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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Federungssteuervorrichtung,
die betreibbar ist, um die Schwingung eines Fahrzeugs, wie etwa
eines Automobils, unter Verwendung eines Steuerdämpfers
zu kontrollieren.
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Als
ein Beispiel einer konventionellen Federungssteuervorrichtung ist
eine Federungssteuervorrichtung bekannt, bei der ein Modell eines
in der Steuerungsvorrichtung verwendeten Aktuators erwogen wird (Nicht-Patentliteratur
1: ”Control Design Method of Semi-Active suspensions with
Actuators”, präsentiert von Takanori Fukao,
Takafumi Suzuki und Koichi Osuka auf der Fünften Konferenz
der "Society of Instrument and Control Engineers Control
Control Division", abgehalten vom 25. bis 27. Mai 2005,
das hierin unter Bezugnahme aufgenommen sei).
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Jedoch
verwendet die durch Fukao et al. offenbarte Federungssteuervorrichtung
ein lineares Modell erster Ordnung, was für praktische
Verwendung als das Modell des in der Steuervorrichtung verwendeten
Aktuators (Steuerdämpfers) zu simpel ist. Daher ist es
schwierig, diese Steuervorrichtung, so wie sie ist, in einer realen
Umgebung zu verwenden.
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Bei
einer Federungssteuervorrichtung kann, da ein darin verwendeter
Aktuator (Steuerdämpfer) allgemein eine starke Nichtlinearität
und ein Zeitverzögerungselement aufweist, eine erforderliche
Kraft nicht immer zu einer benötigten Zeit erzeugt werden
und es kann eine Differenz (Fehler) zwischen erforderlichen und
erzeugten Kräften auftreten. Obwohl es einen Bedarf daran
gegeben hat, zu verhindern, dass diese Situation auftritt, sind
konventionelle Technologien nicht in der Lage gewesen, dafür
irgendwelche Maßnahmen zu ergreifen.
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Die
vorliegende Erfindung ist unter Erwägung der oben erwähnten
Umstände gemacht worden und eine ihrer Aufgaben ist es,
eine Federungssteuervorrichtung bereitzustellen, die zur Durchführung
einer exzellenten Schwingungssteuerung in der Lage ist, indem Nichtlinearität
und ein Zeitverzögerungselement eines Steuerdämpfers
berücksichtigt werden, wenn ein Modell derelben entworfen
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Federungssteuervorrichtung, die zur
Verminderung von Schwingungen eines Fahrzeuges betreibbar ist, indem
dem Fahrzeug eine Steuerkraft bereitgestellt wird, das dafür
ausgelegt ist, ein einen Schwingungszustand anzeigendes Schwingungssignal
auszugeben. Die Federungssteuervorrichtung umfasst einen Steuerdämpfer,
der dazu betreibbar ist, eine Steuerkraft gemäß einem
Anweisungssignal zu erzeugen, einen Rückkopplungs-Controller,
der dazu betreibbar ist, eine gewünschte Steuerkraft basierend
auf dem Schwingungssignal zu berechnen, einen Beobachter (Observer),
der dazu betreibbar ist, eine abgeschätzte Steuerkraft
basierend auf dem Schwingungssignal und dem Anweisungssignal zu
berechnen und einen Kompensator, der dazu betreibbar ist, das Anweisungssignal
auszugeben, basierend auf der gewünschten Steuerkraft,
der abgeschätzten Steuerkraft und einer Ausdehnungs-/Kompressionsgeschwindigkeit
des Steuerdämpfers, um so eine Dynamik des Steuerdämpfers
zu kompensieren. In der Federungssteuervorrichtung wird die abgeschätzte
Steuerkraft durch Multiplizieren einer nicht-linearen Verstärkung mit
dem Anweisungssignal, und dann mit einer Dynamikfunktion des Steuerdämpfers
berechnet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Federungssteuervorrichtung
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
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2 zeigt
eine Dämpfungskraft-Charakteristik eines in 1 gezeigten
halb-aktiven Dämpfers;
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3 zeigt
die Steigung einer Dämpfungskraft in Bezug auf elektronischen
Anweisungsstrom pro Kolbengeschwindigkeit des in 1 gezeigten
halb aktiven Dämpfers;
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4 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch einen nicht-linearen, in 1 gezeigten
Controller illustriert;
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5 ist
ein Charakteristikdiagramm, welches die Leistungsspektrumsdichte
(LSD) gefederter Beschleunigung während zufälligen
