状态切换

2024-11-06

状态切换（共3篇）

状态切换篇1

摘要：基于模块化思想,针对混合动力系统开发的特点,在AVL PUMA Open动态测试系统的基础上搭建了混合动力系统试验台架。针对混合动力系统中关键技术之一的状态切换问题进行研究,提出相应的控制策略,并在混合动力系统试验台架上对状态切换的策略进行验证。试验表明,采用发动机转矩在线估计的动态控制方法能够有效地解决状态切换过程中出现的转矩突变问题,转矩波动的相对幅度可以控制在5%左右。

关键词：内燃机,混合动力系统,状态切换,控制策略

0 概述

混合动力汽车采用两个或更多的能量转换装置作为混合动力源,是当前解决环境污染和能源短缺问题的最有前途和可行性的汽车动力方案。在混合动力驱动系统中,对动力源的动力输出控制是难点,主要包括:(1)稳态或动态过程中两个动力源的能量分配和效率优化,属于能量管理研究范畴;(2)状态切换过程中动力源间的相互配合问题,属于动态动力协调控制的研究范畴,本文主要针对该问题进行研究。状态切换时由于两个动力源各自的输出转矩可能发生突变,不加以适当控制就会造成输出的总转矩在短时间内发生变化,造成车辆的平顺性、舒适性和驾驶性能下降,因此有必要在两个动力源达到各自目标转矩之前,设法动态协调控制它们进行工作,从而保证输出的转矩之和不产生较大波动。

1 混合动力试验系统

1.1 混合动力系统结构

采用的混合动力驱动系统结构为图1所示的并联式混合动力系统。系统管理层进行多能源动力系统的能量分配和动态协调控制;协调层为各功能模块的控制信号提供控制接口标准和优先级管理,不关心各模块的内部工作过程;执行层是各个具体的功能模块,这些功能模块只需满足协调层的功能要求和接口标准即可,其内部的工作机制可以多样化,可以采用不同的系统来实现。

本文研究并联混合动力工作模式切换过程的动态过程控制,在模式切换过程中变速器的挡位不变,即不涉及变速器的操作,为简化台架搭建工作,实际台架中未接入变速器。

1.2 混合动力系统试验台架

搭建的试验台架系统如图2所示。两个动力源分别是发动机和电动机,发动机为1.6 L的TU5JP发动机;电动机为YCVF160M车用变频调速三相交流电机,工作于直接转矩控制模式。选用磁粉离合器连接发动机和电动机,用于切断和连通发动机动力输出。在试验中,通过控制加速踏板调节油门位置对发动机进行控制,通过对电动机控制器发送控制信号,控制电机工作状态和转矩输出。

系统通过dSPACE控制器进行全局控制。当状态切换需要进行动态协调控制时,dSPACE计算出发动机节气门目标开度,然后根据驱动转矩需求(发动机目标转矩与电动机目标转矩之和)与估计的发动机转矩之差确定电动机目标转矩,通过向电动机控制器发送转矩命令,进行直接转矩控制。基于dSPACE控制软件制作的混合动力协调控制试验操作界面如图3所示。

2 状态切换控制策略

2.1 切换控制方法

对于并联混合动力,通常是按发动机的稳态特性进行转矩分配,然而由于在工作模式切换过程中,发动机处于动态工况,其动态转矩比相同工况下的稳态转矩有较大差异,如果还是按照发动机的稳态特性进行转矩分配,就会造成模式切换过程中总的需求转矩与期望值不同,影响汽车的性能。所以本文所用模式切换控制技术的关键就是采用发动机动态转矩估计值来进行发动机和电机的转矩分配,这样可以利用电机的快速转矩响应特性,实现模式切换过程中总的需求转矩不变。

混合动力系统状态切换的控制策略如图4所示,即:稳态转矩预分配+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿,其难点在于如何得到发动机的动态转矩值。当需要状态切换时,发动机按照一定的节气门开度变化率从现有的节气门开度变换到目标节气门开度。通过发动机转矩估计方法把发动机动态转矩估计出来,和驱动所需的目标转矩进行比较得到一个差值,并用电机的转矩进行补偿这个差值,这样可以使状态切换时转矩波动减小。

