CN114706299A - 基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-isg扭矩动态协调控制算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机‑ISG扭矩动态协调控制算法，包括以下步骤：步骤1，设计啮合面扭矩目标值的瞬态过渡过程；步骤2，对啮合面扭矩进行在线估计，得到啮合面扭矩观测值；步骤3，建立发动机和ISG的轴齿啮合面扭矩模型，基于所述轴齿啮合面扭矩模型设计以发动机、ISG两大旋转轴系的角加速度相等为目标的ISG扭矩前馈控制律；步骤4，针对啮合面扭矩目标值和啮合面扭矩观测值设计闭环反馈控制器；步骤5，将ISG扭矩前馈控制律和闭环反馈控制器相结合，得到最终控制律；步骤6，调节ISG扭矩，使啮合面扭矩观测值跟踪啮合面扭矩目标值。本发明解决了传统方法依赖于精确的发动机扭矩模型的问题，提高了算法的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及车辆混合动力系统技术领域，特别是涉及一种基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法。
背景技术
混合动力汽车的运行涉及发动机和电机多个动力源，其结构复杂，工作模式多样，且各动力源的动态响应特性差异显著。这使得在混合动力模式切换的过程中，对多动力源的瞬态扭矩协同困难。
以现在常见的发动机与集成式起动机发电机(ISG)系统为例，在发动机起动过程中，通常先由ISG倒拖发动机至某一转速(纯电动模式)，之后发动机方喷油、点火产生驱动力矩(混合动力模式)。由于发动机起动瞬间扭矩快速、剧烈变化，产生极高的旋转角加速度，因此很容易使得与发动机曲轴相连的驱动轴齿撞击ISG连接的轴齿，带来振动和异响。该现象既影响平顺性和震动噪声(NVH)，也影响可靠性，是当前制约该构型混合动力技术的一大瓶颈。
目前，针对诸如此类的混合动力汽车模式切换过程问题，国内外研究所采用方法主要分为三类：电机转矩主动补偿、离合器接合过程精准控制、电机转矩补偿和离合器过程协同控制。
现有技术中，研究的对象多为发动机和电机之间采用离合器连接的构型，对于发动机和ISG电机采用齿轮直连的构型研究还比较少，发动机扭矩的精准建模困难的问题也没有得到很好的解决。因此，针对发动机-ISG直连的混动构型，提出一种可以主动适应和补偿发动机扭矩建模误差、计算简单的控制算法，具有重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，包括以下步骤：
步骤1，在发动机点火起动过程中，设计啮合面扭矩目标值的瞬态过渡过程，兼顾啮合应力切换的平顺性和快速性；
步骤2，根据ISG电机转速动态方程，设计轴齿啮合面扭矩观测器，对啮合面扭矩进行在线估计，得到啮合面扭矩观测值；
步骤3，根据发动机转速动态方程和ISG电机转速动态方程，建立发动机和ISG的轴齿啮合面扭矩模型，基于所述轴齿啮合面扭矩模型设计以发动机、ISG两大旋转轴系的角加速度相等为目标的ISG扭矩前馈控制律；
步骤4，针对步骤1得到的瞬态过渡过程中的啮合面扭矩目标值和步骤2得到的啮合面扭矩观测值设计闭环反馈控制器；
步骤5，将步骤3得到的ISG扭矩前馈控制律和步骤4的闭环反馈控制器相结合，得到最终控制律；
步骤6，通过步骤5得到的最终控制律调节ISG扭矩，使步骤2得到的啮合面扭矩观测值跟踪步骤1得到的啮合面扭矩目标值，完成扭矩协调控制。
在上述技术方案中，所述步骤1中，为了避免啮合面扭矩目标值突变带来的系统饱和与超调，需对啮合面扭矩目标值设计过渡过程，确保实际啮合面扭矩能够有效跟踪上目标值，兼顾啮合应力切换的平顺性和快速性。过渡过程可采用一阶惯性环节
进行设计，即对目标值进行低通滤波，s为拉氏变换算子，τ为时间常数。
在上述技术方案中，τ的取值范围为0-1。
