CN113635902A - 一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法 - Google Patents

一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法 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主动控制方法，包括：接收驾驶员模型输出的起步信号后，整车控制器输出得到电机期望转矩；根据混合动力系统纯电起步时的转矩传递路径以及传动间隙死区模型，构建混合动力系统非线性模型；根据混合动力系统非线性模型，进一步构造非线性扩张观测器；设计反馈控制器，将非线性扩张观测器的观测值输出给反馈控制器，以得到电机补偿转矩；结合电机期望转矩和电机补偿转矩，电机控制器输出得到电机控制转矩，以相应控制电机的工作状态。与现有技术相比，本发明能够在纯电起步工况下提高电机控制精度、有效减小纯电起步抖动现象。

Description

一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力汽车扭振主动控制技术领域，尤其是涉及一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法。
背景技术
相较于传统汽车，混合动力汽车大多采用由减变速传动机构和电机集成构成的车用机电复合传动系统，由于车用机电复合传动系统具有复杂的动力总成振动特性，这使得混合汽车面临着更为复杂的NVH问题。
在起步工况下，电动车或混动车在纯电起步时仅由电机提供一个快速响应，电机转矩的突变未经离合器及扭转减震器、就经过半轴直接传递到车轮，容易造成明显的扭转振动问题，驾驶员很容易感受到车辆前后方向的低频振动，该低频振动的频率范围一般为2～10Hz。
此外，传动间隙引起的冲击扭矩会使得扭转振动振幅进一步增加。这是因为由齿隙引起的死区效应产生的非线性，使振动水平恶化，而且在闭环控制中，由于间隙引起的不连续特性会产生不受控制的时区，长期累积控制误差，必然导致控制精度降低，大大影响驾驶的舒适性。
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主动控制方法，以在纯电起步工况下提高控制精度、有效减小起步抖动现象。
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主动控制方法，包括以下步骤：
S1、接收驾驶员模型输出的起步信号后，整车控制器输出得到电机期望转矩；
S2、根据混合动力系统纯电起步时的转矩传递路径以及传动间隙死区模型，构建混合动力系统非线性模型；
S3、根据混合动力系统非线性模型，进一步构造非线性扩张观测器；
S4、设计反馈控制器，将非线性扩张观测器的观测值输出给反馈控制器，以得到电机补偿转矩；
S5、结合电机期望转矩和电机补偿转矩，电机控制器输出得到电机控制转矩，以相应控制电机的工作状态。
进一步地，所述步骤S1具体是根据混合动力系统纯电起步时的状态空间方程，以得到电机期望转矩。
进一步地，所述步骤S2中传动间隙死区模型具体为：
Figure BDA0003223791940000021
其中，
Figure BDA0003223791940000022
为输入端和输出端的转角差，
Figure BDA0003223791940000023
为间隙值，
Figure BDA0003223791940000024
为实际扭转角。
进一步地，所述步骤S3中构造非线性扩张观测器的具体过程为：
S31、引入观测误差作为反馈量，根据混合动力系统非线性模型建立非线性观测器的系统状态空间模型，即非线性观测模型；
S32、使用非线性反馈代替非线性观测模型中的非线性部分，并根据反馈的观测误差确定非线性反馈，以此构造得到非线性扩张观测器。
进一步地，所述步骤S32中非线性反馈具体是通过非线性参数β0n+1配合非线性函数gn+1(e)构造而成：
Figure BDA0003223791940000025
其中，
Figure BDA0003223791940000026
为非线性反馈。
进一步地，所述非线性扩张观测器的观测值为半轴处的转矩波动。
进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41、建立非线性扩张观测器的观测值与电机控制转矩之间的传递函数，得到半轴处转矩对电机转矩的动态响应曲线，并按照采样点离散成一位数组，得到动态响应数组；
