CN113063024B - 电磁阀压力的闭环控制方法及其控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电磁阀压力的闭环控制方法，步骤如下：S1：获取电磁阀的设定压力；S2：用设定压力减去实际压力得到电磁阀压力的控制偏差；S3：根据电磁阀压力的控制偏差，计算电磁阀的初始控制压力u₀；S4：再用u₀减去线性扩张观测器LESO估计的的干扰压力，得到修正后的控制压力u；S5：根据电磁阀压力电流（p‑I）特性曲线和修正后的控制压力计算电磁阀目标电流；S6：压力传感器采集电磁阀实际压力；S7：线性扩张观测器LESO根据电磁阀实际压力和修正后的控制压力计算干扰压力；S8：完成一个控制循环；还公开了用于电磁阀压力的闭环控制方法的控制器的设计方法，实现了离合器电磁阀的自适应控制，降低了控制器参数整定的难度。

Description

电磁阀压力的闭环控制方法及其控制器设计方法

技术领域

本发明属于电磁阀压力控制技术领域，尤其涉及电磁阀压力的闭环控制方法及其控制器设计方法。

背景技术

电磁阀的动态响应过程既包含了压力-电流(PI)滞环等稳态非线性环节，又包含了迟滞等动态非线性过程，这就需要对电磁阀的压力进行闭环控制。此外，无论是线性还是非线性特性均和工况有关，例如电流变化方向，油温等。电磁阀的特性，特别是动态特性，很难通过精确的数学方程来表达，因此，一些对被控对象数学模型精度要求很高的控制方法，不适合应用于电磁阀压力的闭环控制。

不同的油温下，油液的粘度不同，电磁阀的线性和非线性环节的特征参数也会有所变化，例如和常温下相比，低温下电磁阀的滞环宽度以及时间常数会明显增加，并且，为了改善这些特性，就需要调整电磁阀的周期性波动电流Dither参数，这也会改变电磁阀压力-电流(PI)的稳态特性。这都提高了电磁阀压力闭环控制的难度，而电磁阀压力闭环控制的品质也经常决定了整车的驾驶平顺性。

在行业内，电磁阀的压力闭环控制通过传统的PID控制器(PID控制器：ProportionIntegration Differentiation，俗称比例-积分-微分控制器，分别由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。)来实现，通常通过台架标定选择一组PID参数，并用于所有油温下的电磁阀压力闭环控制。现有的技术中使用了PID控制器，PID控制器属于典型的无模型控制，其参数设计不需要系统传递特性的先验知识。PID控制器虽然因为简单易实施的优点得到大量的推广，但是，因为没有充分利用已知信息，例如电磁阀压力动态响应中占主导的线性传递函数，对于控制品质(包括响应时间，超调量等)要求较高的应用场景，PID的控制效果通常不够理想；另一方面，参数标定也比较困难，虽然设计简单，但是控制参数的标定经常要花费大量的时间，特别是电磁阀的动态特性会随着油温的改变而改变，因此，同一组参数很难保证所有油温下都有比较一致的控制效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中电磁阀压力控制采用PID控制器控制效果不够理想，标定困难，控制的一致性差的不足。

