专利名称：汽车悬架的线性控制的制作方法
技术领域：
本发明的一个实施例涉及汽车悬架系统。更具体地，本发明的一个实施例涉及主动汽车悬架系统的线性控制。
背景技术：
轿车的舒适性和道路操控性能主要由减震器的阻尼特性所决定。被动减震器具有由其设计所决定的固定的阻尼特性。然而，取决于道路激励，希望调节此特性以提高性能。半主动和主动悬架系统可以随着道路轮廓改变阻尼器特性(如，通过改变一个或两个可控电流阀的节流)。主动减震器具有的其它优势在于可以提供负阻尼，且可以在低速下产生更大范围的力，从而潜在地允许提高系统的性能。
已经公开了几种使用主动悬架控制汽车的理论线性和非线性技术。这些技术基于包含集中质量、线性弹簧与阻尼器以及模拟为理想力源的主动减震器的线性物理汽车模型而应用线性控制策略。然而，实际的汽车动态要复杂得多，且主动减震器并不是理想力源，而是具有复杂的非线性动态特性。作为这些不实际假设的结果，这些现有技术线性控制方法不适用于实际应用。
已将非线性控制策略，如线性参数变化增益调度和后推，应用于主动悬架系统，且仅通过模拟方式验证。这些控制器基于线性或非线性物理汽车模型与非线性物理阻尼器模型的结合。这些模型具有大量的参数。这些模型参数的实验识别是复杂的(非凸优化)问题。此外，上述非线性控制器的设计和调节并不简单明了。本质上，由于没有可用的标准技术或者软件工具，非线性模型和控制器的使用导致非常耗时的设计。最后，这些控制器的实现对于在轿车控制系统中的实际应用而言过于复杂。
根据上文，需要采用线性控制的改进的主动悬架系统。
发明内容
本发明的一个实施例是车辆悬架系统，其包括缸筒、插入缸筒中的连杆、与连杆相连接的活塞以及具有输入活塞电流的活塞阀。该悬架系统还包括与缸筒连接的底座、具有输入底座电流的底座阀以及与活塞阀和底座阀相连接的控制器。控制器可根据所产生的有效电流产生输入活塞电流和输入底座电流。
图1是显示现有技术的被动减震器和依照本发明的一个实施例的主动减震器的框图；图2图解显示了依照本发明的一个实施例的主动减震器的工作范围；图3示出了依照本发明的一个实施例的减震器的示意图，其中减震器与车身和车轮相连接；图4是给出本发明的一个实施例的输入-输出关系的示意的框图；图5图解显示了测量的和根据降阶多输入多输出(“MIMO”)模型计算的频率响应函数(“FRF”)；图6图解显示了估计的乘性不确定性的FRF和拟合的线性模型的FRF；图7图解显示了无控制主动悬架和调节的被动悬架的、道路至车身加速度的FRF和轮胎力的FRF；图8是闭环系统的框图；图9图解显示了通过μ-综合得到的线性控制器的FRF的一个实施例和降阶控制器；图10示出了控制器的Hankel奇异值谱并指示出选择的阶数。
具体实施例方式
本发明的一个实施例是主动减震器，其包括基于车辆和车轮的向上或向下加速度计算有效电流的控制器。有效电流然后用于利用相对较简单的线性技术计算对减震器的输入电流。
本发明的主动减震器构件的一个实施例设计为，其开环(无控制)动态特性与为同类汽车调节的被动减震器的开环动态特性相当。通过根据道路调整主动减震器的阻尼特性的控制器而进一步改进性能。
图1是示出现有技术的被动减震器10和依照本发明的一个实施例的主动减震器20的框图。减震器10包括充有油液的缸筒12和与活塞16相连接的连杆14，其中活塞16包括提供已校准节流的活塞阀15。连杆14移入或移出缸筒12所引起的容积改变，由经过底座阀17流入或流出储油器19的油液进行补偿。经过底座阀17和活塞阀15二者的压力下降产生作用在活塞16上的阻尼力。