在工作模式切换的转矩调节期间,由于时间短,汽车的惯量大,车速变化小,发动机转速变化小,所以选择混合动力系统状态切换的台架试验是在恒转速模式下进行的,对于这种工况在状态切换时的发动机转矩估计采用3种不同的控制方法比较其控制效果。(1)控制方法A:按发动机稳态特性估计其实时转矩,简称稳态控制;(2)控制方法B:按发动机稳态转矩特性加上油门输出延时估计发动机实时转矩,简称稳态延时控制;(3)控制方法C:按发动机动态特性估计实时转矩,简称动态控制。

方法A作为对方法B和方法C的控制效果的参照,以对比评价后两种方法的效果。方法B采用的发动机动态转矩估计方法较简单。方法C采用基于神经网络的发动机转矩实时估计模型,比方法B复杂。

无论何种控制方式,发动机节气门开度的变化率是一致的,不同之处在于是否采用发动机节气门输出延时或电机油门输出延时,是否采用动态控制策略。不同的控制方法有利于考察采用不同控制方法的控制效果和有效性,为实际控制时采用何种策略提供必要依据。

2.2 发动机动态转矩估计方法

状态切换动态协调问题涉及到发动机转矩的实时反馈,但由于发动机转矩传感器价格昂贵,如果在车上用其来监控发动机的实时转矩,那混合动力车辆的价格将会大幅度增加。目前通用的做法是将发动机转矩实时测量反馈方式转化为对发动机转矩在线转矩估计反馈方式[1,2]。

要实现对发动机转矩的在线估计,需要深入了解发动机的转矩输出特性。通过大量的发动机稳态试验和动态试验发现,发动机在动态工况下的转矩输出特性和稳态工况下的转矩输出特性存在较大差异[3]。图5和图6是发动机在3 000 r/min时,不同节气门开度增加率和不同节气门开度减小率下的发动机转矩输出,从图中可以看到,在定转速时,不同的节气门开度变化率对应不同的发动机转矩输出。

并联混合动力系统中,发动机的节气门开度是由多能源动力总成控制器控制的,从而可以根据需要设定发动机的油门变化过程。在并联混合动力工作模式切换过程的短时间内,车速的变化较小,且发动机转矩的调节在离合器结合状态下进行,相应的发动机转速变化也较小,所以在模式切换过程中可以认为发动机的转速不变。为了便于控制和发动机瞬态转矩的估计,将节气门开度变化率设定为某一固定值,本文选取节气门开度变化率为50 %/s,以防止变化太快造成的发动机排放变差。

通过发动机试验数据进行基于神经网络的样本训练,可以得到发动机的转矩估计模型[4]。从图5和图6还可以看出,在定转速下,发动机油门变化率小于100 %/s时,其转矩输出特性近似等于将发动机的稳态转矩输出特性在时间上进行一定的延迟输出,所以也可以尝试采用这种方法对定转速和定节气门开度变化率工况下的发动机动态转矩进行估计。本文应用这两种方法估计发动机动态转矩,实施了模式切换试验。

3 试验及结果分析

本文对发动机从驱动到联合驱动、再从联合驱动到发动机驱动的切换过程进行了试验,试验控制目的是要保证在状态切换前后及状态切换过程中,动力系统输出的总转矩保持80 N·m不变。

图7和图8是在2 000 r/min恒转速、发动机节气门开度变化率为50 %/s时,分别采用3种控制方式进行状态切换的结果比较,切换前后发动机转矩分别为80 N·m和60 N·m,电动机转矩分别为0 N·m和20 N·m。

图7a和7b是发动机的目标转矩从80 N·m下降到60 N·m时,发动机的节气门开度由36 %下降到30 %,电动机的油门开度则从0 %上升到12 %时试验测得的结果。由图7可以看到,状态切换时,控制方法A转矩波动最大达18 N·m,相对幅度为22.5 %,转速波动最大达25 r/min,相对幅度为1.25 %;控制方法C测得的转矩波动减小到4 N·m,相对幅度为5 %,转速波动减小到12 r/min,相对幅度为0.6 %;控制方法B的控制效果界于上述两种方法之间,转矩波动为9 N·m,相对幅度为11.25 %,转速波动为18 r/min,相对幅度为0.9 %。

