DE112005000954T5

DE112005000954T5 - Modellfreies semiaktives Fahrzeug-Fahrwerksystem

Info

Publication number: DE112005000954T5
Application number: DE112005000954T
Authority: DE
Inventors: Christophe Lauwerys; Jan Swevers
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2007-05-31
Also published as: JP4926945B2; GB0620213D0; JP2007534558A; GB2426746A; WO2005105490A1; GB2426746B; US7321816B2; US20050240326A1

Abstract

Verfahren zum Regeln eines Stoßdämpfersystems eines Fahrzeugs, das mehrere geregelte Stoßdämpfer umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Linearisieren des Systems durch Transformieren von Originalregelungseingaben der Stoßdämpfer in virtuelle Dämpferkrafteingangssignale auf der Grundlage einer bilinearen Dämpfercharakteristik;
Entkoppeln der Systemdynamik in modale Komponenten unter Verwendung von statischen Entkopplungsmatrizen; und
Regeln des Systems mit einem linearen dezentralisierten Regler.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der am 27. April 2004 eingereichten provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/565,512, deren Beschreibung durch Verweis hier miteinbezogen wird, in Anspruch.
GEBIET DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Fahrzeug-Fahrwerksystem gerichtet. Genauer ausgedrückt, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf ein modellfreies semiaktives Fahrzeug-Fahrwerksystem gerichtet.
HINTERGRUNDINFORMATION
Der Komfort und die Straßenlage eines Pkws oder irgendeines anderen Fahrzeugs werden hauptsächlich durch die Dämpfungscharakteristik der Stoßdämpfer an dem Fahrzeug bestimmt. Passive Stoßdämpfer haben eine durch ihre Konstruktion bestimmte feststehende Dämpfungscharakteristik. Es ist jedoch wünschenswert, diese Charakteristik in Abhängigkeit von der von der Straße ausgehenden Erregung zu verstellen, um die Leistung zu verbessern. Semiaktive und aktive Fahrwerkssysteme bieten die Möglichkeit, die Dämpfercharakteristiken entsprechend dem Straßenprofil, beispielsweise durch Ändern der Drosselwirkung von einem oder zwei stromgesteuerten Ventilen oder durch Ändern der Viskosität eines magnetorheologischen Fluids, zu verändern.
Ein aktiver Stoßdämpfer hat den zusätzlichen Vorteil, dass negatives Dämpfen bereitgestellt werden kann, und dass ein größerer Bereich von Kräften bei niedrigen Geschwindigkeiten erzeugt werden kann, wodurch die Möglichkeit einer Verbesserung der Systemleistung gegeben ist. Semiaktive Fahrwerke sind jedoch weniger komplex, zuverlässiger und leichter im Handel erhältlich, als aktive Fahrwerke. Sie brauchen keine externe Energiequelle (wie z.B. eine Hydraulikpumpe) und sind sicherer, weil sie Energie nur dissipieren und das System daher nicht unstabil machen können.
Es gibt verschiedene lineare und nichtlineare Verfahren zum Regeln eines Autos unter Verwendung eines aktiven oder semiaktiven Fahrwerks. Was lineare Verfahren angeht, wenden sie im Allgemeinen lineare Regelungsstrategien, die auf linearen physikalischen Automodellen bestehend aus Punktmassen, linearen Federn und Dämpfern, und einem als ideale Kraftquelle modellierten Stoßdämpfer beruhen. Jedoch ist die wirkliche Fahrzeugdynamik sehr viel komplexer und sind aktive Stoßdämpfer keine idealen Kraftquellen, sondern haben ein komplexes nichtlineares dynamisches Verhalten. Die den bekannten Verfahren zugrundegelegten unrealistischen Annahmen machen diese linearen Regelungsverfahren für praktische Anwendungen weniger geeignet.
Nichtlineare Regelungsverfahren, wie Linearparameter variierende Verstärkungsplanung (linear parameter varying gain scheduling), Zurückstufen (backstepping) und die adaptive Regelung wurden auf aktive Fahrwerksysteme angewendet. Diese Reglern basieren auf einem nichtlinearen physikalischen Auto- und Dämpfermodell, das eine große Anzahl von Parametern hat. Die experimentelle Identifikation dieser Modellparameter ist ein kompliziertes Problem. Außerdem sind die Optimierung eines solchen nichtlinearen Reglers, der diese bekannten Verfahren benutzt, schwierig und führt daher die Verwendung von nichtlinearen Modellen und Reglern zu sehr zeitaufwändigen Konstruktionen, da keine Standardverfahren oder Software-Werkzeuges zur Verfügung stehen.
Lauwerys u.a., "Design and experimental validation of a linear robust controller for an active suspension of a quarter car", Proceeding of the American Control Conference (2004), offenbart ein praktisches, experimentelles Verfahren unter Verwendung von linearen Identifikations- und robusten Regelungstechniken an einem aktiven Fahrwerk eines Viertelfahrzeug-Prüfstandes. Ein linearer robust arbeitender Regler wird unter Verwendung einer μ-Synthese auf der Grundlage eines experimentell identifizierten linearen Modells sowohl des aktiven Fahrwerks als auch der Viertelfahrzeugdynamik erhalten. Der relativ einfache Aufbau des Prüfstandes und die Linearität des aktiven Fahrwerks machen es möglich, lineare Identifikations- und Regelungskonstruktionstechniken anzuwenden. Die Dynamik eines wirklichen Fahrzeugs ist jedoch viel komplexer, und ein semiaktives Fahrwerk verhält sich ziemlich anders als ein aktives Fahrwerk, weil es zum Beispiel unregelbar wird, wenn die Rattergeschwindigkeit Null ist.