Wellenschüttelns zeigt, das durch eine Vollfahrzeugsimulation
erhalten wird;
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6 ist
ein Charakteristikdiagramm, das den P-P-Wert von gefedertem Stoß pro
Schüttelfrequenz während einem Log-Ablenkschütteln
(log sweeping shaking) zeigt, das durch die volle Fahrzeugsimulation
erhalten wird;
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7 zeigt
die Ergebnisse einer Zeithistorienantwort in einem tatsächlichen-Fahrzeug-Vier-Räder-in-Phasen- Schütteltest
mit der Frequenz von 4 Hz und insbesondere zeigt 7(a) Zeit/gefederte
vertikale Beschleunigungs-Charakteristik und 7(b) zeigt
Zeit/Charakteristik des Fehlers zwischen einer H∞ Controller-Ausgabe
und einer tatsächlichen Dämpfungskraft;
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8 zeigt
die Ergebnisse einer Zeithistorienantwort, wenn ein Fahrzeug auf
einer holprigen Straßenoberfläche gefahren ist
und insbesondere zeigt 8(a) die gefederte
Beschleunigung und 8(b) zeigt den
gefederten Stoß;
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9 zeigt
die LSD gefederter Beschleunigung, wenn ein Fahrzeug auf einer Straßenoberfläche
gefahren ist, die eine holprige Straße und eine raue Straße
beinhaltet (das Ergebnis eines Fahrqualitätstests);
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10 zeigt
eine Tabelle zur Kobengeschwindigkeitskorrektur; und
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11 zeigt
eine Tabelle zu Bedingungen von Steuergesetzen der vorliegenden
Ausführungsform und anderer Techniken im Vergleich mit
der vorliegenden Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Nachfolgend
wird eine Federungssteuervorrichtung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Federungssteuervorrichtung
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst die Federungssteuervorrichtung
der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
einen H∞- Controller 2, der dafür betreibbar
ist, eine gewünschte Dämpfungskraft (gewünschte
Steuerungskraft) zu berechnen, basierend auf einem Schwingungssignal
(Rückkopplungssignal), das einen Schwingungszustand eines
Fahrzeuges 1 anzeigt, und einem Steuersystem 3,
das betreibbar ist, um eine tatsächliche Dämpfungskraft
Fd dem Fahrzeug 1 zu vermitteln, indem eine Eingabe der
gewünschten Dämpfungskraft (eine Ausgabe ur des
H∞-Controllers), die aus dem H∞-Controller 2 bereitgestellt
wird, empfangen wird. Das Schwingungssignal des Fahrzeugs 1 wird aus
dem Bewegungsdetektormittel ausgegeben, das am Fahrzeug 1 angeordnet
ist und betreibbar ist, eine Bewegung (beispielsweise eine Beschleunigung,
eine Geschwindigkeit und einen Versatz) einer vertikalen Schwingung
des Fahrzeugs zu detektieren. Das Bewegungsdetektormittel ist beispielsweise
durch einen Vertikal-G-Sensor (Beschleunigungssensor) ausgeführt.
In der vorliegenden Ausführungsform entspricht der H∞-Controller 2 einem
Rückkopplungs-Controller.
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Das
Steuerungssystem 3 beinhaltet einen halb-aktiven Dämpfer 4 (einen
Dämpfer einer halb-aktiven Federung), der eine beispielhafte
Ausführungsform eines Steuerdämpfers ist, einen
nicht-linearen Controller, der eine beispielhafte Ausführungsform
eines Kompensators ist, und einen Beobachter 6. Wie später
beschrieben wird, ist das Steuerungssystem 3 dafür
ausgelegt, die nicht-lineare dynamische Charakteristik (Dynamik) des
halb-aktiven Dämpfers 4 (der nachfolgend auch
einfach als ”Dämpfer 4” bezeichnet
wird, wenn dies angemessen oder praktisch ist) zu inkorporieren.
Das heißt, dass im Steuersystem 3 die Steuerung
des Fahrzeugkarosserieteils (Fahrzeug 1) und die Steuerung
des Dämpferteils (Dämpfer 4) getrennt
behandelt werden. Für die Steuerung der Fahrzeugkarosserie 1 wird
ein lineares Modell verwendet und daher wird ein linearer H∞-Controller
(H∞-Controller 2) verwendet. Andererseits wird
für die Kontrolle des Dämpferteils (Dämpfer 4), der
eine starke Nichtlinearität aufweist, das Backstepping-Verfahren
(wird nachfolgend beschrieben), das eines der nicht-linearen Steuerverfahren
ist, verwendet, um den halb-aktiven Dämpfer 4 (Steuerdämpfer)
zu steuern und daher die Schwingung der Fahrzeugkarosserie zu kontrollieren.
Zusammengefasst wird im Steuersystem 3 die Nichtlinearität
des Dämpfers 4 durch Einsatz des Backstepping-Verfahrens,
das eines der nicht-linearen Steuerverfahren ist, berücksichtigt.
