CN113246743A - 一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统、方法，该系统包括：前馈控制器：用于输入整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩T_ref，并输出电机期望转矩T_FF；观测器：用于获取等效传递转矩的估计值

反馈控制器：用于输入等效传递转矩的估计值

并输出补偿转矩T_FB；加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩T_FF与反馈控制器输出的补偿转矩T_FB相加得到闭环控制系统的电机转矩T_m，并将电机转矩T_m输入至电机控制器控制电机运行。与现有技术相比，本发明控制方法简单、鲁棒性和控制效果好。

Description

一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统、方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车技术领域，尤其是涉及一种混合动力汽车纯电起步 抖动抑制方法。

背景技术

混合动力汽车的振动噪声问题与传统使用内燃机的汽车不同，减变速传动机构和电机集成混合动力系统，其具有复杂的振动特性，从而影响整车的NVH(Noise,Vibration and Harshness，噪声，振动与声振粗糙度)特性。

在起步工况下，驾驶员易感受到车辆纵向的低频振动，其频率范围一般为 2-10Hz。混合动力汽车电机快速的响应时间以及转矩突变未经离合器、扭转减振器 就经半轴传递至车轮，造成了明显的纵向抖动问题。

此外，传动系统间隙会使纯电起步工况下系统扭转振动响应幅值增加。这是由 于间隙产生的死区非线性特性使起步时会产生冲击扭矩，且在整车闭环控制系统中 间隙引起的死区会带来控制误差，使得闭环控制精度下降，极大程度影响驾驶性和 乘坐舒适性。因此，亟需提出一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制方法。

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混合动力汽 车纯电起步抖动抑制系统、方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，该系统包括：

前馈控制器：用于输入整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩T_ref，并输出电机期望转矩T_FF；

观测器：用于获取等效传递转矩的估计值

反馈控制器：用于输入等效传递转矩的估计值

并输出补偿转矩T_FB；

加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩T_FF与反馈控制器输出的补偿转矩 T_FB相加得到闭环控制系统的电机转矩T_m，并将电机转矩T_m输入至电机控制器控制 电机运行。

优选地，所述的前馈控制器的传递函数表示为：

G_FF＝G_e/G

G_FF为前馈控制器的传递函数，G为等效传递转矩T_trans对电机转矩参考信号T_m的开环传递函数G，G_e为期望的开环传递函数。

优选地，前馈控制器的设计方式为：

首先，设计期望的开环传递函数G_e，使传递函数G_e的固有频率和传递函数G 相同，然后，调整期望的开环传递函数G_e的阻尼比ξ_e，最后，获取前馈控制器的 传递函数G_FF＝G_e/G。

优选地，期望的开环传递函数G_e的阻尼比ξ_e取值为：0.8≤ξ_e≤1。

优选地，述的观测器为鲁棒滑模观测器。

优选地，构造鲁棒滑模观测器的设计方式为：

设混合动力系统的标称状态空间模型为：

其中，u为系统输入，u＝T_m，X为状态变量，Y为系统输出，A、B、C、D为 参数矩阵；

设计正参数h使其大于系统扰动d的上界；

使用极点配置法设计对称正定矩阵L，使得A₀＝A-LC有稳定特征值；

设计矩阵F，使得对于正定对称矩阵P、Q有：

根据设计的h、L、F构造鲁棒滑模观测器，表示为：

其中，

为系统状态的估计值，

为系统输出的估计值，y＝[ω_m ω_w]为系统输出，

分别为电机角位移、车轮 角位移、电机角速度和车轮角速度的估计值，θ_m、θ_w、ω_m、ω_w分别为电机角位 移、车轮角位移、电机角速度和车轮角速度，C₁为等效传递转矩的输出矩阵， D₁＝[1 0]，||||表示矩阵范数。

优选地，所述的反馈控制器通过H∞回路成型方法设计得到。

优选地，设计的反馈控制器使得等效传递转矩T_trans对电机转矩参考信号T_m的 闭环传递函数G_d在系统固有频率处有-20dB以下的增益。

优选地，反馈控制器K的设计目标具体如下：

其中，σ()为矩阵奇异值下界，γ为拟合精度，ω₀为传递函数G_d的0dB穿越 频率，ω为圆频率。

一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制方法，该方法基于所述的混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统进行混合动力汽车纯电起步抖动抑制，包括如下步骤：

将整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩T_ref输入至前馈控制器，前馈控制器输出电机期望转矩T_FF；

