一种考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法

1.本发明涉及车辆悬架控制技术领域，尤其涉及一种电控空气悬架建模方法。


背景技术：

2.随着对车辆性能要求的不断提高汽车悬架系统也得到了快速的发展，空气弹簧因其在低摩擦运动、可调节承载能力和用户友好的乘坐高度控制方面的优异性能而广泛应用于汽车悬架，成为了最流行的悬架类型之一。而电控空气悬架有着智能可控优点，实现对电控空气悬架的控制，对提高车辆的乘坐舒适性与操纵稳定性具有重要意义。而在为电控空气悬架设计各类控制器时，通常需要建立能够反映空气弹簧特性的空气悬架动力学模型，以方便调节控制器参数并得到可靠的仿真结果。
3.综上所述，急需发明一种考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法。建立能够用于电控空气悬架控制算法设计与实现的模型。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，所述设计方法包括以下步骤：
7.s1、根据车辆悬架特性，建立四分之一主动悬架动力学模型；
8.s2、基于热力学定理，建立空气弹簧充放气模型；
9.s3、将主动悬架模型中的主动力替换为空气弹簧力建立电控空气悬架动力模型；
10.s4、建立空气弹簧的面积归一化流体质量模型；
11.s5、在s4基础上，基于空气弹簧高压源与低压源之间的面积归一化质量流量以及期望充放气流量，生成控制空气悬架充放气的pwm信号。
12.优选地，所述s1中，根据图2的电控空气悬架模型，根据牛顿第二定律，忽略轮胎阻尼，二自由度四分之一汽车的悬架运动方程为：
[0013][0014]
其中ms和mu分别表示簧载质量与非簧载质量，zs、zu和zr分别表示簧载质量垂向位移、表示非簧载质量位移和路面激励，bs表示空气弹簧的阻尼系数，ks和k
t
分别表示静态位置时空气弹簧刚度和轮胎刚度，fa表示悬架的主动力，上式中的主动力与弹簧弹性力由空气弹簧提供，空气悬架视作定值阻尼器与空气弹簧组合，空气弹簧力可表示为fs＝msg-ks(z
s-zu)+fa，g表示重力加速度，带入后含空气弹簧的主动悬架模型表示为：
[0015]
[0016]
优选地，所述s2中，定义空气弹簧产生的力：
[0017]fs
＝p
eae
[0018]
基于热力学第一定律有：
[0019][0020]
其中，q
heat
为空气弹簧内外气体之间的传热量，w为空气弹簧因体积变化对外所做的功，h
in
和h
out
分别为流入和流出空气弹簧内的气体的焓，q
in
和q
out
分别为流入和流出空气弹簧内的气体质量流量，u
as
表示空气弹簧内的气体内能。空气弹簧的压强变化率可表示为：
[0021][0022]
优选地，所述s3中，将空气弹簧力fs代入s1含空气弹簧的主动悬架模型中，空气弹簧力空气悬架动力学模型表示为：
[0023][0024]
其中x1＝zs，x3＝pe。
[0025]
优选地，所述s4中，采用的面积归一化流体质量模型为：
[0026][0027]
其中q是高压源与低压源之间的面积归一化质量流量，cq是流量系数，pd和pu分别是下游压力与上游压力，γ是空气的比热，r是比气体常数；流量类型取决于pd/pu与临界压力比p
cr
。
[0028]
优选地，所述s5中，控制器计算所得的期望空气流量与电磁阀单位时间内的流量之比即为所需的pwm信号的占空比
[0029][0030]
其中qd＝q
in-q
out
为期望空气流量信号。
[0031]
本发明的有益效果在于：
[0032]
1、将基于热力学建立的空气弹簧模型与基于力学定律建立的主动悬架模型耦合，建立能够用于电控空气悬架控制算法设计与实现的空气悬架模型动力学模型。
[0033]
2、本发明采用面积归一化质量流量模型计算空气弹簧高压源与低压源之间的面积归一化质量流量，可将期望流量信号转换为了能在空气悬架设备中实际运用的pwm信号。
附图说明
[0034]
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1为本发明考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模流程图。
[0036]
图2为本发明带有空气弹簧的四分之一车辆示意图。
[0037]
图3为本发明考虑充放气特性的空气悬架动力学模型方案策略图。
[0038]