S42、基于动态响应数组，结合当前时刻的电机转矩，得到当前时刻半轴处的转矩波动值，以构建半轴处输出转矩预测模型；
S43、通过在预测模型的输出中持续加入控制量，以得到控制后的预测输出；
S44、在预测时域内构造优化函数对加入的控制量进行优化，以使控制后的预测输出接近当前时刻的模型输出值；
S45、以优化函数最小作为目标，确定控制增量矩阵；
S46、结合当前时刻预测值以及真实输出的误差，对下一时刻的预测输出进行校正；
S47、重复步骤S41～S46，以得到每一时刻控制后半轴处的输出转矩；
S48、根据每一时刻控制后半轴处的输出转矩，通过计算增益，即可得到电机补偿转矩。
进一步地，所述步骤S42中半轴处输出转矩预测模型具体为：
Figure BDA0003223791940000031
其中，
Figure BDA0003223791940000032
为k+i时刻的半轴处输出转矩预测值，
Figure BDA0003223791940000033
为k时刻前已经作用的输入在k+i时刻估计的输出值，αiΔu(k)为k时刻添加Δu(k)的控制增量后在k+i时刻的输出增量，N为动态响应数组的采样点数量；
所述步骤S43中控制后的预测输出具体为：
Figure BDA0003223791940000034
其中，M为加入的控制量总数。
进一步地，所述步骤S44中优化函数具体为：
Figure BDA0003223791940000035
其中，qi,rj为权重系数，ref(k+i)为当前时刻的模型输出值，采用向量法表示该优化函数，有：
Figure BDA0003223791940000036
Figure BDA0003223791940000037
Figure BDA0003223791940000038
其中，
Figure BDA0003223791940000039
为k+1时刻到k+p时刻在M个控制量作用下的预测输出向量，Yref(k)为k+1时刻到k+p时刻电机输出的转矩值，
Figure BDA00032237919400000310
为没有控制增量情况下P时域内每个时刻的初始值，A为动态响应曲线向量aT＝{a1,a2,a3,…aN}在每个时刻输入增量Δu(k)经过系统后的响应值。
进一步地，所述S45中控制增量矩阵具体为：
Figure BDA00032237919400000311
其中，Q,R分别为权重系数qi,rj的对角矩阵；
所述步骤S46中校正之后的预测值具体为：
Figure BDA0003223791940000041
Figure BDA0003223791940000042
Figure BDA0003223791940000043
Figure BDA0003223791940000044
其中，S为移位矩阵，Ycor(k+1)为下一时刻的初始校正预测值，he为误差系数，e(k+1)为下一时刻的误差值。
与现有技术相比，本发明在构建混合动力系统非线性模型时，充分考虑传动间隙对转矩传递的影响，这使得构建的非线性模型输出能够更加贴近于实际传动系统的输出，此外，本发明根据混合动力系统非线性模型，进一步构造非线性扩张观测器，并设计反馈控制器，将非线性扩张观测器的观测值输出给反馈控制器，以得到电机补偿转矩，利用非线性扩张观测器能够更精准地观测到半轴处的转矩波动，从而保证后续电机补偿转矩的准确性，进而提高电机控制精度、有效减小纯电起步抖动现象；
本发明设计反馈控制器，其输入为非线性扩张观测器观测的半轴处转矩波动，其输出连接至电机控制器，由此形成闭环控制，通过在准确的观测结果下采用动态矩阵预测控制的方法进行减振控制，采用状态观测器以及反馈控制结合的控制算法，随着系统非线性程度的增强，不仅能保证良好的控制效果，同时具有很强的适用性。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的控制结构框图；
图3为实施例中传动间隙死区模型示意图；
图4a为实施例中在π/36传动间隙下采用本发明控制方法前后的转矩波动对比示意图；
图4b为实施例中在π/12传动间隙下采用本发明控制方法前后的转矩波动对比示意图；
图4c为实施例中在π/6传动间隙下采用本发明控制方法前后的转矩波动对比示意图。