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Beim
Backstepping-Verfahren wird ein elektrischer Anweisungsstrom i so
erzeugt, dass ein variabler Teil der Dämpfungs-Charakteristik
(Steuerkraft) in der tatsächlichen Dämpfungskraft
Fd sich der H∞-Controller-Ausgabe ur annähert.
Bei diesem Steuerungsverfahren (dem Backstepping-Verfahren) wird
die transiente Charakteristik der Beschleunigung verbessert, d.
h. der Stoß (die Rate der Beschleunigungsänderung)
reduziert, um so Schwingung in der Domäne höherer
Frequenz, als die Frequenz gefederter Resonanz zu reduzieren, indem
der Fehler zwischen einer abgeschätzten Dämpfungskraft
Fu (abgeschätzte Steuerkraft) und der H∞-Controller-Ausgabe
ur reduziert wird. Der oben erwähnte Beobachter 6 führt
eine Abschätzungsverarbeitung am variablen Dämpfungs-Charakteristikteil
durch, während die nicht-lineare Dynamik des Dämpfers 4 erwogen
wird. und gibt die abgeschätzte Dämpfungskraft
Fu aus. Weiterhin gibt der Beobachter 6 eine Geschwindigkeit
v (Kolbengeschwindigkeit) eines nicht gezeigten, am Dämpfer 4 angeordneten
Kolbens aus. [Die Kolbengeschwindigkeit v entspricht einer Ausdehnungs-/Kompressionsgeschwindigkeit
des Dämpfers 4. Die Kolbengeschwindigkeit v wird
auch als ”abgeschätzte Kolbengeschwindigkeit v” bezeichnet.]
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Kolbengeschwindigkeit
v unter Verwendung des Beobachters 6 abgeschätzt. Jedoch
kann die Kolbengeschwindigkeit v unter Verwendung eines Fahrzeughöhensensors
und eines Differentiators berechnet werden. In diesem Fall steigen
die Systemkosten, wobei allerdings die Kolbengeschwindigkeit v genauer
berechnet werden kann.
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Das
Modellieren der nicht-linearen Dynamik des halb-aktiven Dämpfers 4 wird
nunmehr unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
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Der
in 1 gezeigte, halb-aktive Dämpfer erzeugt
eine Dämpfungskraft abhängig von dem elektrischen
Anweisungsstrom i und der Kolbengeschwindigkeit v des Dämpfers 4,
wie im Kennfeld von 2 gezeigt, und weist eine nicht-lineare
Charakteristik auf. Zusätzlich erzeugt der halb-aktive
Dämpfer 4 keine Dämpfungskraft, wenn
die Kolbengeschwindigkeit v um 0 m/s ist und hat daher auch die
bilineare Charakteristik.
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Die
Dämpfungskraft Fd(v, i) [entsprechend einer tatsächlichen
Dämpfungskraft und nachfolgend auch als ”tatsächliche
Dämpfungskraft Fd” bezeichnet, wenn angemessen],
die vom Dämpfer 4 erzeugt worden ist, kann durch
die Summe aus der Dämpfungskraft Fu(v, i) des variablen
Dämpfungskraft-Charakteristikteils ausgedrückt
werden, der vom elektrischen Anweisungsstrom i und der Kolbengeschwindigkeit
v abhängt, und einer Dämpfungskraft Fy(v) des
invariablen Dämpfungskraft-Charakteristikteils (= Dämpfungskraft-Charakteristik
im weichen Modus), die nur von der Kolbengeschwindigkeit v abhängt,
wie folgt ausgedrückt werden: Fd(V,
i) = Fu(V, i) + Fy(v) (1)
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[Es
sollte angemerkt werden, dass in der vorliegenden Ausführungsform
die abgeschätzte Dämpfungskraft Fu die Dämpfungskraft
des variablen Dämpfungskraft-Charakteristikteils ist.]
Insbesondere kann Fu(v, i) durch die folgende Gleichung (2) als
lineare Gleichung in Bezug auf den elektrischen Anweisungsstrom i
ausgedrückt werden: Fu =
Fk(v)·i (2)
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird ein Anweisungssignal
durch den elektrischen Anweisungsstrom i ausgeführt, obwohl
es durch jegliches andere Signal ausgeführt werden kann,
das in der Lage ist, den Steuerdämpfer dazu zu veranlassen,
eine vorgegebene Steuerungskraft zu erzeugen, wie etwa eine Spannung.
