CN114967440A - 增程式电动汽车转速控制方法及控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开的增程式电动汽车调速控制方法及控制***，将鲁棒H∞控制和重复控制结合起来，利用经典控制理论的相关知识，设计增程式电动汽车转速控制器；选取权函数W₁和W₂，设计转速回路期望开环回路成形对象G_n(s)，得到鲁棒稳定控制器；设计位置内模和角速度相关的位置低通滤波器，并构造对应的位置补偿器，将其结合形成位置重复控制器；利用鲁棒H∞控制可以改善由于增程式发动机模型不确定性引起的控制精度低的问题，还可以抑制***外部扰动的作用，提高***鲁棒性；位置重复控制采用位置内模结构，保证***稳定性的同时修正了频率点作用的偏移，实现对位置周期信号的抑制，提高了***的角位置跟踪精度。

Description

增程式电动汽车转速控制方法及控制***

技术领域

本发明涉及增程式电动汽车技术领域，尤其涉及一种增程式电动汽车转速控制方法及控制***。

背景技术

随着新能源技术的推广和国家政策的促进，增程式电动汽车作为纯电动汽车完全替代传统燃油车的中间过渡产品，将成为未来市场最有竞争力的新能源汽车。增程器主要由发动机和发电机及其控制器组成，具有结构简单、工况相对稳定的特点。增程式电动汽车相当于在普通的电动车上装上了一台汽油发动机，发动机输出的动力仅用于推动发电机进行发电，它有两种工作模式，第一种是当电池电量充足时，由电池直接驱动电机；第二种是当电池电量不足时，通过发动机发出的电量一部分给电池充电，另一部分直接驱动电机。

在实际应用中，为了减少车重，增程器通常采用小型化和轻量化的发动机，同时也导致其转速波动变大。增程器在运行时会受到很多干扰，这些干扰大多是周期性的信号，随着转速的变化，干扰的时间周期也随之变化，但角位置却不受转速影响。如果控制器不对这些时变的周期性干扰进行处理，***的速率平稳性以及位置跟踪精度会受到严重影响。

重复控制被用于高精度跟踪/抑制周期性信号。基于内模原理，通过在反馈回路构造出周期为T的任意周期信号内模，对误差信号进行逐周期地累积并修正其控制输出，理论上能实现对任意周期为T的参考/扰动信号的渐近跟踪/抑制。因为该内模为周期性模型，具有无限维特性，所以通过在时滞环节串联低通滤波器，提高了重复控制***的鲁棒稳定性，虽然牺牲了***的高频性能，但可以满足大多数功率集中在中低频的信号。

传统的重复控制在工业控制中广泛应用，但是也有其不足之处：(1)只能抑制时间周期不变的信号，周期信号时变时控制效果变差；(2)低通滤波器的引入会使重复控制作用的频率点发生偏移，使重复控制无法精确的抑制/跟踪周期信号。随着工业水平的不断提高，对于这类重复控制***的高精度控制研究具有重要理论和实用价值。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种增程式电动汽车转速控制方法，基于位置重复控制实现，用以提高***鲁棒稳定性，解决传统重复控制效果差的问题。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种增程式电动汽车转速控制方法，包括如下步骤：

给定角位置输入与反馈量经比较后得到误差信号；

将误差信号作为位置重复控制器的输入，所述的误差信号输入位置重复控制器后进入延迟环节，延迟环节的输出进入低通滤波器；低通滤波器的输出与下一时刻的误差信号叠加后作为鲁棒控制器的输入；