图4为本发明考虑充放气特性的空气悬架动力学模型在一种充放气控制中期望空气流量与模型中实际空气流量对比图。
具体实施方式
[0039]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0040]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0042]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0043]
本发明提供一种技术方案，一种主动悬架控制器的设计方法，所述方法如下：
[0044]
s1：根据车辆悬架特性，建立四分之一主动悬架动力学模型；
[0045]
s2：基于热力学定理，建立空气弹簧充放气模型；
[0046]
s3：将主动悬架模型中的主动力替换为空气弹簧力，建立空气悬架动力学模型；
[0047]
s4：建立空气弹簧的面积归一化流体质量模型；
[0048]
s5：在s4基础上，基于空气弹簧高压源与低压源之间的面积归一化质量流量以及期望充放气流量，生成控制空气悬架充放气的pwm信号。
[0049]
具体的，s1中首先根据图2的电控空气悬架模型，根据牛顿第二定律，忽略轮胎阻尼，二自由度四分之一汽车的悬架运动方程为：
[0050][0051]
其中ms和mu分别表示簧载质量与非簧载质量，zs、zu和zr分别表示簧载质量垂向位移、表示非簧载质量位移和路面激励，bs表示空气弹簧的阻尼系数，ks和k
t
分别表示静态位置时空气弹簧刚度和轮胎刚度，g表示重力加速度，fa表示悬架的主动力。
[0052]
上式中的主动力与弹簧弹性力由空气弹簧提供，空气悬架视作定值阻尼器与空气弹簧组合，空气弹簧力可表示为fs＝msg-ks(z
s-zu)+fa。带入后含空气弹簧的主动悬架模型表示为：
[0053][0054]
具体的，s2中定义空气弹簧产生的力：
[0055]fs
＝p
eae
[0056]
其中pe表示空气弹簧有效气压，ae表示空气弹簧有效承载面积。
[0057]
由热力学第一定律得到如下能量守恒表达式：
[0058][0059]
其中，q
heat
为空气弹簧内外气体之间的传热量，w为空气弹簧因体积变化对外所做的功，h
in
和h
out
分别为流入和流出空气弹簧内的气体的焓，q
in
和q
out
分别为流入和流出空气弹簧内的气体质量流量，u
as
表示空气弹簧内的气体内能。w与u
as
的微分可表示为：
[0060][0061]
其中cv为定容比热，m
as
为空气弹簧内的气体质量，p
as
为空气弹簧绝对气压，由理想气体状态方程有p
asvas
＝m
as
rt得t＝p
asvas
/m
as
r，其中r＝r/m表示空气的比气体常数，r为理想气体常数，m为空气的摩尔质量，表达式可改写为：
[0062][0063]
由于轿车一体式悬架其体积结构较紧凑，空气弹簧的有效面积在压缩过程中不会发生过大变化，本发明将有效面积考虑为固定值，此时ae＝a0，v
as
＝v0+ae(z
s-zu)。在调高过程中，空气弹簧内空气温度变化较小，计算焓变时假设流出的气体与外界温度相同，可做如下变形：
[0064]hin
＝h
out
＝c
p
t
[0065][0066]
其中c
p
为定压比热，定容比热和定压比热之间还存在如下关系：c
p
/cv＝k，c
p-cv＝r，故压强变化率可表示为：
[0067][0068]
其中v
as
＝v0+ae(z
s-zu)。由于p
as
＝pe+p
atm
，pe与p
atm
的微分相等。
[0069]
具体的，s3中设x1＝zs，x3＝pe，将s2中的空气弹簧力fs代入s1主动悬架模型中，空气弹簧力空气悬架动力学模型表示为：
[0070][0071]
具体的，s4采用的面积归一化流体质量模型为：
[0072][0073]
其中q是高压源与低压源之间的面积归一化质量流量，cq是流量系数，pd和pu分别是下游压力与上游压力，γ是空气的比热，r是比气体常数；流量类型取决于pd/pu与临界压力比p
cr
。
[0074]
具体的，s5中控制器计算所得的期望空气流量与电磁阀单位时间内的流量之比即为所需的pwm信号的占空比为：
[0075][0076]
其中qd＝q
in-q
out
为期望空气流量信号。
[0077]
在一种调高控制中，期望空气流量与模型实际的空气流量见的对比如图4所式。结果表明，本发明建立的考虑充放气特性的空气悬架模型能够将控制器期望空气流量转变为能够控制空气弹簧电磁阀的pwm信号，并使实际流量与期望流量相近。

