CN103412481A - 一种混合动力车bsg系统自抗扰控制器构造方法 - Google Patents

一种混合动力车bsg系统自抗扰控制器构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，具体包括如下步骤：构造复合被控对象；构建二阶扩张状态观测器；一阶跟踪微分器给安排合适的参考轨迹过渡过程；一阶跟踪微分器的输出信号
Figure 2013103493595100004DEST_PATH_IMAGE002
与二阶扩张状态观测器的输出信号
Figure 2013103493595100004DEST_PATH_IMAGE004
的误差作为非线性PID控制器的输入信号；将二阶扩张状态观测器的输出信号与模糊补偿器的输出信号
Figure DEST_PATH_IMAGE008
相叠加之后的信号与非线性PID控制器的输出信号相结合作为复合被控对象的输入给定；构造自抗扰控制器，控制复合被控对象。本发明所述方法不依赖于系统的精确数学模型，可将系统的内部扰动和外部扰动归结于总扰动进行观测和补偿，使得混合动力车BSG系统具有更好的抗扰性、稳态特性。

Description

一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法
技术领域
本发明涉及一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，属于混合动力车带式驱动启动发电机（以下简称为BSG）控制技术领域。 
背景技术
混合动力车BSG系统是一个强耦合的非线性时变复杂系统，在实际运行过程中系统参数会发生突变，而且还存在一些比较严重的外部扰动，因此要实现混合动力车BSG系统的高品质控制是十分困难的。
混合动力车BSG系统比较常规的控制方法一般为PID控制，然而传统的PID控制方法具有如下缺点：（1）由于线性参数之间的组合往往不具有最优选择，容易造成系统快速性与超调量之间的矛盾；（2）由于系统实际输出信号是光滑信号，而系统的给定信号则是不光滑信号，因此将不光滑的输入信号作为光滑的输出信号的给定值，将会引起系统输出的振荡和不稳定；（3）PID控制方法中的积分控制是为了消除系统静差，然后积分作用会导致系统稳定性变差，振荡更加剧烈，还有可能会导致积分饱和现象。而自抗扰控制方法通过安排过渡过程很好地解决了快速性与超调问题之间的矛盾，并且扩张状态观测器可以在不采用积分作用的前提下也能达到系统无静差，避免了积分控制的副作用，该方法还能使系统在控制对象参数发生突变或遭遇外部干扰时获得到较好的控制效果，具有很强的鲁棒性、和抗干扰能力。因此为了克服传统PID控制方法的不足之处，十分有必要研究混合动力汽车用BSG系统的自适应控制方法。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器的构造方法，采用该方法构造的自抗扰控制器可以将影响BSG系统动态特性的干扰归结为“扰动”加以观测和补偿，具有很强的静动态特性、鲁棒性和工程实用价值。 
本发明的技术方案是：
一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，具体包括如下步骤：
1）将电流控制模块、扩展逆变器控制模块、混合动力车BSG、电流检测模块、以及速度角度检测与计算模块作为一个整体构成复合被控对象；其中电流控制模块的输出为扩展逆变器控制模块的输入，扩展逆变器控制模块的输出同时作为混合动力车BSG和电流检测模块的输入，混合动力车BSG的输出作为速度角度检测与计算模块的输入；复合被控对象的输入为给定q轴电流                                               
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE002
，输出为混合动力车BSG实际转速
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE004
；
2）根据复合被控对象的输入输出信号构建二阶扩张状态观测器，其中二阶扩张状态观测器的输入信号为复合被控对象的输出转速信号
Figure 277691DEST_PATH_IMAGE004
、以及复合被控对象的输入信号与模糊补偿器输出信号的组合
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE006
；二阶扩张状态观测器的输出信号为
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 70198DEST_PATH_IMAGE008
用来跟踪复合被控对象的输出转速信号
Figure 912252DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 307461DEST_PATH_IMAGE010
用来跟踪系统的未知扰动；
3）一阶跟踪微分器根据被控对象能力以及控制需要给转速指令参考值
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE012
安排合适的参考轨迹过渡过程，从而得到光滑过渡信号
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE014
；
4）将一阶跟踪微分器的输出信号
Figure 495735DEST_PATH_IMAGE014
与二阶扩张状态观测器的一个输出信号
Figure 131246DEST_PATH_IMAGE008
进行比较，确定出系统误差
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE016
，该误差作为非线性PID控制器的输入信号；
5）将二阶扩张状态观测器的一个输出信号
Figure 460597DEST_PATH_IMAGE010
与模糊补偿器的输出信号
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE018