主动减震器20也包括连杆24、缸筒22、活塞26和储油器31。然而，在主动减震器20中，活塞阀和底座阀分别由止回阀(活塞止回阀28和底座止回阀30)和可控电流阀(活塞CVSA阀27和底座CVSA阀29)替代。在一个实施例中，活塞CVSA阀27和底座CVSA阀29是可控电流的连续可变半主动(“CVSA”)阀。活塞CVSA阀27具有输入电流“iP”且底座CVSA阀29具有输入电流“ib”。在一个实施例中，将输入阀门27和29的电流限制在i-＝0.3A和i+＝1.6A之间，其分别对应于阀门的最小和最大节流位置(即，开启和关闭)。在一个实施例中，活塞CVSA阀27控制经过活塞26的压差，而底座CVSA阀29控制经过底座(即，活塞26以下的腔和储油器31之间)的压差。在一个实施例中，活塞CVSA阀27并不是活塞26的一部分。
在运行中，当连杆24向上移动(正速度)时，活塞止回阀28关闭且油液流经活塞CVSA阀27。因为在缸筒22中的连杆24的体积减小，迫使油液从储油器31经过底座止回阀30进入缸筒22中，从而使底座CVSA阀29的节流变得不重要。
如图2中可见，对于正速度，阻尼力因而主要由输入到活塞CVSA阀27的电流iP控制。图2是阻尼力对振动速度(rattle velocity)的曲线图40。振动速度是连杆关于缸筒的相对速度，其中正值对应于连杆移出缸筒。
当连杆24向下移动(负速度)时，活塞止回阀28开启，从而使活塞CVSA阀27的节流变得不重要。因为在缸筒22中的连杆24的体积增大，所以底座止回阀30关闭且油液从缸筒22经过底座CVSA阀29流入储油器31中。如图2中所示，对于负速度，阻尼力因而主要由输入到底座CVSA阀29的电流ib控制。
通过进一步包括与缸筒22连接的外部液压泵32而使减震器20成为主动式。泵32产生经过CVSA阀的更大范围的压力下降，从而形成扩大的阻尼力范围。
减震器20与控制器33相连接，其中控制器33根据车辆的向上或向下加速度的输入34生成有效电流(在下文中说明)。有效电流可容易地转化为分别输入到活塞CVSA阀27和底座CVSA阀29的ip和ib。
如所说明的，图2图解显示了依照本发明的一个实施例的主动减震器20的工作范围。对于输入到底座阀和活塞阀的电流(分别为ip和ib)的多种组合，绘制了作为振动速度的函数的阻尼力。当ib＝ip＝i-时所获得的力-速度曲线将可用力的区域分为两半。通过将输入到活塞阀的电流保持在i-，同时将输入到底座阀的电流从i-增大到i+，而获得工作范围的上半部分。通过将输入到底座阀的电流保持在i-，同时将输入到活塞阀的电流从i-增大到i+，而获得工作范围的下半部分。
通过每次仅改变一路电流信号即可覆盖整个包络面的事实，被本发明的实施例通过引入人工信号iv(称作“有效电流”)而加以利用，其中人工信号iv从-1至+1变化，并与下面的底座阀和活塞阀电流的特定组合相对应ib=i--iv(i+-i-)iv<0i-iv>0]]>ip=i-iv<0i-+iv(i+-i-)iv>0]]>此单一有效电流替代了输入到底座阀和活塞阀的两路原始电流，作为由控制器33生成的输入信号。此替换将控制器33从多输出系统简化为单输出系统，从而形成了更简单和更直接的设计。
图3示出了根据本发明的一个实施例的减震器的示意图，其中该减震器与车身62和车轮60相连接。从控制设计的角度来看，此为多输入多输出(“MIMO”)系统。车身和车轮的加速度ab和aw是可用于控制器33的系统的输出。输入到主动减震器的有效电流iv是由控制器33计算的系统的输入。所施加的道路位移(road displacement)xa作为外部干扰作用于系统上。
图4是给出本发明的一个实施例的输入输出关系的图示的框图。系统动态由2×2转移矩阵G2×2表示，而控制器33由1×2转移矩阵K1×2表示。
