一种工业车辆加减速动态性能改善方法与流程

1.本发明涉及新能源工业车辆领域，尤其涉及一种工业车辆加减速动态性能改善方法。


背景技术：

2.对于工业使用的车辆载具，例如叉车、吊装车辆、大型运载车辆、抬升车辆等车辆，其与一般的民用车辆具有一定的区别，基于一些工程以及工厂上的需求，工业车辆的动态性能或者动态要求一般更高，由于某一部分工业车辆的载重很高，在移动变速时或者由静止转为移动的瞬间，其产生的惯性影响较大，动力能源的输出在某些时刻并不能跟上实际的需求。
3.然而由于，工业车辆相较于普通电动汽车，在成本上更加敏感，因此会更偏向于用更低精度的位置传感器，测算位置和速度。可是在驾驶体验感上，客户又倾向于追求更好的体验感，尤其针对小型的搬运叉车，对车辆微小动作和极速响应会提出很高要求，这就更加加剧了低精度传感器与高控制性能之间的矛盾。导致工业车辆不能够使用大量的、高精度的、数据吞吐载荷高的传感器对车辆的变速过程进行长时间、高精度、全方位的检测，使得在大量情况下驾驶员进行动态调节的操作时，车辆控制系统向主驱电机发送的控制指令所要求的目标不能由实际工作的驱动部分很好地完成，而之间的差异也不能够很好地、随时地被传感器所检测、反映。
4.为了解决工业车辆在动作时的动态性能跟随性较差的问题，现有技术中引入了前馈补偿控制，传统的前馈是根据加速度以及估测的转动惯量作为计算因素进行前馈值计算，但是这种方案不能够很好地应用至载重变化极大的工业车辆当中。尤其是对于新能源电动仓库用叉车，货叉端的负载变化较大，重量变动在0
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3.5吨左右，按照传统的基于加速度的前馈计算方案无法同时覆盖重载和轻载的工况；另外，高速与低速的移动情况下所需要的前馈值是不同的。错误的前馈值不仅不能起到应有的作用，反而还会增加环路调节器的负担。
5.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

6.针对现有技术之不足，本发明提供了一种工业车辆加减速动态性能改善方法，获取电动工业车辆至少一个运行参数并将其作为第一前馈计算因子与第一矫正系数进行组合运算以获得第一前馈量曲线数据，基于动态调节开始瞬间获取第二前馈计算因子并将其与所述第一前馈曲线数据结合获得前馈调节值，所述前馈调节值在给定阈值的判定下选择性地输出至调控指令的过程。
7.针对新能源电动工业车辆，尤其是工业叉车在考虑成本而不得不使用较低精度的传感器，同时车辆实际使用客户在反方向上基于驾驶的感受对工业车辆提出的持续操控感的需求而产生矛盾的问题，本发明采用前馈自适应的方法，推算出引入前馈的时刻，并计算出如何当前控制需求的前馈值大小。对于引入前馈的时刻，通过设置一个目标转速和实际转速差值的阈值点进行判断：当实际转速差在速差阈值范围以内，说明此时速度调节器具有相当的转速跟随能力，不需要前馈的干涉；当实际速差大于设定阈值范围，则引入前馈。对于前馈的计算值：通过实时转速，和采样保持需要引入前馈时刻的电机瞬时速度，共同作为前馈计算因子进行计算。该计算方式模糊处理了加速度前馈/摩擦前馈的计算方式，用一种相对稳定的前馈给定，较大程度减轻pi调节器负担，然后依靠调节器自身鲁棒性，去弥补前馈未细化计算的部分。此种方式无需增加或者改变车辆原有的传感器配置，仅需要使用常规的、较低精度的传感器即可实现前馈的引入值、引入时刻等全部功能，具有很好的适用性。
8.通过以上的算法机制，解决了前馈量何时给，给多少的问题。可以兼顾系统轻载，重载，高速，低速的工况。