Die oben beschriebenen modellbasierenden Verfahren mögen in der Theorie optimale Regler für bestimmte Stoßdämpfer und Automodelle ergeben. Jedoch ist ihre Übertragung auf ein vollständiges Fahrzeug und stark nichtlineare semiaktive Stoßdämpfer komplex und sehr schwierig, wenn nicht unmöglich.
Auf der Grundlage des vorangegangenen besteht ein Bedarf für ein System und ein Verfahren für die modellfreie Regelung eines nichtlinearen semiaktiven oder aktiven Stoßdämpfers.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Regeln eines Stoßdämpfersystems eines Fahrzeugs, das eine Vielzahl von geregelten Stoßdämpfern enthält. Das System ist durch Transformieren von Original-Steuereingangssignalen der Stoßdämpfer in virtuelle Dämpferkraft-Eingangssignalen auf der Basis einer bilinearen Dämpfercharakteristik linearisiert. Die Systemdynamik wird dann in modale Komponenten unter Verwendung von statischen Entkopplungsmatrizen entkoppelt und das System wird mit einem linearen dezentralisierten Regler geregelt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockschaltbild, das einen passiven Stoßdämpfer des Standes der Technik und einen semiaktiven Stoßdämpfer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 zeigt eine grafische Darstellung einer gemessenen Geschwindigkeitskraftdämpfungscharakteristik für verschiedene Eingangsströme eines CVSA-Ventils.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs und eines Dämpfers mit einem nichtlinearen Regler.
4 zeigt ein Blockschaltbild, das die Hinzufügung eines linearen Reglers und eines linearisierenden Reglers anstelle des nichtlinearen Reglers zeigt.
5 zeigt graphisch den mehrfachen Zusammenhang zwischen den berechneten Dämpferkräften auf der Basis des physikalischen und des bilinearen Modells, und der Fahrzeugkarosseriebeschleunigung, die an einer der Ecken des Fahrzeugs gemessen wird.
6 zeigt ein Blockschaltbild des Pkws mit vier semiaktiven Stoßdämpfern gemäß Ausführungsformen der Erfindung und dargestellt als ein vier-mal-vier Mehrfacheingabe-Mehrfachausgabesystem, das einen vier-mal-vier MIMO-Regler erfordert.
7 zeigt graphisch die gemessene Frequenz-Antwortfunktionsmatrix des Systems der 6.
8 zeigt ein Blockschaltbild eines modalen Reglers und eines gekoppelten Systems.
9 zeigt graphisch die gemessene Frequenz-Antwortfunktionsmatrix des Systems der 7.
10 zeigt ein Blockschaltbild eines adaptiven Reglers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine modellfreie Regelungsstruktur, die nicht direkt auf ein Optimum abzielt, sondern viele physikalisch interpretierbare Parameter enthält, die leicht Online gemäß von Testfahrern gegebenen Leitlinien und auf der Basis von Testergebnissen optimiert werden können. Diese Vorgehensweise basiert auf physikalischen Prinzipien von semiaktiven Stoßdämpfern und Autos im Allgemeinen, erfordert aber kein Modell seiner Dynamik. Daher ist es auf jedes beliebige semiaktive oder aktive Fahrwerksystem und jeden Auto- oder Fahrzeugtyp anwendbar.
1 zeigt ein Blockschaltbild, das einen passiven Stoßdämpfer 10 nach dem Stand der Technik und einen semiaktiven Stoßdämpfer 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Stoßdämpfer 10 enthält einen mit Öl gefüllten Zylinder 12 und eine Stange 14, die mit einem Kolben 16 verbunden ist, der ein Kolbenventil 15 enthält, das eine kalibrierte Verengung liefert. Die von der Stange 14, die sich in den oder aus dem Zylinder 12 bewegt, hervorgerufene Volumenänderung wird durch in einen und aus einem Speicher 19 über ein Bodenventil 17 strömendes Öl kompensiert. Der Druckabfall sowohl an dem Bodenventil 17 als auch an dem Kolbenventil 15 führt zu einer auf den Kolben 16 wirkenden Dämpfkraft.
Der semiaktive Stoßdämpfer 20 enthält auch eine Stange 24, einen Zylinder 22, einen Kolben 26 und einen Speicher 31. Jedoch sind bei dem semiaktiven Stoßdämpfer 20 das Kolben- und das Bodenventil jeweils durch ein Rückschlagventil (Kolbenrückschlagventil 28 und Bodenrückschlagventil 30) ersetzt. Ein stromgesteuertes, kontinuierlich veränderliches semiaktives ("CVSA")-Ventil 32 hat einen Eingangsstrom "i_v". Ein Regler 33 erzeugt i_v wie unten näher beschrieben. Bei einem Ausführungsbeispiel ist i_v zwischen i^– = 0,3 A und i⁺ = 1,6 A begrenzt, was den am wenigsten bzw. am meisten einengenden Stellungen des Ventils 32 (d.h. offen und geschlossen) entspricht.