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Da
Fu(v, i) durch Gleichung (2) ausgedrückt werden kann, wird
Fk(v) als eine Steigung (nachfolgend auch als ”nicht-lineare
Verstärkung” bezeichnet, wenn angemessen) in Bezug
auf den elektrischen Anweisungsstrom i angesehen. In der vorliegenden
Ausführungsform ist die Steigung Fk(v) ein nicht-lineares
Element. Fk(v) [inverse Funktione des Tangens (Arc-Tan-Funktion),
nicht-lineares Verstärkungsberechnungsmtitel] wird approximiert,
um die folgende Gleichung (3) zu erhalten, basierend auf der Steigung
der Dämpfungskraft in Bezug auf den elektrischen Anweisungsstrom
i, der aus der tatsächlichen Dämpfungskraft-Charakteristik
berechnet ist: Fk(v) = (a/b)tan–1(b·v) (3)
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Die
Werte für a und b werden als die folgenden Gleichungen
(4) gesetzt, basierend auf in
2 gezeigten
tatsächlichen Daten:
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3 zeigt
die Steigung der Dämpfungskraft in Bezug auf den elektrischen
Anweisungsstrom i für jede Kolbengeschwindigkeit. 3 zeigt
die aus der Dämpfungskraft-Charakteristik der tatsächlichen
Daten erhaltenen Steigung und der aus Funktions-Approximation der
Gleichung (4) berechneten Steigung.
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Um
die Dynamik des Dämpfers
4 zu kompensieren, wird
die Dynamik des variablen Dämpfungskraft-Charakteristikteils
[Dämpfungskraft Fu(v, i)] durch das Verzögerungssystem
erster Ordnung ausgedrückt. Die Dämpfungskraft
Fu wird durch die nachfolgende Gleichung (5) unter Verwendung der
Zeitkonstanten T ausgedrückt:
Fu
= Fk(v)·i/(Ts + 1) (5)wobei
1/(Ts + 1) eine Dynamikfunktion ist. Die Gleichung (5) ist eine
Frequenzraum-Repräsentation, die den Laplace-Operator s
verwendet. Wenn der in
1 gezeigte Beobachter
6 die
tatsächliche Dämpfungskraft Fd abschätzt,
wird die abgeschätzte Dämpfungskraft Fu durch
Berechnung, basierend auf den elektrischen Anweisungsstrom i und
der Kolbengeschwindigkeit v mit Verwendung des in
2 gezeigten
Kennfelds oder der Gleichung (5) erhalten. Eine Zeit-Domänen-Repräsentation
der Gleichung (5) ist wie die nachfolgende Gleichung (6):
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Die
Verwendung dieser Gleichung (6) im erwähnten Backstepping-Verfahren
ermöglicht das Inkorporieren der nicht-linearen Dynamik
des Dämpfers 4. In der vorliegenden Ausführungsform
wird die Gleichung (6) im Backstepping-Verfahren verwendet, so dass
die nicht-lineare Dynamik des Dämpfers 4 inkorporiert
werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform wird die
Zeitkonstante T als T = 0,02 in Gleichung (5) gesetzt, basierend
auf experimentellen Daten.
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In
der vorliegenden Ausführungsform, wie oben erwähnt,
wird bezüglich der abgeschätzten Dämpfungskraft
Fu, die Dynamik des variablen Dämpfungskraft-Charakteristiksteils [Dämpfungskraft
Fu(v, i)] durch das Verzögerungssystem erster Ordnung ausgedrückt,
und die so erhaltene abgeschätzte Dämpfungskraft
Fu wird vom nicht-linearen Controller 5 verwendet. Daher
kann die Dynamik des Dämpfers 4 kompensiert werden und
das Steuersystem kann so ausgelegt werden, dass es das Zeitverzögerungselement
des Steuerdämpfers inkorporiert.
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Das
vom nicht-linearen Controller 5 eingesetzte und zur Berechnung
des elektrischen Anweisungsstroms i verwendete oben erwähnte
Backstepping-Verfahren wird nunmehr unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Es sollte angemerkt werden, dass 4 nicht
speziell eine Einheit (Differentiator) zum Erhalten eines zeitlichen
Differenzierung(Zeitableitung)-Werts Ur' der H∞-Controllerausgabe
ur durch Durchführen der temporalen Differenzierung an
der H∞-Controller Ausgabe ur, die aus dem H∞-Controller 2 bereitgestellt
wird, zeigt.
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Der
Fehler zwischen der abgeschätzten Dämpfungskraft
Fu des oben erwähnten variablen Dämpfungskraft-Charakteristik-Teils
und der H∞-Controller-Ausgabe Ur ist als ζ = ur – Fu
definiert. Der durch die nachfolgende Gleichung (7) ausgedrückte
temporale Fehlerdifferenzierungswert wird durch Durchführen
einer Differenzierung beider Seiten dieser Gleichung und dann Substituieren
der Gleichung (6) erhalten:
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Hier
wird i so ausgewählt, dass es der nachfolgenden Gleichung
(8) genügt:
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Dann
wird der zeitliche Fehlerdifferenzierungswert udrch die nachfolgende
Gleichung (9) ausgedrückt: ζ . = –hζ (9)
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Falls
t→∞, dann ζ→0 und daher kann
die Stabilisierung realisiert werden.
