CN115370503A - 一种基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其包括：步骤S1：进行次级通道离线辨识，并将结果作为最初始的次级通道辨识结果；步骤S2：对发动机转速信号进行补齐，利用补齐后的信号进行转速预测，并利用预测转速估计振动频率并进行参考信号的生成；挑选频率或频段进行次级通道辨在线辨识并进行次级通道辨识结果迭代更新；步骤S3：基于参考信号与次级通道辨识结果进行主动振动控制。本发明具有能够增强次级通道辨识结果的稳定性、提高次级通道在线辨识速度、提高发动机主动悬置振动控制效果等优点。

Description

一种基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法
技术领域
本发明主要涉及到发动机控制技术领域，特指一种基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法。
背景技术
内燃机是以曲柄连杆机构组成的以往复运动为特点的热动力机。尽管在结构上还发展有回转式、凸轮盘式等，但当前主要应用的仍然是曲柄连杆机构，其具有周期性循环的工作特点，这使得内燃机中的零部件承受着周期性变动力的作用。内燃机发生各类振动现象的激励，主要来自气缸内的气体压力，以及由于主运动机构的运动而产生的惯性力。
传统上的液压悬置和橡胶悬置无法从根本上抑制发动机的振动问题。主动悬置作为一种新型的主动隔振方法，能够大幅度抑制发动机的振动问题。现有技术中所采用的发动机主动悬置隔振方法，一般是采用前馈信号与反馈信号结合的方式进行控制。所述前馈信号一般为转速信号及利用其生成的参考信号，所述反馈信号一般为误差传感器信号。
但是这种现有技术在实际控制过程中，前馈信号具有一定的时间延迟，将对控制效果产生一定的不利影响。同时，次级通道会随着时间产生一定的变化，因此需要利用次级通道在线辨识方法来消除次级通道时变性对控制的不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够增强次级通道辨识结果的稳定性、提高次级通道在线辨识速度、提高发动机主动悬置振动控制效果的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其包括：
步骤S1：进行次级通道离线辨识，并将结果作为最初始的次级通道辨识结果；
步骤S2：对发动机转速信号进行补齐，利用补齐后的信号进行转速预测，并利用预测转速估计振动频率并进行参考信号的生成；挑选频率或频段进行次级通道辨在线辨识并进行次级通道辨识结果迭代更新；
步骤S3：基于参考信号与次级通道辨识结果进行主动振动控制。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，利用扫频信号或白噪声信号激励进行次级通道辨识。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，以数表的形式进行辨识结果的调用，所述数表包括幅值-频率数表、相位-频率数表中的一种或多种。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，以插值方式进行辨识结果的调用，所述插值方式包括线性插值、样条插值中的一种或多种。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，结合缺齿对应发动机转速信号前的若干个转速进行缺齿对应发动机转速信号补齐。
作为本发明方法的进一步改进：采用数据取均值的方式进行补齐。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，通过某一时刻前补齐后的发动机转速信号进行当前时刻后一时刻发动机转速信号预测。
作为本发明方法的进一步改进：所述预测的方法为卡尔曼滤波方法或均值算法。
作为本发明方法的进一步改进：所述预测的方法包括：
对发动机转速进行初步预测：
nk+1|k＝Fnk|k+Bu
Pk+1|k＝FPn|nFT+Q
其中nk|k为第k个时刻经修正后的预估发动机信号，nk+1|k为第k+1个时刻的预估发动机信号，Pk|k为第k个时刻的发动机信号误差协方差矩阵，Pk+1|k为第k+1个时刻预估的发动机信号误差协方差矩阵，F、B、u和Q分别为状态转移矩阵、状态控制矩阵、状态控制向量和系统误差协方差矩阵；
对发动机预测转速进行修正：
y＝zk|k-Hnk+1|k
S＝HPk+1|kHT+R
Kk+1＝Pk+1|k+1HTS-1
nk+1|k+1＝nk+1|k+Kk+1y
Pk+1|k+1＝(I-Kk+1H)Pk+1|k
其中y为误差值，S为中间计算变量，H为量测矩阵，zk|k为第k个时刻实际的发动机转速，R为传感器误差协方差矩阵，Pk+1|k+1为第k+1个时刻的发动机信号误差协方差矩阵，Kk+1为第k+1个时刻的卡尔曼增益，nk+1|k+1为第k+1个时刻经修正后的预估发动机信号，I为单位矩阵。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，利用发动机预测转速得出发动机振动的二阶振动频率，并基于二阶振动频率利用相位累加的方式得出参考信号。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，在主动振动控制进行的同时，选取合理的次级通道辨识激励信号功率，并将次级通道在线辨识所需激励电压与主动振动控制所需输出电压叠加，得出实际输入给作动器的电压，并对误差传感器获取的反馈信号进行陷波滤波后通过LMS方法得出次级通道辨识结果；