在上述技术方案中，所述步骤2中，利用ISG电机响应快、采集参数较准的特点，采用扩张状态观测器(ESO)的方法设计轴齿啮合面扭矩观测器。引入啮合面扭矩误差fTr作为扰动，则ISG电机转速动态方程可改写为式(1)，将式(1)写成带有扰动的一阶微分方程的标准形式如式(2)所示。
在式(2)中，a0、b0、f0为系统已知的动态，f为系统内部及外部不确定因素，即为啮合面扭矩偏差总扰动观测器观测得到的总扰动，有x＝ωISG,u＝TISG,a0＝0,
将总扰动f作为方程的扩张状态，式(2)可改写为扩张状态方程的形式如式(3)所示，根据式(3)可以得到扩张状态观测器的数学形式如式(4)所示。
式(3)中有x1＝ωISG，x2＝f。式(4)中z1、z2分别表示x1、x2的估计值，β1、β2为观测误差增益。通过式(4)可求得f，进而得到fTr。设Tr_est为啮合面扭矩观测值，则有Tr_est＝Tr+fTr，式中Tr由轴齿啮合面扭矩模型计算，fTr由式(1)得到。
在上述技术方案中，β1＝2ωo,β2＝ωo 2，ωo为观测器带宽。
在上述技术方案中，所述步骤3的发动机转速动态方程和ISG电机转速动态方程如式(5)所示，由式(5)可推导出轴齿啮合面扭矩模型如式(6)所示：
上式中，J为转动惯量，ω为转速，T为扭矩，i为啮合齿轮传动比，Tr为发动机齿轮啮合面扭矩，下标ICE和ISG分别表示发动机和ISG电机，当发动机和ISG角加速度相同，即其啮合齿轮没有碰撞，此时Tr＝0，代入式(6)可得ISG扭矩前馈控制律：
在上述技术方案中，所述步骤4中的闭环反馈控制器可以采用比例积分微分控制(PID)，也可以采用模型预测控制，自抗扰控制等常用方法。
在上述技术方案中，设经过步骤1得到的目标啮合面扭矩为Tr_ref，则啮合面扭矩误差e＝Tr_ref-Tr_est。采用PID控制的闭环反馈控制器为
式中kp、kd、ki分别表示PID控制中比例、微分、积分项的系数。
在上述技术方案中，kp的取值范围为0-10，kd的取值范围为0-5，ki的取值范围为0-5。
在上述技术方案中，所述步骤5中，最终控制律为
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.针对发动机启动过程中扭矩难以精确估计的难题，在传统的轴系旋转动力学模型的基础上，将模型偏差等效为总扰动，设计了啮合面扭矩的观测器，通过扰动观测，解决了传统方法依赖于精确的发动机扭矩模型的问题，提高了算法的鲁棒性。
2.基于啮合面扭矩模型，设计了ISG扭矩的开环控制律，实现了对扭矩的快速调节，加快了扭矩协调的速度。
附图说明
图1是本发明算法的整体结构图。
图2是某发动机和ISG电机采用齿轮直连的构型图。
图3A是实施例2中发动机转速和ISG转速的说明图，图3B是实施例2中齿轮啮合面扭矩。
图4为安排过渡过程后啮合面扭矩目标值的对比图。
图5为发动机扭矩偏小50％时啮合面扭矩观测器的观测结果(ISG未进行协调控制)。
图6为发动机扭矩延迟80ms时啮合面扭矩观测器的观测结果(ISG未进行协调控制)。
图7A为实施例3发动机扭矩偏小50％时的ISG扭矩，图7B是采用本发明技术方案后控制效果。
图8A为实施例3发动机扭矩延迟80ms时的ISG扭矩，图8B是采用本发明技术方案后控制效果。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，包括以下步骤：
步骤1，在发动机点火起动过程中，设计啮合面扭矩目标值的瞬态过渡过程，兼顾啮合应力切换的平顺性和快速性；
为了避免啮合面扭矩目标值突变带来的系统饱和与超调，需对啮合面扭矩目标值设计过渡过程，确保实际啮合面扭矩能够有效跟踪上目标值，兼顾啮合应力切换的平顺性和快速性。过渡过程可采用一阶惯性环节
进行设计，即对目标值进行低通滤波，s为拉氏变换算子，τ为时间常数，τ的取值范围为0-1。
步骤2，根据ISG电机转速动态方程，设计轴齿啮合面扭矩观测器，对啮合面扭矩进行在线估计，得到啮合面扭矩观测值；
利用ISG电机响应快、采集参数较准的特点，采用扩张状态观测器(ESO)的方法设计轴齿啮合面扭矩观测器。引入啮合面扭矩误差fTr作为扰动，则ISG电机转速动态方程可改写为式(1)，将式(1)写成带有扰动的一阶微分方程的标准形式如式(2)所示。
