CN113246743B - 一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统、方法 - Google Patents

一种混合动力汽车纯电起步抖动抑制系统、方法 Download PDF

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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Tref，并输出电机期望转矩TFF；观测器：用于获取等效传递转矩的估计值
Figure DDA0003041390010000011
反馈控制器：用于输入等效传递转矩的估计值
Figure DDA0003041390010000012
并输出补偿转矩TFB；加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩TFF与反馈控制器输出的补偿转矩TFB相加得到闭环控制系统的电机转矩Tm，并将电机转矩Tm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,Vibrationand 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Tref，并输出电机期望转矩TFF；
观测器：用于获取等效传递转矩的估计值
Figure GDA0003141419890000011
反馈控制器：用于输入等效传递转矩的估计值
Figure GDA0003141419890000012
并输出补偿转矩TFB；
加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩TFF与反馈控制器输出的补偿转矩TFB相加得到闭环控制系统的电机转矩Tm，并将电机转矩Tm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：
GFF＝Ge/G
GFF为前馈控制器的传递函数，G为等效传递转矩Ttrans对电机转矩参考信号Tm的开环传递函数G，Ge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Ge，使传递函数Ge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Ge的阻尼比ξe，最后，获取前馈控制器的传递函数GFF＝Ge/G。
优选地，期望的开环传递函数Ge的阻尼比ξe取值为：0.8≤ξe≤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：
Figure GDA0003141419890000021
其中，u为系统输入，u＝Tm，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：
Figure GDA0003141419890000022
根据设计的h、L、F构造鲁棒滑模观测器，表示为：
Figure GDA0003141419890000023
Figure GDA0003141419890000024
Figure GDA0003141419890000025
Figure GDA0003141419890000026
其中，
Figure GDA0003141419890000031
为系统状态的估计值，
Figure GDA0003141419890000032
为系统输出的估计值，y＝[ωm ωw]为系统输出，
Figure GDA0003141419890000033
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，θm、θw、ωm、ωw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Ttrans对电机转矩参考信号Tm的闭环传递函数Gd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：
Figure GDA0003141419890000034
Figure GDA0003141419890000035
其中，σ()为矩阵奇异值下界，γ为拟合精度，ω0为传递函数Gd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Tref输入至前馈控制器，前馈控制器输出电机期望转矩TFF；
采用观测器获取等效传递转矩的估计值
Figure GDA0003141419890000036
将观测器输出的等效传递转矩的估计值
Figure GDA0003141419890000037
输入至反馈控制器，反馈控制器输出补偿转矩TFB；
将前馈控制器输出的电机期望转矩TFF与反馈控制器输出的补偿转矩TFB相加得到闭环控制系统的电机转矩Tm，根据电机转矩Tm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Tref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，TFF为前馈控制器输出的电机期望转矩，TFB为反馈控制器输出的补偿转矩，Tm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，ωm为电机角速度，ωw为车轮角速度，
Figure GDA0003141419890000041
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Tref，并输出电机期望转矩TFF；
观测器：用于获取等效传递转矩的估计值
Figure GDA0003141419890000042
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
Figure GDA0003141419890000043
并输出补偿转矩TFB；
加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩TFF与反馈控制器输出的补偿转矩TFB相加得到闭环控制系统的电机转矩Tm，并将电机转矩Tm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：
GFF＝Ge/G
GFF为前馈控制器的传递函数，G为等效传递转矩Ttrans对电机转矩参考信号Tm的开环传递函数G，Ge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Ge，使传递函数Ge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Ge的阻尼比ξe，最后，获取前馈控制器的传递函数GFF＝Ge/G。期望的开环传递函数Ge的阻尼比ξe取值为：0.8≤ξe≤1。具体地：将开环传递函数G化简为如下形式：
Figure GDA0003141419890000051
设计期望的开环传递函数Ge，使其固有频率ωe和开环传递函数G相同。根据需要调整阻尼比ξe以达到良好的阻尼减振作用：
Figure GDA0003141419890000052
根据传递函数G和Ge可获得前馈控制器的传递函数GFF：
Figure GDA0003141419890000053
本实施例中，期望的开环传递函数Ge的阻尼比ξe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：
Figure GDA0003141419890000054
其中，u为系统输入，u＝Tm，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：
Figure GDA0003141419890000055
根据设计的h、L、F构造鲁棒滑模观测器，表示为：
Figure GDA0003141419890000061
Figure GDA0003141419890000062
Figure GDA0003141419890000063
Figure GDA0003141419890000064
其中，
Figure GDA0003141419890000065
为系统状态的估计值，
Figure GDA0003141419890000066
为系统输出的估计值，y＝[ωm ωw]为系统输出，
Figure GDA0003141419890000067
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，θm、θw、ωm、ωw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Ttrans对电机转矩参考信号Tm的闭环传递函数Gd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：
Figure GDA0003141419890000068
Figure GDA0003141419890000069
其中，σ( )为矩阵奇异值下界，γ为拟合精度，ω0为传递函数Gd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Tref输入至前馈控制器，前馈控制器输出电机期望转矩TFF；
采用观测器获取等效传递转矩的估计值
Figure GDA00031414198900000610
将观测器输出的等效传递转矩的估计值
Figure GDA00031414198900000611
输入至反馈控制器，反馈控制器输出补偿转矩TFB；
将前馈控制器输出的电机期望转矩TFF与反馈控制器输出的补偿转矩TFB相加得到闭环控制系统的电机转矩Tm，根据电机转矩Tm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 (5)