In Betrieb, wenn sich die Stange 24 nach oben bewegt (positive Rattergeschwindigkeit) schließt das Kolbenrückschlagventil 28 und strömt Öl durch das CVSA-Ventil 32. Da sich das Volumen der Stange 24 in dem Zylinder 22 verringert, wird Öl aus dem Speicher 31 in den Zylinder 22 durch das Bodenrückschlagventil 30 verdrängt. Die Ratterbewegung/Geschwindigkeit ist die relative Bewegung/Geschwindigkeit der Stange 24 bezüglich des Zylinders 22.
Wenn sich die Stange 24 nach unten bewegt (negative Rattergeschwindigkeit), öffnet sich das Kolbenrückschlagventil 28. Da das Volumen der Stange 24 in dem Zylinder 22 zunimmt, schließt das Bodenrückschlagventil 30 und Öl strömt von dem Zylinder 22 in den Speicher 31 über das CVSA-Ventil 32.
2 zeigt eine grafische Darstellung einer gemessenen Geschwindigkeitskraft-Dämpfungscharakteristik für verschiedene Eingangsströme i_v des CVSA-Ventils 32. Ein niedriger/starker Strom zu dem CVSA-Ventil 32 entspricht einer kleinen/großen Verengung, die ein niedriges/hohes Dämpfungsverhältnis ergibt. Diese Charakteristik wird durch Anlegen eines sinusförmigen Ratterbewegungssignals für verschiedene Einstellungen des Steuerstromes zu dem CVSA-Ventil 32 erhalten.
Bei einer Ausführungsform wird zum Erhalten von Stromparametern, wie sie unten offenbart sind, ein mit vier semiaktiven Stoßdämpfern ausgerüsteter Personenkraftwagen auf vier hydraulischen Rüttlern platziert, die die vier Räder des Autos mit einem gewünschten Straßenprofil unabhängig voneinander erregen können. Die Karosseriebeschleunigung des Autos wird unter Zuhilfenahme von vier Beschleunigungsmessern gemessen. Ferner wird die Ratterbewegung von allen vier Stoßdämpfern unter Zuhilfenahme von linearen Verschiebungssensoren gemessen. Bei diesem Testaufbau sind die Störeingaben des Systems die Bewegungen der Rüttler unter den Rädern des Autos. Die Regelungseingaben sind die Ströme zu den vier CVSA-Ventilen der semiaktiven Stoßdämpfer. Obgleich bei den verschiedenen Ausführungsformen das Ventil 32 stromgesteuert ist, kann das Ventil 32 bei anderen Ausführungsformen durch andere Eingaben, wie zum Beispiel Spannung, gesteuert werden.
Feedback-Linearisierung
Ein Ziel der Feedback-Linearisierung besteht darin, die Original-Regelungseingaben des Systems (die Ströme zu den CVSA-Ventilen der semiaktiven Stoßdämpfer) in virtuelle Regelungseingaben zu transformieren, um die dynamische Beziehung zwischen diesen neuen Regelungseingaben und die Ausgaben des zu regelnden Systems (die gemessenen Karosseriebeschleunigungen) zu linearisieren. Wenn die Beziehung zwischen den Systemeingaben und -ausgaben linear (oder genügend linear) ist, werden die Regelungsauslegung und -optimierung vereinfacht, da allgemein bekannte und lineare Regelungsauslegungstechniken, die von einer computergestützten Regelungssystemauslegung ("CACSD") gestützt werden, erfolgreich angewendet werden können.
Im Stand der Technik enthält die Transformation ein physikalisches Dämpfermodell und die neue Regelungseingabe entspricht der Dämpferkraft. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine alternative Transformation, bei der ein bilineares Dämpfermodell zu Hilfe genommen wird, die zu einer neuen Regelungseingabe führt, die nicht die Dämpferkraft ist, die aber zu einer besseren Linearisierung des Systems führt.
Nur eine Ecke des Fahrzeugs muss betrachtet werden, um zu zeigen, wie die Feedback-Linearisierung und die lineare Regelung durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert werden. Der Stoßdämpfer erzeugt in Abhängigkeit von der Rattergeschwindigkeit v_r und dem Dämpferventilstrom i_v eine Kraft f_d. Die Störeingabe ist die Straßenveränderung x_a. Die gemessene Ausgabe ist die Karosseriebeschleunigung a_b. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Autos 52 und eines Dämpfers 51 mit einem nichtlinearen Regler 50. Um die Karosserie des Autos 52 zu regeln, d.h. die Karosseriebeschleunigung zu verringern, gibt ein nichtlinearer Regler 50 die Karosseriebeschleunigung a_b an den Dämpfersteuerstrom i_v zurück.
Die Auslegung und Optimierung eines solchen nichtlinearen Reglers 50 ist nicht ganz einfach. Da der semiaktive Stoßdämpfer das am meisten nichtlineare Element des Systems ist, wird ein linearisierender Regler eingeführt, der einen geeigneten Dämpferstrom i_v berechnet, derart, dass eine gewünschte Dämpferkraft f_c für die gegebene Rattergeschwindigkeit v_r realisiert wird. 4 zeigt ein Blockschaltbild, das die Hinzufügung des linearen Reglers 60 und des linearisierenden Reglers 62 anstatt des nichtlinearen Reglers zeigt. Die gewünschte Dämpferkraft f_c wird unter Zuhilfenahme des linearen Reglers auf der Grundlage der gemessenen Karosseriebeschleunigung a_b erzeugt. Der linearisierende Regler 62 basiert auf einer umgekehrten Dämpfercharakteristik. Zwei verschiedene Charakteristiken werden betrachtet: Die gemessene Geschwindigkeits-Kraft-Charakteristik, wie in 2 gezeigt, die ein vereinfachtes physikalisches Dämpfermodell darstellt, und eine analytisch abgeleitete bilineare Charakteristik.
