CN111512134A - 用于估计扭矩发生器的内部有效扭矩的方法 - Google Patents

用于估计扭矩发生器的内部有效扭矩的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于估计扭矩发生器的内部有效扭矩的观察器，所述观察器也能够处理未滤波的和噪声测量信号，并且所述观察器能够将振荡效应映射在所估计的有效扭矩中，对于所述观察器规定：为所述动态系统设计具有观察器矩阵(N、L、G、E、Z、T、K、H)和未知的输入w的观察器(UIO)，并且所述观察器(UIO)获得所述输入向量u的和/或所述输出向量y的至少一个噪声测量信号，并且所述观察器由此估计状态向量
Figure DDA0002556111310000011
和有效扭矩
Figure DDA0002556111310000012
作为未知的输入w，其方式为：将观察器误差的动态
Figure DDA0002556111310000014
确定为状态向量(x)与所估计的状态向量
Figure DDA0002556111310000013
之间的差的矩阵(N、Z)设计为，使得所述矩阵(N、Z)的本征值(λ)位于f2/5>λ>5·f1的范围内，其中，f1是所述至少一个测量信号的最大期望变化频率，并且在所述至少一个测量信号中的噪声影响大于频率f2的频带。

Description

用于估计扭矩发生器的内部有效扭矩的方法
技术领域
一种用于提供扭矩发生器的内部有效扭矩的估计值的方法，所述扭矩发生器经由耦联元件而与扭矩吸收器连接，并且使用呈以下形式的所得到的动态系统：
Figure BDA0002556111290000011
或
Figure BDA0002556111290000012
其中，矩阵A、B、C、F、M是系统矩阵，所述系统矩阵由包含有效扭矩的动态系统的模型得出，并且其中，u是输入向量，y是输出向量，x是动态系统的状态向量，w表示作为未知的输入的有效扭矩。本发明还涉及一种用于对待测件进行测试运行的测试台，所述测试台具有调节器，以便对扭矩发生器或扭矩吸收器进行调节，并且所述调节器处理扭矩发生器的内部有效扭矩，所述内部有效扭矩利用用于提供有效扭矩的估计值的方法来估计。
背景技术
对于内燃机而言，有效扭矩、即用于内燃机和可能与其连接的组件(传动系、车辆)的质量惯性的加速度的扭矩是一个重要的变量。不幸的是，在没有大的测量技术方面的耗费的情况下，无法直接测量这种内部有效扭矩。
尤其是在测试台上或者在街道上的车辆原型中，常常借助指示测量技术来测量指示的燃烧力矩。这基于对内燃机的气缸中的气缸压力的测量。一方面，这在测量技术上是耗费且昂贵的，并且因此仅在测试台上或在街道上的车辆原型中应用。但是，即使测量了指示的燃烧力矩，借此仍然不具有内燃机的有效扭矩，所述有效扭矩是在从指示的燃烧力矩中减去内燃机的摩擦力矩和其它损耗力矩时产生的。所述摩擦力矩或损耗力矩通常是未知的，并且此外当然也高度取决于运行状态(转速、扭矩、温度等)，但是也取决于内燃机的老化状态和负载程度。
在其它扭矩发生器、例如电动马达中也可能产生类似的问题，在该处可能无法直接测量内部有效扭矩。在电动马达的情况下，内部有效扭矩将是例如气隙扭矩，所述气隙扭矩不能在不必采用变流器的信号的情况下直接测量。
用于确定指示的燃烧力矩的高的设备方面的耗费的问题已经通过如下方式解决：利用观察器根据其它可测量的变量估计所述燃烧力矩。在US5771482A中，曲轴的测量变量例如用于估计所述燃烧力矩。但是当然，这通常又需要在曲轴上使用相应的测量技术，但是所述测量技术通常从开始就不存在。在US6866024B2中，在曲轴上也使用测量变量来估计指示的燃烧力矩。其中应用统计学信号处理方法(随机分析方法和频率分析技术)。但是这两种方式都不会引起有效扭矩。
还已知其它的基于卡尔曼滤波器的观察器，所述观察器估计所引发的燃烧力矩。对此的一个实例是S.Jakubek等著，“
Figure BDA0002556111290000021
des inneren Drehmoments vonVerbrennungsmotoren durch parametrische Kalmanfilterung使用参数卡尔曼滤波估算内燃机的内部扭矩”，自动化技术57(2009)8，第395-402页。卡尔曼滤波器通常在计算上是耗费的，并且因此仅能受限地用于实践使用。
从Jing Na等著，“Vehicle Engine Torque Estimation via Unknown InputObserver and Adaptive Parameter Estimation通过未知输入观测器和自适应参数估算估算车辆发动机扭矩”，IEEETransactions on Vehicular Technolog，卷：PP，发行：99，2017年8月14日中已知用于内燃机的有效扭矩的观察器。所述观察器设计为高增益观察器，其中，有效扭矩作为未知的输入。所述观察器基于对内燃机的曲轴上的转速和扭矩进行的滤波(低通)测量，并且所述观察器估计经滤波的有效扭矩，即内燃机的有效扭矩的平均值。高增益观察器基于以下事实：通过高的放大抑制通过测试装置的非线性建模而产生的非线性效应，或者将其抑制到背景中。非线性方式使该设计变得更加困难。附加地，通过对测量进行滤波，当然也会在测量信号中丢失很多信息。例如，因此不能将如由于在内燃机中的燃烧冲击而引起的扭矩振荡或由于在电动马达的变流器中的切换而引起的振荡的效应映射在所估计的有效扭矩中。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于扭矩发生器的内部有效扭矩的观察器，所述观察器也能够处理未滤波的且有噪声的测量信号，并且因此能够将振荡效应映射在所估计的有效扭矩中。