相叠加之后，经过可调参数
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE020
得到信号
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE022
，该信号与非线性PID控制器的输出信号
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE024
相结合作为复合被控对象的输入给定，即
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE026
；
6）将一阶跟踪微分器、非线性PID控制器、二阶扩张状态观测器以及模糊补偿器共同构成自抗扰控制器，控制复合被控对象。
进一步，步骤1）中，电流控制模块是由q轴电流调节器与d轴电流调节器先行并联，再与Park逆变换器串联而成；扩展逆变器控制模块由SVPWM模块与电压源逆变器串联构成，其中SVPWM模块输出六路PWM信号驱动电压源逆变器；电流检测模块由Clark变换器与Park变换器相串联构成；速度角度检测与计算模块由位置传感器与速度和角度计算部分串联构成；其中速度和角度计算部分的一个输出为角度
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE028
，该信号同时输给Park逆变换器与Park变换器，提供坐标变换时的角度信息。
进一步，步骤2）中，二阶扩张状态观测器的输入输出关系为：
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE030
，
其中，，
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE040
、、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE048
为可调参数；
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE050
为转速估计的微分；
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE052
为未知扰动估计的微分；
Figure 493054DEST_PATH_IMAGE018
为系统动态扰动总和。
进一步，步骤3）中，一阶跟踪微分器的输入输出关系为：
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE054
，
其中，；、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE062
为可调参数。
进一步，步骤5）中，非线性PID控制器的输入输出关系为：
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE064
其中，
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE066
；
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 2013103493595100002DEST_PATH_IMAGE072
为可调参数。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计的混合动力车BSG系统的自抗扰控制器，通过构造扩张状态观测器，将系统的内部扰动和外部扰动归结于总扰动，并进行观测和补偿，使得混合动力车BSG系统具有更好的抗扰性、稳态特性。
2、本发明提出的混合动力车BSG系统的自抗扰控制器，不依赖于系统的精确数学模型；而混合动力车实际的工况是十分复杂多变的，其模型是一个非线性、多变量、强耦合的时变系统，很难获取其精确的数学模型。因此该控制器的优点与混合动力车BSG系统的特点不谋而合，可以将理论与实际紧密结合，并将理论方法实际化。
附图说明
图1是本发明中复合被控对象的结构示意图；
图2是图1的等效结构图；
图3是本发明中自抗扰控制器的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明具体的实施分以下8步：
1、如图1和图2所示，将q轴电流调节器与d轴电流调节器先行并联，再与Park逆变换器串联够成电流控制模块；将SVPWM模块与电压源逆变器串联构成扩展逆变器控制模块，其中SVPWM模块输出六路PWM信号驱动电压源逆变器；将Clark变换器与Park变换器相串联构成电流检测模块；将位置传感器与速度和角度计算部分串联构成速度角度检测与计算模块，其中速度和角度计算部分的一个输出为角度
Figure 473517DEST_PATH_IMAGE028
，该信号同时输给Park逆变换器与Park变换器，提供坐标变换时的角度信息；
2、如图1和图2所示，将电流控制模块、扩展逆变器控制模块、混合动力车BSG 、电流检测模块、以及速度角度检测与计算模块作为一个整体构成复合被控对象；其中电流控制模块的输出为扩展逆变器控制模块的输入，扩展逆变器控制模块的输出同时作为混合动力车BSG 和电流检测模块的输入，混合动力车BSG 的输出作为速度角度检测与计算模块的输入；复合被控对象的输入为给定q轴电流
Figure 279930DEST_PATH_IMAGE002
，输出为混合动力车BSG实际转速
Figure 34260DEST_PATH_IMAGE004
；
3、根据复合被控对象的输入输出信号构建二阶扩张状态观测器，其中二阶扩张状态观测器的输入信号为复合被控对象的输出转速信号
Figure 833588DEST_PATH_IMAGE004
、以及复合被控对象的输入信号与模糊补偿器输出信号的组合；二阶扩张状态观测器的输出信号为
Figure 98402DEST_PATH_IMAGE008
和，其中
Figure 677468DEST_PATH_IMAGE008
用来跟踪复合被控对象的输出转速信号