技术特征：
1.一种考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：s1、根据车辆悬架特性，建立四分之一主动悬架动力学模型；s2、在s1基础上，基于热力学定理，建立空气弹簧充放气模型；s3、在s1与s2基础上，通过将主动悬架模型中的主动力替换为空气弹簧力建立电控空气悬架动力模型；s4、建立空气弹簧的面积归一化流体质量模型；s5、在s4基础上，基于空气弹簧高压源与低压源之间的面积归一化质量流量以及期望充放气流量，生成控制空气悬架充放气的pwm信号。2.根据权利要求1所述的考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，其特征在于：所述s1中，根据图2的电控空气悬架模型，根据牛顿第二定律，忽略轮胎阻尼，二自由度四分之一汽车的悬架运动方程为：其中m
s
和m
u
分别表示簧载质量与非簧载质量，z
s
、z
u
和z
r
分别表示簧载质量垂向位移、表示非簧载质量位移和路面激励，b
s
表示空气弹簧的阻尼系数，k
s
和k
t
分别表示静态位置时空气弹簧刚度和轮胎刚度，f
a
表示悬架的主动力，上式中的主动力与弹簧弹性力由空气弹簧提供，空气悬架视作定值阻尼器与空气弹簧组合，空气弹簧力可表示为f
s
＝m
s
g-k
s
(z
s-z
u
)+f
a
，g表示重力加速度，带入后含空气弹簧的主动悬架模型表示为：3.根据权利要求2所述的考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，所述s2中，定义空气弹簧产生的力：f
s
＝p
e
a
e
其中p
e
表示空气弹簧有效气压，a
e
表示空气弹簧有效承载面积由热力学第一定律得到如下能量守恒表达式：其中，q
heat
为空气弹簧内外气体之间的传热量，w为空气弹簧因体积变化对外所做的功，h
in
和h
out
分别为流入和流出空气弹簧内的气体的焓，q
in
和q
out
分别为流入和流出空气弹簧内的气体质量流量，u
as
表示空气弹簧内的气体内能，w与u
as
的微分可表示为：其中c
v
为定容比热，m
as
为空气弹簧内的气体质量，p
as
为空气弹簧绝对气压，由理想气体状态方程有p
asvas
＝m
as
rt得t＝p
asvas
/m
as
r，其中r＝r/m表示空气的比气体常数，r为理想气体常数，m为空气的摩尔质量，表达式可改写为：
由于轿车一体式悬架其体积结构较紧凑，空气弹簧的有效面积在压缩过程中不会发生过大变化，本发明将有效面积考虑为固定值，此时a
e
＝a0，v
as
＝v0+a
e
(z
s-z
u
)，在调高过程中，空气弹簧内空气温度变化较小，计算焓变时假设流出的气体与外界温度相同，可做如下变形：h
in
＝h
out
＝c
p
t其中c
p
为定压比热，定容比热和定压比热之间还存在如下关系：c
p
/c
v
＝k，c
p-c
v
＝r，故压强变化率可表示为：由于p
as
＝p
e
+p
atm
，p
e
与p
as
的微分相等，p
atm
表示大气压强视为常数。4.根据权利要求3所述的考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，所述s3中，将s2中的空气弹簧力f
s
代入s1主动悬架模型中，空气弹簧力空气悬架动力学模型表示为：其中x1＝z
s
，x3＝p
e
。5.根据权利要求4所述的考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，所述s4中，用的面积归一化流体质量模型为：其中q是高压源与低压源之间的面积归一化质量流量，c
q
是流量系数，p
d
和p
u
分别是下游压力与上游压力，γ是空气的比热，r是比气体常数；流量类型取决于p
d
/p
u
与临界压力比p
cr
。6.根据权利要求5所述的考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，所述s6中，控制器计算所得的期望空气流量与电磁阀单位时间内的流量之比即为所需的pwm信号的占空比其中q
d
＝q
in-q
out
为期望空气流量信号。

技术总结
本发明提供一种考虑充放气特性的空气悬架动力学模型建模方法，涉及车辆空气悬架建模分析技术领域，包括以下步骤：S1：根据车辆悬架特性，建立四分之一主动悬架动力学模型；S2：基于热力学定律，建立空气弹簧充放气模型；S3：通过将主动悬架模型中的主动力替换为空气弹簧力建立电控空气悬架动力学模型；S4：建立空气弹簧的面积归一化流体质量模型；S5：基于充放气信号生成控制空气弹簧充放气的PWM信号。本发明以建立一个精确的考虑充放气的电控空气弹簧动力学模型能够用于，电控空气悬架的控制研究为目的，基于力学定律、热力学定律建立了一种电控空气悬架充放气模型。一种电控空气悬架充放气模型。一种电控空气悬架充放气模型。


技术研发人员：赵晶 安润兴 刘泰佑 刘锦灿 李国全 庞滔 李锦豪
受保护的技术使用者：广东溢康通空气弹簧有限公司 东北大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/20