CN110304043B - 基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，包括以下步骤：步骤1，构建整车能量管理策略确定车辆的目标状态点；步骤2，构建动态协调控制策略，利用电机A和电机B辅助发动机进行动态调节；步骤3，构建模型参考自适应控制系统；步骤4，将模型参考自适应控制器接入能量管理模块和动态协调控制模块之间，调节车辆实际状态以跟踪目标状态；本发明在综合考虑发动机的燃油经济性和动力性，以及动力电池的剩余电量后，合理设置动态协调策略，使得车辆的实际状态能够平稳的跟踪目标状态，车辆状态变换过程迅速、平稳，减少了低频扭振对扭矩传动系统的损害，提高了车用部件的使用寿命，和车辆的舒适性、安全性。

Description

基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法

技术领域

本发明属于汽车驱动减振技术领域，特别是涉及一种基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法。

背景技术

混合动力车辆在混合驱动模式下，当车辆的运动状态需要发生改变时，若直接将目标状态点发送至各动力源的控制部分，由于各动力源转矩动态特性的不一致性，会引起系统冲击和输出转矩波动，甚至导致系统不能正常工作，对驱动系统的各部件有较大损伤，使得驾驶员驾驶舒适性下降，容易出现交通故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，使得混合驱动车辆在改变运动状态时，各动力源能及时转变转矩，减少动力传动系统的转矩波动，以及转矩波动对传动系统各部件的损害，提高车辆部件的使用寿命，以及车辆的安全性和驾驶舒适性。

本发明所采用的技术方案是，基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法具体包括以下步骤：

步骤1，构建整车能量管理策略对驾驶员意图进行解析，在车辆状态的约束下，确定车辆各部件的目标状态点；

所述车辆状态为驾驶员需求功率、动力电池剩余电量和辅助设备用电功率；

步骤2，构建动态协调控制策略，动态协调控制过程如下：

(1)调节电机A的转矩辅助发动机进行状态转换；

在混合动力汽车的动力系统中电机A作为发动机的负载，通过调节电机A的输出转矩来调节发动机状态变换时的负载情况，以辅助发动机提高动态响应速度；电机A的实际输出转矩T_{A_com}＝T_Aμ(A)，其中T_A为电机A的目标转矩，μ(A)为电机A的转矩修正系数，μ(A)∈[0.3，1]；

(2)通过修改发动机转速差值Δn_e提高发动机的自身调节能力；

发动机控制器根据输入的目标转速与输出转速之间的差值Δn_e，确定发动机节气门开度、喷油量等参数，转速差值Δn_e越大，发动机的输出转矩、角加速度越大，实际输入发动机控制器的转速差值Δn_{e_com}＝Δn_eμ(e)，μ(e)为转速差修正系数；

(3)控制电机B转矩补偿输出转矩波动，

在电机A和发动机共同作用对发动机响应速度进行调节时，通过调节与输出轴相连的电机B的转矩，对输出转矩波动进行补偿，使输出转矩能够平稳跟踪需求驱动转矩；

建立系统动态模型求解电机B的输出转矩命令，根据行星排转速转矩关系和牛顿定理建立动态工况下的耦合机构动力学方程，如公式(1)、(2)所示：

公式(1)、(2)中T_e为发动机目标转矩，T_A为电机A目标转矩，T_B为电机B目标转矩，T_o为输出轴等效转矩，T_f为负载等效转矩，T_s为太阳轮转矩，T_r为齿圈转矩，T_c为行星架转矩，J_e为发动机惯量，J_A为电机A转子惯量，J_B为电机B转子惯量，J_q为前传动惯量，J_c为行星架惯量，J_s为太阳轮惯量，J_r为齿圈惯量，J_z1为制动器Z1旋转部分惯量，J_z2为制动器Z2旋转部分惯量，J_c1为离合器C1惯量，J_o为整车等效惯量，J_z为减速器等效惯量，

