CN111605541B - 一种功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法和装置,用于功率分流混合动力系统的发动机起动控制,方法包括以下步骤:第一步骤:采用动态规划求解发动机的最优拖转转速曲线;第二步骤:估计变速箱输出端参考转速曲线;第三步骤:通过预建立鲁棒控制闭环系统,对发动机的最优拖转转速曲线和变速箱输出端参考转速曲线进行跟踪,获取电机ISG和电机TM的期望转矩;第四步骤:根据电机ISG和电机TM的期望转矩,控制电机ISG和电机TM,实现发动机的起动。与现有技术相比,本发明可有效实现发动机快速起动并提升驾驶平顺性,保证起动过程系统的鲁棒性及鲁棒稳定性,且降低了鲁棒控制的保守性。
Description
技术领域
本发明涉及功率分流混合动力系统领域,尤其是涉及一种功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法和装置。
背景技术
功率分流混合动力系统已逐渐成为插电式混合动力商用车动力系统的主流技术方案,为了适应车辆不同的行驶工况,并且满足系统整体工作效率最优,功率分流混合动力系统需要在不同的工作模式间频繁切换,但由于动力系统的欠阻尼特性使其模式切换过程车辆驾驶平顺性问题比较突出,困扰并制约着功率分流混合动力系统的产业化应用。特别是从纯电动至电子无级变速(electronic-Continuously Variable Transmission,e-CVT)混合动力模式的切换过程,其不仅涉及发动机起动、换挡元件动作以及动力源动力切换等,受发动机、电机等动态特性的影响,加之动力传动系统的扭转振动,也可能会导致变速箱输出端转矩产生较大波动,使整车产生较大的纵向冲击,严重影响整车的乘坐舒适性。
此外,基于行星排的功率分流混合动力系统结构也较为复杂,建模时反映传动元件间摩擦特性的阻尼等参数往往无法准确测量,模式切换瞬态过程也存在发动机瞬态阻力矩、驾驶员随机输入和道路负载等的急剧变化,动态建模难度大且常忽略诸多因素,也会影响系统的稳定性和控制精度。因此,提高系统在模型参数变化、未建模误差和外界干扰等条件下的鲁棒性,对提升控制系统稳定性与精度进而保证驾驶平顺性具有重要意义。
公开号为CN109131307A的发明公开了一种复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法,包括发动机启动和发动机扭矩切换阶段。在发动机启动阶段,采用动态规划和H∞鲁棒控制方法,决策第一和第二电机的发动机拖转转矩以及第一制动器打开时的转矩变化,通过功率分流混合动力系统,在保证动力输出端转矩平稳连续变化的前提下使发动机输出轴产生加速度;当发动机转速达到怠速时,发动机电控单元发出喷油点火指令,发动机开始输出扭矩,完成发动机扭矩切换,进入功率分流混合动力模式。
该复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法针对复合功率分流混合动力系统,仅考虑传动系输入轴(发动机轴)阻尼参数变化对控制的影响,未考虑输出轴阻尼参数摄动,此外,其采用的H∞控制虽然考虑了系统的不确定性,但是由于其在分析中忽略了系统不确定性的结构性,依此理论所设计的控制器具有较大的保守性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提升驾驶平顺性,保证起动过程系统的鲁棒稳定性的功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法和装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法,用于功率分流混合动力系统的发动机起动控制,所述功率分流混合动力系统通过电机ISG和电机TM的协同作用,实现发动机的起动,所述方法包括以下步骤:
第一步骤:以所述发动机的起动时间和驾驶平顺性为控制目标,采用动态规划求解发动机的最优拖转转速曲线;
第二步骤:根据变速箱输出端实际转速,估计变速箱输出端参考转速曲线;
第三步骤:通过预建立鲁棒控制闭环系统,对发动机的最优拖转转速曲线和变速箱输出端参考转速曲线进行跟踪,获取电机ISG和电机TM的期望转矩;所述鲁棒控制闭环系统包括依次连接的对角不确定块、标称模型、加权函数和鲁棒控制器,所述鲁棒控制器基于结构奇异值μ综合理论设计;