图8a和8b是当发动机的目标转矩从60 N·m上升到80 N·m时,发动机的节气门开度由30 %上升到36 %,电动机的油门开度则从12 %下降到0 %时试验测得的结果。由图8可见,控制方法A转矩波动最大相对幅度为14.58 %,转速波动最大相对幅度为1 %;控制方法C的转矩波动最大相对幅度为5.28 %,转速波动最大相对幅度为0.49 %;控制方法B的控制效果界于上述两种方法之间,转矩波动最大相对幅度为11.58 %,转速波动最大相对幅度为0.59 %。

图9是在2 000 r/min恒转速、发动机节气门开度变化率为50 %/s时,分别采用3种控制方式进行状态切换得出的结果比较。切换前后发动机的转矩分别为80 N·m和40 N·m,电动机的转矩分别为0 N·m和40 N·m。发动机的节气门开度从原来的36 %下降到25 %左右,电动机的油门则从0上升到22 %左右。状态切换前后发动机和电机的转矩和电机的转矩变化幅度比图7增加1倍。由图9可以看出,所得到的控制效果仍然是方法A最差,方法B较好,方法C最好,说明在不同的转矩变化幅度下,3种控制方法的控制效果排序一样。

由以上分析可见,在发动机单独驱动与联合驱动两种工作模式间切换时,3种方法的控制效果由好到差的顺序依次是动态控制方法C、稳态延时控制方法B和稳态控制方法A。方法C明显优于方法A,这充分验证了动态控制方法的有效性。这说明在状态切换时,电动机转矩根据估计的发动机动态输出转矩,补偿了发动机转矩和目标转矩之间的差值,有效地减小了总目标转矩的波动,波动幅值减小到最小幅度,也说明了动态转矩估计的正确性。

4 结论

(1) 基于模块化思想,利用AVL PUMA Open动态试验台搭建了混合动力系统试验台架。

(2) 发动机转矩在线估计的3种控制方法中,效果由好到差依次是动态控制方法C、稳态延时控制方法B和稳态控制方法A,方法C明显优于方法A,采用动态控制方法C进行状态切换时,转矩波动相对幅度约为5 %,能够取得最好的控制效果。

参考文献

[1]杜常清.汽车动力装置动态试验台建设与应用研究[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[2]童毅.并联式混合动力系统动态协调控制问题的研究[D].北京:清华大学,2004.

[3]郝培.基于PUMA Open动态测试系统的混合动力试验技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[4]杜常清,颜伏伍,杨平龙,等.基于BP神经网络的发动机转矩估计[J].汽车工程,2008,30(7):589-591.Du C Q,Yan F W,Yang P L,et al.Torque estimation of ve-hicle engine based on BP neural networks[J].Automotive En-gineering,2008,30(7):589-591.

挤压式状态切换吸振器设计篇2

振动是工业生产与日常生活中普遍存在的物理现象, 在大多数情况下振动均有害, 常干扰机器设备正常运行、破坏房屋建筑承载结构、发出噪声污染环境, 因此, 要对有害振动加以控制。控制振动方法最常见的有消振、隔振和吸振[1]。消振是消除或减弱振源的自身振动, 是一种治本的方法, 但很难实现。隔振是在振源和受控对象间增加隔振元件, 以降低受控对象对振源的反应, 在工程中应用较广泛, 如高层结构抗风、大跨结构抗震等。吸振是在主体上附加一个子系统产生吸振力从而反作用于受控主体, 以降低主体振动, 一般可与隔振方法同时使用, 在隔振基础上可进一步控制主体振动。吸振分为被动吸振和主动吸振。1902年Frahm发明了动力吸振器 (dynamic vibration absorber DVA) , 至今已有近百年的历史。动力吸振器一般是由振子和弹性元件以及阻尼元件组成。由于它具有结构简单, 能有效地抑制频率范围变化较小的结构与设备的振动的优点, 因此在工程实践中得以广泛的应用。但传统的动力吸振器的有效吸振带宽极窄, 一般只针对振动系统的一个频率[2]。而实际的振源往往复杂而且频带变化较大, 这就大大限制了动力吸振器的应用范围。主动吸振又分为全主动控制吸振和半主动控制吸振[3]。全主动控制吸振器是一种利用主动力来实现振动控制的装置。它在传统的被动式吸振器的基础上引入了能够实际控制的主动力环节。其工作原理是利用主动力环节为减振对象提供一个与激励力等值反向的主动力, 使其与激励力相抵消从而达到振动控制的目的。全主动式动力吸振器的最大优点是在其工作范围内可以达到极高的减振效果, 而且其吸振频段相对于传统的动力吸振器也有较大拓展。然而, 全主动式动力吸振器的缺点在于其需要附加较大的能量, 特别是当减振频率远离其固有频率时, 所需附加的能量会急剧上升, 增加了系统的复杂性, 降低了整个系统的稳定性。半主动控制吸振器是一种参数调节式动力吸振器, 其基本组成与传统的被动式吸振器相同, 不同的是其内部参数可调。其只需要较少的能量就可以实现自身的某个参数可调, 从而改变自身的固有频率。通过这种方式它可以实现对激励力频率的实时跟踪, 使吸振器保持在最佳的减振状态。