采用观测器获取等效传递转矩的估计值

将观测器输出的等效传递转矩的估计值

输入至反馈控制器，反馈控制器输出补偿转矩T_FB；

将前馈控制器输出的电机期望转矩T_FF与反馈控制器输出的补偿转矩T_FB相加 得到闭环控制系统的电机转矩T_m，根据电机转矩T_m控制电机运行。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明控制方法简单、鲁棒性好；

(2)本发明采用鲁棒滑模观测器观测获取等效传递转矩的估计值，并设计反 馈控制器进行反馈控制，鲁棒滑模控制器对于非线性时变的混合动力系统观测效果 相比于传统的线性和非线性观测器有所增强，提高了观测的精度，从而提高系统的 鲁棒性；

(3)发明考虑了传动系统间隙带来的系统扰动，使得控制方法的抗扰能力和 控制效果更好。

附图说明

图1为本发明一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统的控制框图；

图2为采用本发明控制方法和无控制时车轮角加速度曲线对比图。

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。注意，以下的实施方式的 说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明 并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，图中T_ref为整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩，T_FF为前馈控制器输出 的电机期望转矩，T_FB为反馈控制器输出的补偿转矩，T_m为闭环控制系统的电机转 矩，d为传动系统间隙带来的系统扰动，ω_m为电机角速度，ω_w为车轮角速度，

为等效传递转矩的估计值。

该系统包括：

前馈控制器：用于输入整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩T_ref，并输出电机期望转矩T_FF；

观测器：用于获取等效传递转矩的估计值

观测器为鲁棒滑模观测器；

反馈控制器：用于输入等效传递转矩的估计值

并输出补偿转矩T_FB；

加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩T_FF与反馈控制器输出的补偿转矩 T_FB相加得到闭环控制系统的电机转矩T_m，并将电机转矩T_m输入至电机控制器控制 电机运行。

该系统的设计主要包括前馈控制器、鲁棒滑模观测器和反馈控制器：

一、前馈控制器：

前馈控制器的传递函数表示为：

G_FF＝G_e/G

G_FF为前馈控制器的传递函数，G为等效传递转矩T_trans对电机转矩参考信号T_m的开环传递函数G，G_e为期望的开环传递函数。

前馈控制器的设计方式为：

首先，设计期望的开环传递函数G_e，使传递函数G_e的固有频率和传递函数G 相同，然后，调整期望的开环传递函数G_e的阻尼比ξ_e，最后，获取前馈控制器的 传递函数G_FF＝G_e/G。期望的开环传递函数G_e的阻尼比ξ_e取值为：0.8≤ξ_e≤1。 具体地：将开环传递函数G化简为如下形式：

设计期望的开环传递函数G_e，使其固有频率ω_e和开环传递函数G相同。根据 需要调整阻尼比ξ_e以达到良好的阻尼减振作用：

根据传递函数G和G_e可获得前馈控制器的传递函数G_FF：

本实施例中，期望的开环传递函数G_e的阻尼比ξ_e取值为1。

二、鲁棒滑模观测器：

本系统采用鲁棒滑模观测器观测获取等效传递转矩的估计值，并设计反馈控制器进行反馈控制，鲁棒滑模控制器对于非线性时变的混合动力系统观测效果相比于 传统的线性和非线性观测器有所增强，提高了观测的精度，从而提高系统的鲁棒性。 具体通过如下方式构造鲁棒滑模观测器：

设混合动力系统的标称状态空间模型为：

其中，u为系统输入，u＝T_m，X为状态变量，Y为系统输出，A、B、C、D为 参数矩阵；

设计正参数h使其大于系统扰动d的上界；

使用极点配置法设计对称正定矩阵L，使得A₀＝A-LC有稳定特征值；

设计矩阵F，使得对于正定对称矩阵P、Q有：

根据设计的h、L、F构造鲁棒滑模观测器，表示为：

其中，

为系统状态的估计值，

为系统输出的估计值，y＝[ω_mω_w]为系统输出，

分别为电机角位移、车轮 角位移、电机角速度和车轮角速度的估计值，θ_m、θ_w、ω_m、ω_w分别为电机角位 移、车轮角位移、电机角速度和车轮角速度，C₁为等效传递转矩的输出矩阵， D₁＝[1 0]，||||表示矩阵范数。

三、反馈控制器：

反馈控制器通过H∞回路成型方法设计得到。设计的反馈控制器使得等效传递 转矩T_trans对电机转矩参考信号T_m的闭环传递函数G_d在系统固有频率处有-20dB以 下的增益。反馈控制器K的设计目标具体如下：