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Tref，并输出电机期望转矩TFF；
观测器：用于获取等效传递转矩的估计值
Figure FDA0003545859040000011
反馈控制器：用于输入等效传递转矩的估计值
Figure FDA0003545859040000012
并输出补偿转矩TFB；
加法器：将前馈控制器输出的电机期望转矩TFF与反馈控制器输出的补偿转矩TFB相加得到闭环控制系统的电机转矩Tm，并将电机转矩Tm输入至电机控制器控制电机运行；
所述的观测器为鲁棒滑模观测器；
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：
Figure FDA0003545859040000013
其中，u为系统输入，u＝Tm，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使其大于传动系统间隙带来的系统扰动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：
Figure FDA00035458590400000110
根据设计的h、L、F构造鲁棒滑模观测器，表示为：
Figure FDA0003545859040000014
Figure FDA0003545859040000015
Figure FDA0003545859040000016
Figure FDA0003545859040000017
其中，
Figure FDA0003545859040000018
为系统状态的估计值，
Figure FDA0003545859040000019
为系统输出的估计值，y＝[ωm ωw]为系统输出，
Figure FDA0003545859040000021
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，θm、θw、ωm、ωw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；
所述的反馈控制器通过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Ttrans对电机转矩参考信号Tm的闭环传递函数Gd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：
Figure FDA0003545859040000022
Figure FDA0003545859040000023
其中，σ()为矩阵奇异值下界，γ为拟合精度，ω0为传递函数Gd的0dB穿越频率，ω为圆频率。
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系统，其特征在于，所述的前馈控制器的传递函数表示为：
GFF＝Ge/G
GFF为前馈控制器的传递函数，G为等效传递转矩Ttrans对电机转矩参考信号Tm的开环传递函数G，Ge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系统，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Ge，使传递函数Ge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Ge的阻尼比ξe，最后，获取前馈控制器的传递函数GFF＝Ge/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系统，其特征在于，期望的开环传递函数Ge的阻尼比ξe取值为：0.8≤ξe≤1。
5.一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1～4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Tref输入至前馈控制器，前馈控制器输出电机期望转矩TFF；
采用观测器获取等效传递转矩的估计值
Figure FDA0003545859040000031
将观测器输出的等效传递转矩的估计值
Figure FDA0003545859040000032
输入至反馈控制器，反馈控制器输出补偿转矩TFB；
将前馈控制器输出的电机期望转矩TFF与反馈控制器输出的补偿转矩TFB相加得到闭环控制系统的电机转矩Tm，根据电机转矩Tm控制电机运行。
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