磁流变弹性体 (magnetorheologieal elastomers) 是磁流变材料的一个新的分支, 它是由软铁磁性颗粒和聚合物基体组成, 它的力学、电学诸性能可以由外加磁场来控制。即在磁场作用下, 磁流变弹性体内部颗粒被磁化后, 产生相互作用力。在磁流变弹性体受到形变时, 这些磁力在其内部形成反向力矩, 增强材料抵抗变形的能力, 这种能力会随着磁场的变化而发生变化。从宏观上看, 表现为弹性模量随磁场而变化, 即磁流变弹性体的刚度随磁场而变化。因此, 磁流变弹性体在外加磁场下会产生磁致模量和磁致阻尼。这种现象统称为磁流变弹性体的磁致效应[4]。同时, 内部的软磁性颗粒具有较小的剩磁, 故磁流变弹性体在磁场作用下还具有良好的可逆性。由于它兼有磁流变材料和弹性体的优点, 如响应快, 可逆性好, 可控能力强等, 又克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点, 因而近年来成为磁流变材料研究的一个热点。

根据磁流变弹性体的受力方向和外加磁场方向的不同, 可以分为不同的工作模式。目前常用的两种工作模式为剪切式和挤压式, 剪切式, 这种工作模式下的磁流变弹性体其外加磁场方向与颗粒的成链方向平行, 而外加载荷的方向与成链方向垂直, 颗粒链受到剪切, 所以称之为剪切模式。挤压式, 在这一工作模式下的磁流变弹性体, 其外加磁场方向与颗粒的成链方向是平行的, 而外加载荷方向与成链方向也平行, 即基体中的颗粒受到挤压, 因此称之为挤压式。在这一工作模式下的磁流变弹性体减振器具有非常强的非线性, 但其结构简单, 可以承受较大的载荷, 本文设计的磁流变弹性体减振器即工作在这一模式下。

1 磁流变弹性体材料的制备

磁流变弹性体的基本制备方法主要分为有磁场制备和无磁场制备两种。为获得更大的磁流变效应, 提高系统的灵敏度, 本文选用有场下制备磁流变弹性体。

1.1 实验材料及主要设备

Ni粉、天然橡胶、橡胶防老剂RD、液体石蜡、硫化促进剂DM、硫磺粉、天平、双辊炼胶机、电热式平板硫化机、模具、隔热手套、直流稳压电源。

1.2 实验步骤

称取10g天然橡胶、5g Ni粉、0.3g橡胶防老剂RD、0.3g液体石蜡、0.1g硫化促进剂DM、0.3g硫磺粉;启动炼胶机, 将辊距调至适当距离。放入天然橡胶, 辊炼片刻。然后交替加入Ni粉、RD、液体石蜡、硫磺粉、DM。充分辊炼混合物20~30min, 辊炼均匀后取下混合物, 放置24h;将电热式平板硫化机的硫化温度调至80℃, 然后将模具放置在硫化机的下平面中间, 启动硫化机加热模具。等待硫化机的温度升至调定的数值;带上隔热手套, 取下模具。用剪刀剪下适量的橡胶、Ni粉的混合物, 放入到模具的型腔, 然后把模具放进平板硫化机。用导线连接模具和直流稳压电源, 调节电源电压为20V, 此时模具线圈中的电流为1A、模具型腔中的磁场强度为1T。维持此时的温度和电压10min, 让橡胶基体中的Ni粉在模具的磁场中形成有序结构;调节硫化机的硫化温度为153℃, 保持此温度10min, 让橡胶完成硫化过程;关闭硫化机和直流稳压电源, 取下模具, 让其自然冷却至常温。开模, 取下制备完成的磁流变弹性体。试验中所用模具及制备出的磁流变弹性体如图1所示。

