论文题目:纯电动车驱动系统鲁棒控制与状态估计研究

英文题目:Robust Control and State Estimation of E-drive System for Pure Electric Vehicles

作者:祝小元

指导教师:方宗德

培养院系:自动化学院

论文研究方向:纯电动车、网络时滞、线性矩阵不等式、鲁棒控制、状态估计

日益严峻的环境问题和能源压力推动了新能源汽车事业的蓬勃发展,世界各大汽车厂商也纷纷加紧新能源汽车领域相关技术的研发。纯电动车(PEV)作为新能源汽车重点研究对象之一,得到了来自学术界以及工业界的广泛关注。驱动系统是纯电动车的关键部件,其控制水平的优劣对纯电动车的整车性能有重要影响。因此对驱动系统的状态研究及优化有很大的实际应用意义。

(1) 纯电动客车换挡过程鲁棒(:控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持某些性能的特性。)控制研究。基于 CAN 总线对纯电动客车无离合器自动变速器换挡过程的动力学特性以及控制策略进行了分析,利用台架试验对纯电动客车无离合器换挡的可行性以及换挡控制策略的有效性进行了验证。针对实验过程中转速同步耗时过长的问题,基于 H∞控制理论和极点配置方法,对纯电动客车无离合器换挡过程中的转速同步进行鲁棒最优控制器设计,在优化转速同步控制速度和精度的同时提高控制系统抗外界负载扰动的能力。对比于串级 PI 控制器,鲁棒最优控制器能有效提高转速同步操作的控制水平。

(2) 电机-变速器集成驱动系统鲁棒控制研究。基于能量-峰值性能指标,开展电机-变速器集成驱动系统振荡抑制鲁棒控制器设计,以应对网络时滞以及外界不确定性负载扰动对系统控制的不良影响。针对事件驱动模式下网络时滞引入的非线性和不确定性,利用泰勒级数展开和矩阵多胞形模型对网络时滞进行了描述,进一步运用状态增广构建电机-变速器集成驱动系统的时滞动力学模型。仿真对比分析结果表明能量-峰值鲁棒控制器能显著提高电机-变速器集成驱动系统的振荡抑制能力。

(3)电机-变速器集成驱动系统驱动轴扭矩鲁棒观测器设计。针对车辆系统中力矩信号不便测量的问题,围绕驱动轴扭矩估计展开鲁棒观测器设计的研究。基于驱动轴弹性阻尼模型,驱动轴扭矩的估计被转化为扭转角的估计。考虑系统内部参数扰动和外界负载扰动的不良影响,加权 H∞性能指标被用来提高驱动轴扭矩观测器的抗干扰能力。区域极点配置被用来进一步优化驱动轴扭转角估计误差的收敛特性,以适应外层控制器对状态估计效率的需求。通过仿真实验分析,对鲁棒观测器的效果进行了验证。

(4)四轮独立驱动纯电动车侧向运动鲁棒控制研究。在利用双齐次 Markov 链分别描述反馈通道网络延迟和前馈通道网络延迟的基础上,提出双模态依赖的 H∞鲁棒控制器设计,以提高四轮独立驱动纯电动车侧向运动控制的稳定性,并充分运用网络时滞的信息降低控制器设计的保守性。参照四轮独立驱动纯电动车的实车数据,在 CarSim 中建立相应的仿真模型,并通过实车测试对车辆仿真模型的可靠性进行了验证。基于四轮独立驱动纯电动车的仿真模型,利用 CarSim 与 Matlab/Simulink 之间的联合仿真测试对四轮独立驱动纯电动车侧向运动 H∞鲁棒控制器的效果进行了验证。在鲁棒控制器以及观测器增益的求解过程中,基于线性矩阵不等式处理方法,鲁棒控制器以及观测器的设计问题被统一转化为带线性矩阵不等式约束的优化问题,通过调用 MATLAB 线性矩阵不等式工具箱进行底层运算,实现最优反馈增益的高效求解。

主要创新性成果

(1) 在事件驱动模式下,考虑网络时滞对电机-变速器集成驱动系统控制的不良影响。在泰勒级数展开的基础上,利用矩阵多胞形模型对网络时滞引入的不确定性进行了描述,并基于能量-峰值性能指标完成相应的鲁棒控制器设计。

(2) 利用两个齐次 Markov 链分别描述传感器到控制器时滞和控制器到执行器时滞,提出双模态依赖的 H∞鲁棒控制器设计,以提高四轮独立驱动纯电动车侧向运动控制的稳定性,并能充分运用网络时滞的信息降低控制器设计的保守性。

(3) 基于H∞控制理论和极点配置方法,实现电机-变速器集成驱动系统无离合器换挡过程中转速同步的鲁棒最优控制器设计。

(4) 利用加权H∞性能指标对电机-变速器集成驱动系统驱动轴扭矩进行鲁棒观测器设计,并结合区域极点配置,对驱动轴扭矩估计误差的收敛特性进行调整以适应外层控制器的需要。

成果名称

成果出处

获得年月

查询信息

Robust Control of Integrated   Motor-Transmission Powertrain System over Controller Area Network for   Automotive Applications

Mechanical Systems and Signal Processing

Robust Lateral Motion Control of Electric   Ground Vehicle with Random Network Induced Delays

IEEE Transactions on Vehicular Technology

Speed Synchronization Control for Integrated   Automotive Motor-Transmission Powertrain System with Random Delays

Mechanical Systems and Signal Processing

Robust Driveshaft Torque Observer Design   for Stepped Ratio Transmission in Electric Vehicles

Neurocomputing

Robust Speed Synchronization Control for   Clutchless AMT Systems in Electric Vehicles

Proceedings of the Institution of   Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering

文案整理丨蒲紫凌

美编丨凡人莫烦