为发动机转速，

为电机A转速，

为电机B转速，

为输出轴转速，i_q为前传动传动比，k为行星排系数；根据系统动态方程，消除其中的中间变量，可得输出轴等效转矩表达式如式(3)所示：

仅公式(3)中

k为行星排系数；

则输入电机B控制器的实际转矩T_{B_com}为：

T_{B_com}＝T_{o_com}-ε_AT_A-ε_eT_e-ε_fT_f

其中，ε_A、ε_e、ε_f为式中T_A、T_e、T_f的系数，T_{o_com}为输出轴转矩的输入值；

步骤3，构建基于状态反馈的模型参考自适应控制系统，构建过程包括设置期望参考模型、构建自适应控制率和设计不确定性调整率；

所述模型参考自适应控制系统由四部分组成：①含有不确定性的控制对象；②期望的参考模型；③不确定性调整率；④可实时重构的控制率；

步骤4，将模型参考自适应控制器接入能量管理模块和动态协调控制模块之间，以能量管理模块和动态协调控制模块输出的车辆各部件实际状态为输入量，对输入能量管理模块的转矩命令进行调节，进而调整车辆实际状态，使车辆实际状态能够平稳跟踪驾驶员意图。

进一步的，步骤1中建立整车能量管理策略的过程如下：

步骤11，根据油门踏板开度和制动踏板开度确定驾驶员的需求驱动转矩T_d和制动转矩T_b，如公式(4)、(5)所示：

T_d＝f(α₊)T_dmax(v)α₊＞0 (4)

T_b＝f(α_-)T_bmax(v)α_-＞0 (5)

公式(4)、(5)中T_dmax(v)为当前车速下系统的最大驱动转矩，T_bmax(v)为当前车速下系统最大制动转矩，f(α₊)、f(α_-)为单调递增函数，取

f(α-)＝α-，α₊为油门踏板开度，α_-为制动踏板开度；

步骤12，根据驾驶员需求转矩和当前车速计算驱动功率，根据当前动力电池的剩余电量计算电池需求功率，并计算发动机功率；

则驱动功率

电池需求功率P_b＝f_b(soc)，其中T_d为驾驶员需求转矩，n_v为车辆当前车速，f_b(soc)为电池需求功率P_b与动力电池剩余电量的关系函数；

电池需求功率P_b与辅助设备用电功率P_a之和为车辆总用电功率P_elec，发动机功率P_e为驱动功率与总用电功率之和，

其中η₁为发动机输出功率转换到电池输入功率效率，η₂为发动机输出功率到驱动功率的效率；

步骤13，确定发动机的工作点，由发动机最佳燃油经济曲线与发动机等功率曲线的交点确定发动机的目标转速n_e，根据发动机功率和目标转速确定发动机目标转矩T_e；

步骤14，由发动机目标转矩T_e和输出转矩T₀确定电机A和电机B的目标转矩T_A、T_B，动力传动系统输出转速即就是当前车速n₀，由发动机目标转速n_e和输出转速n₀确定电机A和电机B的目标转速n_A、n_B；

步骤15，车辆行驶中根据车辆实时状态，循环步骤11～步骤14计算驱动系统的实时目标状态点，进而得出车辆各部件的转矩分配。

进一步的，期望参考模型方程为：

其中x_r为参考模型状态

是电机B的参考转速，

是车辆输出轴的参考转速，

u＝T_P，T_p为动力系统的输出转矩，T_sr是车辆输出轴的参考转矩A_r＝A-B_rK为参考模型的系统矩阵，B_r为参考模型的输入矩阵，

K＝[k₁ k₂ k₃]，C_t为减速器阻尼，C_v为车轮阻尼，J_B为电机B转子惯量，J_v为车体等效到车轮的等效惯量和车轮惯量之和，i_r为主减速器传动比，k_s为驱动轴刚度，C_s为驱动轴阻尼，C_t为减速器阻尼，d＝T_v，T_v为车辆负载转矩，C＝[0 0 1]。