Das an sich bekannte Verfahren der Feedback-Linearisierung besteht darin, den linearisierenden Regler 62 auf einen physikalischen Modellstoßabsorbierer oder -dämpfer zu stützen. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann das physikalische Modell eine vereinfachte 2D-Tabelle, wie sie in 2 gezeigt ist, sein, die die Dämpferkraft f_d auf den Regelungsstrom i_v und die Rattergeschwindigkeit v_r bezieht. Das umgekehrte Modell wird dann unter Zuhilfenahme von 2D-Interpolationstechniken erhalten, derart, dass der Dämpferstrom i_v aus der Rattergeschwindigkeit v_r und der gewünschten Dämpferkraft f_c berechnet werden kann.
Im Gegensatz zum Stand der Technik stützen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den linearisierenden Regler 62 auf bilineare Dämpfercharakteristiken. Genauer ist ein semiaktiver Stoßdämpfer eine Vorrichtung, die eine Kraft f_c liefert, die auf die Rattergeschwindigkeit v_r und das Regelungssignal i_v (Gleichung 1) bezogen ist. Eine bilineare Näherung dieser Beziehung (Gleichung 2) kann durch Setzen der Koeffizienten F₀ und F₁₀ auf 0 vereinfacht werden (Gleichung 3), da ein semiaktiver Stoßdämpfer keine Kraft liefern kann, wenn sich die Stange nicht bewegt (v_r = 0). Die Gleichungen 4 und 5 zeigen die Vorwärts- und Umkehrdämpfermodellähnlichkeitsbeziehungen. Auf der Grundlage dieser bilinearen Näherung wird die Dämpferkraft linear auf das Produkt der Rattergeschwindigkeit und des vorgespannten Regelungssignals bezogen. fc = F(Vr, iv) (1) fc = F0 + vrF01 + ivF10 + vrivF11 (2)
fc ~ vr(i0 + iv) (4)
Da ein Skalieren ein linearer Vorgang ist, der durch den linearen Regler kompensiert wird, kann eine neue Eingabe f_c erzeugt werden, die gleich dem Produkt der Rattergeschwindigkeit v_r und dem vorgespannten Regelungsstrom i_v + i₀ ist. Diese Eingabe hat nicht mehr die physikalische Dimension einer Dämpferkraft. Deshalb wird sie als virtuelle Dämpferkraft bezeichnet. Es ist hervorzuheben, dass dieser linearisierende Regler nur einen Parameter i₀, die Regelungsstromvorspannung, enthält, um den herum der Regler arbeitet.
Um die Leistung des an sich bekannten linearisierenden Reglers, der auf dem physikalischen Dämpfermodell basiert, zu prüfen und mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der linearisierende Regler auf bilinearen Dämpfercharakteristiken basiert, zu vergleichen, wurde ein Testfahrzeug auf dynamische Rüttler platziert und mit den folgenden Signalen erregt:

• Unkorrelierte Rosa-Rausch-Straßenprofilbewegungs-Signale zu den vier Rüttlern unter den Rädern des Autos.
• Unkontrollierte Weiße-Rausch-Ströme zu den vier CVSA-Ventilen der semiaktiven Stoßdämpfer.

Die folgenden Signale wurden gemessen:

• Die vier Beschleunigungsmessersignale an den vier Ecken des Autos.
• Die vier Ratterbewegungen der vier Stoßdämpfer.

Die vier (virtuellen) Dämpferkräfte wurden auf der Grundlage der physikalischen und der bilinearen Dämpfermodelle offline berechnet.
Es sollte beachtet werden, dass die Leistung der Dämpfermodelle nicht durch Vergleichen der realen (gemessenen) und der berechneten (virtuellen) Dämpferkräften bestätigt wird, da die Wiedergabe dieser Kraft von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht benötigt wird, und da das bilineare Modell eine virtuelle Dämpferkraft erzeugt, die nicht mehr diese physikalische Bedeutung hat, da sie skaliert und versetzt wurde. Stattdessen berechnen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Signal, das mehr linear auf die Karosseriebeschleunigung als auf das Original-Regelungssignal bezogen ist.
5 zeigt graphisch den mehrfachen Zusammenhang zwischen den berechneten Dämpferkräften auf der Grundlage des physikalischen und des bilinearen Modells, und der Karosseriebeschleunigung, die an einer der Ecken des Autos gemessen wird. Der mit dem bilinearen Modell gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhaltene Zusammenhang ist höher, wodurch ein mehr lineares dynamisches Verhalten angezeigt wird, als dasjenige, das mit dem physikalischen Dämpfermodell des Standes der Technik erhalten wird.
