一种横向互联空气悬架互联状态模糊控制系统及方法与流程

本发明涉及车辆空气悬架系统领域，具体涉及一种横向互联空气悬架互联状态控制系统。

背景技术：

空气悬架采用空气弹簧作为弹性元件，可以获得较低的悬架系统固有频率，并在载荷变化时，系统固有频率变化不大，从而提高了汽车的行驶平顺性；另一方面，空气悬架车辆通过空气弹簧的充气与放气主动控制车身与地面间的距离，满足特殊工况对车身高度的要求。

互联空气悬架是在传统空气悬架的基础上，利用管路将空气悬架中的空气弹簧连接起来，可以横向互联也可以纵向互联。横向互联是将同一车轴上左右空气弹簧相连，纵向互联则是将同侧前后空气弹簧相连，两种结构各有利弊：纵向互联在较大幅度提升车辆行驶平顺性的同时，对操纵稳定性造成的影响相对较小，故可始终保持互联状态，对互联状态控制策略依赖程度不高；缺点是纵向布置的互联管路较粗且较长难以在中小型车辆底盘布置，为保证互联效果，需使用较粗的互联管径，占用较大的底盘布置空间，难以应用于中小型车辆。横向互联空气悬架互联管路较短，且较细的互联管径即可满足互联效果，布置更加灵活紧凑，且对车辆行驶平顺性的提升更加明显；缺点是横向互联空气悬架虽然可以在结构上适用于中小型车辆底盘，但若不对其互联状态施加控制，将会导致车辆在转弯工况下存在安全隐患，横向互联不利于转弯工况下的操纵稳定性，需通过在互联管路中安装电磁阀控制空气弹簧间的连通与断开，使互联空气悬架适应更多行驶工况。

中国专利公开号为cn104442266a的文献公开了一种横向互联空气悬架互联状态控制系统及控制方法，该控制方法通过在各不同等级路面、不同车速、转弯和非转弯工况下，对互联和非互联状态进行仿真，通过对比侧倾角均方根值的大小确定出互联状态的开启和关闭。然而，该控制系统只考虑了前轴互联状态开关和后轴互联状态开关组合中的同时为开和同时为关的两种状态，且只对两种方向盘转角考虑为转弯和非转弯两种对应工况，其未能完全发挥前后轴互联状态的全部组合能力，同时对转弯工况的考虑过于简单，大大削弱了控制对变化工况的适应能力，控制不够精确。

技术实现要素：

针对现有车辆横向互联空气悬架的互联状态控制技术的不足，本发明提供一种面向车身姿态稳定的基于模糊控制的横向互联空气悬架互联状态控制系统，以提高车辆在各行驶工况下的平顺性和操纵稳定性。

本发明一种横向互联空气悬架互联状态模糊控制系统采用的技术方案是：包括簧下质量加速度采集模块、车速采集模块、路面辨识模块、侧向加速度采集模块、集成模糊-pwm互联控制算法的ecu和互联状态控制驱动模块；集成模糊-pwm互联控制算法的ecu由依次串接的数据处理模块、模糊逻辑控制器和pwm控制器组成；簧下质量加速度采集模块获取簧下质量加速度并将簧下质量加速度输出至路面辨识模块；车速采集模块获取车辆车速并将车速分别传送至路面辨识模块和模糊逻辑控制器；侧向加速度采集模块采集车辆侧向加速度并将侧向加速度输出至数据处理模块；路面辨识模块计算出路面不平度系数并将该系数提供给数据处理模块；数据处理模块对侧向加速度和路面不平度系数进行处理得到调节因子与侧向加速度的乘积，乘积输入至模糊逻辑控制器，模糊逻辑控制器对输入的乘积和车速进行处理得到通断比，通断比输入至pwm控制器以控制互联状态控制驱动模块。

所述横向互联空气悬架互联状态模糊控制系统的模糊控制方法采用的技术方案是是包括以下步骤：

步骤1：将倾角传感器装于某样车中，将前后轴互联状态依次设置为前开后开、前开后关、前关后开和前关后关这4种互联状态，在不同等级路面、不同侧向加速度和不同车速的工况条件下进行道路试验；

步骤2：计算在各种工况条件下的车身侧倾角的均方根值，对比4种互联状态下的车身侧倾角均方根值，形成控制经验；

步骤3：对不同等级路面下车速和侧向加速度对车身侧倾角均方根值的影响进行分析，形成前轴互联模糊控制规则和后轴互联模糊控制规则，将该模糊控制规则编译入集成模糊-pwm互联控制算法的ecu中；

