基于H∞濾波的傳動(dòng)力矩估計(jì)

李學(xué)軍，穆宏慧，盧星如

(1.長(zhǎng)春科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022； 2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130117)

基于H∞濾波的傳動(dòng)力矩估計(jì)

李學(xué)軍1，穆宏慧1，盧星如2

(1.長(zhǎng)春科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022； 2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130117)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系力矩?zé)o法直接測(cè)量問(wèn)題，提出基動(dòng)力學(xué)分析方法，建立傳動(dòng)系扭矩估計(jì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)未建模動(dòng)態(tài)和參數(shù)蠕變等不確定因素，設(shè)計(jì)H∞濾波器估計(jì)傳動(dòng)系的輸出力矩，仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的H∞濾波器能有效模擬傳動(dòng)系力矩的變化趨勢(shì)。

力矩估計(jì)；H∞濾波器；建模

車輛起步過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和離合器扭矩的協(xié)調(diào)控制是車輛平穩(wěn)、快速運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩通常采取與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)通信或?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法獲取[1]。由于離合器工作過(guò)程存在很強(qiáng)的非線性和參數(shù)蠕變，且傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩測(cè)量系統(tǒng)成本高和安裝條件有限，使得離合器扭矩?zé)o法直接測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和離合器扭矩的直接控制[2]，目前常采用各種估計(jì)方法或設(shè)計(jì)觀測(cè)器估計(jì)離合器傳遞扭矩[3-4]。文獻(xiàn)[1，4]基于離合器動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)Kalman濾波器估計(jì)離合器輸出扭矩，利用成熟的Kalman濾波方法估計(jì)包含離合器扭矩在內(nèi)的狀態(tài)變量。文獻(xiàn)[5]將模型誤差視為系統(tǒng)輸入，在ISS框架下設(shè)計(jì)降維的非線性觀測(cè)器。本文基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法，建立傳動(dòng)系扭矩估計(jì)系統(tǒng)模型，考慮未建模動(dòng)態(tài)和參數(shù)蠕變等不確定因素，設(shè)計(jì)H∞濾波器估計(jì)傳動(dòng)系的輸出力矩，采用Matlab仿真驗(yàn)證本文方法在估計(jì)傳動(dòng)力矩的有效性。

1 傳動(dòng)系建模

車輛傳動(dòng)系主要部件包括離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、差速器和半軸。傳動(dòng)系系統(tǒng)在建模過(guò)程中，很多文獻(xiàn)將傳動(dòng)系簡(jiǎn)化為彈簧—雙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)來(lái)研究[5]。基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法，假設(shè)傳動(dòng)軸是剛性體，變速器、主傳動(dòng)和輪邊減速模型簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)速比增矩的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)軸是簡(jiǎn)化為彈簧—雙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)，得到傳動(dòng)系動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

(2)

狀態(tài)矩陣和輸入矩陣、干擾矩陣分別為：

2 傳動(dòng)系力矩估計(jì)與仿真

設(shè)計(jì)H濾波器的狀態(tài)空間描述為：

(3)

(4)

確定濾波器參數(shù)的原則是誤差系統(tǒng)的‖Tew‖小于給定的一個(gè)正數(shù)γ。 該原則轉(zhuǎn)化為求解下列矩陣不等式的解：

(5)

以一款GDI發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其功率為160 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，變矩系數(shù)為3，傳動(dòng)比約為4.3、2.3、1.2、0.7，主傳動(dòng)比為23，驅(qū)動(dòng)剛度約為400 Nm/deg。采用本文提出的H濾波器估計(jì)傳動(dòng)系輸出力矩。圖1給出發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)門(mén)開(kāi)度，等效為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩。采用Matlab仿真軟件，搭建估計(jì)系統(tǒng)，傳動(dòng)系輸出力矩估計(jì)值如圖2所示。圖2中黑色實(shí)線為實(shí)驗(yàn)獲取的實(shí)際輸出扭矩。由仿真結(jié)果可知，仿真曲線和實(shí)際曲線的變化趨勢(shì)相同且相近，存在的偏差不顯著，對(duì)于預(yù)測(cè)傳動(dòng)系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是有效的。

圖1 電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度Fig.1 Electronic throttle opening

圖2 仿真曲線Fig.2 Simulation curve

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法，建立傳動(dòng)系扭矩估計(jì)系統(tǒng)模型，考慮建模過(guò)程忽略的非線性和參數(shù)蠕變等帶來(lái)的未建模不確定因素，設(shè)計(jì)H∞濾波器估計(jì)傳動(dòng)系的輸出力矩，采用Matlab仿真驗(yàn)證本文方法在估計(jì)傳動(dòng)力矩的有效性。

[1] 鄔學(xué)斌，張欣，陳宏偉.基于Kalman濾波的AMT車輛起步時(shí)離合器傳遞扭矩估計(jì)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2015，6(3)：224-229.

[2] Bin Wang，Bingzhao Gao，Hong Chen.Adaptive Optimal Control of Starting-up of Automated Manual Transmission[C]//Proceeding of the 11th World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA)，Shenyang，China，June 29 - July 4，2014.

[3] 萬(wàn)國(guó)強(qiáng).換擋過(guò)程動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制[D].北京：北京理工大學(xué)，2012.

[4] 高炳釗.汽車動(dòng)力傳動(dòng)系的若干非線性估計(jì)與控制研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

[5] 胡彥超.工程車輛動(dòng)力傳動(dòng)系系統(tǒng)的建模與仿真[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

Transmission torque estimation based onH∞filter

LI Xue-jun1, MU Hong-hui1, LU Xing-ru2

(1. School of Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China; 2. College of Engineering and Technology, Jilin Agricultural University, Changchun 130117, China)

Aiming at the problem that the torque of engine transmission system can not be directly measured, the basic dynamic analysis method is put forward to establish the mathematical model of the torque estimation system of the driveline. According to the uncertain factors such as unmodeled dynamic and parameter creep, theH∞filter is designed. The simulation results show that the designedH∞filter can effectively simulate the trend of the driveline torque.

Torque estimation;H∞filter; Modeling

2017-04-12

吉林省教育廳十二五科學(xué)技術(shù)(吉教科合字2014-B059)

李學(xué)軍(1968-)，女，教授，博士。

TK41

A

1674-8646(2017)12-0018-02