Ein Problem mit dem physikalischen Dämpfermodell besteht darin, dass es versucht, die nichtlinearen Strom-Geschwindigkeits-Kraft-Charakteristiken des Stoßdämpfers zu kompensieren, der viel komplexer ist als die in 2 gezeigte Tabelle. Die Tabelle der 2 wurde mit speziellen harmonischen Erregungssignalen für einen Bereich von festen Stromeinstellungen erzeugt. Jedoch kann die Antwort eines nichtlinearen Systems amplitudenabhängig sein. Daher ist das Modell nur für Erregungssignale mit ähnlichen Amplitudenpegeln wie diejenigen, die für ihre Identifikation verwendet wurden, gültig. Im Gegensatz dazu enthält das bilineare Modell gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht diese nichtlinearen Charakteristiken, sondern wendet eine bilineare Näherung an, die sich als mehr linearisierend für Breitband-Erregungssignalen als stochastische Straßenerregungen herausstellt. Das bilineare Dämpfermodell enthält nur einen Parameter "i₀", während das Tabellendämpfermodell aus einer großen Menge von Datenpunkten besteht, um die nichtlineare Charakteristiken des Dämpfers zu beschreiben.
Modales Entkoppeln
6 zeigt ein Blockschaltbild des Personenkraftwagens mit vier semiaktiven Stoßdämpfern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurde und die als ein vier-mal-vier Mehrfach-Eingang-Mehrfach-Ausgang("MIMO")-System 70 dargestellt ist, das einen vier-mal-vier MIMO-Regler 72 erfordert. Die Regelungseingaben des Systems (d.h., die Ausgaben des Reglers 72) sind die virtuellen Kräften der semiaktiven Stoßdämpfer f^c _d. Die gemessenen Ausgaben des Systems (d.h. die Eingaben des Reglers 72) sind die Karosseriebeschleunigungen an den vier Ecken des Autos a^c _b. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung sind die gemessenen Ausgaben des Systems die Karosseriebeschleunigungen an den drei Ecken des Autos anstatt an allen vier Ecken und die vierte Ecke wird auf der Grundlage der drei gemessenen Ausgaben berechnet.
7 zeigt graphisch die gemessene Frequenzantwort-Funktions("FRF")-Matrix des Systems von 6. 7 ist eine FRF-Matrix des vier-mal-vier gekoppelten Systems aus den virtuellen Kräften (fd) zu den Karosseriebeschleunigungen (ab) an den vier Ecken des Autos (fl: vorne-links, fr: vorne-rechts, rl: hinten-links, rr: hinten-rechts). Die relativ große Größe der nicht diagonalen Elemente mit Bezug zu den diagonalen Elementen zeigt eine starke Kopplung an.
Eine statische Entkopplungsmatrix D (Gleichung 6) und ihre Pseudo-Umkehr D⁺ werden dazu verwendet, das System in seine modalen Bewegungen Heben und Senken, Wanken und Nicken zu entkoppeln, die dann von einem modalen (diagonalen) Regler 80, der in 8 gezeigt ist, geregelt werden. Die transformierten Regelungseingaben des Systems (Ausgaben des Reglers 80) sind drei virtuelle modale Kräfte, die auf das Auto über die vier semiaktiven Stoßdämpfer f^d _d wirken. Die transformierten Ausgaben des Systems (Eingaben des Reglers 80) sind die drei modalen Bewegungen des Autos a^d _b.
Ein vollkommen symmetrisches Auto würde durch die Transformationsmatrizen D und D⁺ mit δ = 0 entkoppelt werden. Die Spalten dieser Matrix entsprechen einem Ort der Sensoren an dem Auto: vorne links, vorne rechts, hinten links und hinten rechts. Die Reihen stellen die modalen Bewegungen dar: Auf- und Abbewegen (alles in Phase), Wanken (links in Gegen-Phase mit rechts), Nicken (vorne in Gegen-Phase mit hinten).
9 stellt graphisch die gemessene FRF-Matrix des entkoppelten Systems mit δ = 0 dar. 9 ist die FRF-Matrix des drei-mal-drei entkoppelten Systems von den virtualen modalen Kräften (fd) zu den modalen Karosseriebeschleunigungen (ab). Die relative Größe der nichtdiagonalen Elemente ist erheblich kleiner, was anzeigt, dass weniger Koppeln eine dezentralisierte Regelung zuläßt. Auf der Grundlage der FRF-Matrizen in den 7 und 9 ist es nicht möglich, den Schluss zu ziehen, ob Werte für δ
0 zu einem optimaleren Entkoppeln für die Regelung führen würde. Daher wird δ als ein Regelungsparameter eingeführt, der Online optimiert werden kann, um eine symmetrische Autodyna mik als eine Folge der Längsexzentrizität des Schwerpunktes zu erreichen.
Regelungsstrategien
Nachdem nun das System linearisiert und entkoppelt wurde, wie oben beschrieben, kann nun ein Regler auf der Basis des transformierten Systems konstruiert werden. Bei einer Ausführungsform wird der Regler unter Verwendung des bekannten Skyhook-Prinzips konstruiert. Es kann jedes andere Reglerkonstruktionsprinzip verwendet werden, das das linearisierte und entkoppelte System gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
Der lineare Regler von einer Ausführungsform besteht aus mehreren Feedback- und Feedforward-Modulen, von denen jedes ein spezielles Komfort- und Handling-Problem angeht. Die Ausgabe aller Module werden zu einer gewünschten modalen virtuellen Dämpferkraft summiert. Das Ziel ist die modalen Bewegungen des Autos zu unterdrücken, um den Komfort der Passagiere zu erhöhen. Der Feedback-Linearisierungsregler und die modalen Entkopplungstransformationen gestatten es, gewünschte modale Kräfte, die den Stoßdämpfern zuzuführen sind, aus den gemessenen modalen Bewegungen zu spezifizieren. Auf der Grundlage des Skyhook-Prinzips bestehen die diagonalen modalen Regler aus drei Tiefpassfilter erster Ordnung, von denen die Bandbreite f_b und die Verstärkung online optimiert werden kann, um einen optimalen Kompromiß zwischen gewünschten Komfortvorgaben und Eingabesättigung zu erzielen.