所述目的如下实现：为所述动态系统设计观察器，所述观察器具有观察器矩阵和未知的输入，并且所述观察器获得所述输入向量的和/或所述输出向量的至少一个有噪声的测量信号，并且所述观察器由此估计所述状态向量和所述有效扭矩作为未知的输入，其方式为：将观察器误差的动态确定为状态向量与所估计的状态向量之间的差的矩阵设计为，使得所述矩阵的本征值位于f2/5>λ>5·f1的范围内，其中，f1是所述至少一个测量信号的最大期望变化频率，并且在所述至少一个测量信号中的噪声影响大于频率f2的频带。以这种方式，能够在观察器中分离出在测量信号中的噪声和有用的振荡信息。因此，所述观察器对测量信号中的噪声不敏感，并且能够将振荡效应映射在有效扭矩中。在根据本发明的方案中，所述动态系统附加地被建模为线性系统，所述线性系统更容于掌控，因为已认知到：能够将许多应用，例如测试台视为线性系统。
作为对于观察器的本征值的另外的条件，可以在以虚轴作为纵坐标和以实轴作为横坐标的坐标系中考虑复数的本征值，并且验证在虚轴与穿过本征值和坐标系的原点的直线之间的阻尼角，使得对于最接近虚轴的本征值的阻尼角位于π/4和3·π/4的范围中。
为了移除在有效扭矩的估计值中存在的可能的噪声和/或移除在估计值中的谐振的振荡分量，可以将所述有效扭矩的利用观察器估计的估计值输送给滤波器，将所估计的有效扭矩在截止频率高于基本频率的低通滤波器中进行低通滤波；在至少一个自适应的谐振滤波器中，将所估计的有效扭矩的谐振的振荡分量确定为基本频率的n倍，并且将至少一个谐振的振荡分量添加至经低通滤波的所估计的扭矩中，并且将所得到的总和从由观察器提供的所估计的扭矩中减去，并且将所得到的差用作为到低通滤波器中的输入；并且将低通滤波器的输出作为经滤波的所估计的有效扭矩输出。在一些应用中，需要能够借助这种滤波器提供的有效扭矩的经滤波的估计值。在此，所述滤波器能够自动地调整到估计值中的变化的基本频率上。所述方式能够实现简单地滤除在测量信号中的可能的噪声。在从测量信号中减去经低通滤波的测量信号与谐振的振荡分量之和之后，所述低通滤波器会在输入端处获得信号，在所述信号中缺少谐振的振荡分量。当然，因此，在滤波器的经滤波的输出信号中也缺少所述振荡分量，因此噪声和谐振的谐波都能够以简单的方式被滤除。在此，当然能够滤除任意的谐振的振荡分量。在所述谐振滤波器适配于变化的基本频率之后，所述滤波器自动地跟随变化的基本频率。
将所述至少一个谐振滤波器实现为正交系统，所述正交系统使用所述有效扭矩的估计值的d分量和q分量，其中，d分量与估计值同相，而q分量相对于d分量相移90°；在到谐振滤波器中的输入与d分量之间建立第一传递函数，并且在到谐振滤波器中的输入与q分量之间建立第二传递函数；并且将传递函数的增益因子确定为谐振频率的函数。如果频率发生改变，那么传递函数的增益因子也会自动地改变，并且谐振滤波器会跟踪所述频率。在此，d分量优选作为谐振的振荡分量输出。
在一个特别有利的设计方案中，由低通滤波器输出的经低通滤波的估计值在至少一个谐振滤波器中使用，以便由此确定当前的基本频率。因此，能够使滤波器完全自动地调整到变化的基本频率上。
如果所述观察器处理第一测量信号和第二测量信号，并且利用第一滤波器对有效扭矩的估计值进行滤波，并且利用第二滤波器对第二测量信号进行滤波，并且由第二滤波器的低通滤波器输出的经低通滤波的第二测量信号在第一滤波器的至少一个谐振滤波器中使用，以便由此在第一滤波器中确定当前的基本频率，这两个滤波器能够以简单的方式同步。
特别有利地，所述有效扭矩的估计值在用于调节所述扭矩发生器和/或所述扭矩吸收器的调节器中使用。在此，可以规定：观察器的本征值的实部小于所述调节器的本征值的实部，由此能够确保：所述观察器比调节器更快，由此所述调节器始终具有所述有效扭矩的当前估计值。
附图说明
下面参考附图1至7更详细地阐述本发明，所述附图示例性地、示意性地并且非限制性地示出本发明的有利的设计方案。在此，示出：
图1示出用于估计有效扭矩的根据本发明的观察器结构；
图2示出在测试台上的具有扭矩发生器和扭矩吸收器的测试装置；
图3示出测试装置的物理模型；
图4示出根据本发明的滤波器的结构；
图5示出根据本发明的滤波器的谐振滤波器的结构；
图6示出观察器和滤波器的可行的组合；和
图7示出观察器和滤波器在测试台上的应用。
具体实施方式
本发明基于一种动态技术系统，所述动态技术系统具有扭矩发生器DE，例如内燃机2或电动马达或其组合，以及与所述扭矩发生器连接的扭矩吸收器DS，例如在图2中示出的。扭矩吸收器DS是对于扭矩发生器DE的负载。在用于扭矩发生器DE的测试台1(例如图2)上，扭矩吸收器DS是负载机4。在具有扭矩发生器DE的车辆中，扭矩吸收器DS实际上是由整个车辆引起的阻力。扭矩吸收器DS当然经由耦联元件KE、例如连接轴3而与扭矩发生器DE机械地耦联，以便能够将扭矩从扭矩发生器DE传递到扭矩吸收器DS上。所述扭矩发生器DE产生内部有效扭矩TE，所述内部有效扭矩用于自身的质量惯性JE和所连接的扭矩吸收器DS的质量惯性JD的加速(也包括负的)。扭矩发生器DE的所述内部有效扭矩TE不可通过测量技术获得，或者仅非常耗费地获得，并且应根据本发明通过观察器UIO确定、即估计。
从技术动态系统的众所周知的状态空间表达式出发，所述状态空间表达式以如下方式：
Figure BDA0002556111290000061
其中，x表示技术系统的状态向量，u表示已知的输入向量，y表示输出向量，并且w表示未知的输入。A、B、F、C是系统矩阵，所述系统矩阵由动态系统的建模产生，例如通过如在图3中示出的模型处的运动方程产生。对于这种动态系统已知的是具有未知的输入(UIO)的观察器，例如出自Mohamed Darouach等著，“Full-order observers forlinear systems with unknown inputs”，IEEE Transactions on Automatic Control，Institute of Electrical and Electronics Engineers，1994年，39(3)，第606-609页。所述观察器UIO根据定义产生