本发明的技术方案是：电磁阀压力的闭环控制方法，步骤如下：

S1：获取电磁阀的设定压力；

S2：用设定压力减去实际压力得到电磁阀压力的控制偏差；

S3：根据电磁阀压力的控制偏差，计算电磁阀的初始控制压力u₀；

S4：再用u₀减去线性扩张观测器LESO估计的干扰压力，得到修正后的控制压力u；

S5：根据电磁阀压力电流(p-I)特性曲线和修正后的控制压力计算电磁阀目标电流；

S6：压力传感器采集电磁阀实际压力；

S7：线性扩张观测器LESO根据电磁阀实际压力和修正后的控制压力计算干扰压力；

S8：完成一个控制循环。

进一步地，线性扩张观测器LESO的特征方程式为：

λ(s)＝s³+β₁s²+β₂s+β₃＝(s+ω₀)³

λ是线性扩张观测器的特征多项式，β₁,β₂和β₃是特征多项式的系数，ω₀是特征多项式的根，s表示拉普拉斯变换的复变量；

因β₁＝3ω₀,β₂＝3ω² ₀和β₃＝ω³ ₀，所以ω₀是唯一需要确定的参数。

进一步地，用于电磁阀压力的闭环控制方法的控制器的设计方法，包括以下步骤：

第一步，通过基础试验获取不同油温下电磁阀稳态特性和动态特性的信息，测出不同油温下对应的，b₀是系统特征参数b的估计值；

第二步，测试电磁阀的压力动态响应；

第三步，根据试验结果拟合出动态响应中占主导地位的线性传递函数。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：通过液压基础试验，提前获取动态特性中的关键参数和油温的关系，实现了针对不同油温下离合器电磁阀的自适应控制；将模型失配，非线性特性以及外部干扰一起视为总干扰，通过线性扩张观测器观测后对控制量进行补偿，既降低了对已知模型信息精确度的要求，又实现了闭环控制的自适应性和鲁棒性；控制器和线性扩张观测器分别只需要标定一个参数，在保证控制品质的前提下，降低了控制器参数整定的难度。

附图说明

图1为本发明电磁阀压力的闭环控制方法的流程图；

图2为基于二阶线性扩张观测器的电磁阀压力控制逻辑图；

图3为40度油温电磁阀压力-电流(PI)特性曲线表格；

图4为40度油温电磁阀压力-电流(PI)特性曲线示意图；

图5为40度油温电磁阀压力-电流(PI)特性拟合偏差示意图。

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。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。

请参阅图1，本发明的技术方案是：电磁阀压力的闭环控制方法，步骤如下：

S1：获取电磁阀的设定压力；

S2：用设定压力减去实际压力得到电磁阀压力的控制偏差；

S3：根据电磁阀压力的控制偏差，计算电磁阀的初始控制压力u₀；

S4：再用u₀减去线性扩张观测器LESO估计的干扰压力，得到修正后的控制压力u；

S5：根据电磁阀压力电流(p-I)特性曲线和修正后的控制压力计算电磁阀目标电流；

S6：压力传感器采集电磁阀实际压力；

S7：线性扩张观测器LESO根据电磁阀实际压力和修正后的控制压力计算干扰压力；

S8：完成一个控制循环。

对于一个被控对象的主导线性部分为二阶的系统，闭环控制系统可以通过方程(1)来表示：

其中u为输入，y为输出，

为y的一阶导数，

为y的二阶导数，a和b为被控对象的特征参数，d为外部干扰。

方程(1)可以改写成为方程(2)，

其中，f视为内部和外部的总体干扰；对被控对象的特征参数b有一定的先验信息，b₀是b的估计值。

u₀＝k_p(r-z₁)-k_dz₂ (4)

式中，r是控制目标值，z₁是线性扩张观测器的第一输出量，z₂是线性扩张观测器的第二输出量，u₀是中间控制量，k_p和k_d分别是控制器的比例增益和微分增益。

z₃是线性扩张观测器的第三输出量，u是最终控制量。

对于该系统，如果控制量采用式子(4)-(5)的计算方法，则闭环系统的闭环传递函数如方程(6)所示。

G_cl是闭环系统的传递函数。

k_d＝2ξw_c (7)

w_c是期望的闭环系统的自然频率，ξ是阻尼系数。

线性扩张观测器LESO的设计方法如下，特征方程(9)所示，其中，β₁，β₂和β₃是线性扩张观测器LESO的增益。

λ(s)＝s³+β₁s²+β₂s+β₃＝(s+ω₀)³ (9)

β₁＝3ω₀，β₂＝3ω² ₀，β₃＝ω³ ₀ (10)

λ是线性扩张观测器的特征多项式，β₁,β₂和β₃是特征多项式的系数，ω₀是特征多项式的根，s表示拉普拉斯变换的复变量；所以ω₀是唯一需要确定的参数。

图2为本发明提出的电磁阀压力闭环控制逻辑图，其中，r为设定压力，u₀为初始控制压力，u为修正后的控制压力，需要通过查表或者其他方式转换为对应的控制电流，在z₂和z₃可视为线性扩张观测器(LESO)观测到的内部干扰压力，d表示所有的内外部干扰，包括模型失配，非线性特征及外部干扰，G_p表示电磁阀动态特性中的线性部分，y表示压力传感器测到的电磁阀实际压力，MAP表示通过存储在变速箱控制器(TCU)里面的电磁阀压力电流(pI)特性曲线表格。

控制目标值r和线性扩张观测器(LESO)的第一输出z₁相减得到差值e，差值e和比例控制增益k_p相乘后，与线性扩张观测器的第二输出z₂和微分增益的乘积相减，得到中间控制量u₀，u₀和线性扩张观测器的第三输出量z₃相减后，经过1/b₀倍增益，得到最终的控制量u。最终控制量u和系统输出y做为线性扩张观测器(LESO)的输入，用来计算线性扩张观测器的输出z₁，z₂和z₃。