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In
den Gleichungen (8) und (9) ist h eine positive Konstante. Falls
die Konstante h klein ist, erfordert die Konvergenz des Fehlers
eine lange Zeit. Falls jedoch die Konstante h zu groß ist,
kann aufgrund der Limitierung des elektrischen Anweisungsstroms
i Divergenz auftreten. Ein Versuch und Fehler-Prozess ist für
die Auswahl der Konstanten h erforderlich. Falls die Kolbengeschwindigkeit
in der Gleichung (8) 0 ist, wird die nicht-lineare Verstärkung
Fk(v) 0, und daher wird der elektrische Anweisungsstrom i divers.
Daher wird eine Korrektur vorgenommen, so dass die Kolbengeschwindigkeit
(die für die Steuerung verwendete Kolbengeschwindigkeit)
zum Berechnen der nicht-linearen Verstärkung Fk(v) stets über
einem vorgegebenen Wert liegt. Insbesondere wird die Kolbengeschwindigkeit
wie in der Tabelle von 10 gezeigt korrigiert. In der
vorliegenden Ausführungsform wird ε in der Tabelle
von 10 auf 0,01 m/s eingestellt, unter Berücksichtigung
des Einflusses von Messrauschen.
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Weiterhin
wird die Konstante h in der Gleichung (8) zum einem Geschwindigkeitsabhängigkeitsparameter
bei der nachfolgenden Gleichung (10) verändert, um die
Singularität zu behandeln, bei der die Kolbengeschwindigkeit
v um den Ursprung herum unkontrollierbar wird: h(v) = (v/λ) 2 + δ (10)
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Es
sollte angemerkt werden, dass in der Gleichung (10) die Kolbengeschwindigkeit
v nicht reguliert wird, wie in 10 gezeigt.
Hier sind λ und δ positive Konstanten. In der
vorliegenden Ausführungsform wird λ auf 0,01 eingestellt
und δ auf 0,1 eingestellt, über einen auf Simulation
basierenden Versuch- und Irrtumprozess. Zusätzlich stellen
wir eine Grenze für h(v) ≤ 100 ein, so dass die
Konstante h nicht zu groß wird. Die Gleichung (10) hat
die Form einer quadratischen Funktion und eine Steuerung wird nicht
zwangsweise um den Ursprung durchgeführt, wo die Kolbengeschwindigkeit
v unkontrolliert wird, indem der Wert des Fehlers ζ reduziert
wird, wenn die Kolbengeschwindigkeit v um den Ursprung liegt.
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Wie
oben erwähnt, verwendet in der vorliegenden Ausführungsform
das Steuerungssystem 3 das Backstepping-Verfahren, welches
eines der nicht-linearen Steuerverfahren ist, und das Steuerungssystem 3 ist
so ausgelegt, dass es die Nichtlinearität des Dämpfers 4 inkorporiert.
Zusätzlich verwendet der nicht-lineare Controller 5 die
durch Ausdrücken der Dynamik des variablen Dämpfungskraft-Charakteristikteils
[Dämpfungskraft Fu(v, I)] durch ein Verzögerungssystem
erster Ordnung erhaltene Dämpfungskraft Fu und das Zeitverzögerungselement
des Steuerdämpfers kann inkorporiert werden. Als Ergebnis
ist es möglich, den Einfluss der Zeitverzögerung
zu dämpfen und die Steuerungskraft gemäß der
Charakteristik des Steuerdämpfers praktisch einzustellen.
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Weiterhin
ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
da das Steuerungssystem dafür ausgelegt ist, sowohl die
Nichtlinearität als auch die Dynamik des Steuerdämpfers
zu kompensieren, möglich, den Fehler zwischen der gewünschten
Dämpfungskraft und der tatsächlichen Dämpfungskraft
(tatsächlich dem variablen Dämpfungskraft-Charakteristikteil
in der tatsächlichen Dämpfungskraft) zu reduzieren
und daher ist es möglich, sowohl die gefederte Beschleunigung
als auch Stoßen zu reduzieren. Da es möglich ist,
sowohl die gefederte Beschleunigung als auch das Stoßen
auf diese Weise zu reduzieren, ist es möglich, die Fahrqualität
zu verbessern.
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Weiterhin,
da es möglich ist, Antwortverzögerung des Steuerdämpfers
zu kompensieren, ist es möglich, sowohl die gefederte Beschleunigung
als auch das Stoßen zu reduzieren und damit die Fahrqualität
selbst bei einem preiswerten Steuerdämpfer mit einer niedrigen
Responsivität zu verbessern.