Figure 133989DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 531472DEST_PATH_IMAGE010
用来跟踪系统的未知扰动；二阶扩张状态观测器的输入输出关系为
Figure 260393DEST_PATH_IMAGE030
，
其中，
Figure 650792DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 211087DEST_PATH_IMAGE034
；、
Figure 808738DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 691244DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 355312DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 360177DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 798112DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 31778DEST_PATH_IMAGE048
为可调参数，其值根据混合动力车BSG系统实际工况选取；
Figure 504348DEST_PATH_IMAGE050
为转速估计的微分；为未知扰动估计的微分；
Figure 605345DEST_PATH_IMAGE018
为系统动态扰动总和；
4、一阶跟踪微分器根据被控对象能力以及控制需要给转速指令参考值
Figure 141237DEST_PATH_IMAGE012
安排合适的参考轨迹过渡过程，从而得到光滑过渡信号
Figure 265051DEST_PATH_IMAGE014
；一阶跟踪微分器的输入输出关系为
Figure 549402DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 774978DEST_PATH_IMAGE056
；
Figure 802977DEST_PATH_IMAGE058
、、
Figure 548134DEST_PATH_IMAGE062
为可调参数，其值根据混合动力车BSG系统实际工况选取；
5、将一阶跟踪微分器的输出信号
Figure 510274DEST_PATH_IMAGE014
与二阶扩张状态观测器的一个输出信号
Figure 76384DEST_PATH_IMAGE008
进行比较，确定出系统误差，该误差作为非线性PID控制器的输入信号；非线性PID控制器的输入输出关系为
Figure 613993DEST_PATH_IMAGE064
其中，
Figure 1112DEST_PATH_IMAGE066
；
Figure 682498DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 573093DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 432465DEST_PATH_IMAGE072
为可调参数，其值根据混合动力车BSG系统实际工况选取；
6、确定模糊补偿器的输入信号为二阶扩张状态观测器的一个输出信号
Figure 41301DEST_PATH_IMAGE008
，输出为扰动补偿信号
Figure 27843DEST_PATH_IMAGE018
；制定模糊子集为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，其中NB和PB的隶属度函数分别选为“amf”和“smf”，其余隶属度函数选为“trimf”，并选用Min-Max方法进行模糊推理和解模糊；
7、将二阶扩张状态观测器的一个输出信号
Figure 100841DEST_PATH_IMAGE010
与模糊补偿器的输出信号
Figure 68797DEST_PATH_IMAGE018
相叠加之后，经过可调参数
Figure 164929DEST_PATH_IMAGE020
得到信号，该信号与非线性PID控制器的输出信号
Figure 115622DEST_PATH_IMAGE024
相结合作为复合被控对象的输入给定，即
Figure 67529DEST_PATH_IMAGE026
；
8、如图3所示，将一阶跟踪微分器、非线性PID控制器、二阶扩张状态观测器以及模糊补偿器共同构成自抗扰控制器，控制复合被控对象。
根据以上所述，便可以实现本发明。
综上所述，本发明一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法为：1）将电流控制模块、扩展逆变器控制模块、混合动力车BSG 、电流检测模块、以及速度角度检测与计算模块作为一个整体构成复合被控对象；2）根据复合被控对象的输入输出信号构建二阶扩张状态观测器；3）一阶跟踪微分器给转速指令参考值
Figure 650957DEST_PATH_IMAGE012
安排合适的参考轨迹过渡过程，从而得到光滑过渡信号；4）将一阶跟踪微分器的输出信号与二阶扩张状态观测器的一个输出信号进行比较，确定出系统误差
Figure 515696DEST_PATH_IMAGE016
，该误差作为非线性PID控制器的输入信号；5）将二阶扩张状态观测器的一个输出信号与模糊补偿器的输出信号
Figure 782784DEST_PATH_IMAGE018
相叠加之后，经过可调参数
Figure 263444DEST_PATH_IMAGE020
得到信号
Figure 618202DEST_PATH_IMAGE022
，该信号与非线性PID控制器的输出信号
Figure 475300DEST_PATH_IMAGE024
相结合作为复合被控对象的输入给定，即
Figure 169586DEST_PATH_IMAGE026