Figure BDA0002556111290000062
所述观察器结构的观察器矩阵N、L、G、E(图1)是未知的并且必须被确定，使得所估计的状态
Figure BDA0002556111290000063
相对于x收敛。z是观察器的内部状态。因此，观察器UIO估计动态系统的状态变量x，并且能够实现计算用于未知的输入w的估计值作为观察器矩阵N、L、G、E和系统矩阵A、B、C、F的函数并且具有输入向量u和输出向量y。为此引入观察器误差e，其中，
Figure BDA0002556111290000064
然后，观察器误差e的动态遵循上述方程式
Figure BDA0002556111290000065
和单位矩阵I，其中，M＝I+EC。为了使观察器误差的动态
Figure BDA00025561112900000610
独立于未知的输入w，必须适用ECF＝-F，并且为了使观察器误差的动态
Figure BDA0002556111290000066
独立于已知的输入u，必须适用G＝MB。如果附加地所述观察器误差的动态
Figure BDA0002556111290000067
应独立于状态x，那么还得出N＝MA-KC和L＝K(I+CE)-MAE。借此观察器误差的动态
Figure BDA0002556111290000068
减少到
Figure BDA0002556111290000069
所述方程ECF＝-F还可以编写为下式E＝-F(CF)++Y(I-(CF)(CF)+)，其中，矩阵Y代表用于观察器UIO的设计矩阵，而()+代表矩阵()的左逆矩阵。如果将李雅普诺夫准则用于观察器误差的动态
Figure BDA0002556111290000071
的稳定性，那么借助对称的正定矩阵得到稳定性准则NTP+PN<0。其中，借助矩阵P定义了二次李雅普诺夫函数。
借助简化U＝-F(CF)+，V＝I-(CF)(CF)+和E＝U+YV，可以将稳定性准则重写为下式
Figure BDA0002556111290000072
所述不等式能够对Y,K进行求解，由此能够将Y、K计算为
Figure BDA0002556111290000073
和
Figure BDA0002556111290000074
因此能够计算出矩阵N、L、G、E，并且能够确保渐近稳定性。
当然也可以使用另外的稳定性准则，例如奈奎斯特准则。但是，这不会在基本方式处发生改变，而是仅会在不等式处发生改变。
对矩阵N、L、G、E的计算如下进行：可用于这种问题的方程求解器(Solver)将尝试查找符合所给出的不等式的矩阵N、L、G、E。在此，可能存在多个有效的解。
为了估计未知的输入w，能够定义干扰信号h＝Fw。因此，跟随有
Figure BDA0002556111290000075
然后，能够将所估计的干扰信号描写为如下公式
Figure BDA0002556111290000076
并且将估计误差描写成
Figure BDA0002556111290000077
因此，所述干扰变量h的并且因此未知的输入w的在估计方面的误差与状态估计的误差e成比例。
然后，对未知的输入
Figure BDA0002556111290000078
的估计得到：
Figure BDA0002556111290000079
上述观察器UIO具有如在图1中示出的结构。所述观察器UIO的主要优点在于，不必对所述输入向量u的输入变量u(t)的测量变量和输出向量y的输出变量y(t)的测量变量进行滤波，而是所述观察器UIO能够处理未滤波的测量变量，所述未滤波的测量变量例如由于测量噪声或系统噪声而可能引起非常大的噪声。为了能够实现上述内容，观察器UIO必须能够将所测量的测量变量的测量信号的频率成分和噪声分离。为此，观察器UIO设计为，使得观察器UIO的动态一方面可以遵循测量信号的期望动态，而另一方面又不会增强期望噪声。这通过适宜地选择观察器UIO的本征值λ来实现。在此将动态理解为变化速率，如果f1是测量信号的最大期望变化频率，那么观察器UIO的本征值f的下限应选择为频率f1的最大五倍。测量信号的期望变化频率可以通过系统动态来确定，亦即动态系统本身仅允许所测量的测量信号的特定的变化速率，或者通过测量信号本身来确定，亦即，所述测量信号的动态因系统而受到限制，例如受到测量技术的速度限制或者受到测量技术的速度的预设的极限的限制。如果所述噪声影响大于频率f2的频带，那么观察器UIO的本征值f的上限应选择为至少f2/5。对于观察器UIO的本征值λ因此得到范围f2/5>λ>5·f1。由于通常总是出现高频噪声，因此这种分离通常是始终可行的。
如果在观察器UIO中处理多个测量信号，那么这对于所有测量信号进行，并且考虑最动态的(具有最大变化速率的测量信号)或噪声最强的测量信号。
上述观察器UIO的本征值λ从决定观察器UIO的动态的矩阵N(从
Figure BDA0002556111290000081
)中产生。本征值λ已知根据λ＝det(sI-N)＝0，其借助单位矩阵I和行列式det计算出。
因此对于矩阵N、L、G、E的可能的解可以分离出下述解，其中本征值λ不满足条件f2/5>λ>5·f1。于是，其余的解将定义观察器UIO。如果在此留下多个解，那么能够选择一个解，或者考虑另外的条件。
从本征值λ的方位中能够获得另外的条件。所述本征值λ通常是共轭复数对，并且可以在以虚轴作为纵坐标和以实轴作为横坐标的坐标系中进行绘制。从系统理论中已知，出于稳定性原因，所述本征值λ都应放置在虚轴的左侧。如果引入阻尼角β，那么所述阻尼角表示在虚轴与穿过本征值λ和坐标系原点的直线之间的角度，那么对于本征值λ，最接近虚轴的阻尼角β应位于π/4和3*π/4的范围中。因此这基于，通过观察器UIO不应或仅应轻微地衰减动态系统的天然频率。
