，所述叉车的底部转动连接有轮胎，所述轮胎的表面设有摩擦力传感器用于检测轮胎与地面之间的摩擦力。