步骤4：在行车过程中实时监测与采集簧下质量加速度、车速和侧向加速度，集成模糊-pwm互联控制算法的ecu根据模糊控制规则向互联状态控制驱动模块输出前悬架互联状态开启信号、后悬架互联状态关闭信号或者输出前悬架互联状态关闭信号、后悬架互联状态关闭信号。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明将前后轴四种互联状态组合完全考虑，同时从影响车身侧倾的本质出发，直接监测车身侧向加速度作为连续无级控制依据，既能够完全发挥出互联悬架的潜力，又能避免利用方向盘转角等间接信息带来的系统误差，增强了系统对各种工况的适应能力，提高车辆性能。

2、本发明通过对横向互联悬架的互联状态进行合理的控制，提高了车辆的行驶平顺性，不影响车辆在高速转弯时的操纵稳定性，又可有效克服横向互联悬架对车辆在转弯工况时对操作稳定性的不良影响。并且，横向互联结构占用底盘空间小，易于在中小型车辆中进行布置，因此本发明为互联空气悬架在中小型车辆中应用提供了可能。

附图说明

图1是本发明基于模糊控制的横向互联空气悬架互联状态控制系统的结构框图；

图2是图1中集成模糊-pwm互联控制算法的ecu的内部结构及其控制框图；

图3是图1中互联状态控制系统与互联空气悬架的空间布置示意图；

图4是图1中互联状态控制系统的控制方法流程图；

图5是前轴互联模糊控制规则中输入变量车速的隶属度函数分布图；

图6是前轴互联模糊控制规则中输入变量侧向加速度的隶属度函数分布图；

图7是前轴互联模糊控制规则中输出变量通断比的隶属度函数分布图；

图8是后轴互联模糊控制规则中输入变量车速的隶属度函数分布图；

图9是后轴互联模糊控制规则中输入变量侧向加速度的隶属度函数分布图；

图10是后轴互联模糊控制规则中输出变量通断比的隶属度函数分布图。

图中：1.前左簧下质量加速度传感器；2.前右簧下质量加速度传感器；3.后左簧下质量加速度传感器；4.后右簧下质量加速度传感器；5.侧向加速度传感器；6.前悬架互联电磁阀；7.后悬架互联电磁阀；8.互联状态控制系统集成电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于模糊控制的横向互联空气悬架互联状态控制系统由簧下质量加速度采集模块、can总线、车速采集模块、路面辨识模块、侧向加速度采集模块、集成模糊-pwm互联控制算法的ecu、互联状态控制驱动模块、互联执行模块组成。

簧下质量加速度采集模块由四个簧下质量加速度传感器和传感器信号传输线组成。簧下质量加速度传感器安装在车辆四个悬架簧下质量非旋转部件处，其获取簧下质量加速度信息并将该信息通过传感器信号传输线输出至路面辨识模块。

车速采集模块用于本发明与车载can(控制器局域网络)总线之间通讯，以便从can总线中获取车辆车速信息，车辆车速信息通过can总线输入车速采集模块。车速采集模块的输出分别连接路面辨识模块的输入和集成模糊-pwm互联控制算法的ecu的输入，通过信号传输线将车速信息分别传递至路面辨识模块和集成模糊-pwm互联控制算法的ecu中，为路面不平度辨识和判断理想互联状态提供必要信息，被集成模糊-pwm互联控制算法的ecu用于行驶工况判断。

路面辨识模块的输入连接簧下质量加速度采集模块和车速采集模块的输出，用于对所采集的车速信息和簧下质量加速度信息进行处理从而计算出路面不平度系数。路面辨识模块的辨识方法有多种，在本发明中，路面不平度依靠簧下质量加速度以及行驶车速两种信息加以辨识，具体的辨识方法记载在中国专利申请号为201410581629.x、名称为“一种路面不平度在线辨识系统及方法”中，在此不予赘述。路面辨识模块完成信号处理后，通过信号传输线将路面不平度信息提供给集成模糊-pwm互联控制算法的ecu。

侧向加速度采集模块由一个侧向加速度传感器和传感器信号传输线组成。侧向加速度传感器安装于车身位置处，用于采集车辆侧向加速度信息。侧向加速度采集模块的输出通过信号传输线连接集成模糊-pwm互联控制算法的ecu的输入，将侧向加速度信息提供给集成模糊-pwm互联控制算法的ecu。