Das Springen von Rädern ist ein Resonanzmodus, bei dem die Räder des Autos sich mit großer Amplitude bezüglich der Straße bewegen, während die Fahrzeugkarosserie relativ ruhig bleibt. Diese Erscheinung verschlechtert die Handling-Eigenschaften des Fahrzeugs wegen der großen Reifenkontaktkraftänderungen. Der Radspringmodus kann durch Erhöhen der Regelungsstromvorspannung i₀ (siehe Gleichung 5 oben) gedämpft werden, um die herum die Regelungsströme geändert werden.
Wenn ein Auto in eine Kurve gefahren wird, neigt es sich wegen der Zentrifugalkraft zur Seite, die zu dem Quadrat der Fahrgeschwindigkeit und dem Radius der Kurve proportional ist. Diese Wankbewegung wird durch Verwendung eines Feedforward-Reglers kompensiert, der eine modale Wankkraft den gewünschten Dämpferkräften entgegengesetzt zu der von der Kurve verursachten Wankbewegung und proportional zu der gemessenen Fahrgeschwindigkeit im Quadrat und dem Lenkwinkel hinzufügt.
Beim Beschleunigen oder Bremsen neigt das Auto nach hinten bzw. nach vorne proportional zu der aufgebrachten Lateralbeschleunigung. Diese Nickbewegung wird durch Verwendung eines Feedforward-Reglers kompensiert, der eine module Nickkraft den gewünschten Dämpferkräften hinzufügt. Diese zusätzliche gewünschte Nickkraft ist proportional zu der gemessenen Bremskraft und dem gewünschten Raddrehmoment (die beide auf dem Reglerbereichs-Netzwerk ("CAN"))-Bus des Autos zur Verfügung stehen.
Regelungsparameteroptimierung
Bei einer Ausführungsform steht kein Modell zur Verfügung, um den Regler zu optimieren (z.B. in der Simulation). Die Übersetzung der subjektiven Vorgaben wie Komfort und Straßenlage in klassische Regelungsspezifikationen (z.B. Bandbreite und Ausregelzeit) ist sehr schwierig und unklar. Daher ist eine Ausführungsform des entwickelten Reglers mit einer Anzahl von Parametern ausgerüstet, die auf der Grundlage von Angaben eines erfahrenen Testfahrers, der das Auto über kalibrierte Teststrecken fährt, getrennt voneinander online optimiert werden können. Alle optimierbaren Parameter haben eine derartige physikalische Interpretation, dass ihre Wirkung auf das Gesamtverhalten des Fahrwerks klar ist. Im Folgenden werden die verschiedenen Regelungsparameter, ihre physikalische Interpretation und ihre Wirkung auf das Verhalten des Autos diskutiert.

• Die modale Entkopplungsmatrix D enthält einen Parameter δ, der den Längsversatz des Schwerpunk tes darstellt. Dieser Parameter wird optimiert, um eine ausgeglichene Fahrzeugreaktion zu erhalten, bei der die vordere und die hintere Dynamik sich ähnlich verhalten.
• Der integrale Feedback-Regler, der aus drei Tiefpassfilter erster Ordnung besteht, enthält sechs Parameter: drei Verstärkungen und drei Bandbreiten. Durch Erhöhen dieser Verstärkungen und Bandbreiten wird die Niederfrequenzdämpfung der modalen Bewegungen des Autos bis zu einem gewissen Punkt, an dem sie auch damit beginnen, die Hochfrequenzrauheit zu verschlechtern, verbessert.
• Das bilineare Dämpfermodell, das verwendet wird, um die Systemdynamik zu linearisieren, enthält die Rattergeschwindigkeit, um die Regelungsströme auf der Grundlage der gewünschten virtuellen Dämpferkraft zu berechnen. Daher wird die gemessene Ratterbewegung differenziert und mit einem Tiefpassfilter filtriert, um eine Hochfrequenz-Störverstärkung zu verhindern. Die Bandbreite dieses Filters ist ein wichtiger Parameter, der eingestellt wird, um den Kompromiß zwischen der Reglerbandbreite und der Störempfindlichkeit zu optimieren.
• Die Regelungsstromvorspannung i₀ (siehe Gleichung 5 oben) bestimmt den durchschnittlichen Betrag an Dämpfung in dem System und wird hauptsächlich eingestellt, um die Handling-Eigenschaften des Autos zu optimieren. Eine Erhöhung dieses Wertes gibt dem Auto einen besseren Reifenkraftkontakt, verschlechtert aber den Komfort der Fahrgäste. Experimentelles Einstellen zeigte, dass der optimale Wert von dem Straßentyp abhängt: eine glatte Straße erlaubt eine weichere Einstellung während eine rauhe Straße eine härtere Einstellung erfordert.

