CN113428158B - 一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，包括以下步骤：S1、进行稳态工况下发动机力矩波动补偿，得到稳态工况下的力矩波动补偿值；S2、进行工作模式切换时的瞬态力矩波动补偿，得到工作模式切换时的力矩波动补偿值；S3、将稳态工况下的力矩波动补偿值与工作模式切换时的力矩波动补偿值求和得到的总力矩补偿值作为增程器运行控制系统内的发电机控制模型转矩的指令输入，实现增程器系统扭转振动全工况的主动控制。与现有技术相比，本发明针对稳态及工作模式切换时的瞬态工况，对增程器系统进行全工况的扭振控制，更有效地提高增程器式汽车NVH性能。

Description

一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机式增程器控制技术领域，尤其是涉及一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法。

背景技术

增程式电动汽车作为纯电动汽车的一种，因为其在技术、成本、续驶里程及相对传统汽车在节能环保方面的明显优势，被认为是新能源汽车取代传统汽车过渡期的良好选择之一。内燃机式增程器主要由发动机和发电机组成，是增程式电动汽车的核心关键部件，增程器的扭转振动对其轴系及连接部件的寿命、振动噪声和工作效率有着重要影响，并且影响乘坐舒适性。当前，内燃机式增程器系统仍存在较为明显的扭转振动问题，主要表现为稳态工作状态下发动机的力矩波动，以及工作模式切换时发动机力矩的瞬态波动，较大的力矩波动造成增程器系统的扭振并进而影响整车NVH性能，因此增程器扭转振动特性的研究及控制具有重要意义。

目前国内外学者对内燃机式增程器的研究主要集中在布局与结构设计、基于动力性和经济性的参数匹配、整机振动特性和噪声研究，而对增程器扭转振动的研究甚少。且对于增程器扭转振动控制方面，前期学者的研究或是仅针对稳态工况下发动机力矩波动的控制，或是仅考虑抑制瞬态工况下的力矩波动，而并不适用于包括稳态、瞬态工况的全工况扭转振动控制。例如浙江大学所发明的一种永磁同步增程系统全工况控制方法，仅可对发电机启动及停机的瞬态工况进行平顺过渡的控制，而无法实现全工况的增程器力矩波动补偿和扭振控制。

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内燃机式增程器扭转振动混合控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，该混合控制方法包括以下步骤：

S1、进行稳态工况下发动机力矩波动补偿，得到稳态工况下的力矩波动补偿值；

S2、进行工作模式切换时的瞬态力矩波动补偿，得到工作模式切换时的力矩波动补偿值；

S3、将稳态工况下的力矩波动补偿值与工作模式切换时的力矩波动补偿值求和得到的总力矩补偿值作为增程器运行控制系统内的发电机控制模型转矩的指令输入，实现增程器系统扭转振动全工况的主动控制。

所述的步骤S1具体为：

以发动机飞轮转动角加速度

作为控制目标，计算发动机各曲柄转角，根据台架测试获得发动机气缸压力及压力力矩随曲柄转角变化曲线进行估计得到发动机的力矩波动量T_ei，进行发电机补偿力矩计算得到稳态工况下的力矩波动补偿值。

所述的发动机飞轮转动角加速度

的表达式为：

其中，G_g(s)和G_ei(s)分别为发电机及发动机各曲拐力矩至飞轮角加速度的传递函数，T_ei和T_g分别为发动机第i曲拐力矩和发电机力矩，N为发动机曲拐总数。

所述的发电机及发动机各曲拐处力矩至飞轮角加速度的传递函数的表达式为：

G(s)＝(Js²+Cs+K)/B

其中，J、C、K和B分别为系统惯量、阻尼、刚度和输入矩阵。

所述的发动机各曲拐力矩T_ei以及发电机力矩T_g的表达式为：

T_ei＝T_{ei_con}+ΔT_ei

T_g＝T_{g_ref}+T_{g_com}

其中，T_{ei_con}为静态分量，ΔT_ei为动态分量，T_{g_ref}为发电机目标力矩，T_{g_com}为发电机补偿力矩，即稳态工况下的力矩波动补偿值。

为消除发动机力矩的动态分量ΔT_ei对系统振动的影响，使得

尽可能小，在实际控制器中，为避免补偿力矩幅值过大，设置发动机力矩波动补偿控制参数f对补偿力矩幅值进行调节，则发电机补偿力矩计算式为：

所述的发动机力矩波动补偿控制参数f设置为0.15。

所述的步骤S2具体包括以下步骤：

S21、获取发动机飞轮转动角速度ω，并通过求微分得到发动机飞轮转动角加速度

；

S22、将发动机飞轮转动角加速度

输入逆向参考模型中；

S23、根据逆向参考模型的输出以及动力学模型输入实际值计算系统产生的瞬态冲击振动的激励力矩，并通过低通滤波器滤去高频成分后获得工作模式切换时的力矩波动补偿值。

所述的步骤S22中，逆向参考模型为一个转动惯量单元，其值为轴系动力学模型的倒数。

所述的步骤S23中，低通滤波器的时间常量T为0.03，增益参数K为0.2。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、控制效果显著，仿真结果表明，对于稳态工况，选取角加速度均方根值为标准，经计算，在怠速工况及稳态运行工况，经过主动控制后飞轮角加速度均方根值分别降低11.1％及8.4％，对于瞬态工况，选取振动量值为标准，经计算，在启动阶段、切换工作模式阶段及停机阶段，经过主动控制后飞轮角加速度振动量值分别降低9.4％，15.8％及9.3％，表明主动控制对于稳态和瞬态工况均有良好扭振控制效果，能够有效降低增程器系统扭振。