进一步的，自适应控制率表达式为：

其中k_f为参考模型输入量的修正系，r(t)表示参考模型的输入量，

为电机转速，

为输出转速，T_s为输出轴转矩，

分别为系统状态空间不确定量k_A与w_B的估计值。

进一步的，不确定性调整率表达式为：

其中Γ为调节增益常量，P为正定矩阵，P为

的解，其中Q为单位矩阵，

u＝T_P，T_p为动力系统的输出转矩，

e^T为e的转置矩阵，

分别为系统状态空间不确定量k_A与w_B的初始值，A_r为参考模型的系统矩阵，B_r为参考模型的输入矩阵，

为矩阵A_r的转置矩阵，

为电机转速，

为输出转速，T_s为输出轴转矩，

是电机B的参考转速，

是车辆输出轴的参考转速，T_sr是车辆输出轴的参考转矩。

进一步的，步骤2中转速差修正系数μ(e)采用S形函数，表达式为：

Δn_e为目标转速与输出转速之间的差值。

本发明的有益效果是：1、本发明在混合驱动车辆运动状态改变时，能够减少动力传动系统的转矩波动，以及转矩波动对传动系统各部件的损害，提高车辆部件的使用寿命；2、本发明能够提高车辆的安全性以及驾驶舒适性，减少交通事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1是本发明的车辆驱动系统控制框架图。

图2是本发明的能量控制框图。

图3是本发明动态协调流程图。

图4是实施例的车辆转矩效果图。

图5是实施例的车速效果图。

图6是实施例的发动机实际转速对目标转速的跟随情况。

图7是实施例实验过程中发动机、电机A和电机B的转矩变化图。

具体实施方式

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。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。

实施例

插电式混合动力汽车的动力系统由发动机、前传动、两台电机(A、B)、行星耦合机构、主减速器以及电池、电机控制器等电气部件组成，行星耦合机构有行星排PG、离合器和两个制动器(Z1、Z2)组成，发动机与车辆前传动相连，前传动输出轴连接PG行星架，电机A连接PG太阳轮和制动器Z1，PG齿圈连接制动器Z2，并通过离合器C1与电机B和输出轴相连，输出轴通过主减速器和差速器将动力传递到驱动轴驱动车辆行驶；在混合驱动模式下，发动机和电机A、电机B共同驱动车辆行驶，动力系统的输出转矩T_p为三个动力源输出转矩的耦合结果，由于耦合机构的元件刚度远大于驱动轴，耦合结构中各元件可视为刚体，电机B转子惯量J_B会随耦合机构实时传动比的变化而变化。

基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，具体包括以下步骤：

步骤1，构建整车能量管理策略对驾驶员意图进行解析，在驾驶员需求功率和动力电池剩余电量、辅助设备用电功率等车辆状态下，确定车辆各部件的目标状态点，使发动机工作在高效区间，电池组维持在效率最佳的范围内，以保证整车动力性和燃油经济性；

整车能量管理框图如图2所示，参照图2确定车辆各部件的目标状态点过程如下：

步骤11，驾驶员意图解析；

根据车辆当前的油门踏板开度和制动踏板开度，确定驾驶员的需求驱动转矩T_d和制动转矩T_b，如公式(1.1)、(1.2)所示：

T_d＝f(α₊)T_dmax(v)α₊＞0 (1.1)

T_b＝f(α_-)T_bmax(v)α_-＞0 (1.2)

公式(1.1)、(1.2)中T_dmax(v)为当前车速下车辆最大驱动转矩，T_bmax(v)为当前车速下车辆最大制动转矩，f(α₊)、f(α_-)为单调递增函数，取

f(α-)＝α_-，α₊为油门踏板开度，α_-为制动踏板开度；

由于插电式混合动力汽车的最终能量来源为发动机，所以设定车辆的驱动功率不高于发动机功率与整车用电功率之差，在车速较低时，最大驱动转矩T_dmax(v)为恒定值，当车速较高时，此时驱动功率不变，最大驱动转矩T_dmax(v)与车速成反比；

步骤12，根据驾驶员需求转矩和车辆当前车速计算驱动功率，根据当前动力电池的剩余电量计算电池需求功率，进而计算发动机功率；

驱动功率

电池需求功率P_b＝f_b(soc)，其中T_d为驾驶员需求驱动转矩，n_v为车辆当前车速，f_b(soc)为电池需求功率P_b与动力电池剩余电量的关系函数，根据P_b的符号能确定电池组的充放电状态，P_b为正则电池充电，P_b为负则电池放电；