2 吸振器结构设计

2.1 吸振器磁路材料的选择

根据磁流变弹性体的工作原理可知, 磁路中的磁场是动态变化的, 因此导磁材料应易被磁化、退磁迅速, 其磁滞回线所包围的面积小, 矫顽力低。同时, 为了保证磁流变弹性体的工作区域中的磁场强度, 导磁材料要有高磁导率、低剩磁特点。综上, 本实验选择电工纯铁作为吸振器磁路材料, 能满足本实验的刚强度要求。

2.2 磁路设计

磁路设计的目的, 是设计一个低磁阻的磁路, 使得工作区域的磁场能量最大化。而在其他非工作区域, 尽量减少能量的损失, 减小不必要的漏磁。

磁路设计的典型步骤:1) 根据磁流变弹性体的饱和磁化强度, 确定磁路中最小磁通量的数值;2) 根据串联磁路磁通量处处相等, 和φ=BS (φ为磁通量, B饱和磁化强度, S为磁通面积) 确定各磁路的磁路横截面积比例;3) 选择线圈匝数和电流, NI=∑Rm, Rm为各磁路的磁阻;4) 考虑到结构复杂性和发热等因素, 选择合适的电流, 从而确定线圈匝数。本实验设计的吸振器如图2。

1—下导磁体;2—线轴;3—上导磁体;4—磁流变弹性体;5—卡夹导向器

3 结语

本文概述了传统动力吸振、全主动吸振、半主动吸振技术的各自特点, 以及将磁流变弹性体应用于半主动吸振的独特优点。并从设计实用型磁流变弹性体吸振器的角度出发, 试制了高性能的磁流变弹性体, 设计制作了实用型的吸振器。为以后高性能的状态切换吸振器的设计与优化打下了基础。

参考文献

[1]顾仲权, 马扣根, 陈卫东.振动主动控制[M].北京:国防工业出版社, 1997.

[2]Chen Y, David G Z, Viresh K W R, et al.[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2003, 16 (4) :203-211.

[3]邓华夏.磁流变弹性体半主动吸振器吸振技术的研究[J].中国科学技术大学, 2007.

状态切换篇3

问题描述及预备知识:

考虑不确定非线性切换系统

其中σ:[0, +∞) →I={1, 2LN}为切换规则, 是右连续的分段常值函数。x∈Rn是状态, d∈Rm为扰动输入, f i (⋅) , pi (⋅) 是已知的光滑函数, gi (⋅) 光滑且非奇异, δi (⋅) 是未知的光滑函数且满足:

ei是正实数, i∈I。

引理1考虑非线性切换系统

其中:x∈Rn是状态, d∈Rm为扰动输入, fi:Rn×Rm→R是关于x的局部Lipchitz函数, σ:[0, +∞) →I={1, 2LN}是右连续的分段常值函数.如果存在一组连续可微的正定函数iV (x) , i∈I和K∞类函数α1, α2与γ, 并且存在常数µ≥1, λ>0, 对∀x∈Rn, d∈Rm和∀p, q∈I满足:

若切换规则满足平均驻留时间, 则系统 (3) 关于d是输入对状态稳定的.

主要结果:

定理1对于系统 (1) , 存在一组连续可微的正定函数iV (x) , i∈I, 和K∞类函数α1, α2与ρ, 以及常数µ≥1, λ>0, 对∀x∈Rn, d∈Rm和∀p, q∈I满足:

则存在状态反馈控制器

在满足平均驻留时间的切换规则下, 闭环系统 (1) 关于d是输入对状态稳定的。

将iu的表达式代入上式得:

当时, 对于系统 (1) 的每一个子系统在

取并且切换规则满足平均驻留时间, 因此由引理1可得此结论成立。

摘要：本文针对一类含有结构不确定的非线性切换系统基于平均驻留时间的方法设计状态反馈控制器使得闭环系统是输入对状态稳定的。

关键词：非线性切换系统,不确定性,平均驻留时间,输入对状态稳定

参考文献

[1]张霞, 高岩, 夏尊铨.切换线性系统稳定性研究进展.控制与决策.Vol.25, No.10, Oct.2010.