CN111665713A - 一种车辆路面负载转矩确定方法和系统 - Google Patents

一种车辆路面负载转矩确定方法和系统 Download PDF

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刘瑞
刘辉
王伟达
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Abstract

本发明涉及一种车辆路面负载转矩确定方法和系统。该方法包括：获取耦合机构动力学模型；根据耦合机构动力学模型，以输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，以电机A的转矩和电机B的转矩为控制变量构建系统状态空间模型；根据系统状态空间模型构建观测器模型；获取检测状态量，并根据所设定的状态量对观测器模型进行修正，得到修正后的观测器模型；获取电机A的转矩、电机B的转矩和反馈矩阵；利用修正后的观测器模型，根据电机A的转矩、电机B的转矩和反馈矩阵确定路面负载转矩。本发明所提供的车辆路面负载转矩确定方法和系统，能够简化负载转矩测量方法的复杂性，同时，能够摒弃现有技术检测负载转矩的传感器，从而降低检测成本。

Description

一种车辆路面负载转矩确定方法和系统
技术领域
本发明涉及车辆路面负载转矩确定领域，特别是涉及一种车辆路面负载转矩确定方法和系统。
背景技术
为应对全球性的资源短缺和气候变暖，国际上欧美日等汽车工业强国相继完成了针对2020年甚至更长的各年度乘用车燃料消耗标准法规制定，对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出了更严格的要求。乘用车燃油消耗量标准就像高悬于汽车企业头顶的达摩克利斯之剑，逼迫着汽车企业加大在新能源汽车领域的投入。
混合动力汽车指具有两种或两种以上动力源和动力转换装置的汽车。混合动力汽车不仅可以调节发动机工作点使发动机运行在高效率区，还可以通过控制发动机的怠速启停或滑行启停等减少发动机能量损失，并可以通过制动能量回收进行能量的再利用。混合动力汽车具有节能减排的特点引起了广泛关注。
在对控制变量的求解过程中，需要地面负载的信息，不同的地面负载对应不同的控制变量结果。现有的车用传感器对转矩的测量方法复杂、成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种车辆路面负载转矩确定方法和系统，能够降低负载转矩检测成本，简化负载转矩测量方法的复杂性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种车辆路面负载转矩确定方法，包括：
获取耦合机构动力学模型；
根据所述耦合机构动力学模型，以输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，以电机A的转矩和电机B的转矩为控制变量构建系统状态空间模型；
根据所述系统状态空间模型构建观测器模型；
获取检测状态量，并根据所设定的状态量对所述观测器模型进行修正，得到修正后的观测器模型；
获取所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和反馈矩阵；
利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩。
可选的，所述耦合机构动力学模型为：
Figure BDA0002469315770000021
其中，k1表示第一行星排特性参数，k2表示第二行星排特性参数，k3表示第三行星排特性参数，TA表示电机A的转矩，TB表示电机B的转矩，Ti表示输入端i的转矩，To表示输出端的转矩，
Figure BDA0002469315770000022
表示输入轴角加速度，
Figure BDA0002469315770000023
表示表示输出轴角加速度，b11、b12、b21和b22均表示常数。
可选的，所述系统状态空间模型为：
Figure BDA0002469315770000024
其中，
Figure BDA0002469315770000025
表示状态量的导数，X表示状态量，X包括耦合机构输入轴角加速度
Figure BDA0002469315770000026
和输出轴角加速度
Figure BDA0002469315770000027
Y表示输出量，Y包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，U表示控制量，U包括电机A的转矩u1和电机B的转矩u2，Γ为干扰量，A为系统矩阵B为控制矩阵，C为输出矩阵，A、B和C均为常数矩阵。
可选的，所述修正后的观测器模型为：
Figure BDA0002469315770000028
其中，
Figure BDA0002469315770000029
表示修正后的观测器模型的状态量的导数，z表示修正后的观测器模型的状态量，y表示原动力传动系统输出量，u表示输入控制量，u＝[TA,TB]，TA表示电机A的转矩，TB表示电机B的转矩，
Figure BDA00024693157700000210
表示路面负载转矩，L表示反馈矩阵，A11、A21、B1、B2、A12和A22均为常量。