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。
实施例
如图1所示，一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，包括以下步骤：
S1、接收驾驶员模型输出的起步信号后，整车控制器输出得到电机期望转矩，具体是根据混合动力系统纯电起步时的状态空间方程，以得到电机期望转矩；
S2、根据混合动力系统纯电起步时的转矩传递路径以及传动间隙死区模型，构建混合动力系统非线性模型；
S3、根据混合动力系统非线性模型，进一步构造非线性扩张观测器：
首先引入观测误差作为反馈量，根据混合动力系统非线性模型建立非线性观测器的系统状态空间模型，即非线性观测模型；
之后使用非线性反馈代替非线性观测模型中的非线性部分，并根据反馈的观测误差确定非线性反馈，以此构造得到非线性扩张观测器，其中，非线性反馈具体是通过非线性参数β0n+1配合非线性函数gn+1(e)构造而成：
Figure BDA0003223791940000051
(
Figure BDA0003223791940000052
为非线性反馈)；
S4、设计反馈控制器，将非线性扩张观测器的观测值(半轴处的转矩波动)输出给反馈控制器，以得到电机补偿转矩，具体的：
S41、建立非线性扩张观测器的观测值与电机控制转矩之间的传递函数，得到半轴处转矩对电机转矩的动态响应曲线，并按照采样点离散成一位数组，得到动态响应数组；
S42、基于动态响应数组，结合当前时刻的电机转矩，得到当前时刻半轴处的转矩波动值，以构建半轴处输出转矩预测模型：
Figure BDA0003223791940000053
其中，
Figure BDA0003223791940000054
为k+i时刻的半轴处输出转矩预测值，
Figure BDA0003223791940000055
为k时刻前已经作用的输入在k+i时刻估计的输出值，αiΔu(k)为k时刻添加Δu(k)的控制增量后在k+i时刻的输出增量，N为动态响应数组的采样点数量；
S43、通过在预测模型的输出中持续加入控制量，以得到控制后的预测输出：
Figure BDA0003223791940000061
其中，M为加入的控制量总数；
S44、在预测时域内构造优化函数对加入的控制量进行优化，以使控制后的预测输出接近当前时刻的模型输出值，该优化函数为：
Figure BDA0003223791940000062
其中，qi,rj为权重系数，ref(k+i)为当前时刻的模型输出值，采用向量法表示该优化函数，有：
Figure BDA0003223791940000063
Figure BDA0003223791940000064
Figure BDA0003223791940000065
其中，
Figure BDA0003223791940000066
为k+1时刻到k+p时刻在M个控制量作用下的预测输出向量，Yref(k)为k+1时刻到k+p时刻电机输出的转矩值，
Figure BDA0003223791940000067
为没有控制增量情况下P时域内每个时刻的初始值，A为动态响应曲线向量aT＝{a1,a2,a3,…aN}在每个时刻输入增量Δu(k)经过系统后的响应值；
S45、以优化函数最小作为目标，确定控制增量矩阵：
Figure BDA0003223791940000068
其中，Q,R分别为权重系数qi,rj的对角矩阵；
S46、结合当前时刻预测值以及真实输出的误差，对下一时刻的预测输出进行校正，校正之后的预测值为：
Figure BDA0003223791940000069
Figure BDA00032237919400000610
Figure BDA00032237919400000611
Figure BDA00032237919400000612
其中，S为移位矩阵，Ycor(k+1)为下一时刻的初始校正预测值，he为误差系数，e(k+1)为下一时刻的误差值；
S47、重复步骤S41～S46，以得到每一时刻控制后半轴处的输出转矩；
S48、根据每一时刻控制后半轴处的输出转矩，通过计算增益，即可得到电机补偿转矩。
S5、结合电机期望转矩和电机补偿转矩，电机控制器输出得到电机控制转矩(即图1中电机实际转矩)，以相应控制电机的工作状态。