电池需求功率P_b与辅助设备用电功率P_a之和为车辆总用电功率P_elec，由于整车能量的最终来源均为发动机，所以发动机功率P_e为驱动功率与总用电功率之和，即

其中η₁为发动机输出功率转换到电池输入功率的效率，η₂为发动机输出功率到驱动功率的效率；

步骤13，确定发动机的工作点，为提高整车的燃油经济性，使发动机工作在最佳燃油经济曲线上，根据发动机最佳燃油经济曲线与发动机等功率曲线的交点确定发动机的目标转速n_e，根据发动机功率P_e和目标转速n_e确定发动机目标转矩T_e，

步骤14，由发动机目标转矩T_e和输出转矩T₀确定电机A和电机B的目标转矩T_A、T_B，动力传动系统输出转速即就是当前车速n₀，由发动机目标转速n_e和输出转速n₀确定电机A和电机B的目标转速n_A、n_B，获得驱动系统的实时目标状态点；

其中k为行星排系数；

步骤2，构建动态协调控制策略，动态协调流程如图3所示，由于混合动力汽车的各动力源转矩动态特性不一致，直接按照步骤1获得的车辆各部件目标状态进行输出功率分配，会引起系统冲击和输出转矩波动，甚至导致系统不能正常工作，为了提高系统的响应速度，保持输出转矩的精度，利用电机A、电机B辅助发动机进行动态调节，实现整个系统快速平稳的状态转换，动态协调控制过程如下：

(1)调节电机A的转矩辅助发动机进行状态转换；

在混合动力汽车的动力系统中电机A作为发动机的负载，通过调节电机A的输出转矩来调节发动机状态变换时的负载情况，以辅助发动机提高动态响应速度；当发动机升速时，减小电机A的输出转矩，降低发动机的负载，当发动机降速时，增大电机A的输出转矩，增大发动机的负载，电机A的实际输出转矩T_{A_c}om＝T_Aμ(A)，其中T_A为电机A的目标转矩，μ(A)为电机A的转矩修正系数，μ(A)∈[0.3，1]；

(2)通过修改发动机转速差值Δn_e提高发动机的自身调节能力；

发动机控制器根据输入的目标转速与输出转速之间的差值Δn_e，确定发动机节气门开度、喷油量等参数，转速差值Δn_e越大，发动机的输出转矩、角加速度越大，在转速差值上乘以放大系数，以调节输入发动机控制器的转速差值Δn_e，提高发动机自身的调节能力，实际输入发动机控制器的转速差值Δn_{e_com}＝Δn_eμ(e)，μ(e)为转速差修正系数

μ(e)采用S形函数时发动机协调过程中不发生冲击，整个转速差值范围内μ(e)能平滑变化；

(3)控制电机B转矩补偿输出转矩波动，

在电机A和发动机共同作用对发动机响应速度进行调节时，会造成输出转矩波动，通过调节与输出轴相连的电机B的转矩，对输出转矩波动进行补偿，使输出转矩能够平稳跟踪需求驱动转矩；

建立系统动态模型求解电机B的输出转矩命令，根据行星排转速转矩关系和牛顿定理建立动态工况下的耦合机构动力学方程，如公式(1.3)、(1.4)所示：

公式(1.3)、(1.4)中T_e为发动机转矩，T_A为电机A转矩，T_B为电机B转矩，T_o为输出轴等效转矩，T_f为负载等效转矩，T_s为太阳轮转矩，T_r为齿圈转矩，T_c为行星架转矩，J_e为发动机惯量，J_A为电机A转子惯量，J_B为电机B转子惯量，J_q为前传动惯量，J_c为行星架惯量，J_s为太阳轮惯量，J_r为齿圈惯量，J_z1为制动器Z1旋转部分惯量，J_z2为制动器Z1旋转部分惯量，J_c1为离合器C1惯量，J_o为整车等效惯量，J_z为减速器等效惯量，