如果将观察器UIO与调节器R结合使用，如在下文中还将详述的那样，那么从中会产生另外的条件：所述观察器UIO的本征值λ关于虚轴应位于调节器R的本征值λR的左侧，使得所述观察器UIO比所述调节器R更动态(即更快)。因此，所述观察器UIO的本征值λ的实部均应小于调节器R的本征值λR的实部。
如果在附加条件下仍然留下多个解，那么可以选择其中一个，例如在观察器UIO的本征值λ与调节器R的本征值λR之间具有尽可能大的间距的解，或者本征值λ与虚轴具有尽可能大的间距的解。
对于上述观察器UIO，假设线性系统，即在扭矩发生器DE和扭矩吸收器DS之间具有恒定的耦联参数。但是，所描述的观察器也可以扩展到非线性系统上，如将在下面阐述的那样。
非线性的动态系统通常能够以下式编写：
Figure BDA0002556111290000091
其中，M表示非线性增益，并且也是系统矩阵。这适用于利普希茨非线性，对于所述利普希茨非线性适用|f(x1)-f(x2)|≤|x1-x2|。然后根据定义通过
Figure BDA0002556111290000092
来确定具有未知的输入w的观察器UIO。由此可以再次写入观察器误差e及其动态
Figure BDA0002556111290000097
Figure BDA0002556111290000093
从观察器UIO应独立于状态x、输入u和未知的输入w的条件中，应再次得到矩阵MF＝0，ECF＝-F，N＝MA-KC，G＝MB，L＝K(I+CE)-MAE和M＝I+EC。然后，观察器误差e的动态
Figure BDA0002556111290000094
遵循
Figure BDA0002556111290000095
如果再次使用李雅普诺夫准则作为稳定性准则，那么这可以以下式编写：NTP+PN+γPMMTP+γI<0。其中，γ是可以预设的设计参数。借助简化U＝-F(CF)+，V＝I-(CF)(CF)+和E＝U+YV，可以将稳定性准则重写为下式：
Figure BDA0002556111290000096
所述不等式可以使用方程求解器对Y、K、P再次求解。由此能够计算出观察器矩阵N、L、G、E，并且能够确保渐近稳定性。经由设计参数γ，能够如所期望的并且如上所述地经由矩阵N设定本征值λ。
但是，观察器UIO也可以以其它方式设计，如下文还将简要阐述的那样。为此，对于观察器结构的动态系统
Figure BDA0002556111290000101
也如上那样假设：
Figure BDA0002556111290000102
其中，z再次表示内部观察器状态，
Figure BDA0002556111290000103
表示所估计的系统状态和e表示观察器误差。所述矩阵Z、T、K、H也是观察器矩阵，借助所述观察器矩阵设计观察器UIO。所述观察器误差的动态可以编写为：
Figure BDA0002556111290000104
为此，对于矩阵假设K＝K1+K2，并且I再次表示单位矩阵。从观察器误差的动态应仅与观察器误差e相关的条件中得出
Figure BDA0002556111290000105
于是，对未知的输入
Figure BDA0002556111290000106
的估计得到
Figure BDA0002556111290000107
因此，观察器误差
Figure BDA0002556111290000108
的动态由矩阵Z＝(A-HCA-K1C)确定，并且因此由矩阵K1确定，因为其它矩阵是系统矩阵或者从系统矩阵中得出。其中，矩阵K1可以用作为用于观察器UIO的设计矩阵并且能够用于如上所述地放置所述观察器UIO的本征值λ。
具有未知的输入的根据本发明的观察器UIO通常适用于动态系统
Figure BDA0002556111290000109
或
Figure BDA00025561112900001010
这根据用于内燃机2的测试台1(扭矩发生器DE)进行阐述，所述测试台借助连接轴3(耦联元件KE)与负载机4(扭矩吸收器DS)连接(如在图2中示出的)。
在测试台1上，内燃机2和负载机4通过测试台控制单元5进行调节，以执行测试运行。所述测试运行通常是用于内燃机2和负载机4的期望值SW的序列，所述序列通过在测试台控制单元5中的适宜的调节器R来调节。通常，负载机4被调节到测功转速ωD上，而内燃机2被调节到轴力矩TS上。例如，油门踏板位置α用作为用于内燃机2的调节变量STE，所述调节变量由调节器R从期望值SW和所测量的实际值中计算出，所述油门踏板位置由马达控制单元ECU转换为变量如喷射量、喷射时间点、废气回引系统的设定等。期望力矩TDsoll例如用作为用于负载机4的调节变量STD，其由测功调节器RD转换为用于负载机4的相应的电流和/或电压。例如，从对于车辆借助内燃机2沿着虚拟路线的行程的模拟中确定用于测试运行的期望值SW，或者简单地作为期望值SW的时间序列存在。为此，所述模拟应处理内燃机2的有效扭矩TE，如上所述借助观察器UIO估计所述有效扭矩。所述模拟在此可以在测试台控制单元5中进行，或者也在自身的模拟环境(硬件和/或软件)中进行。
因此，图2的动态系统从内燃机2的质量惯性JE和负载机4的质量惯性JD构成，其通过测试台轴4来表征，所述测试台轴通过抗扭刚度c和抗扭阻尼d来表征，如在图3中示出的那样。假定所述动态的系统参数是已知的，所述动态的系统参数确定动态系统的动态特性。
在测试台1上通常借助适宜的、已知的测量传感器例如转动感测器、扭矩传感器来测量内燃机2的转速ωE的实际值，负载机4的轴力矩TS的、转速ωD的实际值和负载机4的扭矩TD的实际值。然而，并非所有测量变量始终可用，因为并非在每个测试台1上始终测量所有测量变量。但是，通过相应的配置，观察器UIO可以对此进行处理，并且能够在任何情况下估计内燃机2的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000111