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Das
heißt, dass es gemäß der vorliegenden
Ausführungsform möglich ist, eine exzellente Schwingungssteuerung
durchzuführen, da das Modell dafür ausgelegt ist,
die Nichtlinearität und das Zeitverzögerungselement
des Steuerdämpfers zu inkorporieren.
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Wir
führten verschiedene Tests an der wie oben erwähnt
konfigurierten Federungssteuervorrichtung aus. Insbesondere führten
wir (a) volle Fahrzeugsimulation, (b) Vier-Räder-Schütteltest
und (c) einen tatsächlichen Fahrzeuglauftest durch, um
die Effektivität des in der Federungssteuervorrichtung
eingesetzten Steuerungsverfahrens zu beweisen, bei dem die Nichtlinearität
und das Verzögerungselement mit erwogen werden. Die Details
und die Ergebnisse der Tests sind wie folgt.
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Für
die oben erwähnten Tests wählten wird einen großen
Salonwagen, der mit einem gefederte Vertikalbeschleunigungssensor
ausgestattet war, als ein zu steuerndes Fahrzeug. Die bei der Steuerung
verwendete Kolbengeschwindigkeit wurde durch einen adaptiven VSS(Variables
Struktur System)-Beobachter (man nehme Bezug auf den in 1 gezeigten
Beobachter) aus dem durch den gefederten Vibrationssensor detektierten
gefederten Vertikalbeschleunigungssignal abgeschätzt. Dann
wurde die Dämpfungskraft basierend auf der abgeschätzten
Kolbengeschwindigkeit und dem elektrischen Anweisungsstrom abgeschätzt,
um die abgeschätzte Dämpfungskraft zu erhalten,
und die abgeschätzte Dämpfungskraft wurde an den
nicht- linearen Controller (man beziehe sich auf den in 1 gezeigten
nicht-linearen Controller 5) ausgegeben.
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Die
Bedingungen der Steuerungsgesetze der vorliegenden Ausführungsform
und von mit der vorliegenden Ausführungsform verglichenen
anderen Techniken sind wie in der Tabelle von 11 gezeigt.
Wie gezeigt, verwendet die vorliegende Ausführungsform
ein sowohl die Nichtlinearität als auch die Dynamik des Dämpfers 4 inkorporierendes
Steuergesetz.
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Die
mit der vorliegenden Ausführungsform verglichenen Techniken
beinhalten die Steuertechnik B, die ein Steuergesetz einsetzt, das
nur die Dynamik des Dämpfers (vgl. Dämpfer 4 in 1)
inkorporiert, die Steuertechnik C, die ein Steuergesetz verwendet,
das nur die Nichtlinearität des Dämpfers (vgl.
den in 4 gezeigten Dämpfer 4) inkorporiert,
und die konventionelle Technik D, die ein Steuergesetz einsetzt,
das sowohl die Nichtlinearität als auch die Dynamik des
Dämpfers (vgl. den in 4 gezeigten
Dämpfer 4) ignoriert und nur eine lineare H∞-Steuerung
einsetzt. Als der H∞-Controller 2 wurde derselbe
Controller in allen Techniken verwendet. Zusätzlich beinhalten
die mit der vorliegenden Ausführungsform verglichenen Techniken
ein mit einer passiven Federung (deren Daten als ”Standard” in
den 8 und 9 gezeigt sind) ausgerüstetes
Standardfahrzeug, das auch mit der vorliegenden Ausführungsform
verglichen worden ist, wie unten erwähnt wird.
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(a) VOLLE FAHRZEUGSIMULATION
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Wir
führten eine Simulation von zufälligem Wellenrütteln
mit dem auf 0,5 bis 20 Hz eingeengten Frequenzbereich und eine Simulation
von Log-Ablenk-Rütteln bei aufrecht erhaltener Rüttelamplitude
und dem Frequenzbereich von 0,3 bis 4 Hz unter Verwendung eines
vollen Fahrzeugmodells durch.
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5 zeigt
die Leistungsspektrumsdichte (LSD) von durch das zufällige
Wellenrütteln erhaltener gefederter Beschleunigung. Die
Dämpfungsleistungen der vorliegenden Ausführungsform
und der konventionellen Technik D sind im Niederfrequenzbereich
und um die Frequenz der gefederten Resonanz herum ähnlich. Jedoch
ist im höheren Frequenzbereich als der Frequenz der gefederten
Resonanz die LSD der vorliegenden Ausführungsform mehr
als diejenige der konventionellen Technik D vermindert.