结合次级通道原本辨识结果进行次级通道辨识结果的更新，其更新算法为：选取合适的比例系数μ0，则更新后的次级通道辨识结果
Figure BDA0003823389440000031
更新前的次级通道辨识结果
Figure BDA0003823389440000032
和在线通道辨识结果
Figure BDA0003823389440000033
的关系为：
Figure BDA0003823389440000034
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，将所取得的参考信号与次级通道辨识结果应用于FxLMS算法，得出输出电压；并与次级通道在线辨识所需激励电压叠加，将实际的输出电压输出给作动器，对发动机主动悬置作动力进行控制。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、本发明的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，本发明侧重于转速预测及前馈信号的优化，以及次级通道辨识结果的更新迭代，通过预测发动机转速，进一步增大控制算法的前馈部分，同时结合次级通道在线辨识方法更新次级通道辨识结果，减弱了次级通道时变性对振动控制效果的影响。
2、本发明的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，通过预测发动机转速，消减了发动机主动悬置控制过程中前馈信号的延迟，增强了次级通道辨识结果的稳定性，提高了次级通道在线辨识的速度，提高了发动机主动悬置振动控制效果。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中的控制原理示意图。
图3是本发明在具体应用实例中发动机转速图像的示意图，代表了车辆近似匀加(减)速工况。
图4是本发明在具体应用实例中控制前后振动信号的时域对比示意图。
图5是本发明在具体应用实例中控制前后振动信号的频域对比示意图。
图6是本发明在具体应用实例中FxLMS算法的原理示意图。
图7是本发明在具体应用实例中陷波FxLMS算法的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的一种基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其包括：
步骤S1：进行次级通道离线辨识，并将结果作为最初始的次级通道辨识结果；
步骤S2：对发动机转速信号进行补齐，以消除发动机转速突变，利用补齐后的信号进行转速预测，并利用预测转速估计振动频率并进行参考信号的生成；并行地，挑选频率(频段)进行次级通道辨在线辨识并进行次级通道辨识结果迭代更新；
步骤S3：基于参考信号与次级通道辨识结果进行主动振动控制。
在具体应用实例中，所述步骤S1中，本发明包括但不限于利用扫频信号、白噪声信号等激励进行次级通道辨识，这均应属于本发明的保护范围。
在具体应用实例中，所述步骤S1中，本发明最终以数表的形式进行辨识结果的调用，包括但不限于幅值-频率数表、相位-频率数表，这均应属于本发明的保护范围。
在具体应用实例中，所述步骤S1中，本发明最终以某种插值方式进行辨识结果的调用，包括但不限于线性插值、样条插值等，这均应属于本发明的保护范围。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，结合缺齿对应发动机转速信号前的若干个转速进行缺齿对应发动机转速信号补齐，但不仅限于对前若干个信号点的数据取均值的方式进行补齐。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，利用某种算法通过某一时刻前(包含当前时刻)补齐后的发动机转速信号及其他应用到的信号进行当前时刻后一时刻发动机转速信号预测。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，预测算法不但包括卡尔曼滤波方法、均值算法等，还包括其他易于想到的算法，这均应属于本发明的保护范围。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，发动机振动的二阶振动频率，其计算公式为f0＝p/30，并基于二阶振动频率利用相位累加的方式得出参考信号。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，将次级通道辨识结果标记为不稳定的频率及其所在一定范围内频带作为辨识频率(频带)。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，结合次级通道原本辨识结果，通过某种融合算法，利用在线次级通道辨识结果进行次级通道辨识结果的更新。