这在内燃机2、测试台轴3、负载机4的组合的动态模型处根据图3进行阐述。
在第一可行的变型方案中，仅考虑内燃机2并且得到运动方程
Figure BDA0002556111290000112
其中，y＝ωE。如果将TE用作未知的输入w，那么轴力矩TS用作输入变量u，ωE用作状态变量x，并且系统矩阵为A＝1/JE，B＝-1，C＝1，F＝1。因此，可以配置所述观察器UIO，所述观察器于是从轴力矩TS的测量信号中确定用于内燃机2的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000113
的估计值。
在第二变型方案中，动态系统的模型也包括连接轴3，并且负载机4的扭矩TD用作输入u。内燃机2的转速ωE和轴力矩TS用作输出。在测试台1上为了将观察器UIO实现为测量信号而测量输入u和输出y。借助xT＝[ΔΦ ωD ωE]定义状态矢量x，其中，ΔΦ是连接轴3在内燃机2上的扭转角ΦE与连接轴3在负载机4上的扭转角ΦD之差，即ΔΦ＝ΦE-ΦD。未知的输入w是内燃机2的有效扭矩TE。从中遵循运动方程得出系统矩阵A、B、C、F：
Figure BDA0002556111290000121
Figure BDA0002556111290000122
和
Figure BDA0002556111290000123
所述运动方程对于该情况针对图3的动态系统编写。因此能够配置观察器UIO，所述观察器于是从测量值中确定用于内燃机2的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000124
的估计值。
在第三变型方案中，模型也包括具有内燃机2、连接轴3和负载机4的整个动态系统。不使用输入u。内燃机2的转速ωE，负载机4的转速ωD和轴力矩TS用作输出y。在测试台1上为了将观察器UIO实现为测量信号而测量输出y。借助xT＝[△ΦωDωE]再次定义状态向量x。未知的输入w是内燃机2的有效扭矩TE。从中遵循运动方程得出系统矩阵A、B、C、F：
Figure BDA0002556111290000125
和
Figure BDA0002556111290000126
所述运动方程对于该情况针对图3的动态系统编写。因此能够配置观察器UIO，所述观察器于是从测量值中确定用于内燃机2的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000127
的估计值。
在第四变型方案中，模型也包括具有内燃机2、连接轴3和负载机4的整个动态系统。将负载机4的扭矩TD用作输入u。内燃机2的转速ωE和负载机4的转速ωD用作输出y。在测试台1上为了将观察器UIO实现为测量信号而测量输入u和输出y。所述实施方案是特别有利的，因为不需要轴力矩TS的测量值来实现观察器UIO，借此在测试台上能够省去轴力矩传感器。借助xT＝[△ΦωDωE]再次定义状态向量x。未知的输入w是内燃机2的有效扭矩TE。从中遵循运动方程得出系统矩阵A、B、C、F：
Figure BDA0002556111290000131
和
Figure BDA0002556111290000132
所述运动方程对于该情况针对图3的动态系统编写。因此能够配置观察器UIO，所述观察器于是从测量值中确定用于内燃机2的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000133
的估计值。
如上所述，通过观察器UIO也同时估计状态向量x的状态变量。
根据现有的测试台构造、尤其是根据现有的测量技术，因此能够配置适宜的观察器UIO，这使得根据本发明的观察器UIO非常灵活。在此，当然也可以以相同的方式经由动态的运动方程对更复杂的测试台构造进行建模，例如具有更多的能振荡的质量，例如具有附加的双质量飞轮的，或者在各个质量之间具有其它的或附加的耦联的测试台构造。然后，能够从在此产生的系统矩阵A、B、C、F中以相同的方式对用于有效扭矩TE的观察器UIO进行配置。
观察器UIO当然也可以在不同于在测试台1上的应用中使用。尤其，其也适宜在具有内燃机2和/或电动马达作为扭矩发生器DE的车辆中使用。在此，观察器UIO可以用于从可用的测量变量中估计所述扭矩生成器DE的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000134
于是能够将其用于控制车辆，例如在马达控制单元ECU，混合传动系控制单元，变速器控制单元等中。
在根据本发明的观察器UIO以未滤波的噪声测量信号进行工作之后，用于有效扭矩
Figure BDA0002556111290000135
的估计值也是有噪声的。同样地，在用于有效扭矩
Figure BDA0002556111290000136
的估计值中也包含谐振的谐波分量，所述谐振的谐波分量因此由下述事实引起：有效扭矩TE从内燃机2中的燃烧产生，并且所述燃烧冲击产生具有基本频率和谐振的周期性有效扭矩TE。这对于某些应用可能是理想的。尤其是，例如如果应测试混合传动系并且应考虑燃烧冲击对传动系的影响，那么在测试台通常应映射通过燃烧冲击引入的振荡。但是，也可以存在下述应用，其中，例如在车辆中不期望噪声的和与谐振的谐波叠加的所估计的有效扭矩。燃烧冲击的基本频率ω，并且当然还有谐振的频率在此当然与内燃机2相关，尤其是与气缸的数量和内燃机2的类型(例如汽油或柴油，2冲程或4冲程等)有关，但是也与内燃机2的当前转速ωE有关。由于与内燃机2的转速ωE的相关性，用于对周期性的、有噪声的、谐振畸变的测量信号MS进行滤波的滤波器F并非无关紧要。
但是，电动马达的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000141
通常还包括具有谐振的谐波的周期性振荡，其在这种情况下能够由在电动马达的变流器中接通而引起。所述振荡也取决于转速。为此也可以使用根据本发明的滤波器F。