集成模糊-pwm互联控制算法的ecu以车速信息、路面不平度信息和侧向加速度三个信息为输入，以互联状态开启/关闭信号为输出。其中，车速信息、路面不平度信息这两个输入参数分别由车速采集模块和路面辨识模块提供，每隔10秒更新一次。互联状态开启/关闭信号共四种，分别是“前电磁阀开启，后电磁阀开启”、“前电磁阀开启，后电磁阀关闭”、“前电磁阀关闭，后电磁阀开启”、“前电磁阀关闭，后电磁阀关闭”(后文分别用“前开后开”、“前开后关”、“前关后开”、“前关后关”代替叙述)。

互联状态控制驱动模块接收集成模糊-pwm互联控制算法的ecu输出的互联状态开启/关闭信号，输出电磁阀开启/关闭信号至互联执行模块。例如：互联状态控制驱动模块接收到互联状态关闭信号，则输出电磁阀关闭信号至互联执行模块；若互联状态控制驱动模块接收到互联状态开启信号，则输出电磁阀开启信号至互联执行模块。

互联执行模块是由两个互联电磁阀和传感器信号传输线组成，接收互联状态控制驱动模块输出的电磁阀开启/关闭信号。若接收到电磁阀开启信号则打开电磁阀；若接收到电磁阀关闭信号则关闭电磁阀。

如图2所示，集成模糊-pwm互联控制算法的ecu由依次串接的数据处理模块、模糊逻辑控制器和pwm控制器组成。车速采集模块输出的车速信号直接输入模糊逻辑控制器，侧向加速度采集模块输出的侧向加速度信号以及路面辨识模块输出的路面不平度系数信号直接输入数据处理模块，数据处理模块对侧向加速度vc信号和路面不平度系数信号进行处理，先通过公式(1)计算出调节因子α：

式中：npi，npj为路面不平度系数。本发明以d级路面作为调节基准，d级路面是指在gb7031《车辆振动输入-路面不平度表示》中规定的a、b、c、d和e这5种等级的路面中的d级路面，即npj＝1024；npi为通过路面辨识模块实时输出的路面不平度系数。

数据处理模块再将调节因子α与侧向加速度vc相乘：f＝vc*α，乘积f输出至模糊逻辑控制器。模糊逻辑控制器采用双输入单输出，将车速v及乘积f作为模糊逻辑控制器的输入变量，对输入的乘积f和车速v信号进行处理，输出通断比信息，通断比为模糊逻辑控制器的输出变量，也是pwm控制器的输入变量，pwm控制器输出电平信号。

如图3所示，簧下质量加速度采集模块具有四个簧下质量加速度传感器，其中的第一个簧下质量加速度传感器1安装于车辆的前左悬架簧下质量非旋转部件处，第二个簧下质量加速度传感器2安装于前右悬架簧下质量非旋转部件处，第三个簧下质量加速度传感器3安装于后左悬架簧下质量非旋转部件处，第四个簧下质量加速度传感器4安装于后右悬架簧下质量非旋转部件处，每个簧下质量加速度传感器均通过信号传输线将簧下质量加速度信号传输至路面辨识模块。侧向加速度采集模块中的侧向加速度传感器5安装于车身位置处。互联执行模块中的两个互联电磁阀，其中第一个互联电磁阀6安装于前悬架互联管路位置处，用于控制前悬架互联管路的通断，第二个互联电磁阀7安装于后悬架互联管路位置处，用于控制后悬架互联管路的通断。将can总线、路面辨识模块、集成模糊-pwm互联控制算法的ecu、互联状态控制驱动模块的硬件集成于一体，集成为图3中的互联状态控制系统集成电路8。

车辆侧倾特性同时关系到车辆的操纵稳定性与行驶平顺性，空气悬架横向互联可提升车辆行驶平顺性，在不良路面下这一作用尤为明显。车辆转弯时，本质是由于受向心力的作用，使车身拥有侧向加速度从而发生侧倾，而连通的空气弹簧间发生气体交换，会进一步加剧侧倾效应，在车辆行驶车速较高时尤为明显。因此，互联空气悬架控制，应根据路面质量的好坏、车速的高低和侧向加速度的大小来确定前后悬架的互联状态。因此本发明中的集成模糊-pwm互联控制算法的ecu以稳定车身姿态为目标以实现模糊控制，具体步骤如下：