将鲁棒控制器的输出与外部干扰信号之和作为被控对象的输入；

将被控对象的输出一方面作为发动机的角位置控制信号，另一方面作为反馈量进入比较元件。

作为本发明更优的技术方案：所述的延迟环节与位置低通滤波器串联；所述的延迟环节为

由时滞模型结合位置补偿器构成；所述时滞模型并联在误差信号和鲁棒控制器的输入信号之间，是一个正反馈环节，在时域中表示为

其中T_d代表发动机旋转一个位置周期所需的时间。

作为本发明更优的技术方案：所述的位置补偿器为

其中T_c为需要补偿周期偏移的时间；所述的位置低通滤波器为

所述的位置低通滤波器满足如下：

|Q[s，v(t)][1+K(s)G(s)]^-1|＜1。

作为本发明更优的技术方案：所述的位置重复控制器为

作为本发明更优的技术方案：所述的被控对象扭矩/角位置传递函数：

其中θ为增程器发动机机械角位置，T_m为发动机扭矩，T_r为阻力矩。

本发明还有一个目的是提供一种增程式电动汽车转速控制***，在前向通道上包括位置重复控制器，所述的位置重复控制器的输入为比较元件输出的误差信号，所述的误差信号为给定角位置与反馈量相减；所述的误差信号输入位置重复控制器后进入延迟环节，延迟环节的输出进入低通滤波器；低通滤波器的输出与下一时刻的误差信号叠加后作为鲁棒控制器的输入；和鲁棒控制器，所述的鲁棒控制器的输入为位置重复控制的输出；和被控对象，所述的被控对象的输入为鲁棒控制器的输出与外部干扰信号叠加，其输出作为发动机的角位置控制信号；在反馈通道上将被控对象的输出作为反馈量进入比较元件和给定角位置比较得到误差信号。

作为本发明更优的技术方案：所述的鲁棒控制器K(s)＝W₁K_∞W₂；

式中

其中M_s为谐振峰值，w_b为频带带宽，β为在单位阶跃输入下***稳态误差的上限，W₂＝1；

式中次优控制器K_∞通过对成形后的开环传递函数G_n(s)进行正交化互质因式分解得到；利用加权函数W₁，W₂对传递函数G(s)进行加权和回路成形处理，通过调整权函数参数，使得成形后的开环传递函数G_n(s)＝W₂GW₁的奇异值曲线达到期望形状，并且G_n(s)没有右半平面零极点对消；判断鲁棒稳定增益ε大小是否在0.2～0.3之间，ε_max按以下公式得到：

其中

为G_n的正规化互质分解，对成形后的开环传递函数G_n(s)进行正交化互质因式分解得到次优控制器K_∞以及鲁棒稳定裕度ε，判断鲁棒稳定裕度ε是否在0.2～0.3的范围里，如果不满足，则返回调整权函数参数，直到ε在0.2～0.3的范围里。

本发明的有益效果如下：

本发明是基于H∞回路成形位置重复控制的增程式电动汽车转速控制方法，通过选取权函数W₁，W₂和增程式发动机模型G成形的***开环传递函数G_n＝W₂GW₁，其奇异值曲线满足低频高增益，以此来减小稳态误差；高频低增益，以此来提高闭环***的抗干扰能力。选取鲁棒性能指标，设计H∞鲁棒稳定控制器K，提高了发动机***在外界干扰下的鲁棒性能。基于内模原理的重复控制，除了把当前时刻的误差信号作用在被控对象之外，还通过时滞环节把上一时刻的误差信号叠加在被控对象上，与外界扰动进行对消，从而大大减小稳态误差。构造了与角速度相关的位置周期干扰内模，而因为重复控制中的正反馈含有时滞环节，导致***开环传递函数在虚轴上有无穷多个极点，由此带来的高增益虽然可以使***稳态误差趋向于零，但也带来了稳定性的问题。通过引入位置低通滤波器与时滞环节串联，减小了重复控制在高频段的增益，从而保证***稳定性。针对引入位置低通滤波器导致***相位偏移的问题，设计了位置补偿器，使重复控制作用的频率点更加精确。

相对于传统重复控制方法，基于位置重复控制的增程式电动汽车转速控制方法具有更好的鲁棒稳定性，对位置周期性干扰有良好的抑制效果，提高了发动机***转速的控制精度。

附图说明

图1为本发明的增程式电动汽车转速控制***设计流程图。

图2为本发明提及的经典负反馈闭环控制结构框图。

图3为本发明的H∞回路成形设计结构示意图。

图4为重复控制***原理图。

图5为本发明的增程式电动汽车转速控制***原理图；

图6为本发明的增程式电动汽车转速控制方法流程图；

图7为实施例中控制***不同时的角位置误差信号对比图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1、一种基于位置重复控制的增程式电动汽车转速控制***设计过程。