9.本发明相比现有技术，第一相比传统前馈的计算，能够适配负载变化极大的应用场景；第二把需要根据转速差，位置差来查表细化的繁琐流程，依靠pi调节器自身的鲁棒性，简化为是否需要引入前馈的单一选择，避免了繁琐的速差，位置差标定过程；第三把繁琐的前馈整定计算，模糊化为简单输入输出的结果，降低了因前馈计算失误对系统起到反作用的可能性。
10.优选地，车辆的至少一个所述运行参数是基于预想的控制目标来获取的，所述控制目标是本次针对车辆运行过程中人为或者自动选定的一项或几项控制过程的目的。
11.优选地，所述第一矫正系数按照第一前馈计算因子在极小值到极大值范围变化下调节难度的均一程度而构成为固定值或者呈变化值。
12.优选地，当所述均一程度高于预设的难度判定阈值时，将所述第一矫正系数设置为固定值。
13.优选地，当所述均一程度低于预设的难度判定阈值时，将所述第一校正系数设置为变化值，其中变化至少包括逐渐增大和逐渐减小的变化。
14.优选地，基于动态调节开始的瞬间断开持续检测的运行参数并且将最后采样保持的瞬时运行参数作为计算所述前馈调节值的第二前馈计算因子。
15.优选地，所述动态调节开始的瞬间是基于启发信号的生成瞬时来决定的，所述启发信号是指动态调节的开始瞬间用于控制车辆的一项或者几项运行参数进行改变或者进行有目的有特定方向幅值的改变的控制信号。
16.优选地，关于电动工程车辆的至少一项所述运行参数是由设置在车辆上的带有速度/位置车辆/电流测量功能的传感器实现的。
17.优选地，在获得所述前馈调节值后，判断所述前馈调节值所描述或调整的指令速度与由所述传感器检测的所述工业车辆的实际速度之间的差值是否超出所述给定阈值，在所述差值超出所述给定阈值时，控制所述前馈调节值作用至对指令的调控。
18.优选地，所述第一前馈计算因子与所述第一矫正系数组合运算后获得的前馈调节值伴随所述第一前馈技术啊因子本身的连续变化而形成对应地连续变化。
附图说明
19.图1是本发明所针对的工业车辆控制系统拓扑图；
20.图2是本发明提供的前馈控制算法框图；
21.图3是本发明前馈值计算曲线示意图；
22.图中：k1、第一校正系数；k2、第二前馈计算因子；k3、给定阈值判断参数。
具体实施方式
23.下面结合附图进行详细说明。
24.图1、2和3所示，本发明提供一种工业车辆加减速动态性能改善方法，其用于工业车辆的驱动控制，尤其是应用在工业车辆的加减速动态性能的控制上。目前，对于工厂或者工程中普遍使用的工业车辆，其动力调整或控制不完全等同于民用车辆的相关控制系统，由于工业车辆的高载重可调范围、动态性能、机械结构、传动结构都与民用车辆显著不同，因此需要设计一套针对工业车辆的专用的动力控制方案，而细节到其中关于加减速的动力输出方面，由于工程车辆的载重通常可变且范围较大，例如一些叉车的载重范围在0到3.5吨左右，工程车辆动力收到启动的控制指令并向外输出动力的参数往往与受驱动而动作的工程车辆的实际运行情况具有差异，并且这些差异在工程车辆处于不同情况下(例如上述的不同负载的情况下)时会产生较大的不同，因此针对工程车辆经常出现的动力控制不能跟上或超过实际情况的问题，在工程车辆的控制系统中引入了前馈补偿控制的方法或者控制单元。前馈控制是指负责控制的单元向被控部件发送指令以驱动被控部件进行某一项或者多项动作，同时控制单元时刻检测被控部件的动作情况并且将该实时动作情况与预设的目标需求之间的差异进行计算并监控，当差异超出阈值后，说明被控部件实际受控产生动作的情况与预设需求之间的差异已经达到了不可接受的程度，此时控制单元通过计算出来的差异作为计算因素，算出前馈控制参数，并且通过另一个优先级较高的控制通道将前馈控制参数应用至纠正或者补偿被控部件动作的指令上，总体上来看，控制单元向被控单元发送初始控制信息以及期间的前馈控制参数是在被控部件动作完成之前进行的，目的是使得该被控单元的动作情况更加地精准、平滑、符合预期的动作设想。