本实施例应用上述技术方案，其具体的控制结构如图2所示，整车控制器接收到驾驶员模型的起步信号后、输出一个电机初始需求扭矩信号Tmreq，该输出扭矩Tmreq经过主减速器、差速器传递到半轴处时，齿轮以及万向节等的传动间隙会使得半轴的输出转矩波动增大；通过线非线性扩张观测器观测该转矩波动；基于转矩波动观测值设计反馈控制器对该转矩波动进行补偿，将补偿后的电机扭矩信号输入电机控制器对电机进行控制，从而对混合动力汽车的纯电起步过程进行扭转振动主动控制。
本实施例具体控制过程为：
1)整车控制器接收到驾驶员模型的起步信号后、向混合动力系统发出电机期望转矩控制指令Tmreq；
2)根据混合动力系统纯电起步时的转矩传递路径以及传动间隙死区模型，构建系统非线性模型；
3)根据混合动力系统的非线性模型构造非线性扩张观测器，该观测器的输出值为半轴处的转矩波动值Ttobn，作为反馈控制器的输入以设计反馈控制器，反馈控制器的输出端则连接至电机控制器输入端，以此形成闭环控制系统；
4)根据反馈控制器的增益计算电机补偿转矩Tmcom；
5)将混合动力系统整车控制器输出的电机期望转矩Tmreq加上电机补偿转矩Tmcom得到闭环控制系统的电机实际输出转矩Tmact，根据此电机转矩控制电机的的工作状态。
本实施例中，步骤1)中整车控制器根据混合动力系统系统的原始线性状态空间模型，以功率分流式混动系统为例，纯电起步时其状态空间方程为：
Figure BDA0003223791940000071
其中，U为系统输入，即U＝Tmreq，X为状态变量，Y为系统输出，A,B,C,D为参数矩阵；
步骤2)中传动间隙死区模型如图3所示：
Figure BDA0003223791940000081
其中，
Figure BDA0003223791940000082
为输入端和输出端的转角差，
Figure BDA0003223791940000083
为间隙值，
Figure BDA0003223791940000084
为实际扭转角，本实施例选用三种常见间隙进行仿真实验：
Figure BDA0003223791940000085
pi/12、pi/6，传动间隙带来半轴处的实际转矩波动计算公式为：
Figure BDA0003223791940000086
其中，khse为等效半轴刚度，chse为等效半轴阻尼，wd为间隙两端的转速差；
步骤3)中根据混合动力系统的非线性模型构造非线性扩张观测器具体为：
引入观测误差作为反馈量，根据混合动力系统原始非线性状态空间模型建立非线性观测器的系统状态空间模型，即非线性观测模型；
使用非线性反馈代替非线性观测模型中非线性的部分，构建新的非线性观测模型，具体为：非线性反馈通过非线性参数β0n+1配合非线性函数gn+1(e)构造而成，
Figure BDA0003223791940000087
本实施例中：
Figure BDA0003223791940000088
Figure BDA0003223791940000089
Figure BDA00032237919400000810
Figure BDA00032237919400000811
其中，h表示非线性系统模型离散时模拟的步长，选取为h＝5*10-4s；
gn+1(e)为非线性函数，选用幂次函数，具体为：
Figure BDA00032237919400000812
其中，e为第一阶估计参数和实际输出的误差，n为状态向量的阶数，δ为幂次级区间长度，选取为δ＝0.1；
根据反馈误差确定非线性反馈，进而完成非线性观测器的构造；
步骤4)中反馈控制器的设计方法具体为：
根据观测值Ttobn，构建半轴处输出转矩Ttobn与电机输出转矩Tmact之间的传递函数G(s)，以此获得半轴处转矩对电机转矩的动态响应曲线，并将其按照采样点离散成一维数组来记录，具体为：
aT＝{a1,a2,a3,…aN}，其中,N是采样的点数；
基于动态响应数组又已知当前k时刻的电机转矩，即可得到当前时刻半轴处的转矩波动值，假设k+i时刻电机转矩的改变量为Δu(k)，可构建预测模型预估k+i时刻的半轴处输出转矩，具体为：
Figure BDA0003223791940000091
其中，
Figure BDA0003223791940000092
表示系统在k时刻前已经作用的输入在k+i时刻估计的输出值，αiΔu(k)表示在k时刻添加Δu(k)的控制增量后，系统在k+i时刻的输出增量。因此控制后系统的预测输出为两者之和
Figure BDA0003223791940000093