一、建立增程式电动汽车的动力学模型；二、设计鲁棒稳定控制器；三、设计位置周期干扰内模；四、设计位置低通滤波器；五、设计位置补偿器；六、设计位置重复控制器。具体过程是：

一、所述的建立增程式电动汽车的动力学的数学模型，动力学方程为：

对θ拉普拉斯变换，整理后得到扭矩/角位置传递函数

其中J为转动惯量，θ为增程器发动机机械角位置，T_m为发动机扭矩，T_r为阻力矩，S代表拉普拉斯算子。

二、设计鲁棒稳定控制器；

结合图2，对增程式发动机转速控制***设计经典负反馈闭环位置控制器，

利用被控对象的输出信号搭建一个经典负反馈闭环控制***，r(s)是***的给定位置输入，y(s)是被控对象的位置输出，e(s)是反馈***的位置误差信号，d(s)是***受到的外部干扰，u(s)是被控对象的控制输入，G(s)是***的被控对象，K(s)是***鲁棒控制器，***在100Hz采样频率下运行，在满足稳定性的前提下，当参考输入为阶跃输入时，***稳态误差为零，并保证闭环***具有一定的稳定裕度。

三、设计位置周期干扰内模；

结合图3，基于H∞回路成形算法设计鲁棒控制器K(s)，保证闭环***的鲁棒稳定性，得到基础的跟踪特性和扰动抑制特性。

确定闭环控制***的加权函数。选取W₁，设计规格如下：

其中M_s为谐振峰值，w_b为频带带宽BW，β为在单位阶跃输入下***稳态误差的上限；选取W₂＝1。

利用权函数W₁，W₂对增程式电动汽车传递函数G(s)进行加权和回路成形处理，通过调整权函数参数，使得成形后的***开环传递函数G_n(s)＝W₂GW₁的奇异值曲线达到期望形状，并且G_n(s)没有右半平面零极点对消。

鲁棒稳定增益ε代表回路成形后***所具有的鲁棒性能，判断ε大小是否在0.2～0.3之间，此时闭环***可以实现比较好的鲁棒性和鲁棒性能，ε_max可按以下公式得到：

其中

为G_n的正规化互质分解，即

和

分别为

和

的复共轭转置。

利用Matlab Robust toolbox中的ncfsyn函数对成形后的开环传递函数G_n进行正交化互质因式分解，得到了H∞控制器的次优控制器K_∞以及鲁棒稳定裕度ε，判断鲁棒稳定裕度ε是否在0.2～0.3的范围里，如果不满足，则直接返回调整权函数参数，直到ε在0.2～0.3的范围里。

利用权函数W₁，W₂和次优控制器K_∞，合成最终的鲁棒控制器K(s),K(s)＝W₁K_∞W₂，形成闭环回路。

检查此时闭环控制***的时域指标，判断***的鲁棒稳定性是否满足需求，如不满足则返回重新调整权函数参数，直到得到满足需求的闭环控制***。

四、设计位置低通滤波器；

结合图4，Inoue等人基于内模原理于1981年提出了重复控制方法。内模原理指出，若要求一个反馈控制***具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力，并且这种对误差的调节过程结构是稳定的，则在反馈回路内部必须包含一个描述外部输入信号和扰动信号特性的数学模型，该数学模型就是所谓的“内模”。重复控制方法的创新之处在于他成功地构造出一种形式简单的任意周期信号内模。通过在控制***中引入形如

的外部信号内模，将上一周期的控制误差应用于当前控制量的生成，理论上可以实现对任意周期为T的未知参考/扰动信号的渐进跟踪/抑制，对伺服***中存在的周期性扰动具有很强的抑制能力。