在一个实施例中，可使用频域法来识别本发明的系统动态和不确定性，该方法包括四个步骤(1)设计适当的激励信号，(2)估计系统的频率响应函数(“FRF”)，(3)识别这些FRF的参数标称模型和(4)估计模型的不确定性。
为了识别该系统的动态，在一个实施例中为输入iv和xa设计了激励信号。在识别中的通用准则是使用与系统的实际激励对应的激励信号，以使所识别的线性模型是对于该类激励的系统的良好近似。
输入到主动减震器的控制信号iv通过高斯频带限制白噪声进行激励。带宽设置为50Hz，其充分地高于所需的闭环带宽。幅度电平的选择使得激励信号的2σ界限对应于饱和电平±1以获得良好的信噪比。
道路位移信号xa通过综合(integrated)高斯白噪声进行激励，其频谱对应于随机道路的频谱。所测得的输出是车身的加速度ab和车轮的加速度aw。
将两路激励信号同时应用于系统达300秒并以1kHz采样。系统的第一谐振是良好减震的车身模态，并预计在1.5Hz。最低所关心频率大致选为小于5的因数，从而得到0.24Hz的频率分辨率。将测量数据分为具有4096个样本的145个块，且具有50％的重叠。使用H1-估算器估算MIMO FRF矩阵。图5图解示出了测量的FRF(虚线)和根据降阶MIMO模型计算的FRF(实线)从道路位移xa(左)和有效电流iv(右)至车身加速度ab(上)和车轮加速度aw(下)。
在一个实施例中，采用非线性最小二乘频域识别法，将参数传递函数(“TF”)矩阵拟合到所测量的多输入多输出频率响应函数(MIMOFRF)矩阵上。目标是将简单却精确的线性MIMO模型拟合到所测量的MIMO FRF矩阵上。如果能够较好地估计模型参数的数目(系统极点和传递函数零点的数目)，并可包括基于物理观念的先验系统知识，则可改进此最优化的收敛。
通过将该系统表示为由通过弹簧和阻尼器连接的3个质量块所构成的集中参数模型(如图3中所示)，而获取此信息。为了这个目的，假设减震器的力与控制电流成比例，从而忽略主动减震器的动态。这些假设表明存在有6阶的线性模型，其描述了3个系统模态车身模态、车轮跳动模态和套筒模态。对此集中参数模型的分析还显示出双微分器(在0Hz双零点)包括在所有4个传递函数中。
在一个实施例中，将6阶单输入单输出(“SISO”)TF模型分别拟合到每个FRF上。表示3个系统模态的3个复极点对，理论上对于所有4个SISO模型应该一致。然而，由于噪音和非线性，各个模型的极点可能稍有不同。在一个实施例中，在将这些模型结合时采用了某种模型降阶以避免在控制设计中的条件不良的最优化，并降低控制器的复杂性。为了完成这一模型降阶，将4个SISO TF的极点改变为所识别的SISO模型的极点的平均值。为了将这些新的共极点模型拟合到所测量的FRF上，在频域中进行零点的再识别。
再识别是线性最小二乘问题，其不会遇到收敛的问题。与通过将4个SISO模型结合而不减少共极点的数目所获得的MIMO模型相比，所得到的降阶MIMO模型(在最小二乘意义上)仅稍欠精确。
该系统的一个实施例还包含有6ms的延迟，其由液压管道和电动阀等产生。可根据存在于所有FRF中的线性相位滞后来估计上述延迟。可使用2阶Pade逼近将此延迟转化为一对复极点和右半面零点。将这些极点和零点加到降阶模型上，从而产生如图4中所示的参数标称模型G。
标称模型G是对包括本发明的实施例的车辆模型的动态特性建模的线性近似。传感器噪音、非线性和未建模高频动态导致了模型的不确定性。通过将145个数据块分为具有14个块的10组，而将测量的多个FRF与G的FRF矩阵进行比较，可估计这些不确定性。将这些FRF之间的相对差平均，产生乘性不确定性WTab和WTaw。然后可将线性模型拟合到这些不确定性估计值上。图6图解示出了估计的乘性不确定性的FRF(虚线)和拟合的线性模型的FRF(实线)。
