CN109808677B - 一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法，属于混合动力车辆控制领域，从确定泵排量控制目标出发，用最小二乘辨识方法获得泵排量执行机构的状态空间方程，进而分别计算满足泵排量控制目标的稳态控制需求和参考期望动态补偿，然后结合Lyapunov稳定性原理对所构造的非线性动态反馈控制器进行设计，最后得到轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器的最终表达形式。本方法所描述的泵排量非线性控制器考虑了变量泵排量调节机构响应滞后、参数时变所产生的影响，具有较好的鲁棒性和抗外部干扰能力，对提升泵轮毂液压混合动力系统排量跟踪控制品质十分必要。

Description

一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法

技术领域

本发明属于混合动力车辆控制领域领域，特别涉及一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法。

背景技术

随着我国工业化的发展，重型商用车在我国的商用车领域一直拥有着举足轻重的地位，但是其不确定的工作环境，对其车辆本身的动力性和需求较高。传统全轮驱动的解决方案虽然可以有效的利用自身的附着重力获得更大的驱动力,然而却影响了车辆行驶在良好硬路面时的车辆经济性。轮毂液压混合动力技术凭借其功率密度大，充放能速度快以及能量回收效率高等优点，在重型车辆上表现出较强的竞争力与较好的应用前景，可视为综合解决重型商用车上述矛盾问题的可行方案。该系统是一种强非线性、参数时变以及受外界干扰严重的复杂机电液耦合控制系统，其动态控制品质受到系统本质非线性控制特征的影响。其中，液压变量泵排量执行机构存在的参数时变与大滞后非线性响应特征，将对泵排量的动态跟踪品质产生较大影响，进而使系统的协调控制问题变得复杂，仅采用常规PID控制，或基于工程中常用的“前馈+反馈”的控制结构，往往采用线性反馈而忽略了系统的非线性项，对于具备强非线性特征的液压系统难以直接应用很难解决液压系统这种本质非线性问题。

在专利《一种轮毂马达液压驱动系统变量泵排量控制方法》(授权公告号为CN103660915B)中，公布了一种基于PI调节和静态调节相结合的控制方法，其中静态调节是根据目标档位查表获得静态排量，然后用目标轮速和实际轮速的差值进行了PI调节，方法简单实用，但是未考虑液压系统本质非线性对控制品质的影响。

在专利《一种基于Lyapunov的三电平三相四线制SAPF非线性控制方法》(公开号为CN108183483A)中，公布了一种基于控制对象的数学模型，通过构建开关函数和能拉那个函数获取最优控制增益，结合利用Lyapunov理论构建非线性控制器改善系统的动静态特性，方法理论性强，鲁棒性好，但系统对象为电系统，而针对液压系统鲜有此类控制方法的应用。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法，针对液压变量泵泵排量控制目标，基于Lyapunov稳定性原理设计了带有非线性反馈的泵排量跟踪控制器，该控制器可以实现泵排量控制目标的良好跟随，并具有较好的工况适应性与鲁棒性，为该液压系统的实际控制提供理论参考。

为实现上述目的，根据本发明实施例的一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤一、确定泵排量控制目标：根据变量泵排量稳态控制需求，以及驱动力协调控制需求,可以确定当前工作状态下的泵排量控制目标，如式(1)所示：

β_cmd＝β_st+β_mpc···························(1)

式中，β_cmd表示泵排量控制目标；β_st表示稳态控制需求；β_mpc表示驱动力协调控制需求；其中，当系统不在闭式回路泵助力模式工作时，β_mpc＝0；

步骤二、获取泵排量执行机构的状态空间方程：液压泵的目标排量与实际响应排量之间的关系可以使用变参数的一阶传递函数进行描述，其中，传递函数的参数可以使用递推最小二乘辨识方法得到，进而可得到泵排量执行机构的状态空间方程，如式(2)所示：