Die Regelungsteuervorspannung i₀, die zu einem optimalen Kompromiß zwischen Komfort und Straßenlage führt, hängt von der Rauheit der Straße ab. Das Ziel ist die Reifenkontaktkraftänderungen zu begrenzen, um einen bestimmten Betrag an Handling-Eigenschaften, unabhängig von der Straßeneingabe, aufrechtzuerhalten. Da diese Reifenkontaktkräfte nicht online gemessen werden können, wird angenommen, dass der durchschnittliche Betrag an kinetischer Energie der Räder bezogen ist auf den durchschnittlichen Betrag an Reifenkontaktkraftänderung. Die absolute Radgeschwindigkeit kann durch die Rattergeschwindigkeit angenähert werden, da bei der Radhüpfresonanz der Aufbau des Fahrzeugs relativ ruhig bezüglich der Räder bleibt. Dies führt zu dem folgenden adaptiven Regelungsgesetz, um konstante Handling-Eigenschaften beizubehalten: man passe die Regelungsstromvormagnetisierung i₀ derart an, dass der mittlere Betrag an kinetischer Energie der Räder konstant bleibt.
Ein Maß E proportional zu dem (sich bewegenden) Durchschnittsbetrag an kinetischer Energie der Räder wird online durch Filtern der Summe (von allen vier Rädern) der Rattergeschwindigkeiten v_r im Quadrat mit einem Tiefpassfilter erster Ordnung berechnet. die Zeitkonstante τ dieses Filters bestimmt die Zeit, über die der Durchschnitt berechnet wird, wie in 7 gezeigt:
Für einen bestimmten Straßentyp und einem festgelegten Wert der Regelungsstromvormagnetisierung i₀ besteht eine Zeitkonstante τ, für die der Durchschnittsbetrag an kinetischer Energie der Räder E zu einem konstanten Wert (nahe gegebener Grenzen) konvergiert. Ein Erhöhen von i₀, das zu einem härteren Stoßdämpfer führt, wird E abnehmen. Das Auto, das als ein System G mit der Regelungseingabe i₀ und einer gemessenen Ausgabe E zu sehen ist, kann als ein System erster Ordnung mit der Zeitkonstante τ und einer negativen DC-Verstärkung A, wie in Gleichung 8 unten gezeigt, model liert werden. Ein proportionaler Feedback-Regler P führt zu einem neuen System erster Ordnung mit einer Zeitkonstante
und einer DC-Verstärkung
10 zeigt ein Blockschaltbild des adaptiven Reglers, um die durchschnittliche kinetische Energie der Räder E, bezogen auf die durchschnittliche Reifenkontaktkraftänderung auf einem konstanten Pegel E₀, durch Regeln der Stromvorspannung E₀ mit einem proportionalen Regler zu halten. Der Parameter P und die Bezugsgröße E₀ können optimiert werden, um einen gewünschten Betrag an straßenunabhängigen Handling-Eigenschaften zu erhalten.
Wie beschrieben, wird die Reglerstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage einer physikalischen Betrachtung der Fahrzeug- und semiaktiven Fahrwerkdynamik ohne ausdrücklich ein Modell zu verwenden, hergestellt. Bei einer Ausführungsform besteht die Regelungsstruktur aus drei grundlegenden Teilen. Zuerst wird das System durch Transformieren der Originalstromregelungseingaben in virtuelle Dämpferkrafteingabesignale linearisiert. Es wird gezeigt, dass diese Linearisierung verbessert wird, wenn eine bilineare Dämpfercharakteristik anstatt einer nichtlinearen Charakteristik auf der Grundlage eines physikalischen Modells verwendet wird. Dann wird die Systemdynamik in ihre modalen Komponenten unter Verwendung von statischen Entkopplungsmatrizen entkoppelt. Obwohl die tatsächliche Fahrzeugdynamik weder symmetrisch noch statisch entkoppelbar ist, sind die nicht diagonalen Elemente der FRF-Matrix genügend klein bezüglich der diagonalen Elemente nach dem statischen Entkoppeln.
Ein einziger Parameter wird verwendet, um den Längsversatz des Schwerpunktes fein abzustimmen, um eine symmetrische Fahrzeugdynamik zu erhalten. Zum Schluss wird dieses linearisierte und entkoppelte System durch einen linearen dezentralisierten Regler geregelt, der aus mehreren Modulen besteht, die alle ein spezielles Komfort- oder Handling-Problem angehen. Alle die aus dieser modellfreien Regelungsstruktur resultierenden Parameter haben eine physikalische Bedeutung und können daher intuitiv auf der Grundlage von Angaben eines Testfahrers online optimiert werden. Da die optimale Durchschnittsdämpfung des Systems von der Rauheit der Straßenerregung abhängt, wird ein adaptiver Regler verwendet, um die Regelungsstromvormagnetisierung zu regulieren.
Das sich ergebende semiaktive Fahrwerksystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Dämpfungskraft eines jeden Dämpfers, beispielsweise durch Ändern einer Verengung innerhalb des Dämpfers oder durch Ändern der Charakteristik des Öls, in dem Dämpfer eingestellt werden. Ein Computer wird dazu verwendet, in jedem Augenblick einen gewünschten Dämpfungspegel vor jedem Dämpfer an dem Auto zu berechnen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berechnen diese gewünschten Dämpfungspegel durch Berücksichtigen der Bewegung des Fahrzeugaufbaus, der Straßenbedingungen und der Fahrereingaben. Im Gegensatz zu den vorbekannten Systemen verwendet der Algorithmus von Ausführungsform der vorliegenden Erfindung keine physikalische Information über die Dämpfer noch das Auto selbst.
Mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden speziell dargestellt und/oder hier beschrieben. Es versteht sich aber, dass Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung durch die oben stehenden Angaben abgedeckt sind und innerhalb des Umfanges der anhängenden Ansprüche liegen ohne vom Geist und dem beabsichtigten Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zusamenfassung
Ein Verfahren zum Regeln eines Stoßdämpfersystems eines Fahrzeugs, das mehrere geregelte Stoßdämpfer (20) enthält, linearisiert das System. Das Verfahren enthält das Transformieren von Originalregelungseingaben der Stoßdämpfer in virtuelle Dämpferkrafteingabesignale auf der Grundlage einer bilinearen Dämpfercharakteristik. Die Systemdynamik wird dann entkoppelt in modale Komponenten unter Verwendung von statischen Entkopplungsmatrizen, und das System wird mit einem linearen dezentralisierten Regler geregelt.

Claims

Verfahren zum Regeln eines Stoßdämpfersystems eines Fahrzeugs, das mehrere geregelte Stoßdämpfer umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Linearisieren des Systems durch Transformieren von Originalregelungseingaben der Stoßdämpfer in virtuelle Dämpferkrafteingangssignale auf der Grundlage einer bilinearen Dämpfercharakteristik; Entkoppeln der Systemdynamik in modale Komponenten unter Verwendung von statischen Entkopplungsmatrizen; und Regeln des Systems mit einem linearen dezentralisierten Regler.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das System unter Verwendung von modellfreien Eingaben linearisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die modalen Komponenten eine modale Entkopplungsmatrix aufweisen, die einen Parameter hat, der einen Längsversatz eines Schwerpunktes des Fahrzeugs darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das System durch Erzeugen eines Regelungssignals, i_v, für jeden der geregelten Stoßdämpfer gesteuert wird, wobei
und wobei v_r eine Rattergeschwindigkeit der Stoßdämpfer; f_c eine verwandte Kraft der Stoßdämpfer und i₀ eine Regelungsstromvormagnetisierung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stoßdämpfer semiaktive Stoßdämpfer sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stoßdämpfer stromgesteuerte Stoßdämpfer sind.
Semiaktiver Stoßdämpfer eines Stoßdämpfersystems eines Fahrzeugs umfassend: einen Zylinder; eine in den Zylinder eingeführte Stange; einen mit der Stange verbundenen Kolben; ein geregeltes Ventil, das mit dem Zylinder verbunden ist; und einen mit dem geregelten Ventil verbundener Regler zum Regeln des Ventils, wobei der Regler umfasst: einen linearen Regler; einen linearisierenden Regler, der mit dem linearen Regler verbunden ist, wobei der linearisierende Regler auf einer bilinearen Dämpfercharakteristik basiert.
Semiaktiver Stoßdämpfer nach Anspruch 7, bei dem der Regler das Ventil unter Verwendung eines virtuellen Dämpferkrafteingabesignals, i_v regelt, und wobei
wobei v_r eine Rattergeschwindigkeit des Stoßdämpfers, f_c eine verwandte Kraft des Stoßdämpfers ist und i₀ eine Regelungsstromvormagnetisierung ist.
Semiaktiver Stoßdämpfer nach Anspruch 7, wobei der Regler ferner eine modale Entkopplungsmatrix umfasst.
Semiaktiver Stoßdämpfer nach Anspruch 9, wobei die modale Entkopplungsmatrix einen Parameter umfasst, der einen Längsversatz eines Schwerpunktes des Fahrzeugs darstellt.
Semiaktiver Stoßdämpfer nach Anspruch 7, wobei das geregelte Ventil ein stromgeregeltes Ventil ist.
Semiaktiver Stoßdämpfer nach Anspruch 7, wobei der Regler auf einem Skyhook-Prinzip basiert.
Stoßdämpfersystem eines Fahrzeugs, umfassend mehrere geregelte Stoßdämpfer, wobei das System umfasst: eine Einrichtung zum Linearisieren des Systems durch Transformieren von Regelungseingaben der Stoßdämpfer in virtuelle Dämpferkrafteingabesignalen auf der Grundlage einer bilinearen Dämpfercharakteristik; eine Einrichtung zum Entkoppeln der Systemdynamik in modale Komponenten unter Verwendung von statischen Entkopplungsmatrizen; und eine Einrichtung zum Regeln des Systems mit einem linearen dezentralisierten Regler.
Stoßdämpfersystem nach Anspruch 13, bei dem das System unter Verwendung von modellfreien Eingaben linearisiert ist.
Stoßdämpfersystem nach Anspruch 13, bei dem die modalen Komponenten eine modale Entkopplungsmatrix umfasst, die einen Parameter hat, der einen Längsversatz eines Schwerpunktes des Fahrzeugs darstellt.
Stoßdämpersystem nach Anspruch 13, bei dem das System durch Erzeugen eines Regelungssignals, i_v, für jeden der geregelten Stoßdämpfer gesteuert wird, wobei
und wobei v_r eine Rattergeschwindigkeit der Stoßdämpfer; f₀ eine verwandte Kraft der Stoßdämpfer und i₀ eine Regelungsstromvormagnetisierung ist.
Stoßdämpfersystem nach Anspruch 13, bei dem die Stoßdämpfer semiaktive Stoßdämpfer sind.
Stoßdämpfersystem nach Anspruch 13, bei dem die Stoßdämpfer stromgesteuerte Stoßdämpfer sind.