步骤1：将倾角传感器安装于某样车中，将前后轴互联状态依次设置为前开后开、前开后关、前关后开和前关后关这4种互联状态，在不同等级路面，不同侧向加速度和不同车速的各种工况条件下进行道路试验，试验采集车身侧倾角变化信息。

步骤2：对车身侧倾角信息进行滤波等处理后，计算其在实验过程中各种工况条件下的车身侧倾角的均方根值，对比4种互联状态下的车身侧倾角均方根值，即对车身姿态的影响，形成控制经验。例如：若前开后开状态(前悬架互联后悬架互联)车身侧倾角均方根值小于其余3种互联状态，则说明此种工况下，互联状态应为前开后开。

步骤3：对a、b、c、d、e这5种不同等级的路面下车速和侧向加速度对车身侧倾角均方根值的影响进行分析。通过数据处理模块计算出调节因子α以及调节因子α与侧向加速度vc的乘积f＝vc*α，将乘积f和车速v输入模糊逻辑控制器，模糊逻辑控制器对输入信号进行处理，形成前轴互联模糊控制规则和后轴互联模糊控制规则，即互联控制算法。

模糊逻辑控制器的两个输入变量即乘积f和车速v信号取7个语言值，即正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)，将模糊逻辑控制器的一个输出变量通断比选取2个语言值，即开、关，共49条规则。

输入变量车速v和乘积f的语言值变量的函数分布形式均如公式(2)：

式中，x代表输入变量函数分布的论域范围，σ代表该函数的宽度参数；c代表函数分布中心的横坐标参数；

输出变量通断比的语言值变量的函数分布形式均采用公式(3)：

式中，a，b，c，d代表变量函数上下端的横坐标值，a，d分别为下端横坐标值，即下端坐标分别为(a，0)，(d，0)；b，c分别为上端横坐标值，即上端坐标分别为(b，1)，(c，1)。

语言值变量的形状及分布位置与其取值范围和参数a，b，c和d有关。输入变量车速v的函数论域取[10，120]，输入变量侧向加速度vc与调节因子α的乘积f的函数论域取[0，0.98]，输出变量通断比的函数论域取[0，1]。

模糊规则(即模糊算法)是模糊逻辑控制器的重要组成部分，它用语言的方式描述了控制器输入量和输出量之间的关系。模糊规则的形式是“ifaandbthenc”语句。

其中，前轴互联模糊控制规则如下表1所示：

表1

具体可描述为：当输入变量车速v的语言值e变量为负大(nb)，另一个输入变量乘积f＝vc*α的语言值ec变量为负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(zo)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，关，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为负中(nm)，另一个输入变量乘积f的语言值变量ec为负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(zo)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，关，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为ns，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，关，关，开，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为zo，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，关，开，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为ps，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，开，开，关。当输入变量车速v的语言值e变量为pm，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，开，开，关。当输入变量车速v的语言值e变量为pb，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，开，开，关。

输入变量车速v的语言值e变量的函数分布图如图5所示，其中nb的取值范围为[10，120]，参数σ为7.785，参数c为10。nm的取值范围为[10，120]，参数σ为7.785，参数c为28.33。ns的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为46.67。zo的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为65。ps的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为83.34。pm的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为101.7。pb的取值范围为[10，120]，参数σ为7.785，参数c为120。

输入变量侧向加速度vc与调节因子α的乘积f＝vc*α的语言值ec变量的函数分布图如图6所示，其中nb的取值范围为[0，0.98]，参数σ为0.07405，参数c为0.002981。nm的取值范围为[0，0.98]，参数σ为0.08649，参数c为0.1801。ns的取值范围为[0，0.98]，参数σ为0.05963，参数c为0.3286。zo的取值范围为[0，0.98]，参数σ为0.0215，参数c为0.4895。ps的取值范围为[0，0.98]，参数σ为0.1512，参数c为0.6417。pm的取值范围为[0，0.98]，参数σ为0.09615，参数c为0.7155。pb的取值范围为[0，0.98]，参数σ为0.08474，参数c为0.9678。

前轴模糊控制的输出变量的语言值变量的函数分布图如图7所示，其中，关的取值范围为[0，1]，参数a为-0.000748，b为-0.000748，c为0.0714，d为0.3983。开的取值范围为[0，1]，参数a为0.3，b为0.6，c为1，d为1。