在式(2)中，a0、b0、f0为系统已知的动态，f为系统内部及外部不确定因素，即为啮合面扭矩偏差总扰动观测器观测得到的总扰动，有x＝ωISG,u＝TISG,a0＝0,
将总扰动f作为方程的扩张状态，式(2)可改写为扩张状态方程的形式如式(3)所示，根据式(3)可以得到扩张状态观测器的数学形式如式(4)所示。
式(3)中有x1＝ωISG，x2＝f。式(4)中z1、z2分别表示x1、x2的估计值，β1、β2为观测误差增益。通过式(4)可求得f，进而得到fTr。设Tr_est为啮合面扭矩观测值，则有Tr_est＝Tr+fTr，式中Tr由轴齿啮合面扭矩模型计算，fTr由式(1)得到，β1＝2ωo,β2＝ωo 2，ωo为观测器带宽。
步骤3，根据发动机转速动态方程和ISG电机转速动态方程，建立发动机和ISG的轴齿啮合面扭矩模型，基于所述轴齿啮合面扭矩模型设计以发动机、ISG两大旋转轴系的角加速度相等为目标的ISG扭矩前馈控制律；
发动机转速动态方程和ISG电机转速动态方程如式(5)所示，由式(5)可推导出轴齿啮合面扭矩模型如式(6)所示：
上式中，J为转动惯量，ω为转速，T为扭矩，i为啮合齿轮传动比，Tr为发动机齿轮啮合面扭矩，下标ICE和ISG分别表示发动机和ISG电机，当发动机和ISG角加速度相同，即其啮合齿轮没有碰撞，此时Tr＝0，代入式(6)可得ISG扭矩前馈控制律：
步骤4，针对步骤1得到的瞬态过渡过程中的啮合面扭矩目标值和步骤2得到的啮合面扭矩观测值设计闭环反馈控制器；所述闭环反馈控制器可以采用比例积分微分控制(PID)，也可以采用模型预测控制，自抗扰控制等常用方法，设经过步骤1得到的目标啮合面扭矩为Tr_ref，则啮合面扭矩误差e＝Tr_ref-Tr_est。采用PID控制的闭环反馈控制器为
式中kp、kd、ki分别表示PID控制中比例、微分、积分项的系数。kp的取值范围为0-10，kd的取值范围为0-5，ki的取值范围为0-5。
步骤5，将步骤3得到的ISG扭矩前馈控制律和步骤4的闭环反馈控制器相结合，得到最终控制律，最终控制律为
步骤6，通过步骤5得到的最终控制律调节ISG扭矩，使步骤2得到的啮合面扭矩观测值跟踪步骤1得到的啮合面扭矩目标值，完成扭矩协调控制。
实施例2
本实施例以某发动机和ISG电机采用齿轮直连的构型为研究对象，如图2所示。实施例中的结果为仿真结果，研究对象的仿真模型在matlab/simulink中建立。
如图3所示，在本实施例中，ISG拖动发动机起步至1000rpm，10s时发动机点火启动至目标转速1500rpm。如图3所示，10s前由ISG拖动发动机，齿轮啮合面扭矩为正；若ISG不配合发动机进行协调控制，10s发动机点火时会导致齿轮啮合面扭矩发生符号改变，造成发动机和ISG轴齿发生碰撞，产生敲击和噪声。
一种基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，包括以下步骤：
步骤1，在发动机点火起动过程中，设计啮合面扭矩目标值的瞬态过渡过程，兼顾啮合应力切换的平顺性和快速性。
过渡过程采用一阶惯性环节
其中τ取0.2，s为拉氏变换算子。
步骤2，根据发动机转速动态方程和ISG电机转速动态方程，建立发动机和ISG轴齿的啮合面扭矩模型，基于该模型设计以发动机、ISG两大旋转轴系的角加速度相等为目标的ISG扭矩前馈控制律。
所设计前馈控制律为
式中JISG为ISG转动惯量，取值为0.25kg·m2。JICE为发动机转动惯量，取值为0.5kg·m2。i为啮合齿轮传动比，取值为2。TICE为发动机扭矩，由仿真模型给出，可对其引入相应误差以模拟实际发动机扭矩难以精确估计的问题。
步骤3，根据ISG转速动态方程，设计轴齿啮合面扭矩观测器，对啮合面扭矩进行在线估计。
所设计的轴齿啮合面扭矩观测器如技术方案中式(6)所示。观测器中观测误差增益β1、β2取值为：β1＝2ωo,β2＝ωo 2。ωo为观测器带宽，取值为40rad/s。