第四步骤:根据电机ISG和电机TM的期望转矩,控制电机ISG和电机TM,实现发动机的起动。
进一步地,第一步骤中,所述动态规划具体包括以下步骤:
S101:选取发动机的转速和曲轴转角为状态量,以预设的第一周期进行状态离散化;
S102:采用动态规划方法,求解发动机由初始状态转移到目标状态,代价函数值最小的拖转转速曲线,作为发动机的最优拖转转速曲线。
进一步地,所述动态规划的代价函数的表达式为:
式中,ωL为变速箱输出端实际转速,T为发动机的起动时间,TISG为电机ISG转矩,TTM为电机TM转矩,λ1为第一权重系数,λ2为第二权重系数,λ3为第三权重系数,λ4为第四权重系数。
进一步地,第二步骤中,所述估计变速箱输出端参考转速曲线的表达式为:
式中,ωL_ref为变速箱输出端参考转速,IL为变速箱输出端等效转动惯量,cTI为轮胎和半轴等效阻尼系数,kTI为轮胎和半轴等效刚度系数,s为拉普拉斯算子,ωL为变速箱输出端实际转速。
进一步地,第三步骤中,所述对角不确定性块包括结构不确定性块,该结构不确定性块的表达式为:
Δc=diag[δENG,δL]
式中,Δc为结构不确定性块,diag[·]为对角矩阵,cENG为发动机轴旋转阻尼系数,cL为变速箱输出轴旋转阻尼系数,为发动机轴旋转阻尼系数的名义值,为变速箱输出轴旋转阻尼系数的名义值,dENG为发动机轴旋转阻尼系数相对于其名义值的变化范围,dL为变速箱输出轴旋转阻尼系数相对于其名义值的变化范围,δENG为发动机轴旋转阻尼系数摄动块,δL为变速箱输出轴旋转阻尼系数摄动块,||δENG||≤1,||δL||≤1;
进一步地,第三步骤中,所述对角不确定性块包括非结构不确定性块,该非结构不确定性块基于电机实际输出转矩误差、整车控制器至电机控制器的CAN信号传输通讯延时和/或电机响应时滞构建。
进一步地,第三步骤中,所述系统标称模型基于状态空间方程建立,所述状态空间方程根据功率混合动力系统中各轴动力学关系式建立,所述状态空间方程的表达式为:
式中,x为系统状态参量,u为待求的系统控制量,w为外界干扰输入,nnoice为发动机转速量测噪声,z为性能输出,y为量测输出,ωENG为发动机转速,ωENG_ref为发动机的最优拖转转速,ωL为变速箱输出端实际转速,ωL_ref为变速箱输出端参考转速,TISG为电机ISG转矩,TTM为电机TM转矩,TENG为发动机转矩,TL为变速箱输出端转矩,A为第一系数矩阵,B1为第二系数矩阵,B2为第三系数矩阵,C1为第四系数矩阵,D1为第五系数矩阵,C2为第六系数矩阵。
进一步地,第三步骤中,所述加权函数包括发动机转矩干扰加权函数、负载转矩干扰加权函数、高通加权函数、控制信号加权函数、性能输出加权函数和/或未建模误差加权函数,
所述发动机转矩干扰加权函数的计算表达式为:
所述负载转矩干扰加权函数的计算表达式为:
所述高通加权函数的计算表达式为:
式中,Wn为高通加权函数,s为拉普拉斯算子,ξ为第一加权函数参数,wn为第二加权函数参数;
所述控制信号加权函数的计算表达式为:
式中,Wu为控制信号加权函数,TISG_max为电机ISG的转矩最大值,TTM_max为电机TM的转矩最大值;
所述性能输出加权函数的计算表达式为:
式中,We为性能输出加权函数,eENG_max为发动机转速跟踪误差最大值,eL_max为变速箱输出端转速跟踪误差最大值;
所述未建模误差加权函数的计算表达式为:
式中,s为拉普拉斯算子,wum为第三加权函数参数。
进一步地,第三步骤中,所述鲁棒控制器满足鲁棒性及鲁棒稳定性条件,该鲁棒性及鲁棒稳定性条件的表达式为:
M=Fl(P,K)
式中,sup为一个集合最小的上界,Δp为不确定块,为结构奇异值,Δ为对角不确定性块,为实际摄动,ΔF为性能评价的假想摄动块,是在外部输入w和性能输出z之间构建的一种虚拟的不确定性,M为鲁棒控制器回路闭合后的对象,j为虚数单位,ω为频率,Fl为下线性分式,P为包含标称模型及各加权函数的开环系统,K为鲁棒控制器。
进一步地,第三步骤中,所述鲁棒控制器的设计具体为,根据鲁棒控制闭环系统构建μ综合问题,通过D-K迭代法求解所述μ综合问题,获取鲁棒控制器,所述μ综合问题的表达式为:
本发明还提供一种功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制装置,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,处理器调用所述计算机程序执行如上所述的方法的步骤。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明针对输入功率分流混合动力系统发动机起动动态过程,综合考虑模型参数不确定性、未建模误差、外界干扰及传感器噪声等因素,可有效实现发动机快速起动并提升驾驶平顺性,并保证起动过程系统的鲁棒性及鲁棒稳定性。
(2)本发明采用结构奇异值μ综合理论,扰动特性、性能指标和不确定性可以通过权函数进行描述,反馈控制器设计时能够统一考虑稳定性与鲁棒性能,从而降低了鲁棒控制的保守性。
附图说明
图1为功率分流混合动力系统构型图;
图2为本发明实施例中功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法的流程示意图;
图3为本发明实施例中鲁棒控制器设计流程;
图4为本发明实施例中鲁棒控制闭环系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供一种功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法,用于功率分流混合动力系统的发动机起动控制。
下面从功率分流混合动力系统、μ综合鲁棒控制方法进行详细描述。
一、功率分流混合动力系统
如图1所示,功率分流混合动力系统包括发动机1、电机ISG4、电机TM7、单行星排及两挡AMT变速箱6,发动机1与行星架3相连,电机ISG4与太阳轮2相连,齿圈5与输出轴相连,电机TM7通过两挡AMT变速箱6与输出轴相连。
本实施例针对从纯电动至e-CVT混合动力模式切换的发动机起动过程。假设车辆初始运行在的纯电动模式,车辆由电机TM单独驱动。当整车控制器发出模式切换指令后进入发动机起动过程,需要增加电机ISG转矩来克服发动机起动倒拖阻力矩,并使发动机转速不断上升,同时,电机TM输出补偿转矩以消除电机ISG转矩对输出端的影响。在两个电机转矩的共同作用下,发动机转速从零增加至怠速,发动机起动后开始输出转矩,车辆进入e-CVT混合动力模式。
二、功率分流混合动力系统的发动机起动μ综合鲁棒控制方法
如图2所示,本实施例提供的功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法包括以下步骤:
第一步骤:以发动机起动时间和驾驶平顺性为控制目标,采用动态规划求解发动机最优拖转转速曲线。动态规划代价函数的表达式为:
式中,ωL为变速箱输出端实际转速,T为发动机的起动时间,TISG为电机ISG转矩,TTM为电机TM转矩,λ1为第一权重系数,λ2为第二权重系数,λ3为第三权重系数,λ4为第四权重系数;式中第一项为发动机被拖转的时间,第二项为振动剂量(Vibration Dose Value,VDV)大小,用于评价发动机被拖转过程的车辆平顺性,第三项和第四项为电机转矩变化率的约束条件,以保证扭矩变化的平滑性。
根据输入功率分流混合动力系统各轴动力学关系式,得到系统方程:
式中,TENG和TL分别表示发动机和输出端的转矩,cENG和cL分别为发动机轴和输出轴旋转阻尼系数,ωENG为发动机转速,e1、e2、e3、e4、l1、l2、l3和l4为根据系统动态方程计算出的等效系数。
选取发动机转速和曲轴转角为状态量,以周期TS将状态离散化。将发动机转速范围划分为M份,曲轴转角范围(0°~720°)划分为N份,得到M×N的网格,网格中的每个点代表一个发动机状态。由公式(2)和(3)可知,电机ISG和电机TM输出转矩克服发动机阻力矩和道路负载,拖转发动机由当前状态经过时间TS到达另一状态,且产生相应的代价函数值。采用动态规划方法求解发动机由初始状态转移到目标状态,花费最小代价函数值的最优控制规律和状态轨迹,得到发动机最优拖转转速曲线。
第二步骤:通过实际变速箱输出端转速滤波估计输出端参考转速,计算表达式为:
式中,ωL_ref为变速箱输出端参考转速,IL为变速箱输出端等效转动惯量,cTI为轮胎和半轴等效阻尼系数,kTI为轮胎和半轴等效刚度系数,s为拉普拉斯算子,ωL为变速箱输出端实际转速。