用于电磁阀压力的闭环控制方法的控制器的设计方法，包括以下步骤：

第一步：通过基础试验获取不同油温下电磁阀稳态特性和动态特性的信息。稳态特性包含电流上升过程中的压力-电流(PI)特性，电流下降过程中的压力-电流(PI)特性，以及由此得到的滞环宽度，并计算出每个电流下对应的平均压力，如图3所示。

第二步：测试电磁阀的压力动态响应，其中，每个电流下的平均压力为目标压力，如图4和图5所示，图5中实线是电磁阀的实际压力曲线，虚线表示拟合后的电磁阀压力曲线。

第三步：根据试验结果拟合出动态响应中占主导地位的线性传递函数。例如，-30度油温下的拟合结果如式(11)所示，对应的b₀＝70.9，40度油温下的拟合结果如式(12)所示，对应的b₀＝1750，需要通过液压基础试验测出不同油温下对应的b₀。

Prs_tar是电磁阀的目标压力，Prs_actl是电磁阀的实际输出压力。

是拟合的电磁阀压力的传递函数。

式(11)和式(12)中做了一些近似处理，主要是因为从控制压力到控制电流的换算过程中，选择了表1中的平均值，将滞环特性视为了干扰。

步骤三：根据式(10)选择线性扩张观测器的参数w₀，根据式(7)-(8)，选择自抗扰控制器w_c，其中w₀≈3～5w_c，通过试验选择好后，这两个参数将应用于所有的工况。在不同的油温下，通过调整b₀来实现自适应控制，尽可能保证不同油温下的压力闭环响应特性一致。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.电磁阀压力的闭环控制方法，其特征在于：步骤如下：

S1：获取电磁阀的设定压力；

S2：用设定压力减去实际压力得到电磁阀压力的控制偏差；

S3：根据电磁阀压力的控制偏差，计算电磁阀的初始控制压力u₀；

S4：再用u₀减去线性扩张观测器LESO估计的干扰压力，得到修正后的控制压力u；

S5：根据电磁阀压力电流(p-I)特性曲线和修正后的控制压力计算电磁阀目标电流；

S6：压力传感器采集电磁阀实际压力；

S7：线性扩张观测器LESO根据电磁阀实际压力和修正后的控制压力计算干扰压力；

S8：完成一个控制循环；

对于一个被控对象的主导线性部分为二阶的系统，闭环控制系统可以通过方程(1)来表示：

其中u为输入，y为输出，

为y的一阶导数，

为y的二阶导数，a和b为被控对象的特征参数，d为外部干扰；

方程(1)可以改写成为方程(2)，

其中，f视为内部和外部的总体干扰；对被控对象的特征参数b有一定的先验信息，b₀是b的估计值；

u₀＝k_p(r-z₁)-k_dz₂ (4)

式中，r是控制目标值，z₁是线性扩张观测器的第一输出量，z₂是线性扩张观测器的第二输出量，u₀是中间控制量，k_p和k_d分别是控制器的比例增益和微分增益；

z₃是线性扩张观测器的第三输出量，u是最终控制量；

对于该系统，如果控制量采用式子(4)-(5)的计算方法，则闭环系统的闭环传递函数如方程(6)所示；

G_cl是闭环系统的传递函数；

k_d＝2ξw_c (7)

w_c是期望的闭环系统的自然频率，ξ是阻尼系数；

线性扩张观测器LESO的设计方法如下，特征方程(9)所示，其中，β₁，β₂和β₃是线性扩张观测器LESO的增益；

λ(s)＝s³+β₁s²+β₂s+β₃＝(s+ω₀)³ (9)

β₁＝3ω₀，β₂＝3ω² ₀，β₃＝ω³ ₀ (10)

λ是线性扩张观测器的特征多项式，β₁，β₂和β₃是特征多项式的系数，ω₀是特征多项式的根，s表示拉普拉斯变换的复变量；所以ω₀是唯一需要确定的参数。

2.用于权利要求1所述的电磁阀压力的闭环控制方法的控制器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，通过基础试验获取不同油温下电磁阀稳态特性和动态特性的信息，测出不同油温下对应的b₀，b₀是系统特征参数b的估计值；

第二步，测试电磁阀的压力动态响应；

第三步，根据试验结果拟合出动态响应中占主导地位的线性传递函数。

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