本实施例中，在经典闭环***的基础上用位置重复控制替代传统重复控制，在误差信号和控制器K(s)的输入信号之间并联一个时滞模型，该模型是正反馈环节，在时域中可以表示为

式中T_d代表发动机旋转一个位置周期所需的时间，随发动机角速度的变化而动态变化。G_R(s)即为周期干扰信号的位置内模。

在时滞环节串联一个位置低通滤波器，以保证***的稳定性，同时也减小重复控制作用在高频段的增益。

根据扰动的位置周期设计低通滤波器的截止频率ω_c。

为了便于实现，转化为时域后位置低通滤波器的截止频率与发动机角速度相关，为v(t)ω_c，由此得到了二阶位置低通滤波器的公式：

式中ξ为***阻尼比，V(t)代表发动机角速度，自变量是时间t。

根据小增益定理，如果下述条件满足，则基于H∞回路成形位置重复控制的增程式电动汽车转速控制***是稳定的：

|Q[s，v(t)][1+K(s)G(s)]^-1|＜1；

所设计的位置低通滤波器应满足以上定理。

将位置低通滤波器置于前向通路中与时滞模型串联，保证***的稳定性。

五、设计位置补偿器；

针对引入低通滤波器带来的相位延迟，设计位置补偿器来修正不期望的偏移，使重复控制作用的更加精准。

首先计算位置低通滤波器带来的相位延迟，得到需要补偿周期偏移的时间T_c。

根据补偿的时间T_c得到超前环节

所以位置补偿器即为

结合上述周期干扰的时滞模型和位置补偿器，构成了补偿后的延迟环节

六、设计位置重复控制器。

所述的位置重复控制器由延迟环节和低通滤波器串联组成，并联在误差信号和鲁棒控制器的输入信号之间，是一个正反馈环节。

将补偿后的延迟环节与位置低通滤波器串联，得到位置重复控制器

如图5和6所示，本发明的一种基于H∞回路成形位置重复控制的增程式电动汽车转速控制方法，将给定角位置输入r与反馈量θ的比较得到的误差信号e；将误差信号e作为位置重复控制器G_c的输入；所述的误差信号e输入位置重复控制器G_c后进入延迟环节，延迟环节的输出作为低通滤波器的输入，所述的延迟环节并联在误差信号e和鲁棒控制器K(s)的输入信号之间，延迟环节和低通滤波器串联，另一方面下一时刻的误差信号e与低通滤波器的输出信号叠加作为鲁棒控制器K(s)的输入；将鲁棒控制器K(s)的输出与外部干扰信号d之和作为被控对象的输入u；将被控对象G(s)的输出一方面作为反馈量θ输入比较元件，另一方面作为发动机的角位置控制信号。

如图7所示以角位置误差信号为控制效果的指标，可以看出，控制***采用位置内模和位置滤波器时，角位置误差的幅值比较大；当控制器采用位置内模，位置滤波器和位置补偿器时，角位置误差变得更小，这说明位置补偿器有效修正了滤波器带来的时间延迟，位置周期干扰得到了更有效的抑制，本发明的转速控制方法具有更好的鲁棒稳定性。

本发明的增程式电动汽车转速控制***，将鲁棒H∞控制和重复控制结合起来，利用经典控制理论的相关知识，设计增程式电动汽车转速控制器。选取权函数W₁和W₂，设计转速回路期望开环回路成形对象G_n(s)，得到鲁棒稳定控制器。设计位置内模和角速度相关的位置低通滤波器，并构造对应的位置补偿器，将其结合形成位置重复控制器。利用鲁棒H∞控制可以改善由于增程式发动机模型不确定性引起的控制精度低的问题，还可以抑制***外部扰动的作用，提高***鲁棒性；位置重复控制采用位置内模结构，保证***稳定性的同时修正了频率点作用的偏移，可以实现对位置周期信号的抑制，大大提高了***的角位置跟踪精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创造性精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种增程式电动汽车转速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