前馈的特点是当扰动产生之后，被控而产生变化变量还没有产生变化之前，根据扰动的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控制变量的影响。也即是所，前馈控制是一种预测的或者基于一定规律描述的解决未来即将发生的被控变量产生偏差的问题的方法。相较于反馈的控制系统，能够更加及时的进行控制，并且不受系统滞后的影响。现有技术中常见的针对工业车辆的前馈控制方案或者控制模块采用的控制方案基本上是利用检测车辆加速度以及估测的转动惯量的方式来进行前馈值的计算，其具体流程大致为，根据在工程车辆启动、停车或者变速瞬间或者瞬态细微时刻检测的加速度或者驱动部件的实时转速，在检测误差是否超过预设的欠调阈值时根据在预设的检测因素与前馈控制参数关系的二维表格中查找匹配的方式形成用于控制的前馈值，也即是说前馈值的生成是基于查找表的形式完成的。但是，由于现有的方案是采用查找表的形式来生成前馈值，也即是说，前馈值的可选择范围已经相对固定，对于检测因素变化不大或者在预想的范围内进行变化的车辆工作情况，现有的技术方案能够较好的进行前馈值的生成，但是对于上述动态变化比较大的工业车辆的前馈调整适用性较差，因为工业车辆高载重变化范围、多种工况、过载等情况经常会发生，导致采用上述现有技术
自动检测的检测因素超出范围，不能够通过查找表的方式获得合理的前馈值，系统鲁棒性不强，容易出现超出范围的问题，另外对于表格查找、误差跟踪、欠调判断等数值、阈值判断繁琐，工程实现较为复杂。
25.本实施例并非采用上述传统的查找表的形式，而是基于将机械或者机电参数计算的前馈过程进行模糊化设计，使得计算范围以及幅值能够提升至多级甚至无极变换，可以形成前馈的输出曲线，理论上在此曲线上的任意一点前馈输出值均可以根据控制开始时刻的具体车辆状态而对应得出，过程无需进行查找表步骤，直接根据曲线与对应的车辆状态即可获得前馈输出值。
26.具体地，本实施例至少包括以下步骤。获取车辆至少一个运行参数，将该至少一个或多个运行参数作为第一前馈计算因子并与第一矫正系数进行组合运算以获得第一前馈量曲线数据。其中运行参数是由设置在工程车辆上的检测器所能够获得的关于该工程车辆在运行过程中的任一项动作参数，这些参数包括但不限于车辆速度、加速度、轮胎转速、动力输出功率、输出能量、驱动电机转速、驱动力矩等等，这些运行参数在实际的车辆控制中均有可能作为直接被控对象或者是间接被控对象，例如最常见的对工程车辆车速的调整，比如车辆启动或者制动过程或者车辆在行驶过程中的变速行驶的过程，其宏观调整的参数为工程车辆的车辆速度或者加速度，微观次级的调整参数为输出功率、电机转速的变化等，在另一些情况下需要调控驱动力矩参数来提升工程车辆在陡坡处的通过性，在此情况下驱动力矩成为了被控对象。因此可以得知，获取车辆的运行参数是基于预想的控制目标来选取的，这些控制目标即为类似上述的车辆加减速、通过性的改变等人为选择或自动触发的目标。这些在一次调控过程中被选择的运行参数在本次前馈过程中作为第一前馈计算因子，与之相应的，存在一个对应的第一矫正系数，对于不同的第一前馈计算因子，第一矫正系数应当是不同的，例如当选择转动速度为第一前馈计算因子时，第一矫正系数为速度相关的矫正系数，在此种情况下，矫正系数的形成至少基于速度理论或者基于与速度相关的实践实验获得的经验数据来构成；当第一前馈计算因子选择为驱动力矩时，第一矫正系数至少需要根据传动力学或者相应传动实践的经验来形成。