二、本发明的混合控制方法同时针对稳态及瞬态工况，当前少有其他研究或专利实现全工况的增程器系统扭振控制，而仅是针对稳态或部分瞬态工况进行扭振控制，而本发明则能够实现全工况的增程器系统扭振控制。

三、控制方法简洁可靠，运行稳定，本发明采用力矩补偿的方法进行扭振控制，而不需进行硬件设备的改动，并且计算方法简便，适用性广。

附图说明

图1为本发明增程器系统运行控制框图及混合控制方法所包括的两种补偿的控制框图。

图2为本发明混合控制主动控制方法应用前后整体转速时域信号对比及飞轮端、自由端角加速度对比，其中，图(2a)为主动控制前后转速时域信号对比，图(2b)为主动控制前后自由端角加速度对比，图(2c)为主动控制前后飞轮端角加速度对比。

图3为本发明混合控制主动控制方法应用前后启动阶段、停机阶段及切换工作模式时飞轮端、自由端角加速度对比，其中，图(3a)为主动控制前后自由端角加速度对比(启动阶段)，图(3b)为主动控制前后自由端角加速度对比(由怠速切换至稳态工作阶段)，图(3c)为主动控制前后自由端角加速度对比(停机阶段)，图(3d)为主动控制前后飞轮端角加速度对比(启动阶段)，图(3e)为主动控制前后飞轮端角加速度对比(由怠速切换至稳态工作阶段)，图(3f)为主动控制前后飞轮端角加速度对比(停机阶段)。

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。

实施例

本发明提供一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，通过建立包括动力学模型、增程器控制模型、发电机控制模型及扭振主动控制模型在内的混合模型，经过台架试验验证模型有效性并分析了典型工况扭振特性后，确定增程器系统扭振主要由稳态工况下发动机力矩波动及切换工作状态时引起的瞬态力矩突变引起，针对以上两个原因，建立了稳态工况下的发动机力矩波动补偿和工作模式切换时的瞬态力矩波动补偿，构成增程器扭振混合控制方法，从而有效的改善了增程器全工况下的扭转振动。

本发明的混合控制方法包括稳态工况下发动机力矩波动补偿和工作模式切换时的瞬态力矩波动补偿，混合控制施加于增程器运行控制系统内的发电机控制模型转矩指令输入位置，包括以下步骤：

S1：在稳态工况下发动机力矩波动补偿中，如图1中框图所示，选择飞轮角加速度

作为控制目标，通过曲轴转角的计算以及发动机各曲拐力矩波动T_ei的估计，得到发电机的补偿力矩项T_{g_com}，从而改变发电机力矩的幅值和相位以达到抵消发动机力矩波动引起轴系振动。

S2：在工作模式切换时的瞬态力矩波动补偿中，如图1中框图所示，主要包含动力学模型、逆向参考模型和低通滤波器模块。选择飞轮角速度ω求微分获得角加速度。逆向参考模型中仅为一个转动惯量单元，不包含有弹性和阻尼单元，其值为轴系动力学模型的倒数。因此逆向参考模型的输出值减去动力学模型输入实际值后可认为是引起増程器轴系产生瞬态冲击振动的激励力矩，通过低通滤波器滤去高频成分后作为发动机均值力矩或发电机力矩的补偿值输入，以此来改善系统瞬态过程中冲击振动问题。

S3：经过S1及S2获得的针对稳态工况下发动机力矩波动补偿力矩和针对工作模式切换时的瞬态力矩波动补偿力矩加和后输入发电机控制模型，即可补偿增程器系统在稳态及瞬态全工况下的力矩波动，实现增程器系统扭转振动的主动控制。控制效果如图2及图3所示，可见，飞轮端及自由端在各种工况下角加速度幅值均有明显减小。

步骤S1中发动机补偿力矩计算过程为：

控制目标飞轮角加速度

可以表示为：

式中G_g(s)和G_ei(s)为发电机及发动机各曲拐处力矩至飞轮角加速度的传递函数，传递函数可通过系统矩阵微分方程计算得到：

G(s)＝(Js²+Cs+K)/B

式中，J,C,K及B分别代表系统惯量、阻尼、刚度和输入矩阵。

T_ei和T_g为发动机第i曲拐和发电机实际输出力矩。发动机各曲拐力矩T_ei可表示为静态分量T_{ei_con}和动态分量ΔT_ei之和，发电机力矩T_g表示为目标力矩T_{g_ref}和补偿力矩T_{g_com}之和，即