其中，σ( )为矩阵奇异值下界，γ为拟合精度，ω₀为传递函数G_d的0dB穿越 频率，ω为圆频率。

基于上述混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，进行混合动力汽车纯电起步抖动抑制，包括如下步骤：

将整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩T_ref输入至前馈控制器，前馈控制器输出电机期望转矩T_FF；

采用观测器获取等效传递转矩的估计值

将观测器输出的等效传递转矩的估计值

输入至反馈控制器，反馈控制器输出补偿转矩T_FB；

将前馈控制器输出的电机期望转矩T_FF与反馈控制器输出的补偿转矩T_FB相加 得到闭环控制系统的电机转矩T_m，根据电机转矩T_m控制电机运行。

根据上述方法进行试验得到本发明控制方法和无控制时车轮角加速度曲线对 比图如图2所示，可以看出本发明方法可使车轮角加速度振荡幅值明显减小，因此 本发明方法可以有效解决混合动力汽车起步纵向抖动问题。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其 它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变 更。

Claims (10)

1.一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，其特征在于，该系统包括：

前馈控制器：用于输入整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩T_ref，并输出电机期望转矩T_FF；

观测器：用于获取等效传递转矩的估计值

反馈控制器：用于输入等效传递转矩的估计值

并输出补偿转矩T_FB；

加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩T_FF与反馈控制器输出的补偿转矩T_FB相加得到闭环控制系统的电机转矩T_m，并将电机转矩T_m输入至电机控制器控制电机运行。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制方法，其特征在于，所述的前馈控制器的传递函数表示为：

G_FF＝G_e/G

G_FF为前馈控制器的传递函数，G为等效传递转矩T_trans对电机转矩参考信号T_m的开环传递函数G，G_e为期望的开环传递函数。

3.根据权利要求2所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制方法，其特征在于，前馈控制器的设计方式为：

首先，设计期望的开环传递函数G_e，使传递函数G_e的固有频率和传递函数G相同，然后，调整期望的开环传递函数G_e的阻尼比ξ_e，最后，获取前馈控制器的传递函数G_FF＝G_e/G。

4.根据权利要求3所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制方法，其特征在于，期望的开环传递函数G_e的阻尼比ξ_e取值为：0.8≤ξ_e≤1。

5.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，其特征在于，所述的观测器为鲁棒滑模观测器。

6.根据权利要求5所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，其特征在于，构造鲁棒滑模观测器的设计方式为：

设混合动力系统的标称状态空间模型为：

其中，u为系统输入，u＝T_m，X为状态变量，Y为系统输出，A、B、C、D为参数矩阵；

设计正参数h使其大于系统扰动d的上界；

使用极点配置法设计对称正定矩阵L，使得A₀＝A-LC有稳定特征值；

设计矩阵F，使得对于正定对称矩阵P、Q有：

A₀ ^TP+PA₀＝-Q；

FC＝B^TP

根据设计的h、L、F构造鲁棒滑模观测器，表示为：

其中，

为系统状态的估计值，

为系统输出的估计值，y＝[ω_m ω_w]为系统输出，

分别为电机角位移、车轮角位移、电机角速度和车轮角速度的估计值，θ_m、θ_w、ω_m、ω_w分别为电机角位移、车轮角位移、电机角速度和车轮角速度，C₁为等效传递转矩的输出矩阵，D₁＝[1 0]，|| ||表示矩阵范数。

7.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，其特征在于，所述的反馈控制器通过H∞回路成型方法设计得到。

8.根据权利要求7所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，其特征在于，设计的反馈控制器使得等效传递转矩T_trans对电机转矩参考信号T_m的闭环传递函数G_d在系统固有频率处有-20dB以下的增益。

9.根据权利要求8所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统，其特征在于，反馈控制器K的设计目标具体如下：

其中，σ()为矩阵奇异值下界，γ为拟合精度，ω₀为传递函数G_d的0dB穿越频率，ω为圆频率。

10.一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～9任意一项所述的混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统进行混合动力汽车纯电起步抖动抑制，包括如下步骤：

将整车控制器根据驾驶员意图和驾驶工况输出的参考转矩T_ref输入至前馈控制器，前馈控制器输出电机期望转矩T_FF；

采用观测器获取等效传递转矩的估计值

将观测器输出的等效传递转矩的估计值

输入至反馈控制器，反馈控制器输出补偿转矩T_FB；

将前馈控制器输出的电机期望转矩T_FF与反馈控制器输出的补偿转矩T_FB相加得到闭环控制系统的电机转矩T_m，根据电机转矩T_m控制电机运行。

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