第一矫正系数选择为固定数值，该数值至少能够在其相对应的第一前馈计算因子在较大范围内变化的情况下均能够将第一前馈计算因子的调控值。优选地，第一矫正系数按照第一前馈计算因子在极小值到极大值范围变化下调节难度的均一程度而构成为固定值或者呈变化值。具体地，第一前馈计算因子由于采集自实际的车辆运行时的运行参数，该参数在不同的时间段或者时刻内的实际数值是不同的，从无数次的采集数据总结看来，其变化的范围具有至少具有一个极大值和极小值，就行驶速度来说，在将沿任意方向向量行驶的速度均算作正值或者取模量的情况下，行驶速度的极小值一般为零，即工程车辆停车的情况，极大值一般取值为工程车辆所能够达到的最大速度，此最大速度是工程车辆能源、车辆本身强度等本体因素下综合决定的该工程车辆所能够达到的最大速度。调节难度的均一程度是指工程车辆的某一运行参数在上述极小值到极大值范围内变化的情况下，针对该运行参数的前馈调节值随运行参数变化幅度的相应程度，在均一程度很高或者高于预设的难度判定阈值的情况下，运行参数的变化幅度与相应的前馈调节值的变化情况是一致的或者是近似一致的，也即是说若将运行参数或者第一前馈计算因子作为自变量，前馈调节值作为因变量，此时第一矫正系数为固定值或者可以设置为固定值，故两者关系图像为具有一定斜率的直线关系，而斜率正是上述
第一矫正系数；相反，若不一致，则两者的关系图像构成为非直线的曲线形式，并且针对该曲线求导可以获得第一矫正系数的变化情况，此种情况下即是说针对数值大小不同的某一运行参数，对其进行前馈调节的调节值也是不同的，例如针对运动速度较大的车辆，控制其制动所需要的制动力相较于运动速度较小的相同车辆，并且作为前馈来维持控制的精确性来说，修正大惯量制动力的前馈调整值也相对地较大。
27.获得的数个前馈调节值以第一前馈计算因子作为自变量以连线获得第一前馈量曲线数据，也即是上述的曲线，而针对开始控制的瞬态时间，此时应当选择何种幅度的前馈调整值是基于开始控制的瞬间采集到的第二前馈计算因子结合上述第一前馈量曲线数据获得的。具体地，基于动态调节开始的瞬间，通过启发信号的生成的瞬时作为判据来断开或者作为节点划分持续检测运行参数的检测器所检测的实际运行参数n
实际
，此时将检测器最后采样的数据作为采样保持的瞬时运行参数n
瞬时
视作计算前馈限幅值大小的第二前馈计算因子。基于第二前馈计算因子在第一前馈量曲线中作为自变量计算符合第一矫正系数变化的前馈调节值，该前馈调节值决定了前馈给出的幅值大小，也即是说前馈系统将以开始控制的瞬态时间所保持的瞬间采集的数据作为计算依据来获取前馈调节值，该前馈调节值是符合动态调节瞬间的车辆实际运行情况的。上述启发信号是指动态调节的开始瞬间用于控制车辆的某一项或者某几项运行参数进行改变或者进行有目的有特定方向幅值的改变的控制信号，例如对正在行驶的工程车辆发送制动的控制指令，或者对正在静止的工程车辆发送起步的控制指令，启发信号将会作为主要控制工程车辆上的一个或几个被控对象进行动作或者改变动作幅度的信号指令而产生作用，其非等同于前馈调节的功能，相反，前馈调节过程是用于调节该启发信号控制过程中被控对象跟随性的功能步骤。这里感觉可以扩展一下，如何去判定启发信号的动作瞬时，与采样的精度联系上，以决定前馈的产生幅值。