第三步骤:基于结构奇异值μ综合理论,构建鲁棒控制闭环系统并设计鲁棒控制器K,对发动机最优拖转转速曲线和输出端参考转速曲线进行跟踪,以实现发动机快速平稳起动并抑制动力输出端的转速转矩波动。
鲁棒控制闭环系统包括依次连接的对角不确定块、标称系统、加权函数和鲁棒控制器。
如图3和图4所示,通过构建鲁棒控制闭环系统,并基于结构奇异值μ综合理论,进行鲁棒控制器K的设计,具体过程包括以下步骤:
S301:建立发动机起动标称模型;
具体为,根据公式(2)和(3),建立状态空间方程,从而建立发动机起动标称模型;状态空间方程的表达式为:
x为系统状态参量,u为待求的系统控制量,w为外界干扰输入,nnoice为发动机转速量测噪声,z为性能输出,y为量测输出,ωENG_ref为由动态规划求解的发动机最优拖转转速。
S302:综合分析参数不确定性及外界扰动;
由于发动机轴及变速箱输出轴阻尼系数存在参数摄动,将其以名义值与摄动范围的形式表示如下:
为便于结构不确定性分析,将式(6)和式(7)写成上线性分式(Linear Fractionaltransformation,LFT)的形式,并引入结构不确定性块Δc:
Δc=diag[δENG,δL] (10)
考虑电机实际输出转矩在某些频域段,尤其是在高频段与目标转矩之间存在一定程度的误差,此外,从整车控制器至电机控制器的CAN信号传输也存在通讯延时且电机响应也存在一定的时滞,将这一部分误差作为非结构不确定性来处理,引入非结构不确定性块Δum。
将Δc与Δum置于同一不确定性块中,构成新的对角不确定性块:
Δ=diag[Δc,Δum],||Δ||∞<1 (11)
基于系统状态方程式(5)及式(8)-(11),可以将带有参数摄动的模型表示为上线性分式的形式:
G=Fu(Gnom,Δ) (12)
式中,G带有参数摄动的模型,Gnom为系统标称模型。
S303:根据控制目标,选择合适的加权函数;
选取的输入加权函数如下,其中传感器量测噪声用高频白噪声来描述,使用高通加权函数Wn。
高通加权函数Wn,计算表达式为:
式中,Wn为高通加权函数,s为拉普拉斯算子,ξ为第一加权函数参数,wn为第二加权函数参数;
控制信号加权函数Wu,为限制电机的转矩范围,计算表达式为:
式中,Wu为控制信号加权函数,TISG_max为电机ISG的转矩最大值,TTM_max为电机TM的转矩最大值;
性能输出加权函数We,反映跟踪精度,计算表达式为:
式中,We为性能输出加权函数,eENG_max为发动机转速跟踪误差最大值,eL_max为变速箱输出端转速跟踪误差最大值;
未建模误差加权函数Wum,反映了在给定频域内的未建模误差,主要体现在高频部分,计算表达式为:
式中,s为拉普拉斯算子,wum为第三加权函数参数,为可以调节的加权函数参数。
S304:根据结构奇异值理论,采用D-K迭代法设计鲁棒控制器;基于μ综合理论求解鲁棒控制问题已是成熟的方法。
如图4所示,为引入控制器的闭环系统框图,由标称系统Gnom、不确定性块Δ、鲁棒控制器K及一系列描述系统性能的加权函数组成。为了进行μ综合分析,引入包含标称系统Gnom和所有加权函数的开环系统P。
设用M来表示控制器K回路闭合后的对象,由线性分式变换可表示为下线性分式的形式:
M=Fl(P,K) (19)
定义不确定块Δp:
式中,Δ表示对角不确定性块,是实际摄动;ΔF为表示性能评价的假想摄动(全块矩阵),是在外部输入w和性能输出z之间构建的一种虚拟的不确定性。
根据μ综合理论,则系统鲁棒性能要求问题就完全等价于系统M在块对角结构Δp摄动下的鲁棒稳定性问题,所设计控制器K需满足:
μ综合问题求解可以转化为:
上式为二参数的极小化问题,通过D-K迭代法进行求解,可以借助Matlab中的dksyn函数进行控制器的设计。
S305:判断闭环控制系统是否满足鲁棒稳定性和鲁棒性能,若是,则执行步骤S306,否则,执行步骤303;
S306:鲁棒控制器设计完成。
最终,通过设计完成的鲁棒控制器K在线求解的电机ISG和电机TM的期望转矩,其计算表达式为:
u=Ky (23)
第四步骤:将上述步骤计算所得的电机ISG和电机TM期望转矩输入电机控制器,在电机ISG和电机TM的转矩协调作用下,发动机转速不断增加,同时动力输出端转速平稳变化。当发动机转速增加至与当前发动机冷却水温相对应的发动机期望喷油转速时,发动机控制器发出喷油指令,完成发动机起动,车辆进入e-CVT混合动力模式。