步骤4，针对瞬态过渡过程中的啮合面扭矩目标值，设计闭环反馈控制器。
采用PID进行闭环反馈控制。设啮合面扭矩误差e＝Tr_ref-Tr_est，Tr_ref为啮合面扭矩目标值由步骤4得到，Tr_est为啮合面扭矩观测值由步骤3得到。PID控制的控制律为
式中kp、kd、ki分别表示PID控制中比例、微分、积分项的系数，分别取值为4,3,1。
步骤5，将前馈控制律和反馈控制律结合，最终控制律为
e为啮合面扭矩误差。
步骤6，通过调节ISG扭矩，使啮合面扭矩的观测值跟踪啮合面扭矩目标值，完成扭矩协调控制。
安排过渡过程后啮合面扭矩目标值与未安排时的对比如图4所示，在发动机启动后啮合面扭矩目标值为0，即发动机和ISG轴齿间不发生碰撞。安排过渡过程后啮合面扭矩目标值更为平滑，避免了未安排时啮合面扭矩目标值的突变，确保实际啮合面扭矩能够有效跟踪上目标值，同时兼顾了啮合应力切换的平顺性和快速性。
实施例3
考虑实际中发动机扭矩难以精确估计和测量，因此对仿真模型中的发动机扭矩引入了偏小50％和延时80ms的误差，以验证算法鲁棒性。
图5和图6展示了两种情况下ISG未进行扭矩协调控制时轴齿啮合面扭矩观测器的观测结果。在发动机扭矩存在误差的情况下，采用轴齿啮合面扭矩模型计算出的啮合面扭矩与实际啮合面扭矩存在较大偏差，而采用轴齿啮合面扭矩观测器观测出的啮合面扭矩能够得到较为准确的实际啮合面扭矩值。啮合面扭矩观测器能够有效应对发动机扭矩不准确的影响。
图7和图8展示了两种情况下采用本技术方案最终的控制效果。仿真结果显示，在发动机扭矩存在偏小50％和延时80ms的误差时，10s发动机点火后啮合面扭矩依然未发生符号改变，说明发动机和ISG轴齿之间并未发生碰撞，即无冲击和异响，且采用轴齿啮合面扭矩观测器观测出的啮合面扭矩与实际啮合面扭矩较为接近。啮合面扭矩实际值能够实现较为平滑下降至0，1s内趋于稳态，啮合面扭矩波动不超过15Nm。
以上结果表明，本技术方案在发动机扭矩存在误差的情况下能够避免发动机和ISG轴齿间发生碰撞，克服了传统方法依赖于精确的发动机扭矩模型的问题，提高了算法的鲁棒性，同时扭矩协调过程较为平顺，速度较快。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在发动机点火起动过程中，设计啮合面扭矩目标值的瞬态过渡过程，兼顾啮合应力切换的平顺性和快速性；
步骤2，根据ISG电机转速动态方程，设计轴齿啮合面扭矩观测器，对啮合面扭矩进行在线估计，得到啮合面扭矩观测值；
步骤3，根据发动机转速动态方程和ISG电机转速动态方程，建立发动机和ISG的轴齿啮合面扭矩模型，基于所述轴齿啮合面扭矩模型设计以发动机、ISG两大旋转轴系的角加速度相等为目标的ISG扭矩前馈控制律；
步骤4，针对步骤1得到的瞬态过渡过程中的啮合面扭矩目标值和步骤2得到的啮合面扭矩观测值设计闭环反馈控制器；
步骤5，将步骤3得到的ISG扭矩前馈控制律和步骤4的闭环反馈控制器相结合，得到最终控制律；
步骤6，通过步骤5得到的最终控制律调节ISG扭矩，使步骤2得到的啮合面扭矩观测值跟踪步骤1得到的啮合面扭矩目标值，完成扭矩协调控制。
2.如权利要求1所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，所述步骤1中，过渡过程采用一阶惯性环节
进行设计，对目标值进行低通滤波，s为拉氏变换算子，τ为时间常数。
3.如权利要求2所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，τ＝0-1。
4.如权利要求1所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，所述步骤2中，引入啮合面扭矩误差fTr作为扰动，则ISG电机转速动态方程可改写为式(1)，将式(1)写成带有扰动的一阶微分方程的标准形式如式(2)所示，
在式(2)中，a0、b0、f0为系统已知的动态，f为系统内部及外部不确定因素，即为啮合面扭矩偏差总扰动观测器观测得到的总扰动，有x＝ωISG,u＝TISG,a0＝0,