反馈控制器在当前k时刻后续控制时间域内持续添加M个控制量，即在预测输出中持续加入Δu(k),Δu(k+1),…Δu(k+M-1)，得到控制后的预测输出，具体为：
Figure BDA0003223791940000094
在预测时域P内构造优化函数对控制量进行优化，使每一时刻增加了控制增量后的预测输出值越接近当前时刻的模型输出值，构造的优化函数具体为：
Figure BDA0003223791940000095
其中qi,rj为权重系数，用向量法表示上述函数，则优化函数可转化为：
Figure BDA0003223791940000096
其中
Figure BDA0003223791940000097
为k+1时刻到k+p时刻在M个控制量作用下的预测输出向量，Yref(k)为k+1时刻到k+p时刻电机输出的转矩值，具体为：
Figure BDA0003223791940000098
其中
Figure BDA0003223791940000099
为没有控制增量情况下P时域内每个时刻的初始值，A为动态响应曲线向量aT＝{a1,a2,a3，…aN}在每时刻输入增量Δu(k)经过系统后的响应值，具体为：
Figure BDA00032237919400000910
要使得优化函数最小，即：
Figure BDA00032237919400000911
则控制增量矩阵具体为：
Figure BDA00032237919400000912
Q,R分别为权重系数qi,rj的对角矩阵。
通过k时刻预测值和真实输出的误差，来校正k+1时刻的输出预测，使得下一时刻的初始预测值得到校正，经过校正之后的预测值为：
Figure BDA0003223791940000101
其中he为误差系数，一般取值为0～1，
Figure BDA0003223791940000102
通过移位矩阵实现预测值的校正，即
Figure BDA0003223791940000103
其中移位矩阵具体为：
Figure BDA0003223791940000104
重复以上的步骤可以得到每一时刻控制后的半轴处的输出转矩Ttcon，再根据反馈控制器的增益计算电机补偿转矩Tmcom。
本实施例选取优化时域P为40，控制量的数量M为20，选取权重系数qi,rj分别为0.125及0.25，选取误差系数为0.05。
为验证本发明方法的有效性，分别在不同传动间隙下进行控制前后的转矩波动对比试验，结果如图4a～4c所示，由图可知，采用本发明方法后转矩波动振荡振幅明显减小，即证明本发明方法能够有效解决混合动力汽车纯电起步扭振问题。

Claims (10)

1.一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收驾驶员模型输出的起步信号后，整车控制器输出得到电机期望转矩；
S2、根据混合动力系统纯电起步时的转矩传递路径以及传动间隙死区模型，构建混合动力系统非线性模型；
S3、根据混合动力系统非线性模型，进一步构造非线性扩张观测器；
S4、设计反馈控制器，将非线性扩张观测器的观测值输出给反馈控制器，以得到电机补偿转矩；
S5、结合电机期望转矩和电机补偿转矩，电机控制器输出得到电机控制转矩，以相应控制电机的工作状态。
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主动控制方法，其特征在于，述步骤S1具体是根据混合动力系统纯电起步时的状态空间方程，以得到电机期望转矩。
3.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，其特征在于，所述步骤S2中传动间隙死区模型具体为：
Figure FDA0003223791930000011
其中，
Figure FDA0003223791930000012
为输入端和输出端的转角差，
Figure FDA0003223791930000013
为间隙值，
Figure FDA0003223791930000014
为实际扭转角。
4.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，其特征在于，所述步骤S3中构造非线性扩张观测器的具体过程为：
S31、引入观测误差作为反馈量，根据混合动力系统非线性模型建立非线性观测器的系统状态空间模型，即非线性观测模型；
S32、使用非线性反馈代替非线性观测模型中的非线性部分，并根据反馈的观测误差确定非线性反馈，以此构造得到非线性扩张观测器。