如图6的图表110所示，将12阶模型拟合到车身加速度输出的乘性不确定性上。该不确定性在0.5和10Hz之间远低于100％(0dB)。模型G中在12Hz处轻微衰减的零点，使得相对不确定性在该频率达到峰值。
如图6的图表120所示，将4阶模型拟合到车轮加速度输出的乘性不确定性上。该不确定性在1和15Hz之间低于100％(0dB)。
控制器33的一个实施例是线性控制器，其在车身模态(1.5Hz)附近的频率区域内衰减车身加速度，并且在其它频域中不放大车身加速度或者改变轮胎力。这考虑到了舒适性和操控特性的改进。通过考虑所估计模型的不确定性可获得鲁棒性能。可将为此悬架系统调节的标准被动减震器用作参照，如图7中所示，其图解示出了无控制主动悬架(实线)和调节的被动悬架(点划线)的、道路至车身加速度的FRF(图表130)以及轮胎力的FRF(图表140)。
在典型的鲁棒控制设计中使用的广义对象P包括2类输入和输出外部输入和输出，以及控制器输入和输出。外部输入信号的频率成分和外部输出信号的期望频率成分由频域加权函数表达，以使期望性能可表达为增广对象的H∞范数的界限。
本发明的一个实施例具有一个外部输入，即作为未测量干扰量的模拟道路位移xa。典型的随机道路的频率成分为综合白噪声，其通过加权函数Wr模拟。其具有滞后补偿器特性，在所关心频率区域内具有20dB/decade的斜率，而在低频段和高频段具有零斜率，以满足完善的状态-空间H∞控制设计的问题阐述所必需的条件。
使用加权函数Wu将第一外部输出信号zu定义为加权控制输入iv。将Wu设置为1，表明对于所有频率，控制输入的2范数都应该小于1，从而避免控制电流iv的过度饱和。
使用加权函数Wp将第二外部输出信号zp定义为加权车身加速度信号ab。Wp是带通滤波器，具有在车身模态谐振附近的截止频率，使得从Wr到zp的系统振幅大于在该谐振的频率区域内的振幅。这表明控制器应当衰减在车身模态谐振的车身加速度。该带通滤波器权重的截止频率的精确位置是本发明的一个实施例中的调整参数。增加衰减的频率区域的期望宽度，直到该控制设计问题不可行。
还通过乘性输出不确定性模型WTab和WTaw对系统增广。这形成了不确定性输入uΔab和uΔaw与输出vΔab和vΔaw。
通过将权重Wr、Wu、Wp、WTab和WTaw吸收到模型G中，获得广义对象P，从而产生如图8中所示的框图。
如果控制器K能够稳定图8中所示的闭环系统，那么其可获得鲁棒性能。因为基于闭环系统的结构奇异值，所以μ-综合控制设计框架能够考虑到Δ-块的结构。在一个实施例中控制器综合基于DK-迭代法，其中交变的D-尺度函数适于逼近结构奇异值(D-步)，并且设计出H∞控制器(K-步)。
图9图解示出了通过μ-综合获得的控制器33的一个实施例(实线)和降阶控制器(虚线)。控制器的输入是测量的车身加速度ab(左)和车轮加速度aw(右)，输出是输入到主动减震器的有效电流iv。控制器的阶数是60，其为增广对象的阶数加上D尺度(scalings)的阶数。
在一个实施例中，控制器的高阶数具有以下简述的几个缺点·数值条件不良状态空间矩阵·实时处理器过载·过度的内存使用所以，在一个实施例中，通过最优Hankel逼近降低控制器的阶数。图10示出了控制器的Hankel奇异值谱并指示出所选的阶数14。在图9中降阶的FRF与初始的控制器的比较显示出，在20Hz以上的较高频段仅有较小偏差，因此预期不存在闭环性能的劣化。
如所公开，具有线性鲁棒控制设计技术的本发明的主动悬架的实施例所产生的控制器，与通过调节的被动减震器所获得的舒适性相比能够显著提高舒适性对车身模态频率附近的车身加速度的衰减增加了50％。从实际底座阀电流和活塞阀电流到单路有效电流的转换，使得可替代MIMO非线性控制设计而应用SISO线性控制技术。所获得的操控性能与调节的被动减震器的操控性能相当。轮胎力的峰值没有显著增加。