可选的，所述利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩具体包括：
利用所述系统状态空间模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩确定输出量和输入控制量；
利用所述修正后的观测器模型，根据所述输出量和所述输入控制量确定路面负载转矩。
可选的，所述检测状态量包括车速和路面负载量。
一种车辆路面负载转矩确定系统，包括：
耦合机构动力学模型获取模块，用于获取耦合机构动力学模型；
系统状态空间模型构建模块，用于根据所述耦合机构动力学模型，以输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，以电机A的转矩和电机B的转矩为控制变量构建系统状态空间模型；
观测器模型构建模块，用于根据所述系统状态空间模型构建观测器模型；
观测器模型修正模块，用于获取检测状态量，并根据所设定的状态量对所述观测器模型进行修正，得到修正后的观测器模型；
路面负载转矩确定模块，用于获取模块，用于获取所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和反馈矩阵；
利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩。
可选的，所述路面负载转矩确定模块具体包括：
输入输出量确定单元，用于利用所述系统状态空间模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩确定输出量和输入控制量；
路面负载转矩确定单元，用于利用所述修正后的观测器模型，根据所述输出量和所述输入控制量确定路面负载转矩。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的车辆路面负载转矩确定方法和系统，通过构建系统状态空间模型和观测器模型，根据电机A的转矩、电机B的转矩和反馈矩阵就可以精确确定路面负载转矩，这就能够简化负载转矩测量方法的复杂性。同时，能够摒弃现有技术检测负载转矩的传感器，从而降低检测成本。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的车辆路面负载转矩确定方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的路面负载观测模型(路面负载观测器)的结构框图；
图3为本发明实施例提供的车辆路面负载转矩确定系统的结构示意图。
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。
本发明的目的是提供一种车辆路面负载转矩确定方法和系统，能够降低负载转矩检测成本，简化负载转矩测量方法的复杂性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的车辆路面负载转矩确定方法的流程图，如图1所示，一种车辆路面负载转矩确定方法，包括：
S1、获取耦合机构动力学模型；
S2、根据所述耦合机构动力学模型，以输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，以电机A的转矩和电机B的转矩为控制变量构建系统状态空间模型；
S3、根据所述系统状态空间模型构建观测器模型；
S4、获取检测状态量，并根据所设定的状态量对所述观测器模型进行修正，得到修正后的观测器模型；
S5、获取所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和反馈矩阵；
S6、利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩。
作为本发明所提供的另一具体实施例，本发明基于动力系统的状态空间方程，建立状态观测器，对负载转矩进行估计，提高了发动机启动控制策略的实用性。其具体实施方式为：
(1)根据耦合机构动力学模型，选取输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，电机A和电机B的转矩为系统的控制变量，建立系统状态空间表达式。
(2)在步骤(1)得到的状态空间表达式基础上，加入状态x1＝Tf，建立新的系统状态空间表达式。
(3)针对状态变量x1,引入v和w，构建其状态空间表达式，针对不可测子系统，构造降维观测器，获得降维观测器观测误差的动态方程为
Figure BDA0002469315770000051
(4)由于引入的变量w中存在输出变量y的导数，通过引入一个新的状态变量z，降低系统对噪声的敏感度，代入步骤(3)得到的观测器方程中，得到新的对噪声不敏感的观测器方程。
(5)：将输入控制量u＝[TA,TB]代入原系统状态空间模型式(3)中，得到输出量y。
(6):根据步骤(4)建立的观测器方程式(12)，将由步骤(5)得到的y，以及控制量u，反馈矩阵L代入式(12)计算得到状态变量x1的估计值
Figure BDA0002469315770000052
其中，针对降阶负载状态观测器进行设计
耦合机构动力学模型为：
Figure BDA0002469315770000053
式中，其中，k1表示第一行星排特性参数，k2表示第二行星排特性参数，k3表示第三行星排特性参数，TA表示电机A的转矩，TB表示电机B的转矩，Ti表示输入端i的转矩，To表示输出端的转矩，