28.优选地，在产生前馈调节值之后，并非是直接应用至调控启发信号的控制过程，而是在实际检测的运行参数与启发信号指令的预期运行参数之间的差异大于预定判断值的情况下，前馈调节值才被应用至调整过程中。具体的还存在一个前馈输出控制指令，该指令用于控制前馈调节值是否向外输出，该指令是基于实际运行参数与预期运行参数间的误差与预设的阈值对比情况生成的，当实际运行参数与预期运行参数间的误差小于给定阈值δnref时，将不向外输出前馈调节值，此时说明被控对象的实际输出的运行参数能够较好地跟随预期运行参数本身或者其变化值；当实际运行参数与预期运行参数间的误差大于给定阈值δnref时，将向外输出前馈调节值，此时说明被控对象的实际输出的运行参数不能够跟随预期的运行参数，而是具有较大偏差，则需要前馈调节值来对调控过程向正确调控方向进行准确引导。
29.如图2所示，上述整体过程以车辆制动为例，采集的实际转速作为第一前馈计算因子并将其与第一矫正系数进行组合计算以获得描述第一前馈计算因子作为自变量，前馈调节值作为因变量的第一前馈量曲线数据，如图3，该过程可以是在工程车辆运行的任意时刻采集的任意不同的实际转速作为计算因子的情况下完成的，通过该过程可以获得车辆实际转速在极小值到极大值变化过程中其第一前馈量的变化范围以及对应情况。在产生启发信号以控制车辆进行制动的时候，该启发信号也即制动信号产生瞬间将检测器的检测断开，检测器最后一次检测的车辆实际转速作为第二前馈计算因子在第一前馈量曲线数据中计算出对应的前馈调节值，在根据实时检测的实际转速与本次调控所预期的预期转速做差，
形成的差值在给定的阈值内时不进行前馈调节值的输出，在差值超出给定的阈值时进行前馈调节值的输出。
30.本发明采用前馈自适应的方法，推算出引入前馈的时刻，并计算出如何当前控制需求的前馈值大小。对于引入前馈的时刻，通过设置一个目标转速和实际转速差值的阈值点进行判断：当实际转速差在给定阈值δnref范围以内，说明此时速度调节器具有相当的转速跟随能力，不需要前馈的干涉；当实际速差大于给定阈值δnref范围，则引入前馈。对于前馈的计算值：通过实时转速，和采样保持需要引入前馈时刻的电机瞬时速度，共同作为前馈计算因子进行计算。该计算方式模糊处理了加速度前馈/摩擦前馈的计算方式，用一种相对稳定的前馈给定，较大程度减轻pi调节器负担，然后依靠调节器自身鲁棒性，去弥补前馈未细化计算的部分。
31.在本发明的一种实施例中，本发明所涉及的前馈调节方法被用于对工业车辆的控制，尤其是工业车辆中电动车辆例如叉车的控制，如图所示，图1为工业车辆的控制系统拓扑图，针对车辆的速度控制，速度指令输入在加速工况下设置为速度旋钮或者加速踏板信号，在减速工况下设置为制动踏板的信号，这些信号是由设置在按钮、推杆和踏板上的传感器检测产生的。这些信号是表明车辆的实际操控者想要进行的对车辆的控制操作，例如控制车辆加速和减速。加速信号或者制动信号被发送至电机控制模块，不同于常见的燃油机工业车辆，电动机工业车辆直接使用电机来驱动车辆的轮胎以实现车辆的移动，因此上述变速信号直接传递至电机控制模块并被处理为控制电机输出参数的指令来进而控制电机的输出，由于输出参数通常与通过电机的电流有关，因此，电机控制模块可以包括速度/电流控制模块，通过该单元，参照变速信号的指示来相应控制输出至电机的电流的增大与减小，或者同时在制动情况下辅以电磁阻滞的操作来控制电机转速的变化。电机控制模块向主驱电机发送处理后的速度控制信号以直接作用于主驱电机以实现直接控制。根据工业车辆的驱动形式不同，电动工业车辆也具有不同的驱动方式，其中一种是中心输出电机搭配传统车辆的传动系统进行车辆驱动的方案，传动系统由离合器、变速器、方向节、传动轴等部件组成，该系统总的功能之一是将中心输出电机的转动转化为对至少一个主动轮的驱动，一般还有两驱与四驱的区别，这种模式下，中心输出电机一般只有一个，类似于使用燃油机的汽车的发动机数量单一的情况；另一种方式是采用电动驱动所特有的驱动模式，即分布式电机驱动方式，在此模式下，车辆的每一个轮子或者至少大部分轮子的转动轴上设置有一个电驱动分机，每一个分机可以独立的按照彼此不同的转动参数进行转动，相应地，每一个联动有电驱动分机的轮胎均可以主动转动以驱动车辆行进。