本文具体示出和/或说明了本发明的几个实施例。然而，应该理解的是以上说明和所附权力要求的界限涵盖了，不偏离本发明的实质和预期范围的本发明的改型和变化。
权利要求
1.一种车辆悬架系统，其包括缸筒；插入所述缸筒中的连杆；与所述连杆相连接的活塞；与所述活塞相连接的活塞阀，其中所述活塞阀具有输入活塞电流(ip)；与所述缸筒相连接的底座；与所述底座相连接的底座阀，其中所述底座阀具有输入底座电流(ib)；以及控制器，其与所述活塞阀和所述底座阀相连接，所述控制器可根据所产生的有效电流(iv)产生所述输入活塞电流和所述输入底座电流。
2.如权利要求1所述的车辆悬架系统，其中大体根据下面的等式由所述有效电流产生所述输入活塞电流和所述输入底座电流ib=i--iv(i+-i-)iv<0i-iv>0]]>ip=i-iv<0i-+iv(i+-i-)iv>0]]>
3.如权利要求1所述的车辆悬架系统，其中所述活塞阀和所述底座阀是可控电流的连续可变半主动阀。
4.如权利要求1所述的车辆悬架系统，其还包括与所述缸筒相连接的泵。
5.如权利要求1所述的车辆悬架系统，其还包括与所述活塞连接的活塞止回阀和与所述底座连接的底座止回阀。
6.如权利要求1所述的车辆悬架系统，其中根据车辆和车轮的垂直加速度产生所述有效电流。
7.如权利要求1所述的车辆悬架系统，其中根据线性模型产生所述有效电流。
8.一种控制车辆的主动减震器的方法，所述减震器具有可控电流活塞阀和可控电流底座阀，所述方法包括接收所述车辆的垂直加速度；根据所述加速度计算有效电流；和根据所述有效电流(iv)计算活塞阀电流(ip)和底座阀电流(ib)。
9.如权利要求8所述的方法，其中大体根据下面的等式计算所述活塞阀电流和所述底座阀电流ib=i--iv(i+-i-)iv<0i-iv>0]]>ip=i-iv<0i-+iv(i+-i-)iv>0]]>
10.如权利要求8所述的方法，其中根据线性模型计算所述有效电流。
11.如权利要求8所述的方法，其中通过μ-综合设计控制器计算所述有效电流。
12.如权利要求8所述的方法，所述控制器还可根据垂直车轮加速度计算所述有效电流。
13.一种控制车辆的主动减震器的控制器，所述减震器具有可控电流活塞阀和可控电流底座阀，所述控制器适于接收所述车辆的垂直加速度；根据所述加速度计算有效电流；和根据所述有效电流(iv)计算活塞阀电流(ip)和底座阀电流(iv)。
14.如权利要求13所述的控制器，其中大体根据下面的等式计算所述活塞阀电流和所述底座阀电流ib=i--iv(i+-i-)iv<0i-iv>0]]>ip=i-iv<0i-+iv(i+-i-)iv>0]]>
15.如权利要求13所述的控制器，其中根据线性模型计算所述有效电流。
16.如权利要求13所述的控制器，其包括μ-综合设计。
17.如权利要求13所述的控制器，所述控制器还可根据垂直车轮加速度计算所述有效电流。
全文摘要
一种车辆悬架系统，其包括缸筒(22)、插入缸筒中的连杆(24)、与连杆连接的活塞(26)以及具有输入活塞电流的活塞阀(27)。该悬架系统还包括与缸筒连接的底座、具有输入底座电流的底座阀(29)以及与活塞阀和底座阀相连接的控制器(33)。控制器可根据所产生的有效电流产生输入活塞电流和输入底座电流。
文档编号B60G17/06GK1849226SQ200480026365
公开日2006年10月18日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月11日
发明者C·劳韦里斯, J·斯韦维尔斯, P·萨斯 申请人:田纳科自动化操作有限公司