在具体应用实例中，所述步骤S3中，将所取得的参考信号与次级通道辨识结果应用于FxLMS算法，得出输出电压；并与次级通道在线辨识所需激励电压叠加，将实际的输出电压输出给作动器，对发动机主动悬置作动力进行控制，起到主动振动控制的效果。
如图2所示，为本示例中控制原理示意图。发动机振动通过初级通道传播到振动测量点，本实例目的即为消除发动机初级振动。在本实例中，通过发动机转速信号进行当前振动频率信号的计算，并基于当前振动频率进行发动机转速预测，通过预测转速进行参考信号的生成，并结合LMS主动振动控制算法得到作动器控制信号，并输入给作动器用以消除初级振动；同时，附加一个电压用以进行次级通道在线辨识，将在线辨识结果与离线辨识结果通过一定算法进行融合和更新，用以保证振动主动控制效果。
FxLMS算法为有源振动噪声控制中被广泛使用的算法之一，其优势在于实现简单且运算量小，它源于Widrow所提出的LMS算法，在LMS算法的基础上利用次级通道对参考信号进行了滤波，提升了主动振动噪声控制效果。
FxLMS算法具有结构简单、计算复杂度低的特点，在主动减振降噪领域被广泛采用。该算法是基于最陡下降法原理，是在最小均方(LMS)算法基础上，将控制器输出至误差传感器之间的物理通道作为次级通道考虑进去，算法框图如图6所示。
发动机在工作时会产生激励，它们具有明显的弦函数周期特性，在频域上呈现离散的窄带频谱特征，可以通过转速构建出较为精准的窄带参考信号。在FxLMS算法的基础上利用自适应陷波器对特定频率的振动进行控制，即陷波FxLMS算法，算法框图如图7所示。
陷波FxLMS算法中，陷波滤波频率一般为二阶振动频率，通过下式计算：
Figure BDA0003823389440000061
通过相位累加的方式生成连续陷波滤波参考信号：
Figure BDA0003823389440000062
式中x(n)为参考信号，fII(i)为激励频率，△t为采样时间。
参考信号在经过次级通道滤波后其表达式为：
Figure BDA0003823389440000071
式中α(n)为幅值衰减系数，
Figure BDA0003823389440000072
为相位滞后角。
结合误差传感器获取的加速度信号e(n)，通过LMS算法进行权值迭代，迭代公式为：
w(n+1)＝w(n)-μe(n)·x′(n)
式中w(n)为权值，x′(n)为次级通道滤波后的参考信号，μ为LMS算法权值迭代长。
作动器驱动信号可由下式(5)求得：
U(n)＝w(n)·x(n)。
本发明在一个具体应用实例中，详细流程包括：
步骤S100：进行次级通道离线辨识。
利用实验的方式进行次级通道辨识，并将结果作为最初始的次级通道辨识结果，并以相位-幅值数表的形式和线性插值的方式进行次级通道辨识结果的调用。
步骤S200：对发动机转速信号进行补齐，由于发动机转速传感器机械结构中存在一个缺齿，因此实际采集的发动机转速信号中存在此缺齿对应的信号，会发生发动机转速突然降低的现象，因此在本发明中，首先需要对此发动机转速信号进行补齐，补齐手段主要为对前十个信号点的数据取均值。
将补齐后的信号利用卡尔曼滤波器进行转速预测，预测步骤如下：
(1)对发动机转速进行初步预测：
nk+1|k＝Fnk|k+Bu
Pk+1|k＝FPn|nFT+Q
其中nk|k为第k个时刻经修正后的预估发动机信号，nk+1|k为第k+1个时刻的预估发动机信号，Pk|k为第k个时刻的发动机信号误差协方差矩阵，Pk+1|k为第k+1个时刻预估的发动机信号误差协方差矩阵，F、B、u和Q分别为状态转移矩阵、状态控制矩阵、状态控制向量和系统误差协方差矩阵。
(2)对发动机预测转速进行修正：
y＝zk|k-Hnk+1|k
S＝HPk+1|kHT+R
Kk+1＝Pk+1|k+1HTS-1
nk+1|k+1＝nk+1|k+Kk+1y
Pk+1|k+1＝(I-Kk+1H)Pk+1|k
其中y为误差值，S为中间计算变量，H为量测矩阵，zk|k为第k个时刻实际的发动机转速，R为传感器误差协方差矩阵，Pk+1|k+1为第k+1个时刻的发动机信号误差协方差矩阵，Kk+1为第k+1个时刻的卡尔曼增益，nk+1|k+1为第k+1个时刻经修正后的预估发动机信号，I为单位矩阵。
其中状态转移矩阵、控制向量、量测矩阵以及系统误差协方差矩阵、传感器误差协方差矩阵等根据传感器以及汽车工况等决定。
利用发动机预测转速得出发动机振动的二阶振动频率，并基于二阶振动频率利用相位累加的方式得出参考信号。
步骤S300：在主动振动控制进行的同时，选取合理的次级通道辨识激励信号功率，并将次级通道在线辨识所需激励电压与主动振动控制所需输出电压叠加，得出实际输入给作动器的电压，并对误差传感器获取的反馈信号进行陷波滤波后通过LMS方法得出次级通道辨识结果；
之后结合次级通道原本辨识结果进行次级通道辨识结果的更新，其更新算法为：选取合适的比例系数μ0，则更新后的次级通道辨识结果
Figure BDA0003823389440000091
更新前的次级通道辨识结果
Figure BDA0003823389440000092
和在线通道辨识结果
Figure BDA0003823389440000093
的关系为：
Figure BDA0003823389440000094