；6）将一阶跟踪微分器、非线性PID控制器、二阶扩张状态观测器以及模糊补偿器共同构成自抗扰控制器，控制复合被控对象。本发明所述方法可以不依赖于系统的精确数学模型，并且可以将系统的内部扰动和外部扰动归结于总扰动，进行观测和补偿，使得混合动力车BSG系统具有更好的抗扰性、稳态特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，具体包括如下步骤：
1）将电流控制模块、扩展逆变器控制模块、混合动力车BSG、电流检测模块、以及速度角度检测与计算模块作为一个整体构成复合被控对象；其中电流控制模块的输出为扩展逆变器控制模块的输入，扩展逆变器控制模块的输出同时作为混合动力车BSG和电流检测模块的输入，混合动力车BSG的输出作为速度角度检测与计算模块的输入；复合被控对象的输入为给定q轴电流                                               
Figure 2013103493595100001DEST_PATH_IMAGE002
，输出为混合动力车BSG实际转速
Figure 2013103493595100001DEST_PATH_IMAGE004
；
2）根据复合被控对象的输入输出信号构建二阶扩张状态观测器，其中二阶扩张状态观测器的输入信号为复合被控对象的输出转速信号
Figure 118038DEST_PATH_IMAGE004
、以及复合被控对象的输入信号与模糊补偿器输出信号的组合
Figure 2013103493595100001DEST_PATH_IMAGE006
；二阶扩张状态观测器的输出信号为
Figure 2013103493595100001DEST_PATH_IMAGE008
和，
Figure 910545DEST_PATH_IMAGE008
用来跟踪复合被控对象的输出转速信号
Figure 1867DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 397076DEST_PATH_IMAGE010
用来跟踪系统的未知扰动；
3）一阶跟踪微分器根据被控对象能力以及控制需要给转速指令参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE012
安排合适的参考轨迹过渡过程，从而得到光滑过渡信号
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
4）将一阶跟踪微分器的输出信号
Figure 273765DEST_PATH_IMAGE014
与二阶扩张状态观测器的一个输出信号
Figure 909277DEST_PATH_IMAGE008
进行比较，确定出系统误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，该误差作为非线性PID控制器的输入信号；
5）将二阶扩张状态观测器的一个输出信号
Figure 238627DEST_PATH_IMAGE010
与模糊补偿器的输出信号
Figure DEST_PATH_IMAGE018
相叠加之后，经过可调参数
Figure DEST_PATH_IMAGE020
得到信号
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，该信号与非线性PID控制器的输出信号
Figure DEST_PATH_IMAGE024
相结合作为复合被控对象的输入给定，即
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
6）将一阶跟踪微分器、非线性PID控制器、二阶扩张状态观测器以及模糊补偿器共同构成自抗扰控制器，控制复合被控对象。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，其特征在于，步骤1）中，电流控制模块是由q轴电流调节器与d轴电流调节器先行并联，再与Park逆变换器串联而成；扩展逆变器控制模块由SVPWM模块与电压源逆变器串联构成，其中SVPWM模块输出六路PWM信号驱动电压源逆变器；电流检测模块由Clark变换器与Park变换器相串联构成；速度角度检测与计算模块由位置传感器与速度和角度计算部分串联构成；其中速度和角度计算部分的一个输出为角度
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，该信号同时输给Park逆变换器与Park变换器，提供坐标变换时的角度信息。
3.根据权利要求1所述的一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，其特征在于，步骤2）中，二阶扩张状态观测器的输入输出关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，、
Figure DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、为可调参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为转速估计的微分；为未知扰动估计的微分；为系统动态扰动总和。
4.根据权利要求1所述的一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，其特征在于，步骤3）中，一阶跟踪微分器的输入输出关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为可调参数。
5.根据权利要求1所述的一种混合动力车BSG系统自抗扰控制器构造方法，其特征在于，步骤5）中，非线性PID控制器的输入输出关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
；
Figure DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为可调参数。
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