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6 zeigt
den P-P-Wert (Peak-zu-Peak-Wert) der gefederten Hüpfer
pro Rüttelfrequenz, die durch das Log Ablenk-Rütteln
erhalten worden sind. Wir erhielten das Ergebnis, dass das Stoßen
in der vorliegenden Ausführungsform mehr als dasjenige
bei der konventionellen Technik D über den gesamten Bereich
von Rüttelfrequenz vermindert war.
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(b) VIERRAD-RÜTTELTEST
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7 zeigt
Ergebnisse einer Zeithistorienantwort, die durch einen tatsächlichen
Fahrzeug-Vier-Räder-Inphase-Rütteltest bei einer
Frequenz von 4 Hz erhalten worden sind. Insbesondere zeigt 7(a) die Zeit/gefederte Beschleunigung-(gefederte
Vertikalbeschleunigung)Charakteristik und 7(b) zeigt
die Charakteristik des Fehlers zwischen der H∞-Controller-Ausgabe
ur und der tatsächlichen Dämpfungskraft Fd, gezeigt
entsprechend der Zeit.
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Wie
aus dem in 7(a) gezeigten Ergebnis
ersichtlich, ist die Antwort in der vorliegenden Ausführungsform
glatter als jene der Kontrolltechniken B und C und die gefederte
Beschleunigung in der vorliegenden Ausführungsform ist
mehr als jene in den Kontrolltechniken B und C reduziert. Die vorliegende
Ausführungsform kann auf diese Weise ein exzellenteres
Resultat als Steuertechnik B und C bereitstellen, weil die Fehlersteuerungen
derselben anders sind, wie in 7(b) gezeigt.
Je kleiner der in 7(b) gezeigte Fehler
ist, desto mehr wird die H∞-Controller-Ausgabe ur (vgl. 1),
was eine gewünschte Dämpfungskraft ist, auf das Fahrzeug übertragen.
Es ist verständlich, dass, wenn sich in der Steuertechnik
C die gefederte Beschleunigung sehr verändert, d. h. wenn
der Stoß beeinträchtigt ist, auch der Fehler entsprechend
der großen Änderung bei der gefederten Beschleunigung
groß wird. Auf diese Weise konnte ein exzellentes Ergebnis
in der Steuertechnik C nicht erhalten werden, und dies liegt daran,
dass die Dynamik des Dämpfers in der Steuertechnik C nicht
berücksichtigt worden ist.
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Da
die Steuertechnik B dafür ausgelegt ist, die Dynamik des
Dämpfers zu inkorporieren, ist der Fehler kleiner und die
gefederte Beschleunigung ist in Steuertechnik B im Vergleich zur
Steuertechnik C reduzierter. Jedoch, da die Nichtlinearität
des Dämpfers in Steuertechnik B nicht berücksichtigt
wird, ist der Fehler oft größer als derjenige
der vorliegenden Ausführungsform und zu jenen Zeiten ändert
sich der Fehler sehr und die gefederte Beschleunigung ändert
sich ebenfalls sehr und daher ist das Stoßen beeinträchtigt.
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Da
die vorliegende Ausführungsform ein Steuerungssystem einsetzt,
das so ausgelegt ist, dass es sowohl die Nichtlinearität
als auch die Dynamik des Dämpfers 4 inkorporiert,
kann, wie aus den oben erwähnten Testergebnissen ersichtlich,
der Fehler kleiner sein und die gefederte Beschleunigung und der
Stoß können durch maximales Ausnutzen der Leistungsfähigkeit
des H∞-Controllers 2 im Vergleich zu den Steuertechniken B
und C mehr reduziert werden.
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(c) TATSÄCHLICHER FAHRZEUGLAUFTEST
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8 zeigt
die Zeit-Historien-Reaktion, wenn das Fahrzeug auf einer holprigen
Oberfläche gefahren ist, die gefederte Resonanz verursachen
würde. Insbesondere zeigen 8(a) und 8(b) die gefederte Beschleunigung bzw.
den gefederten Stoß. Die Zeichnung zeigt an, dass der P-P-Wert
der gefederten Beschleunigung gleichermaßen in der vorliegenden
Erfindung und der Steuertechnik C im Vergleich zu einem Standardfahrzeug
(mit passiver Federung ausgestattetes Fahrzeug) reduziert werden
kann. Jedoch ändern sich im von der strich-gepunkteten
Linie F in 8(a) umgebenen Fläche
die gefederten Beschleunigungen von Steuertechnik C und dem Standardfahrzeug
sehr. Bezüglich dem gefederten Stoß zu diesem
Zeitpunkt, wie durch die von der strich-gepunkteten Linie G in 8(b) umgebene Fläche angezeigt,
ist der P-P-Wert des gefederten Stoßes in der vorliegenden
Erfindungsform nur eine Hälfte desjenigen in Steuertechnik
C. Diese Faktoren beeinträchtigen signifikant den tatsächlichen
Fahrkomfort. Die Testergebnisse zeigen an, dass die vorliegende Ausführungsform
eine exzellentere Fahrqualität als Steuertechnik C bereitstellen
kann.