为发动机转速，

为电机A转速，

为电机B转速，

为输出轴转速，T_v为车辆负载转矩，i_q为前传动传动比，k为行星排系数；根据系统动态方程，消除其中的中间变量，可得输出轴等效转矩表达式如式(1.5)所示：

仅公式(1.5)中

则输入电机B控制器的实际转矩T_{B_com}为：

T_{B_com}＝T_{o_com}-ε_AT_A-ε_eT_e-ε_fT_f

其中，ε_A、ε_e、ε_f分别为式中T_A、T_e、T_f的系数，T_{o_com}为输出轴转矩的输入值；

通过调解电机A的转矩、修改发动机转速差值和控制电机B的转矩协同作用，对发送至车辆各部件的目标状态转矩命令进行调节，以消除车辆的动力系统冲击和输出转矩波动；

步骤3，构建基于状态反馈的模型参考自适应控制系统，根据观测到的车辆实际状态对输入驱动系统的转矩命令进行调节，以消除电机B转子惯量引入的不确定性，提高控制系统的控制精度；

模型参考自适应控制系统由四部分组成：①含有不确定性的控制对象；②期望的参考模型；③不确定性调整率；④可实时重构的控制率；不确定性调整率结合参考模型、驱动系统状态误差实现对驱动系统不确定性的实时估计和更新，可实时重构的控制率基于驱动系统的不确定性估计，实时的调整控制参数实现对驱动系统不确定性的补偿，最终实现驱动系统的实际输出转矩平稳跟踪车辆目标转矩；

步骤31，采用极点配置法设计针对标称模型J_Pn的状态反馈控制器，以抑制由车辆驱动轴弹性引起的低频扭振，将状态反馈控制器和标称模型组成的闭环系统，作为模型参考自适应控制系统的期望参考模型；

驱动系统的能控性矩阵为：M＝(B,AB,A²B)，能控性矩阵的秩rank(M)＝3，即系统完全可控，引入驱动系统状态反馈增益矩阵K，驱动系统矩阵为A-BK，其中状态反馈增益矩阵为：K＝[k₁ k₂ k₃]，k₁，k₂，k₃分别为状态反馈增益矩阵K的三个参数，

C_t为减速器阻尼，C_v为车轮阻尼，J_B为电机B转子惯量，J_v为车体等效到车轮的等效惯量和车轮惯量之和，i_r为主减速器传动比，k_s为驱动轴刚度，C_s为驱动轴阻尼，C_t为减速器阻尼；

驱动系统的特征方程为：

f(λ)＝det[λI-(A-BK)]

式中

I表示单位矩阵；

f(λ)的表达式中有三个变量，即系统有三个极点，采用极点配置法任意配置系统极点，状态反馈控制器的目标在于使T_s能快速无超调地收敛到目标转矩，由动力系统输出转矩到驱动转矩的传递函数Z(s)为：

其中，J_v为车体等效到车轮的等效惯量和车轮惯量之和，C_s为驱动轴阻尼，i_r为主减速器传动比，C_v为车轮阻尼，k_s为驱动轴刚度，C_t为减速器阻尼，s为拉普拉斯算子，T_s(s)为驱动轴转矩，T_p(s)为变速箱输出的驱动转矩；

由公式(1.6)可知参数k₁＝1.2，k₂＝1.5，k₃＝2.9；

状态反馈控制器的输出量T_{o_com_r}＝T_o-Kx，

为电机转速，

为输出转速，T_s为输出轴转矩；

则模型参考自适应控制器的参考模型写作：

其中x_r为参考模型状态

是电机B的参考转速，

是车辆输出轴的参考转速，T_sr是车辆输出轴的参考转矩，

C＝[0 0 1]，u＝T_P，d＝T_v，A_r＝A-B_rK为参考模型的系统矩阵，B_r为参考模型的输入矩阵；当仿真数据如表1时，

表1车辆传动系统仿真数据

参数	参数值	参数	参数值
				J<sub>e</sub>	1.5kg·m<sup>2</sup>	C<sub>s</sub>	40Nm/rad·s<sup>-1</sup>
J<sub>A</sub>	0.4kg·m<sup>2</sup>	C<sub>t</sub>	0.05Nm/rad·s<sup>-1</sup>
				J<sub>B</sub>	0.4kg·m<sup>2</sup>	C<sub>v</sub>	20Nm/rad·s<sup>-1</sup>
J<sub>v</sub>	202.3kg·m<sup>2</sup>	k<sub>s</sub>	44000Nm/rad
				i<sub>r</sub>	4.1