给定角位置输入与反馈量经比较后得到误差信号；

将误差信号作为位置重复控制器的输入，所述的误差信号输入位置重复控制器后进入延迟环节，延迟环节的输出进入低通滤波器；低通滤波器的输出与下一时刻的误差信号叠加后作为鲁棒控制器的输入；

将鲁棒控制器的输出与外部干扰信号之和作为被控对象的输入；

将被控对象的输出一方面作为发动机的角位置控制信号，另一方面作为反馈量进入比较元件。

2.如权利要求1所述的增程式电动汽车转速控制方法，其特征在于：

所述的延迟环节与位置低通滤波器串联；

所述的延迟环节为

由时滞模型结合位置补偿器构成；

所述时滞模型并联在误差信号和鲁棒控制器的输入信号之间，是一个正反馈环节，在时域中表示为

其中T_d代表发动机旋转一个位置周期所需的时间；

所述的位置补偿器为

其中T_c为需要补偿周期偏移的时间；

所述的位置低通滤波器为

所述的位置低通滤波器满足如下：|Q[s，v(t)][1+K(s)G(s)]^-1|＜1。

所述的位置重复控制器为

3.如权利要求1所述的增程式电动汽车转速控制方法，其特征在于：所述的被控对象的扭矩/角位置传递函数如下：

其中θ为增程器发动机机械角位置，T_m为发动机扭矩，T_r为阻力矩。

4.一种增程式电动汽车转速控制***，其特征在于：在前向通道上包括位置重复控制器，所述的位置重复控制器的输入为比较元件输出的误差信号，所述的误差信号为给定角位置与反馈量相减；所述的误差信号输入位置重复控制器后进入延迟环节，延迟环节的输出进入低通滤波器；低通滤波器的输出与下一时刻的误差信号叠加后作为鲁棒控制器的输入；

和鲁棒控制器，所述的鲁棒控制器的输入为位置重复控制的输出；

和被控对象，所述的被控对象的输入为鲁棒控制器的输出与外部干扰信号叠加，其输出作为发动机的角位置控制信号；

在反馈通道上将被控对象的输出作为反馈量进入比较元件和给定角位置比较得到误差信号。

5.如权利要求4所述的增程式电动汽车转速控制控制***，其特征在于：

所述的延迟环节与位置低通滤波器串联；

所述的延迟环节为

由时滞模型结合位置补偿器构成；

所述时滞模型并联在误差信号和鲁棒控制器的输入信号之间，是一个正反馈环节，在时域中表示为

其中T_d代表发动机旋转一个位置周期所需的时间；

所述的位置补偿器为

其中T_c为需要补偿周期偏移的时间。

6.如权利要求4所述的增程式电动汽车转速控制控制***，其特征在于：

所述的位置低通滤波器为：

所述的位置低通滤波器满足如下：|Q[s，v(t)][1+K(s)G(s)]^-1|＜1。

7.如权利要求4所述的增程式电动汽车转速控制***，其特征在于，所述的鲁棒控制器K(s)＝W₁K_∞W₂；

式中

其中M_S为谐振峰值，w_b为频带带宽，β为在单位阶跃输入下***稳态误差的上限，W₂＝1；

式中次优控制器K_∞通过对成形后的开环传递函数G_n(s)进行正交化互质因式分解得到；利用加权函数W₁，W₂对传递函数G(s)进行加权和回路成形处理，通过调整权函数参数，使得成形后的开环传递函数G_n(s)＝W₂GW₁的奇异值曲线达到期望形状，并且G_n(s)没有右半平面零极点对消；判断鲁棒稳定增益ε大小是否在0.2～0.3之间，ε_max按以下公式得到：

其中

为G_n的正规化互质分解，对成形后的开环传递函数G_n(s)进行正交化互质因式分解得到次优控制器K_∞以及鲁棒稳定裕度ε，判断鲁棒稳定裕度ε是否在0.2～0.3的范围里，如果不满足，则返回调整权函数参数，直到ε在0.2～0.3的范围里。

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