步骤S400：主动振动控制：与次级通道在线辨识及更新同步，将所取得的参考信号与次级通道辨识结果应用于FxLMS算法，得出输出电压；并与次级通道在线辨识所需激励电压叠加，将实际的输出电压输出给作动器，对发动机主动悬置作动力进行控制，起到主动振动控制的效果，仿真过程中发动机的转速信号如图3所示，即仿真过程中发动机定置上升工况下采集的转速数据图。最终控制效果如图4和5所示。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：进行次级通道离线辨识，并将结果作为最初始的次级通道辨识结果；
步骤S2：对发动机转速信号进行补齐，利用补齐后的信号进行转速预测，并利用预测转速估计振动频率并进行参考信号的生成；挑选频率或频段进行次级通道辨在线辨识并进行次级通道辨识结果迭代更新；
步骤S3：基于参考信号与次级通道辨识结果进行主动振动控制。
2.根据权利要求1所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用扫频信号或白噪声信号激励进行次级通道辨识。
3.根据权利要求1所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，以数表的形式进行辨识结果的调用，所述数表包括幅值-频率数表、相位-频率数表中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，以插值方式进行辨识结果的调用，所述插值方式包括线性插值、样条插值中的一种或多种。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，结合缺齿对应发动机转速信号前的若干个转速进行缺齿对应发动机转速信号补齐。
6.根据权利要求5所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，采用数据取均值的方式进行补齐。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过某一时刻前补齐后的发动机转速信号进行当前时刻后一时刻发动机转速信号预测。
8.根据权利要求7所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述预测的方法为卡尔曼滤波方法或均值算法。
9.根据权利要求7所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述预测的方法包括：
对发动机转速进行初步预测：
nk+1|k＝Fnk|k+Bu
Pk+1|k＝FPn|nFT+Q
其中nk|k为第k个时刻经修正后的预估发动机信号，nk+1|k为第k+1个时刻的预估发动机信号，Pk|k为第k个时刻的发动机信号误差协方差矩阵，Pk+1|k为第k+1个时刻预估的发动机信号误差协方差矩阵，F、B、u和Q分别为状态转移矩阵、状态控制矩阵、状态控制向量和系统误差协方差矩阵；
对发动机预测转速进行修正：
y＝zk|k-Hnk+1|k
S＝HPk+1|kHT+R
Kk+1＝Pk+1|k+1HTS-1
nk+1|k+1＝nk+1|k+Kk+1y
Pk+1|k+1＝(I-Kk+1H)Pk+1|k
其中y为误差值，S为中间计算变量，H为量测矩阵，zk|k为第k个时刻实际的发动机转速，R为传感器误差协方差矩阵，Pk+1|k+1为第k+1个时刻的发动机信号误差协方差矩阵，Kk+1为第k+1个时刻的卡尔曼增益，nk+1|k+1为第k+1个时刻经修正后的预估发动机信号，I为单位矩阵。
10.根据权利要求7所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用发动机预测转速得出发动机振动的二阶振动频率，并基于二阶振动频率利用相位累加的方式得出参考信号。
11.根据权利要求7所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，在主动振动控制进行的同时，选取合理的次级通道辨识激励信号功率，并将次级通道在线辨识所需激励电压与主动振动控制所需输出电压叠加，得出实际输入给作动器的电压，并对误差传感器获取的反馈信号进行陷波滤波后通过LMS方法得出次级通道辨识结果；
结合次级通道原本辨识结果进行次级通道辨识结果的更新，其更新算法为：选取合适的比例系数μ0，则更新后的次级通道辨识结果
Figure FDA0003823389430000031
更新前的次级通道辨识结果
Figure FDA0003823389430000032
和在线通道辨识结果
Figure FDA0003823389430000033
的关系为：
Figure FDA0003823389430000034
12.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于转速预测的发动机主动悬置的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，将所取得的参考信号与次级通道辨识结果应用于FxLMS算法，得出输出电压；并与次级通道在线辨识所需激励电压叠加，将实际的输出电压输出给作动器，对发动机主动悬置作动力进行控制。
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