步骤32，构建自适应控制率；

由于耦合机构传动比在发动机任意转速下，能在一定范围内无极变化，电机B转子惯量J_B的变化导致系统振动特性变化，即电机B转子惯量J_B随耦合机构传动比变化的特性为系统引入了不确定性，考虑到J_B变化为传动系统引入的不确定性为结构不确定性，含不确定系统的状态空间方程如下：

由式(1.7)可知J_B变化为驱动系统引入的不确定性存在于驱动系统的输入端，由驱动系统输入的不确定增益w_B和与驱动系统状态相关的加法不确定量k_Ax组成，模型参考自适应控制系统根据模型不确定性估计值实时调整控制器参数，实现对给定参考信号的跟踪；

为补偿或减弱系统不确定带来的影响，使实际系统性能与参考模型性能接近，建立以下控制器结构：

式(1.8)中k_f为参考模型输入量的修正系，r(t)为参考模型的输入量，即能量管理层给出的动力系统输出目标转矩T_o，u(t)即为车辆当前实际需求输出转矩T_{o_com}，进一步得到自适应控制器的表达式为：

式(1.9)中

分别为系统状态空间不确定量k_A与w_B的估计值，由不确定性调整率积分得到；

步骤33，设计不确定性调整率，通过不确定性调整率的计算，可进行驱动系统不确定的实时分析和更新，对式(1.9)所示自适应控制器进行实时重构，将式(1.9)代入式(1.7)可得：

则模型参考自适应系统的广义误差方程为：

定义

为系统不确定的估计误差，

定义调节增益常量为Γ，增益常量会直接影响驱动系统实际状态收敛到模型参考自适应系统状态的速度；

定义正定矩阵P为代数李雅普诺夫方程

的解，其中Q为任意的正定矩阵Q＝Q^T＞0，

为矩阵A_r的转置矩阵，矩阵Q的选取不会影响系统的稳定性，但是会影响系统的瞬态响应，取Q为单位矩阵；

利用李雅普诺夫理论推导不确定性调整率：

利用正定矩阵P构造李雅普诺夫后补函数：

考虑到系统状态误差e与系统不确定性估计误差

均有界，将系统广义误差方程代入李雅普诺夫后补函数可得：

取

可得：

T为矩阵的转置；

由系统状态误差e有界，可得李雅普诺夫函数的一阶时间导数为负性符号函数，

对李雅普诺夫函数的一阶时间导数两边积分可得自适应调整率表达式：

分别为系统状态空间不确定量k_A与w_B的初始值，取

则模型参考控制器的结构如图2所示，扭振主动消减控制器表达式为：

其中

k_f＝1.81，

Γ＝20；

步骤4，将模型参考自适应控制器接入能量管理模块和动态协调控制模块之间，以能量管理模块和动态协调控制模块输出的车辆各部件实际状态为输入量，对输入能量管理模块的转矩命令进行调节，进而调整车辆实际状态，使车辆实际状态能够平稳跟踪驾驶员意图。

按照图1所示框图，其中T_s-ob为驱动轴观测转矩；w_v为车轮转速，将本发明应用于混合动力汽车车载系统中，在混合动力汽车的混合驱动模式下，车辆综合控制系统根据加速踏板和制动踏板的开度，求解驾驶员的需求转矩，进而确定车辆的目标状态点，使得车辆的发动机尽可能工作在高效区，电池组的剩余电量维持在效率最优范围内；构建模型参考自适应控制系统，消除电机B转子惯量引入的不确定性，进而通过动态协调控制策略动态调节发动机的输出，使各动力源的转矩输出稳定，没有波动、低频扭振消除，车辆的实际行驶状态平稳贴合目标状态，稳定进行车辆行驶状态转换。

在Matlab/Simulink中建立发动机、电机、动力电池组、功率耦合机构等关键部件模型以及如图所示的整车动力学模型，在仿真中应用本发明的低频扭振消减控制方法进行仿真实验，实验结果如下：

1、图4中应用本发明控制方法的车辆，在10s时油门发生突变时，车辆实际驱动转矩能够平稳的贴合实际需求，低频扭振消除、波动小，没有应用本发明控制方法的车辆在驱动转矩突变时，车辆实际驱动转矩在目标驱动转矩附近波动一段时间，然后贴近目标驱动转矩；