因此，本发明还包括适合用于测量信号MS的滤波器F，所述滤波器根据可变的基本频率ω是周期性的，并且由于基本频率ω的谐振而畸变，并且也可以是有噪声的(由于测量噪声和/或系统噪声)。所述滤波器F在此可以应用于任意的这种测量信号MS，例如对速度或扭矩、转动角、加速度、速度的测量，但是也可以应用于对电流或电压的测量。所述滤波器F在此也与根据本发明的观察器UIO无关，但是也可以将借助观察器估计的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000142
作为测量信号MS处理。因此，滤波器F是独立的发明。
根据本发明的滤波器F包括低通滤波器LPF和用于至少一个谐振频率ωn的至少一个自适应谐振滤波器LPVHn，所述至少一个谐振频率是基本频率ω的n倍，如在图4中示出的。正常情况下，对于不同的谐振频率ωn设有多个谐振滤波器LPVHn，其中，优选考虑较低的谐振。当然在此，n不必是整数，而是仅取决于相应的测量信号MS或其来源。但是，通常可以假定从相应的应用中已知n。由于基本频率ω是可变的，谐振频率ωn当然也是可变的，使得谐振滤波器LPVHn关于基本频率ω是自适应的，亦即谐振滤波器LPVHn自动地根据基本频率ω的变化调整。
低通滤波器LPF用于滤除测量信号MS的高频的噪声分量，并且能够调节到特定的基本频率ωG上，这当然可以与噪声的特征有关。低通滤波器LPF例如可以用作IIR滤波器(具有连续的脉冲响应的滤波器)，所述滤波器借助通式以z域表示法(因为滤波器F通常以数字方式实现)实现：y(k)＝b0x(k)+...+bN-1x(k-N+1)-a1y(k-1)-...-aMy(k-M)。其中，y是经滤波的输出信号，而x是输入信号(在此即为测量信号MS)，分别在当前时间点k和过去的时间点。所述滤波器可以借助已知的滤波器设计方法来设计，以便获得期望的滤波器特性(尤其基本频率、增益、相移)。由此能够推导出公式
Figure BDA0002556111290000151
的简单的低通滤波器。其中，k0是唯一的设计参数，所述设计参数能够关于期望的动态和噪声抑制来设定。在此适用，快速的低通滤波器LPF通常具有较差的噪声抑制，并且反之亦然。因此，通常借助参数k0在其之间设定某种折衷。
当然，在此也可以考虑低通滤波器LPF的任意的其它实现方案，例如作为FIR滤波器(具有有限的脉冲响应的滤波器)。
低通滤波器LPF的输出是经滤波的测量信号MSF，从中滤出噪声分量。低通滤波器LPF生成滑动平均值。低通滤波器LPF的输入是测量信号MS之差以及测量信号MS的平均值与所考虑的谐振分量Hn之和。因此，低通滤波器LPF仅在基本频率ω(以及其余的任何谐振)下处理所述测量信号MS的交变分量。
谐振滤波器LPVHn确定测量信号MS的谐振分量Hn。所述谐振分量是具有相应的谐振频率的振荡。谐振滤波器LPVHn基于正交系统，所述正交系统基于二阶的广义积分器(SOGI)实现。正交系统产生特定频率ω的正弦振荡(d分量)和正交的余弦振荡(90°相移；q分量)——这可以考虑作为在dq坐标系中的旋转的相量，所述相量随ω旋转并且因此映射谐振振荡。SOGI被定义为
Figure BDA0002556111290000152
并且在ω下具有谐振频率。在谐振滤波器LPVHn中的正交系统具有如在图5中示出的结构。dv具有与输入v的基本振荡相同的相位，并且优选也具有相同的幅度。qv相移90°。在dv和v之间的传递函数Gd(s)和在qv和v之间的传递函数Gq(s)因此得出
Figure BDA0002556111290000161
和
Figure BDA0002556111290000162
谐振滤波器LPVHn的谐振分量Hn在此对应于d分量。
由于谐振滤波器LPVHn的积分特性，在谐振滤波器LPVHn的输入处发生变化时，所述输出瞬态振荡到新的谐振频率上，借此所述谐振分量Hn跟踪在测量信号MS方面的变化。如果测量信号MS不发生改变，那么谐振分量Hn即使在瞬态振荡之后也不发生改变。
所述目标现在是将增益kd、kq设定为频率ω的函数，从而使谐振滤波器LPVHn本身能够适配于变化的频率。为此，例如可以借助本征值的极值预设来选择龙伯格观察器方式(A-LC)。在此，
Figure BDA0002556111290000163
是系统矩阵，并且C＝[1 0]是输出矩阵，其中，在输出中仅考虑d分量。借此产生
Figure BDA0002556111290000164
本征值λ因此产生
Figure BDA0002556111290000165
通过求解，最后获得本征值
Figure BDA0002556111290000166
由于目标是，本征值λ的振荡模式具有与在谐振滤波器LPVHn中的谐振的频率相同的频率，因此产生
Figure BDA0002556111290000167
这导致
Figure BDA0002556111290000168
通过引入设计参数
Figure BDA0002556111290000169
借助
Figure BDA00025561112900001610
最终获得
Figure BDA00025561112900001611
这导致公式为
Figure BDA00025561112900001612
和
Figure BDA00025561112900001613
的用于两个增益kd和kq的方程。由此可以看出，增益kd和kq能够简单地适配于变化的频率ω，并且因此能够跟踪频率ω。然后，用于n次谐振振荡至基本频率ω的谐振滤波器LPVHn能够简单地通过如下方式实现：在用于增益kd、kq的方程中简单地使用n倍频率n·ω：
Figure BDA00025561112900001614
设计参数α可以适宜地选择。例如，可以从谐振滤波器LPVHn的输入信号v中的信噪比中选择设计参数α。如果输入信号v含有少量直至没有噪声，那么可以选择设计参数α>1。而如果所述输入信号v有噪声，那么应选择设计参数α<1。