则飞轮角加速度计算公式可表示为：

为了消除发动机力矩动态分量ΔT_ei对系统振动的影响，总是希望

尽可能小。在实际控制器中，为避免补偿力矩幅值过大设置控制参数f对补偿力矩幅值进行调节，发电机补偿力矩计算方法为：

进一步地，所述混合控制方法内控制参数经过调试后确定，针对稳态工况下发动机力矩波动补偿主动控制方法中发动机力矩波动补偿控制参数f定为0.15。

针对工作模式切换时的瞬态力矩波动补偿主动控制方法中逆向参考模型惯量参数J_s定为0.11kg.m2，低通滤波器时间常量T定为0.03，增益参数K定为0.2。

本发明一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法控制效果可由图2、图3所示。其中，图2为本发明混合控制主动控制方法应用前后整体转速时域信号对比及飞轮端、自由端角加速度对比，由图2可见，主动控制后，转速时域信号在工作模式切换过程处的超调明显较小，且自由端、飞轮端的角加速度在稳态和瞬态工况幅值都有明显降低。图3为本发明混合控制主动控制方法应用前后启动阶段、停机阶段及切换工作模式时飞轮端、自由端角加速度对比，由图3可见，在三个典型瞬态工况下，主动控制后，自由端、飞轮端的角加速度幅值均有明显减小。

进一步地，所述混合控制方法控制效果可通过量化指标体现。对于稳态工况，选取角加速度均方根值为标准，经计算，在怠速工况及稳态运行工况，经过主动控制后飞轮角加速度均方根值分别降低11.1％及8.4％。对于瞬态工况，选取振动量值为标准，经计算，在启动阶段、切换工作模式阶段及停机阶段，经过主动控制后飞轮角加速度振动量值分别降低9.4％，15.8％及9.3％。表明主动控制对于稳态和瞬态工况均有良好扭振控制效果。

Claims (8)

1.一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，该混合控制方法包括以下步骤：

S1、以发动机飞轮转动角加速度

作为控制目标，计算发动机各曲柄转角，根据台架测试获得发动机气缸压力及压力力矩随曲柄转角变化曲线进行估计得到发动机的力矩波动量T_ei，进行发电机补偿力矩计算得到稳态工况下的力矩波动补偿值；

S21、获取发动机飞轮转动角速度ω，并通过求微分得到发动机飞轮转动角加速度

S22、将发动机飞轮转动角加速度

输入逆向参考模型中；

S23、根据逆向参考模型的输出以及动力学模型输入实际值计算系统产生的瞬态冲击振动的激励力矩，并通过低通滤波器滤去高频成分后获得工作模式切换时的力矩波动补偿值；

S3、将稳态工况下的力矩波动补偿值与工作模式切换时的力矩波动补偿值求和得到的总力矩补偿值作为增程器运行控制系统内的发电机控制模型转矩的指令输入，实现增程器系统扭转振动全工况的主动控制。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，所述的发动机飞轮转动角加速度

的表达式为：

其中，G_g(s)和G_ei(s)分别为发电机及发动机各曲拐力矩至飞轮角加速度的传递函数，T_ei和T_g分别为发动机第i曲拐力矩和发电机力矩，N为发动机曲拐总数。

3.根据权利要求2所述的一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，所述的发电机及发动机各曲拐处力矩至飞轮角加速度的传递函数的表达式为：

G(s)＝(Js²+Cs+K)/B

其中，J、C、K和B分别为系统惯量、阻尼、刚度和输入矩阵。

4.根据权利要求2所述的一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，所述的发动机各曲拐力矩T_ei以及发电机力矩T_g的表达式为：

T_ei＝T_{ei_con}+ΔT_ei

T_g＝T_{g_ref}+T_{g_com}

其中，T_{ei_con}为静态分量，ΔT_ei为动态分量，T_{g_ref}为发电机目标力矩，T_{g_com}为发电机补偿力矩，即稳态工况下的力矩波动补偿值。

5.根据权利要求4所述的一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，为消除发动机力矩的动态分量ΔT_ei对系统振动的影响，使得

尽可能小，在实际控制器中，为避免补偿力矩幅值过大，设置发动机力矩波动补偿控制参数f对补偿力矩幅值进行调节，则发电机补偿力矩计算式为：

6.根据权利要求5所述的一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，所述的发动机力矩波动补偿控制参数f设置为0.15。

7.根据权利要求1所述的一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，所述的步骤S22中，逆向参考模型为一个转动惯量单元，其值为轴系动力学模型的倒数。

8.根据权利要求1所述的一种内燃机式增程器扭转振动混合控制方法，其特征在于，所述的步骤S23中，低通滤波器的时间常量T为0.03，增益参数K为0.2。

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