式中，状态变量

表示泵排量响应变化率，状态变量y表示泵排量响应，控制变量u表示PWM占空比信号，其中状态空间方程中各参数为：

其中a、b、τ为待辨识参数；

步骤三、计算满足泵排量控制目标的稳态控制需求：定义泵排量跟踪控制误差：e＝y-β_cmd＝x-β_cmd，根据Lyapunov稳定性理论，满足

的状态即为系统的平衡状态或者平衡点，结合式(2)，可以得到式(3)：

式中，u_s表示可以使系统最终响应至控制目标的稳态控制需求，x_d表示期望参考，即泵排量控制目标β_cmd；

步骤四、计算参考期望动态补偿u_f：在控制律u＝u_s+u_f的作用下，此时系统状态变化能够跟踪上参考输入的变化，存在

并结合式(3)代入式(2)计算，得到式(4)：

步骤五、设计非线性动态反馈控制律：设计非线性动态反馈控制律u_d，如式(5)所示：

式中，k₁为非线性反馈控制增益，ω为非线性反馈的设计参数，k₁＞0，ω＞1，最终控制律u＝u_s+u_f+u_d作用于泵排量控制系统，并代入式(2)计算，得到误差微分项如式(6)所示：

步骤六、求取轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器的最终表达形式：结合Lyapunov稳定性原理对所构造的非线性动态反馈控制器进行设计，定义系统的Lyapunov函数为：

对其求导计算，可得：

为了寻找满足能量函数

的控制律，将ω^e展开为e的三阶幂级数，并忽略幂级数的高阶项，如式(8)所示：

将式(5)以及式(8)代入式(7)计算，可得式(9)：

根据Young式不等式，存在以下不等式条件：

因为k₁＞0，ω＞1，只要式(11)所示的不等式成立，那么

恒成立；

求解上述不等式(11)，可求得非线性反馈控制器设计参数ω的取值范围：

此时可以使得能量函数

恒成立；那么根据Lyapunov稳定性原理，此时系统在平衡点x＝β_cmd，

处是渐近稳定的，针对变量泵排量执行机构设计的非线性控制器的最终表达形式，如式(12)所示：

本发明与现有技术相比较，有益效果如下：

1、本专利所述的轮毂液压混合动力系统，其功率密度高，簧载质量小，可以有效的兼顾车辆良好路面的经济性和坏路面的通过性；

2、本专利所述的轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器，考虑了变量泵排量调节机构响应滞后、参数时变所产生的影响，采用非线性反馈控制率，尤其适合于受外界干扰严重的复杂机电液耦合控制系统，具有较好的工况适应性和鲁棒性；

3、本专利所述的轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法，在求取泵排量执行机构的过程中应用了最小辨识的方法有效地避免了推导复杂的机理模型，利用数据的建模思想实用性强，复现简单且容易调整。

附图说明

本发明的上述和或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法过程示意图；

图2为根据本发明实施例的轮毂液压混合动力系统结构示意图；

图3为根据本发明实施例的液压变量泵组件结构图；

图4为根据本发明实施例的不同泵排量控制目标对应的泵排量执行机构动态模型的辨识结果图；

图5为根据本发明实施例的阶跃响应跟踪控制曲线；

图6为根据本发明实施例的正弦响应跟踪控制曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法，但本发明并不限于这些实施例。

参考附图1，本发明所述的轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器的核心思想是Lypunov稳定原理，在计算过程中的目标泵排量是由稳态泵排量需求和驱动力协调控制需求相加构成，并且在构建非线性控制器的过程中，引入了参考期望动态补偿和非线性反馈控制率，以及基于模型辨识的泵排量执行机构状态空间方程。非线性控制器的输出信号为PWM波信号，它通过控制电磁比例阀来控制液压变排量泵，旨在泵排量跟随目标排量，进而高压油通过液压管路驱动轮毂马达，最后将动力输出至驱动车轮上。