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9 zeigt
die LSD von gefederter Beschleunigung, wenn das Fahrzeug auf einer
Straßenoberfläche gefahren ist, einschließlich
einer holprigen Straße und einer rauen Straße.
Die LSD der vorliegenden Ausführungsform und der Steuertechnik
C können um die Frequenz der gefederten Resonanz herum
auf ein selbes Ausmaß reduziert werden, im Vergleich zum
Standardfahrzeug. Jedoch kann nur die LSD der vorliegenden Ausführungsform
mehr als diejenige des Standardfahrzeugs im höheren Frequenzbereich
als der Frequenzbereich der gefederten Resonanz reduziert werden.
Auf diese Weise zeigt die vorliegende Ausführungsform einen
höheren Dämpfeffekt als Steuertechnik C.
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In
der oben erwähnten Ausführungsform wird der H∞-Controller 2 als
der Rückkopplungs-Controller verwendet. Jedoch kann ein
anderer Rückkopplungs-Controller, wie etwa ein Skyhook-Controller
oder ein LQ-Controller anstelle des H∞-Controllers eingesetzt
werden.
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In
der oben erwähnten Ausführungsform dient Fk(v)
[inverse Tangensfunktion (Arc-Tan-Funktion)] als das nicht-lineare
Verstärkungsberechnungsmittel. Jedoch kann ein die nicht-lineare
Verstärkung [d. h. ein gemäß der Federgeschwindigkeit
v bestimmter Koeffizient, welche die abgeschätzte Steuerkraft
Fu erzeugen kann, indem er mit dem elektrischen Anweisungsstrom
i multipliziert wird] enthaltendes Kennfeld anstelle von Fk(v) verwendet
werden.
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In
der oben erwähnten Ausführungsform wird die Dynamikfunktion
unter der Annahme gebildet, dass der Steuerdämpfer ein
Verzögerungssystem erster Ordnung ist. Jedoch kann die
Dynamikfunktion ausgebildet werden unter der Annahme, dass der Steuerdämpfer
ein anderes Zeitverzögerungssystem ist, wie etwa ein Verzögerungssystem
zweiter Ordnung.
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In
der oben erwähnten Ausführungsform wird der halb-aktive
Dämpfer 4 als der Steuerdämpfer verwendet.
Jedoch kann in einigen Ausführungsformen ein aktiver Dämpfer
(entweder ein elektronischer Aktuator oder ein hydraulischer Aktuator)
anstelle des halb-aktiven Dämpfers verwendet werden. Selbst
falls der Steuerdämpfer ein aktiver Dämpfer ist,
kann die geschätzte Steuerungskraft durch die Summe des
variablen Steuerkraft-Charakteristikteils Fu ausgedrückt
werden, der vom Anweisungssignal und der abgeschätzten
relativen Geschwindigkeit, und dem invariablen Steuerkraft-Charakteristikteil
(Fy) abhängt. Daher kann diese Ausführungsform
in derselben Weise wie die oben erwähnte vorliegende Ausführungsform
gehandhabt werden.
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Bei
der oben erwähnten Ausführungsform wird der elektrische
Anweisungsstrom (elektrisches Signal) als das Anweisungssignal verwendet.
Jedoch kann ein anderes Signal, wie etwa ein optisches Signal, anstelle des
elektrischen Signals verwendet werden.
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Obwohl
nur einige beispielhafte Ausführungsformen dieser Erfindung
oben detaillierter beschrieben worden sind, verstehen Fachleute
leicht, dass viele Modifikationen an den beispielhaften Ausführungsformen möglich
sind, ohne wesentlich von der neuen Lehre und den Vorteilen dieser
Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollen alle solche Modifikationen
im Schutzumfang dieser Erfindung beinhaltet sein.
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35
U.S.C. Abschnitt 119 an der
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2008-132529 vom 20. Mai 2008. Die gesamte
Offenbarung der
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2008-132529 vom 20. Mai 2008, einschließlich
Beschreibung, Ansprüchen, Zeichnungen und Zusammenfassung,
wird hierin unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit inkorporiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2008-132529 [0064, 0064]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Takanori Fukao,
Takafumi Suzuki und Koichi Osuka auf der Fünften Konferenz
der ”Society of Instrument and Control Engineers Control
Control Division”, abgehalten vom 25. bis 27. Mai 2005 [0002]
- - Fukao et al. [0003]