Figure BDA0002469315770000054
表示输入轴角加速度，
Figure BDA0002469315770000055
表示表示输出轴角加速度，b11、b12、b21和b22均表示常数。
根据式(1)所得到的动力学模型，选取输入轴转速ωi和输出轴转速ωo为系统的状态变量，电机A的转矩TA和电机B的转矩TB为系统的控制变量，即：
Figure BDA0002469315770000061
耦合机构在这一阶段的状态空间表达式为：
Figure BDA0002469315770000062
式中，
Figure BDA0002469315770000063
Figure BDA0002469315770000064
表示状态量的导数，X表示状态量，X包括耦合机构输入轴角加速度
Figure BDA0002469315770000065
和输出轴角加速度
Figure BDA0002469315770000066
Y表示输出量，包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，U表示控制量，包括电机A的转矩u1和电机B的转矩u2，Γ为干扰量，A为系统矩阵B为控制矩阵，C为输出矩阵，A、B和C均为常数矩阵。
由于矩阵[BAB]的秩为2，所以系统完全能控；由于矩阵[C CA]T的秩为2，所以系统完全能观。
在一个采样周期内，将负载转矩视为恒值。
根据式(3)，将系统的状态空间表达式改写如下：
Figure BDA0002469315770000067
式中，
Figure BDA0002469315770000068
根据式(4)可知，输入轴转速和输出轴转速(状态变量x2)可由输出变量y直接测量，还需要对路面负载(状态变量x1)设计降维观测器。针对不可测子系统的状态空间表达式为：
Figure BDA0002469315770000069
令
Figure BDA0002469315770000071
则有
Figure BDA0002469315770000072
针对子系统(7)设计观测器，即为原系统的降维观测器。引入反馈矩阵L，根据观测器理论，子系统(7)的观测器方程为：
Figure BDA0002469315770000073
式中，反馈矩阵L取值为L＝[l1 l2]，其中l1和l2均为设计参数。
根据式(7)和式(8)可得观测器观测误差的动态方程为：
Figure BDA0002469315770000074
式中：Tf为路面负载，
Figure BDA0002469315770000075
为路面负载估计值。
因此，观测误差的解为：
Figure BDA0002469315770000076
式中，c0为常数，系统的稳定条件是
Figure BDA0002469315770000077
此时，负载转矩的观测误差以指数的形式随时间t逐渐趋近于0，其趋近速率与极点配置位置相关。
在式(6)中引入的变量w中存在输出变量y的导数，这会增加系统对噪声的敏感度，因此，定义一个新的状态变量z：
Figure BDA0002469315770000078
将其代入式(8)可得：
Figure BDA0002469315770000079
其中，
Figure BDA00024693157700000710
表示修正后的观测器模型的状态量的导数，z表示修正后的观测器模型的状态量，y表示原动力传动系统输出量，u表示输入控制量，u＝[TA,TB]，TA表示电机A的转矩，TB表示电机B的转矩，
Figure BDA00024693157700000711
表示路面负载转矩，L表示反馈矩阵，A11、A21、B1、B2、A12和A22均为常量。
通过式(12)即可得到状态变量x1的估计值
Figure BDA00024693157700000712
了。
图2展示了所设计的路面负载观测器的结构框图，观测器模型以原动力传动系统状态空间表达式的输出变量和控制变量为输入，通过引入的状态变量z得到路面负载Tf的观测值。
此外，对应上述车辆路面负载转矩确定方法，本发明还提供了一种车辆路面负载转矩确定系统，如图3所示，该系统包括：耦合机构动力学模型获取模块1、系统状态空间模型构建模块2、观测器模型构建模块3、观测器模型修正模块4、获取模块5和路面负载转矩确定模块6。
其中，耦合机构动力学模型获取模块1用于获取耦合机构动力学模型；系统状态空间模型构建模块2用于根据所述耦合机构动力学模型，以输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，以电机A的转矩和电机B的转矩为控制变量构建系统状态空间模型；观测器模型构建模块3用于根据所述系统状态空间模型构建观测器模型；观测器模型修正模块4用于获取检测状态量，并根据所设定的状态量对所述观测器模型进行修正，得到修正后的观测器模型；获取模块5用于获取所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和反馈矩阵；路面负载转矩确定模块6用于利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩。
所述路面负载转矩确定模块6具体包括：输入输出量确定单元和路面负载转矩确定单元。