2、由图5可看出，采用主动控制策略前后，车速没有发生明显变化，说明扭振主动消减控制策略不会影响整车动力性；

3、图6中发动机实际转速能够较快跟踪目标转速；图7中在发动机调速时，发动机输出转矩受外特性限制，输出转矩以弧形上升；电机A转矩为负值，充当发动机负载，在发动机调速时，电机A转矩开始时以较快速率下降，在出现一个向上的小峰值之后，再以较缓速率下降到转矩目标值，说明在发动机调速时协调控制策略减小了电机A的转矩来降低发动机负载，提高发动机调速能力；电机B转矩为正值，在发动机调速时，耦合机构输出转矩减小，此时电机B转矩上升，补偿耦合机构转矩波动，保证驱动转矩能跟随驾驶员需求，发动机调速完成后，耦合机构输出转矩增大，此时电机B转矩下降，仿真结果与分析证明了扭振主动消减控制策略和协调控制策略的有效性。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，构建整车能量管理策略对驾驶员意图进行解析，在车辆状态的约束下，确定车辆各部件的目标状态点；

所述车辆状态为驾驶员需求功率、动力电池剩余电量和辅助设备用电功率；

步骤2，构建动态协调控制策略，动态协调控制过程如下：

(1)调节电机A的转矩辅助发动机进行状态转换；

在混合动力汽车的动力系统中电机A作为发动机的负载，通过调节电机A的输出转矩来调节发动机状态变换时的负载情况，以辅助发动机提高动态响应速度；电机A的实际输出转矩T_{A_com}＝T_Aμ(A)，其中T_A为电机A的目标转矩，μ(A)为电机A的转矩修正系数，μ(A)∈[0.3，1]；

(2)通过修改发动机转速差值Δn_e提高发动机的自身调节能力；

发动机控制器根据输入的目标转速与输出转速之间的差值Δn_e，确定发动机节气门开度、喷油量参数，转速差值Δn_e越大，发动机的输出转矩、角加速度越大，实际输入发动机控制器的转速差值Δn_{e_com}＝Δn_eμ(e)，μ(e)为转速差值修正系数；

(3)控制电机B转矩补偿输出转矩波动；

在电机A和发动机共同作用对发动机响应速度进行调节时，通过调节与输出轴相连的电机B的转矩，对输出转矩波动进行补偿，使输出转矩能够平稳跟踪需求驱动转矩；

建立系统动态模型求解电机B的输出转矩命令，根据行星排转速转矩关系和牛顿定理建立动态工况下的耦合机构动力学方程，如公式(1)、(2)所示：

公式(1)、(2)中T_e为发动机目标转矩，T_A为电机A目标转矩，T_B为电机B目标转矩，T_o为输出轴等效转矩，T_f为负载等效转矩，T_s为太阳轮转矩，T_r为齿圈转矩，T_c为行星架转矩，J_e为发动机惯量，J_A为电机A转子惯量，J_B为电机B转子惯量，J_q为前传动惯量，J_c为行星架惯量，J_s为太阳轮惯量，J_r为齿圈惯量，J_z1为制动器Z1旋转部分惯量，J_z2为制动器Z2旋转部分惯量，J_c1为离合器C1惯量，J_o为整车等效惯量，J_z为减速器等效惯量，

为发动机转速，

为电机A转速，

为电机B转速，

为输出轴转速，i_q为前传动传动比，k为行星排系数；根据系统动态方程，消除其中的中间变量，可得输出轴等效转矩表达式如式(3)所示：

仅公式(3)中

k为行星排系数；

则输入电机B控制器的实际转矩T_{B_com}为：

T_{B_com}＝T_{o_com}-ε_AT_A-ε_eT_e-ε_fT_f

其中，ε_A、ε_e、ε_f为式中T_A、T_e、T_f的系数，T_{o_com}为输出轴转矩的输入值；

步骤3，构建基于状态反馈的模型参考自适应控制系统，构建过程包括设置期望参考模型、构建自适应控制率和设计不确定性调整率；

所述模型参考自适应控制系统由四部分组成：①含有不确定性的控制对象；②期望的参考模型；③不确定性调整率；④可实时重构的控制率；

步骤4，将模型参考自适应控制器接入能量管理模块和动态协调控制模块之间，以能量管理模块和动态协调控制模块输出的车辆各部件实际状态为输入量，对输入能量管理模块的转矩命令进行调节，进而调整车辆实际状态，使车辆实际状态能够平稳跟踪驾驶员意图。