后轴互联模糊控制规则下表2所示：

表2后轴互联模糊控制规则

具体可描述为：当输入变量车速v的语言值e变量为nb，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，关，关，关，关，关，开。当输入变量车速v的语言值变量e为nm，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，关，关，关，关，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为ns，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，关，开，关，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为zo，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，关，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为ps，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，开，关，关。当输入变量车速v的语言值e变量为pm，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，开，开，关。当输入变量车速v的语言值e变量为pb，另一个输入变量乘积f的语言值ec变量为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，对应的输出变量通断比的语言值变量分别为开，开，开，开，开，关，关。

输入变量车速v的语言值变量的函数分布图如图8所示，其中nb的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为10。nm的取值范围为[10，120]，参数σ为7.785，参数c为28.33。ns的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为46.67。zo的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为65。ps的取值范围为[10，120]，参数σ为7.786，参数c为83.33。pm的取值范围为[10，120]，参数σ为7.785，参数c为101.7。pb的取值范围为[10，120]，参数σ为7.785，参数c为120。

输入变量乘积f的隶属度函数分布图如图9所示，其中nb的取值范围为[10，120]，参数σ为0.09822，参数c为0.03398。nm的取值范围为[10，120]，参数σ为0.05306，参数c为0.2621。ns的取值范围为[10，120]，参数σ为0.1021，参数c为0.3452。zo的取值范围为[10，120]，参数σ为0.03055，参数c为0.5102。ps的取值范围为[10，120]，参数σ为0.03301，参数c为0.5903。pm的取值范围为[10，120]，参数σ为0.09484，参数c为0.7723。pb的取值范围为[10，120]，参数σ为0.07986，参数c为0.9734。

后轴模糊控制的输出变量的隶属度函数分布图如图10所示，其中，关的取值范围为[0，1]，参数a为-0.000748，b为-0.000748，c为0.0714，d为0.3983。开的取值范围为[0，1]，参数a为0.3，b为0.6，c为1，d为1。

pwm控制器模糊逻辑控制器输出的通断比信息，输出与通断比信息大小成正比关系的宽度不同的高低电平控制信号，高电平信号则意味着互联状态为开启，低电平则意味着互联状态为关闭。

步骤4：将前轴互联模糊控制规则和后轴互联模糊控制规则编译入集成模糊-pwm互联控制算法的ecu中，形成了可供用户使用的互联状态控制规则，实现互联状态控制，在保障行驶安全性的同时提升车辆行驶平顺性的互联状态控制中枢。

步骤5：在行车过程中，实时监测与采集簧下质量加速度信息、车速信息，侧向加速度信息。利用簧下质量加速度采集模块实时监测簧下质量加速度信息，由车速采集模块提供车速信息，由侧向加速度采集模块提供侧向加速度信息。簧下质量加速度信息实时传递至路面辨识模块，侧向加速度信息实时传递至集成模糊-pwm互联控制算法的ecu，车速信息同时传递至路面辨识模块和集成模糊-pwm互联控制算法的ecu。路面辨识模块根据簧下质量加速度采集模块、车速采集模块提供的簧下质量加速度信息、车速信息计算出路面不平度系数，并发送至集成模糊-pwm互联控制算法的ecu。

步骤6：集成模糊-pwm互联控制算法的ecu接收当前路面不平度信息、车速信息与侧向加速度这三个信息，根据互联状态控制算法，判断系统当前工况下前后悬架的理想互联状态。

步骤7：若理想互联状态为“前开后关”，则集成模糊-pwm互联控制算法的ecu向互联状态控制驱动模块输出前悬架互联状态开启信号，后悬架互联状态关闭信号；若理想互联状态为“前关后关”，则集成模糊-pwm互联控制算法的ecu则向互联状态控制驱动模块输出前悬架互联状态关闭信号，后悬架互联状态关闭信号。

步骤8：互联控制执行模块接收互联状态控制驱动模块输出的互联电磁阀开启/关闭信号，若信号为前悬架互联电磁阀开启，后悬架互联电磁阀关闭，则向前悬架互联电磁阀供电，控制前悬架互联电磁阀打开，前悬架左右空气弹簧互联，而不向后悬架互联电磁阀供电，控制后悬架互联电磁阀关闭，后悬架左右空气弹簧中断互联。