本发明所述的轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器的作用对象，轮毂液压混合动力系统结构参考附图2，该系统由两个型号一样的轮毂马达(6)和轮毂马达(7)、控制阀组(8)、发动机(1)、作为储能和放能的蓄能器(4)、液压变排量泵(5)、取力器(2)、液压变排量泵执行机构(9)、离合器(3)、变速箱(11)和整车控制器(10)构成。其连接关系如附图2所示，变量泵(5)的输出油液经过控制阀组(8)后驱动轮毂马达(6)和轮毂马达(7)，从而形成闭式液压回路；蓄能器(4)输出油液经过控制阀组(8)后驱动轮毂马达(6)和轮毂马达(7)，从而形成开始式液压回路；变量泵(5)的驱动力矩由发动机(1)经过取力器(2)传递，变量泵(5)的排量执行命令由液压变排量泵执行机构(9)获得，变速箱(11)与后桥连接，形成传统我的后桥驱动，整车控制器(10)用于解析工况和驾驶员的动作指令，发出相应的整车控制信号。

步骤一、确定泵排量控制目标：根据变量泵排量稳态控制需求，以及驱动力协调控制需求,可以确定当前工作状态下的泵排量控制目标，如式(1)所示：

β_cmd＝β_st+β_mpc···························(1)

式中，β_cmd表示泵排量控制目标；β_st表示稳态控制需求；β_mpc表示驱动力协调控制需求；其中，当系统不在闭式回路泵助力模式工作时，β_mpc＝0；

步骤二、获取泵排量执行机构的状态空间方程：泵排量执行机构参考液压变量泵组件结构参考附图3，包括排量调节杠杆(13)和电磁比例阀(17)和电磁比例阀(16)，变排量泵(12)排量由排量调节杠杆(13)的转角决定，排量调节杠杆(13)的上下两端分别由电磁比例阀(17)和电磁比例阀(16)连接，这两个电磁比例阀的控制信号是S1、S2，压力油从P口进，T口接油缸。

液压泵的目标排量与实际响应排量之间的关系可以使用变参数的一阶传递函数进行描述，其中，传递函数的参数可以使用递推最小二乘辨识方法得到，本发明所述的不同泵排量控制目标对应的泵排量执行机构动态模型的辨识如附图4所示，首先测得6组不同电磁比例阀(16)的控制信号S2好对应的相应时间离散实验点，再通过递推最小二乘辨识方法得到其一阶传递函数，进而可得到泵排量执行机构的状态空间方程，如式(2)所示：

式中，状态变量

表示泵排量响应变化率，状态变量y表示泵排量响应，控制变量u表示PWM占空比信号，其中状态空间方程中各参数为：

其中a、b、τ为待辨识参数；

步骤三、计算满足泵排量控制目标的稳态控制需求：定义泵排量跟踪控制误差：e＝y-β_cmd＝x-β_cmd，根据Lyapunov稳定性理论，满足

的状态即为系统的平衡状态或者平衡点，结合式(2)，可以得到式(3)：

式中，u_s表示可以使系统最终响应至控制目标的稳态控制需求，x_d表示期望参考，即泵排量控制目标β_cmd；

步骤四、计算参考期望动态补偿u_f：在控制律u＝u_s+u_f的作用下，此时系统状态变化能够跟踪上参考输入的变化，存在

并结合式(3)代入式(2)计算，得到式(4)：

步骤五、设计非线性动态反馈控制律：设计非线性动态反馈控制律u_d，如式(5)所示：

式中，k₁为非线性反馈控制增益，ω为非线性反馈的设计参数，k₁＞0，ω＞1，最终控制律u＝u_s+u_f+u_d作用于泵排量控制系统，并代入式(2)计算，得到误差微分项如式(6)所示：

步骤六、求取轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器的最终表达形式：结合Lyapunov稳定性原理对所构造的非线性动态反馈控制器进行设计，定义系统的Lyapunov函数为：