2.根据权利要求1所述的基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤1中建立整车能量管理策略的过程如下：

步骤11，根据油门踏板开度和制动踏板开度确定驾驶员的需求驱动转矩T_d和制动转矩T_b，如公式(4)、(5)所示：

T_d＝f(α₊)T_dmax(v)α₊＞0 (4)

T_b＝f(α_-)T_bmax(v)α_-＞0 (5)

公式(4)、(5)中T_dmax(v)为当前车速下系统的最大驱动转矩，T_bmax(v)为当前车速下系统最大制动转矩，f(α₊)、f(α_-)为单调递增函数，取

f(α_-)＝α_-，α₊为油门踏板开度，α_-为制动踏板开度；

步骤12，根据驾驶员需求转矩和当前车速计算驱动功率，根据当前动力电池的剩余电量计算电池需求功率，并计算发动机功率；

则驱动功率

电池需求功率P_b＝f_b(soc)，其中T_d为驾驶员需求转矩，n_v为车辆当前车速，f_b(soc)为电池需求功率P_b与动力电池剩余电量的关系函数；

电池需求功率P_b与辅助设备用电功率P_a之和为车辆总用电功率P_elec，发动机功率P_e为驱动功率与总用电功率之和，

其中η₁为发动机输出功率转换到电池输入功率效率，η₂为发动机输出功率到驱动功率的效率；

步骤13，确定发动机的工作点，由发动机最佳燃油经济曲线与发动机等功率曲线的交点确定发动机的目标转速n_e，根据发动机功率和目标转速确定发动机目标转矩T_e；

步骤14，由发动机目标转矩T_e和输出转矩T₀确定电机A和电机B的目标转矩T_A、T_B，动力传动系统输出转速就是当前车速n₀，由发动机目标转速n_e和输出转速n₀确定电机A和电机B的目标转速n_A、n_B；

步骤15，车辆行驶中根据车辆实时状态，循环步骤11～步骤14计算驱动系统的实时目标状态点，进而得出车辆各部件的转矩分配。

3.根据权利要求1所述的基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，其特征在于，所述期望参考模型方程为：

其中x_r为参考模型状态，

是电机B的参考转速，

是车辆输出轴的参考转速，

u＝T_P，T_p为动力系统的输出转矩，T_sr是车辆输出轴的参考转矩，A_r＝A-B_rK为参考模型的系统矩阵，B_r为参考模型的输入矩阵，

K＝[k₁ k₂ k₃]，C_t为减速器阻尼，C_v为车轮阻尼，J_B为电机B转子惯量，J_v为车体等效到车轮的等效惯量和车轮惯量之和，i_r为主减速器传动比，k_s为驱动轴刚度，C_s为驱动轴阻尼，C_t为减速器阻尼，d＝T_v，T_v为车辆负载转矩，C＝[0 0 1]。

4.根据权利要求1所述的基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，其特征在于，所述自适应控制率表达式为：

其中k_f为参考模型输入量的修正系数，r(t)表示参考模型的输入量，

为电机转速，

为输出转速，T_s为输出轴转矩，

分别为系统状态空间不确定量k_A与w_B的估计值。

5.根据权利要求1所述的基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，其特征在于，所述不确定性调整率表达式为：

其中Γ为调节增益常量，P为正定矩阵，P为

的解，其中Q为单位矩阵，

u＝T_P，T_p为动力系统的输出转矩，

e^T为e的转置矩阵，

分别为系统状态空间不确定量k_A与w_B的初始值，A_r为参考模型的系统矩阵，B_r为参考模型的输入矩阵，

为矩阵A_r的转置矩阵，

为电机转速，

为输出转速，T_s为输出轴转矩，

是电机B的参考转速，

是车辆输出轴的参考转速，T_sr是车辆输出轴的参考转矩。

6.根据权利要求1所述的基于混合驱动的低频扭振消减控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤2中转速差值修正系数μ(e)采用S形函数，表达式为：

Δn_e为目标转速与输出转速之间的差值。

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