输入输出量确定单元，用于利用所述系统状态空间模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩确定输出量和输入控制量；路面负载转矩确定单元用于利用所述修正后的观测器模型，根据所述输出量和所述输入控制量确定路面负载转矩。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种车辆路面负载转矩确定方法，其特征在于，包括：
获取耦合机构动力学模型；
根据所述耦合机构动力学模型，以输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，以电机A的转矩和电机B的转矩为控制变量构建系统状态空间模型；
根据所述系统状态空间模型构建观测器模型；
获取检测状态量，并根据所设定的状态量对所述观测器模型进行修正，得到修正后的观测器模型；
获取所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和反馈矩阵；
利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩。
2.根据权利要求1所述的一种车辆路面负载转矩确定方法，其特征在于，所述耦合机构动力学模型为：
Figure FDA0002469315760000011
其中，k1表示第一行星排特性参数，k2表示第二行星排特性参数，k3表示第三行星排特性参数，TA表示电机A的转矩，TB表示电机B的转矩，Ti表示输入端i的转矩，To表示输出端的转矩，
Figure FDA0002469315760000012
表示输入轴角加速度，
Figure FDA0002469315760000013
表示表示输出轴角加速度，b11、b12、b21和b22均表示常数。
3.根据权利要求1所述的一种车辆路面负载转矩确定方法，其特征在于，所述系统状态空间模型为：
Figure FDA0002469315760000014
其中，
Figure FDA0002469315760000015
表示状态量的导数，X表示状态量，X包括耦合机构输入轴角加速度
Figure FDA0002469315760000016
和输出轴角加速度
Figure FDA0002469315760000017
Y表示输出量，Y包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，U表示控制量，U包括电机A的转矩u1和电机B的转矩u2，Γ为干扰量，A为系统矩阵B为控制矩阵，C为输出矩阵，A、B和C均为常数矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种车辆路面负载转矩确定方法，其特征在于，所述修正后的观测器模型为：
Figure FDA0002469315760000021
其中，
Figure FDA0002469315760000022
表示修正后的观测器模型的状态量的导数，z表示修正后的观测器模型的状态量，y表示原动力传动系统输出量，u表示输入控制量，u＝[TA,TB]，TA表示电机A的转矩，TB表示电机B的转矩，
Figure FDA0002469315760000023
表示路面负载转矩，L表示反馈矩阵，A11、A21、B1、B2、A12和A22均为常量。
5.根据权利要求1所述的一种车辆路面负载转矩确定方法，其特征在于，所述利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩具体包括：
利用所述系统状态空间模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩确定输出量和输入控制量；
利用所述修正后的观测器模型，根据所述输出量和所述输入控制量确定路面负载转矩。
6.根据权利要求1所述的一种车辆路面负载转矩确定方法，其特征在于，所述检测状态量包括车速和路面负载量。
7.一种车辆路面负载转矩确定系统，其特征在于，包括：
耦合机构动力学模型获取模块，用于获取耦合机构动力学模型；
系统状态空间模型构建模块，用于根据所述耦合机构动力学模型，以输入轴转速和输出轴转速为系统的状态变量，以电机A的转矩和电机B的转矩为控制变量构建系统状态空间模型；
观测器模型构建模块，用于根据所述系统状态空间模型构建观测器模型；
观测器模型修正模块，用于获取检测状态量，并根据所设定的状态量对所述观测器模型进行修正，得到修正后的观测器模型；
路面负载转矩确定模块，用于获取模块，用于获取所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和反馈矩阵；
利用所述修正后的观测器模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩和所述反馈矩阵确定路面负载转矩。
8.根据权利要求7所述的一种车辆路面负载转矩确定系统，其特征在于，所述路面负载转矩确定模块具体包括：
输入输出量确定单元，用于利用所述系统状态空间模型，根据所述电机A的转矩、所述电机B的转矩确定输出量和输入控制量；
路面负载转矩确定单元，用于利用所述修正后的观测器模型，根据所述输出量和所述输入控制量确定路面负载转矩。
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