将总扰动f作为方程的扩张状态，式(2)可改写为扩张状态方程的形式如式(3)所示，根据式(3)可以得到扩张状态观测器的数学形式如式(4)所示，
式(3)中x1＝ωISG，x2＝f，式(4)中z1、z2分别表示x1、x2的估计值，β1、β2为观测误差增益，通过式(4)可求得f，进而得到fTr，设Tr_est为啮合面扭矩观测值，则Tr_est＝Tr+fTr，式中Tr由轴齿啮合面扭矩模型计算，fTr由式(1)得到。
5.如权利要求4所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，β1＝2ωo,β2＝ωo 2，ωo为观测器带宽。
6.如权利要求1所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，所述步骤3的发动机转速动态方程和ISG电机转速动态方程如式(5)所示，由式(5)可推导出轴齿啮合面扭矩模型如式(6)所示：
上式中，J为转动惯量，ω为转速，T为扭矩，i为啮合齿轮传动比，Tr为发动机齿轮啮合面扭矩，下标ICE和ISG分别表示发动机和ISG电机，当发动机和ISG角加速度相同，即其啮合齿轮没有碰撞，此时Tr＝0，代入式(6)可得ISG扭矩前馈控制律：
7.如权利要求1所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，所述步骤4中的闭环反馈控制器采用比例积分微分控制、模型预测控制或自抗扰控制。
8.如权利要求7所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，设经过步骤1得到的目标啮合面扭矩为Tr_ref，则啮合面扭矩误差e＝Tr_ref-Tr_est，采用PID控制的闭环反馈控制器为
式中kp、kd、ki分别表示PID控制中比例、微分、积分项的系数。
9.如权利要求8所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，kp＝0-10，kd＝0-5，ki＝0-5。
10.如权利要求1所述的基于轴齿啮合应力多信息融合观测的发动机-ISG扭矩动态协调控制算法，其特征在于，所述步骤5中，最终控制律为
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Citations (6)
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| CN108196445A (zh) * | 2017-12-11 | 2018-06-22 | 西北工业大学 | 一种基于双闭环自抗扰的水下机器人姿态与位置控制方法 |
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| CN111749800A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-10-09 | 天津大学 | 一种基于负载变化率主动观测的自学习转速控制方法 |
-
2021
- 2021-12-21 CN CN202111576476.6A patent/CN114706299B/zh active Active
Patent Citations (6)
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|---|
| 谢辉;李梦觉;宋康;: "基于负载转矩主动观测的农用柴油机瞬态过程控制研究", 内燃机工程, no. 03, 15 June 2020 (2020-06-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114706299B (zh) | 2024-06-11 |
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