在谐振滤波器LPVHn中所需要的当前的基本频率ω又可以从由低通滤波器LPF生成的平均值中获得，因为其中还包含基本频率ω。因此，在图4中，提供来自低通滤波器LPF的输出作为到谐振滤波器LPVHn中的另外的输入。但是当然，也可以以另外的方式提供当前的基本频率ω。例如，这也可以从对内燃机2的了解和内燃机2的已知的当前转速中计算出。
在图6中示出滤波器F的一种优选的应用。根据本发明的观察器UIO例如从所测量的轴力矩TSh和内燃机2(例如在测试台1上或在车辆中)的转速nE来估计所述内燃机2(扭矩发生器DE)的内部有效扭矩
Figure BDA0002556111290000171
周期性的、有噪声的、与谐振Hn叠加的所估计的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000172
在下游的滤波器F1中进行滤波。由此产生的平均值
Figure BDA0002556111290000173
例如可以在调节器R或车辆的控制单元中进行进一步处理。
在大多数情况下，观察器UIO处理至少两个输入信号u(t)，以及在图6中处理所述轴力矩TSh和转速nE。因此，在一个特别有利的设计方案中，可以将所述两个信号之一用于与另外的信号同步，这对于进一步处理是有利的。例如，可以借助根据本发明的滤波器F2对到观察器UIO中的输入信号进行滤波。然后，可以在第二谐振滤波器F1中对于所估计的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000174
处理在此产生的平均值MSF(在此为nEF)，以便从中获得关于当前的基本频率ω的信息，并且以便因此同时使两个滤波器F1、F2彼此同步。因此，这两个滤波器F1、F2的两个经滤波的输出信号彼此同步。
但是，根据本发明的滤波器F也可以完全在没有观察器UIO的情况下使用，例如以便对周期性的、有噪声的和与谐振叠加的信号进行滤波，以便进一步处理经滤波的信号。在扭矩发生器DE的特定的应用中，例如在测试台1上，可以通过根据本发明的滤波器F对所测量的测量信号MS、例如轴力矩TSh或转速nE、nD进行滤波。这能够实现根据需要对未滤波的信号或经滤波的信号进行处理。
在图7中示出根据本发明的观察器UIO和滤波器F的一种典型应用。在测试台1上设置有测试装置，所述测试装置具有内燃机2作为扭矩发生器DE和负载机4作为扭矩吸收器DS，所述内燃机和负载机借助连接轴3连接。为了执行测试运，预设内燃机2期望力矩TEsoll和内燃机2的期望转速nEsoll。期望转速nEsoll在此借助具有负载机4的测功调节器RD来调节，并且借助马达调节器RE直接在内燃机2上调节期望力矩TEsoll。借助观察器UIO从轴力矩TSh的测量变量、内燃机2的转速ωE和负载机的转速ωD中估计内燃机2的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000182
作为用于马达调节器RE的实际变量。所述有效扭矩在第一滤波器F1中被滤波并且被传送给马达调节器RE，所述马达调节器RE例如经由马达控制单元ECU来控制内燃机2。所述测功调节器RD获得实际测量的马达转速ωE和负载机的所测量的转速ωD作为实际变量，并且计算出负载机4的扭矩TD，所述扭矩在负载机4上设定。然而，测功调节器RD不处理所测量的测量信号，而是处理在根据本发明的第二和第三滤波器F2、F3中进行滤波的经滤波的测量信号ωEF、ωDF。如根据图6所描述的那样，第一滤波器F1也可以与内燃机2的转速ωE同步，如通过虚线表示的那样。
根据本发明的滤波器F可以根据需要或根据应用来接通或关断。因此，例如对所估计的有效扭矩
Figure BDA0002556111290000181
进行处理的调节器R能够借助用于有效扭矩的未滤波的或经滤波的估计值进行工作。

Claims (11)

1.一种用于提供扭矩发生器(DE)的内部有效扭矩(TE)的估计值
Figure FDA0002556111280000011
的方法，所述扭矩发生器经由耦联元件(KE)而与扭矩吸收器(DS)连接，并且使用呈以下形式的所得到的动态系统：
Figure FDA0002556111280000012
或
Figure FDA0002556111280000013
其中，矩阵A、B、C、F、M是系统矩阵，所述系统矩阵由包含有效扭矩(TE)的动态系统的模型得出，并且其中，u是输入向量，y是输出向量，x是动态系统的状态向量，w表示作为未知的输入的有效扭矩(TE)，其特征在于，为所述动态系统设计观察器(UIO)，所述观察器具有观察器矩阵(N、L、G、E、Z、T、K、H)和未知的输入w，并且所述观察器(UIO)获得所述输入向量u的和/或所述输出向量y的至少一个有噪声的测量信号，并且所述观察器由此估计所述状态向量
Figure FDA0002556111280000014
和所述有效扭矩
Figure FDA0002556111280000015
作为未知的输入w，其方式为：将观察器误差的动态
Figure FDA0002556111280000016
确定为状态向量(x)与所估计的状态向量
Figure FDA0002556111280000017
之间的差的矩阵(N、Z)设计为，使得所述矩阵(N、Z)的本征值(λ)位于f2/5>λ>5·f1的范围内，其中，f1是所述至少一个测量信号的最大期望变化频率，并且在所述至少一个测量信号中的噪声影响大于频率f2的频带。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将稳定性准则用于所述观察器误差的动态
Figure FDA0002556111280000018