5.根据权利要求4所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，其特征在于，所述步骤S32中非线性反馈具体是通过非线性参数β0n+1配合非线性函数gn+1(e)构造而成：
Figure FDA0003223791930000015
其中，
Figure FDA0003223791930000016
为非线性反馈。
6.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，其特征在于，所述非线性扩张观测器的观测值为半轴处的转矩波动。
7.根据权利要求6所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41、建立非线性扩张观测器的观测值与电机控制转矩之间的传递函数，得到半轴处转矩对电机转矩的动态响应曲线，并按照采样点离散成一位数组，得到动态响应数组；
S42、基于动态响应数组，结合当前时刻的电机转矩，得到当前时刻半轴处的转矩波动值，以构建半轴处输出转矩预测模型；
S43、通过在预测模型的输出中持续加入控制量，以得到控制后的预测输出；
S44、在预测时域内构造优化函数对加入的控制量进行优化，以使控制后的预测输出接近当前时刻的模型输出值；
S45、以优化函数最小作为目标，确定控制增量矩阵；
S46、结合当前时刻预测值以及真实输出的误差，对下一时刻的预测输出进行校正；
S47、重复步骤S41～S46，以得到每一时刻控制后半轴处的输出转矩；
S48、根据每一时刻控制后半轴处的输出转矩，通过计算增益，即可得到电机补偿转矩。
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主动控制方法，其特征在于，所述步骤S42中半轴处输出转矩预测模型具体为：
Figure FDA0003223791930000021
其中，
Figure FDA0003223791930000022
为k+i时刻的半轴处输出转矩预测值，
Figure FDA0003223791930000023
为k时刻前已经作用的输入在k+i时刻估计的输出值，αiΔu(k)为k时刻添加Δu(k)的控制增量后在k+i时刻的输出增量，N为动态响应数组的采样点数量；
所述步骤S43中控制后的预测输出具体为：
Figure FDA0003223791930000024
其中，M为加入的控制量总数。
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主动控制方法，其特征在于，所述步骤S44中优化函数具体为：
Figure FDA0003223791930000031
其中，qi，rj为权重系数，ref(k+i)为当前时刻的模型输出值，采用向量法表示该优化函数，有：
Figure FDA0003223791930000032
Yref(k)＝Tref(k)，
Figure FDA0003223791930000033
Figure FDA0003223791930000034
其中，
Figure FDA0003223791930000035
为k+1时刻到k+p时刻在M个控制量作用下的预测输出向量，Yref(k)为k+1时刻到k+p时刻电机输出的转矩值，
Figure FDA0003223791930000036
为没有控制增量情况下P时域内每个时刻的初始值，A为动态响应曲线向量aT＝{a1，a2，a3，...aN)在每个时刻输入增量Δu(k)经过系统后的响应值。
10.根据权利要求9所述的一种混合动力汽车纯电起步抖动主动控制方法，其特征在于，所述S45中控制增量矩阵具体为：
Figure FDA0003223791930000037
其中，Q，R分别为权重系数qi，rj的对角矩阵；
所述步骤S46中校正之后的预测值具体为：
Figure FDA0003223791930000038
Figure FDA0003223791930000039
Figure FDA00032237919300000310
Figure FDA00032237919300000311
其中，S为移位矩阵，Ycor(k+1)为下一时刻的初始校正预测值，he为误差系数，e(k+1)为下一时刻的误差值。
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