对其求导计算，可得：

为了寻找满足能量函数

的控制律，将ω^e展开为e的三阶幂级数，并忽略幂级数的高阶项，如式(8)所示：

将式(5)以及式(8)代入式(7)计算，可得式(9)：

根据Young式不等式，存在以下不等式条件：

因为k₁＞0，ω＞1，只要式(11)所示的不等式成立，那么

恒成立；

求解上述不等式(11)，可求得非线性反馈控制器设计参数ω的取值范围：

此时可以使得能量函数

恒成立；那么根据Lyapunov稳定性原理，此时系统在平衡点x＝β_cmd，

处是渐近稳定的，针对变量泵排量执行机构设计的非线性控制器的最终表达形式，如式(12)所示：

本发明中较多的本发明所述的阶跃响应跟踪控制曲线和正弦响应曲线分别对应附图5和附图6，可以看出在名义工况即阶跃响应和正弦响应目标排量下，使用本发明所公开的非线性控制器所对应的跟踪曲线较无控制和PID控制曲线都能取得时间上响应较快、且无超调的动态控制效果。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

使用了诸如非线性、能量函数、反馈控制、β_cmd、u_s、u_f、x_d、ω等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定泵排量控制目标：根据变量泵排量稳态控制需求，以及驱动力协调控制需求计算可以确定当前工作状态下的泵排量控制目标，如式(1)所示：

β_cmd＝β_st+β_mpc·····························(1)

式中，β_cmd表示泵排量控制目标；β_st表示稳态控制需求；β_mpc表示驱动力协调控制需求；其中，当系统不在闭式回路泵助力模式工作时，β_mpc＝0；

步骤二、获取泵排量执行机构的状态空间方程：液压泵的目标排量与实际响应排量之间的关系可以使用变参数的一阶传递函数进行描述，其中，传递函数的参数可以使用递推最小二乘辨识方法得到，进而可得到泵排量执行机构的状态空间方程，如式(2)所示：

式中，状态变量

表示泵排量响应变化率，状态变量y表示泵排量响应，控制变量u表示PWM占空比信号，其中状态空间方程中各参数为：

其中a、b、τ为待辨识参数；

步骤三、计算满足泵排量控制目标的稳态控制需求：定义泵排量跟踪控制误差：e＝y-β_cmd＝x-β_cmd，根据Lyapunov稳定性理论，满足

的状态即为系统的平衡状态或者平衡点，结合式(2)，可以得到式(3)：

式中，u_s表示可以使系统最终响应至控制目标的稳态控制需求，x_d表示期望参考，即泵排量控制目标β_cmd；

步骤四、计算参考期望动态补偿u_f：在控制律u＝u_s+u_f的作用下，此时系统状态变化能够跟踪上参考输入的变化，存在

并结合式(3)代入式(2)计算，得到式(4)：

步骤五、设计非线性动态反馈控制律：设计非线性动态反馈控制律u_d，如式(5)所示：

式中，k₁为非线性反馈控制增益，ω为非线性反馈的设计参数，k₁＞0，ω＞1，最终控制律u＝u_s+u_f+u_d作用于泵排量控制系统，并代入式(2)计算，得到误差微分项如式(6)所示：

步骤六、求取轮毂液压混合动力系统泵排量非线性控制器的最终表达形式：结合Lyapunov稳定性原理对所构造的非线性动态反馈控制器进行设计，定义系统的Lyapunov函数为：

对其求导计算，可得：

为了寻找满足能量函数

的控制律，将ω^e展开为e的三阶幂级数，并忽略幂级数的高阶项，如式(8)所示：

将式(5)以及式(8)代入式(7)计算，可得式(9)：

根据Young式不等式，存在以下不等式条件：

因为k₁＞0，ω＞1，只要式(11)所示的不等式成立，那么

恒成立；

求解上述不等式(11)，可求得非线性反馈控制器设计参数ω的取值范围：

此时可以使得能量函数

恒成立；那么根据Lyapunov稳定性原理，此时系统在平衡点x＝β_cmd，

处是渐近稳定的，针对变量泵排量执行机构设计的非线性控制器的最终表达形式，如式(12)所示：

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