的稳定性，根据所述稳定性准则计算出观察器矩阵(N、L、G、E、Z、T、K、H)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在以虚轴作为纵坐标和以实轴作为横坐标的坐标系中考虑复数的本征值(λ)，并且阻尼角(β)给出在虚轴与穿过本征值(λ)和坐标系的原点的直线之间的角度，并且对于最接近虚轴的本征值的阻尼角(β)位于π/4和3·π/4的范围中。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将所述有效扭矩
Figure FDA0002556111280000021
的利用观察器(UIO)估计的估计值输送给滤波器(F)，将所估计的有效扭矩
Figure FDA0002556111280000022
在预定的截止频率高于基本频率(ω)的低通滤波器(LPF)中进行低通滤波；在至少一个自适应的谐振滤波器(LPVHn)中，将所估计的有效扭矩
Figure FDA0002556111280000023
的谐振的振荡分量(Hn)确定为基本频率(ω)的n倍，并且将至少一个谐振的振荡分量(Hn)添加至经低通滤波的所估计的扭矩
Figure FDA0002556111280000024
中，并且将所得到的总和从由观察器(UIO)提供的所估计的扭矩
Figure FDA0002556111280000025
中减去，并且将所得到的差用作为到低通滤波器(LPF)中的输入；并且将低通滤波器(LPF)的输出作为经滤波的所估计的有效扭矩
Figure FDA0002556111280000026
输出。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述至少一个谐振滤波器(LPVHn)实现为正交系统，所述正交系统使用所述有效扭矩
Figure FDA0002556111280000027
的估计值的d分量和q分量，其中，d分量与估计值
Figure FDA0002556111280000028
同相，而q分量相对于d分量相移90°；在到谐振滤波器(LPVHn)中的输入与d分量之间建立第一传递函数(Gd)，并且在到谐振滤波器(LPVHn)中的输入与q分量之间建立第二传递函数(Gq)；并且将传递函数(Gd、Gq)的增益因子(kd、kq)确定为谐振频率(ωn)的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述d分量用作谐振的振荡分量(Hn)。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述有效扭矩的由低通滤波器(LPF)输出的经低通滤波的估计值
Figure FDA0002556111280000029
在所述至少一个谐振滤波器(LPVHn)中使用，以便由此确定当前的基本频率(ω)。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述观察器(UIO)处理第一测量信号和第二测量信号，并且利用第一滤波器(F1)对有效扭矩
Figure FDA00025561112800000210
的估计值进行滤波，并且利用第二滤波器(F2)对第二测量信号进行滤波，并且由第二滤波器(F2)的低通滤波器(LPF)输出的经低通滤波的第二测量信号(MSF)在第一滤波器(F1)的所述至少一个谐振滤波器(LPVHn)中使用，以便由此在第一滤波器(F1)中确定当前的基本频率(ω)。
9.一种利用根据权利要求1至8之一所述的方法所估计的有效扭矩
Figure FDA0002556111280000031
在调节器(R)中的应用，所述调节器用于调节所述扭矩发生器(DE)和/或所述扭矩吸收器(DS)。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述观察器(UIO)的本征值(λ)的实部小于调节器(R)的本征值(λR)的实部。
11.一种用于对待测件执行测试运行的测试台，所述待测件具有扭矩发生器(DE)，所述扭矩发生器经由耦联元件(KE)而与扭矩吸收器(DS)连接，并且在测试台(1)上设有测试台控制单元(5)，在所述测试台控制单元中实现调节器(R)，以便调节扭矩发生器(DE)或扭矩吸收器(DS)，并且调节器(R)处理扭矩发生器(DE)的内部有效扭矩(TE)，其中，所述待测件被建模为呈以下形式的动态系统
Figure FDA0002556111280000032
或
Figure FDA0002556111280000033
其中，矩阵A、B、C、F、M是系统矩阵，所述系统矩阵从包含有效扭矩(TE)的动态系统的模型中产生，并且其中，u是输入向量，y是输出向量，x是动态系统的状态向量，w表示作为未知的输入的有效扭矩(TE)，其特征在于，在测试台控制单元(5)中为动态系统设计观察器(UIO)，所述观察器具有观察器矩阵(N、L、G、E、Z、T、K、H)和未知的输入w，并且在测试台(1)上设有测量传感器，所述测量传感器检测所述输入向量u的和/或所述输出向量y的至少一个有噪声的测量信号，并且所述观察器(UIO)由此估计所述状态向量
Figure FDA0002556111280000034
和所述有效扭矩
Figure FDA0002556111280000035
作为未知的输入w，其方式为：将观察器误差的动态
Figure FDA0002556111280000036
确定为状态向量(x)与所估计的状态向量
Figure FDA0002556111280000037
之间的差的矩阵(N、Z)设计为，使得所述矩阵(N、Z)的本征值(λ)位于f2/5>λ>5·f1的范围内，其中，f1是所述至少一个测量信号的最大期望变化频率，并且在所述至少一个测量信号中的噪声影响大于频率f2的频带。
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