32.本发明所设计的前馈控制模块是从电机控制环节入手来产生控制的，因此本实施例中电机控制模块还包括自适应前馈控制单元，并且在主驱电机上还本身为其它目的或者专门设有速度/位置测量/电流测量的传感器，这些传感器设置在主驱电机上以获得实际的电机输出情况，上述传感器与主驱电机可以合并称为电机及传感器模块。根据上述的本发明的前馈控制方案，针对该实施例中工业车辆的整体控制系统，本发明所涉及的带有自适应前馈控制单元的控制系统工作数据流或控制指令流交互模式如下。
33.电机控制模块中的速度/电流控制模块通过对为工业车辆提供动力的主驱电机间断或持续发送速度/电流控制指令的方式来控制主驱电机输出带动下的工业车辆的车速。速度/电流控制指令是基于由速度旋钮/加速踏板/制动踏板信号组成的速度指令输入来产
生或者调整的，速度旋钮/加速踏板/制动踏板信号由驾驶员人为操作旋钮、推杆、踏板来产生，这些部件或者可操作的部分可以称为速度指令输入端。在工业车辆运行过程中，设置在主驱电机至车轮传动系统链路上任意或特征位置的速度/位置测量/电流传感器获取关于车辆的实际运行参数，将实际运行参数返回至电机控制模块中设置的自适应前馈模块，此时实际运行参数被作为第一前馈计算因子来进行后续处理，自适应前馈模块将第一前馈计算因子乘以第一矫正系数k1以获得前馈调节值，数个随着变化的第一前馈计算因子而变化的第一前馈量按照对应关系可以构成第一前馈量曲线数据。这个第一前馈量曲线数据作为数据范本留存在电机控制模块或者自适应前馈模块的存储中。基于工业车辆驾驶员对速度指令输入端的操作产生的速度指令，同时由于此时的速度指令反应了驾驶员对操控车辆进行动态调节的期望，可以将其视为至少包含有驾驶员开始动态调节时间点信息的启发信号，启发信号瞬时传输至电机控制模块，并且由后者将其中的时间点信息提取并在系统允许的最短时间内传递至速度/位置测量/电流测量的传感器，传感器在接收到时间点信息后立刻将当前时间点检测的瞬时转速采样保持参数也即是实际运行参数作为第二前馈计算因子k2发送至电机控制模块中的自适应前馈模块。自适应前馈模块接受到第二前馈计算因子k2后将其与上述预存的第一前馈量曲线数据进行对照计算，以获得与第二前馈计算因子k2对应的特征前馈调节值。然而在本发明中由自适应前馈模块获取的特征前馈调节值并非是直接作用于控制链后端的主驱电机上，而是事先进行了一个判断过程，额外地，在电机控制模块中还设置有判定开关单元，判定开关单元设置在特征前馈调节值与主驱电机之间的通信链路上，用以控制特征前馈调节值能否作用于主驱电机。具体地，判定开关单元将特征前馈调节值所表示或者调控后的指令参数与传感器检测的实际参数之间的差异，在本实施中，指令参数与实际参数为转速或者车速，并且两者进行判定时所采用的数据在时间上是十分接近的，近乎同时产生的数据，若差异是小于给定阈值δnref时，则判定开关单元选择关闭特征前馈调节值向主驱电机的作用通道，相应产生给定阈值判断参数k3，此时k3可以由一个表示关闭的信号、符号或者数值所赋值，例如选择二进制中的0值作为通道关闭的控制信号，也可以选择“off”值。若差异是大于给定阈值δnref时，则判定开关单元选择连通特征前馈调节值向主驱电机的作用通道，相应也产生给定阈值判断参数k3，此时k3同样由一个表示开启的信号、符号或者数值所赋值，例如选择二进制中的1值作为通道开启的控制信号，也可以选择“on”值。
34.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。