本实施例还提供一种功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制装置,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,处理器调用所述计算机程序执行上述的功率分流系统发动机起动μ综合鲁棒控制方法的步骤。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种功率分流混合动力系统的μ综合鲁棒控制方法,用于功率分流混合动力系统的发动机起动控制,所述功率分流混合动力系统通过电机ISG和电机TM的协同作用,实现发动机的起动,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
第一步骤:以所述发动机的起动时间和驾驶平顺性为控制目标,采用动态规划求解发动机的最优拖转转速曲线;
第二步骤:根据变速箱输出端实际转速,估计变速箱输出端参考转速曲线;
第三步骤:通过预建立鲁棒控制闭环系统,对发动机的最优拖转转速曲线和变速箱输出端参考转速曲线进行跟踪,获取电机ISG和电机TM的期望转矩;所述鲁棒控制闭环系统包括对角不确定性块、标称模型、加权函数和鲁棒控制器,所述鲁棒控制器基于结构奇异值μ综合理论设计;
第四步骤:根据电机ISG和电机TM的期望转矩,控制电机ISG和电机TM,实现发动机的起动;
第二步骤中,所述估计变速箱输出端参考转速曲线的表达式为:
式中,ωL_ref为变速箱输出端参考转速,IL为变速箱输出端等效转动惯量,cTI为轮胎和半轴等效阻尼系数,kTI为轮胎和半轴等效刚度系数,s为拉普拉斯算子,ωL为变速箱输出端实际转速。
4.根据权利要求1所述的一种功率分流混合动力系统的μ综合鲁棒控制方法,其特征在于,所述对角不确定性块包括非结构不确定性块,该非结构不确定性块基于电机实际输出转矩误差、整车控制器至电机控制器的CAN信号传输通讯延时和/或电机响应时滞构建。
5.根据权利要求1所述的一种功率分流混合动力系统的μ综合鲁棒控制方法,其特征在于,所述标称模型基于状态空间方程建立,所述状态空间方程根据功率混合动力系统中各轴动力学关系式建立,所述状态空间方程的表达式为:
式中,x为系统状态参量,u为待求的系统控制量,w为外界干扰输入,nnoice为发动机转速量测噪声,z为性能输出,y为量测输出,ωENG为发动机转速,ωENG_ref为发动机的最优拖转转速,ωL为变速箱输出端实际转速,ωL_ref为变速箱输出端参考转速,TISG为电机ISG转矩,TTM为电机TM转矩,TENG为发动机转矩,TL为变速箱输出端转矩,A为第一系数矩阵,B1为第二系数矩阵,B2为第三系数矩阵,C1为第四系数矩阵,D1为第五系数矩阵,C2为第六系数矩阵。
6.根据权利要求1所述的一种功率分流混合动力系统的μ综合鲁棒控制方法,其特征在于,所述加权函数包括发动机转矩干扰加权函数、负载转矩干扰加权函数、高通加权函数、控制信号加权函数、性能输出加权函数和/或未建模误差加权函数,
所述发动机转矩干扰加权函数的计算表达式为:
WTENG=TENG_max
式中,WTENG为发动机转矩干扰加权函数,TENG_max为发动机转矩干扰最大值;
所述负载转矩干扰加权函数的计算表达式为:
WTL=TL_max
式中,WTL为负载转矩干扰加权函数,TL_max为负载转矩干扰最大值;
所述高通加权函数的计算表达式为:
式中,Wn为高通加权函数,s为拉普拉斯算子,ξ为第一加权函数参数,wn为第二加权函数参数;
所述控制信号加权函数的计算表达式为:
式中,Wu为控制信号加权函数,TISG_max为电机ISG的转矩最大值,TTM_max为电机TM的转矩最大值;
所述性能输出加权函数的计算表达式为:
式中,We为性能输出加权函数,eENG_max为发动机转速跟踪误差最大值,eL_max为变速箱输出端转速跟踪误差最大值;
所述未建模误差加权函数的计算表达式为:
式中,s为拉普拉斯算子,wum为第三加权函数参数。
9.一种功率分流混合动力系统的μ综合鲁棒控制装置,其特征在于,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,处理器调用所述计算机程序执行如权利要求1~8任一所述的方法的步骤。
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