基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方法

文档序号:10572278阅读:410来源:国知局
基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方法,包括以下步骤:S1,对混合动力汽车电气层的拓扑结构进行数学建模;S2,对系统模型进行变换;S3,分别将L1、L2、R1、R2、Cdc用基准值和时变不确定项表示;S4,结合步骤S3,将步骤S2中的模型表示为带有不匹配集总扰动项的模型;S5,使用基于干扰观测器的方法,求解控制器μ1和μ23。与现有技术相比,本发明有利于控制系统发挥其闭环调节能力并有效抑制内部参数摄动及外部干扰的影响,提高控制系统的鲁棒性,对于混合动力电动汽车相关技术发展具有较好的应用价值。
【专利说明】
基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种混合动力汽车电气层控制方法,尤其是涉及一种基于主动不确定 性抑制的混合动力汽车电气层控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来,随着石油资源短缺,环境污染严重,发展新型节能环保的电动汽车,成为 国际社会共同关注的重大问题。因此,混合动力汽车在汽车工业领域得到了快速发展。
[0003] 混合储能系统采用质子交换膜燃料电池作为主要动力源与超级电容器作为辅助 动力源并联的方式,通过单向升压型变换器控制燃料电池的放电,双向升降压型变换器控 制超级电容器的充放电,这两个变换器与驱动交流电动机运行的DC/AC逆变器共同连接在 同一条直流总线上。当系统内外部环境发生变化时,即汽车在启动、加速或是紧急制动的情 况下,需要稳定直流总线电压以确保汽车可以平稳运行。
[0004]对于混合动力汽车能量存储系统电气层的建模与非线性控制,国内外研究学者已 经做了大量的研究工作。目前已有的研究方法主要包含如PID控制、变结构滑模控制、神经 网络控制以及模糊逻辑控制等。虽然这些方法在一定程度上改善了系统的性能,但忽略了 系统内在的不确定性、未建模动态和其他的一些非线性动态特征,而主要是集中于系统的 鲁棒稳定性分析。
[0005] 众所周知,混合能量存储系统电气层的直流变换器是一个很常见的非线性时变系 统,在控制器中系统的不确定性往往会被忽略,从而降低控制设计的难度。但是从实际的角 度考虑,许多电子元器件的物理特性并非是线性的,这些不确定性的存在是无法避免的。比 如电感磁芯的磁性饱和会影响电感的连续变化,电阻随着环境温度的变化而呈现出非线性 特性等。在控制器的设计过程中,这些不确定性因素往往会对系统的控制性能带来不利的 影响,上述已有的研究方法对这些不确定性或许会无能为力,从而不能保证系统在受到扰 动后恢复稳态运行或者恢复稳定运行的时间较慢一些,可能导致系统的鲁棒性能变差。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效提高控制 系统鲁棒性的基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方法。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008] -种基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方法,所述的电气层包括 与燃料电池连接的boost电路以及与超级电容器连接的双管buck-boost电路,所述的boost 电路和双管buck-boost电路输出端并联且连接逆变器,所述的boost电路包括第一电感U 和第一开关管&,所述的双管buck-boost电路包括第二电感L2、第二开关管S2和第三开关管 S3,第二电感1^2-端连接超级电容器输出端正极,另一端分别连接第二开关管&的集电极与 第三开关管S3的发射极,第二开关管S2的发射极接地,第三开关管S3的集电极与boost电路 的输出端正极连接,其特征在于,所述的方法包括以下步骤:
[0010]
[0009] SI,对混合动力汽车电气层的拓扑结构进行数学建模,表达式如下:
[0011]
[0012]
[0013 ]其中,Ri为第一电感U的串联电阻,R2为第二电感L2的串联电阻,Cf为与燃料电池输 出端并联的电容,Cd。为与boost电路和双管buck-boost电路输出端并联的电容,if。、is。分别 为Li、L2中的电流,vd c为直流总线电压,μι、μ2、μ3分别为第一开关管Si、第二开关管S2和第三 开关管S3的占空比,k定义如下:在电流i sc;>0,即双管buck-boost电路工作在boost状态下,k =1,在电流iscXO,即双管buck-boost电路工作在buck状态下时,k = 0;
[0014] 32,令叉1 = 1£。,叉2=13。,叉3 = ¥此,423 = 1^(1-42) + (1-1〇43,对系统模型进行变换:
[0015]
[0016]
[0017] ^'dc ^dc
[0018] S3,考虑两个变换器电路中电容、电阻和电感参数的时变不确定性,分别将Li、L2、 尺1、1?2、0 (1。用基准值和时变不确定项表示:
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中,LiQ、RiQ和Co为与Li、Ri和Cdc--对应的基准值,⑴、Μ/)和Δ c(t)为与 U、Ri和Cd。--对应的时变不确定项,下标i = 1或2;
[0023] S4,结合步骤S3,将步骤S2中的模型表示为带有不匹配集总扰动项的模型:
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]其中,山⑴汕⑴士⑴为不匹配集总扰动项,表达式为:
[0028]
[0030] S5,使用基于干扰观测器的方法,求解控制器μ#Ρμ23,计算式如下:
[0031]
[0032]
[0033]其中讲控制与燃料电池连接的boost电路,μ23控制与超级电容器连接的双管buck- boost电路,和4(/)为与不匹配集总扰动项di(t)、d2(t)和d3(t)--对应的干 扰观测器,可分别估计各自扰动值,lu、k2分别为常数增益, 考信号,其中ifad、isc;d为期望的常值变量,、4?分别为if。〇1、isc;d的微分,X3d满足如下微分 等式:
[0034]
[0035] 所述的常数增益1.5。
[0036] 所述的常数增益k2> 1.5。
[0037] 所述的步骤S5中,干扰观测器采用反步控制法和李雅普诺夫理论进行设计。
[0038]所述的步骤S5具体包括以下步骤:
[0039] S51,分别令?、Χ2、Χ3与对应参考信号之差为输出误差;
[0040] S52,对输出误差求导并设置非线性干扰观测器;
[0041] S53,结合反步控制法和李雅普诺夫理论对非线性干扰观测器进行设计,求解控制 器m和μ23即主动干扰抑制律,使得直流总线电压在一个比较满意的精度要求下,可以精确 地跟踪其参考电压值。
[0042] 与现有技术相比,本发明考虑到混合能量存储系统内部不确定性的存在,基于干 扰观测器的主动不确定性抑制律可以有效地估计集总扰动,并在控制器中进行主动补偿抑 制,使系统的模型更加理想,从而可以取得较高性能的控制效果,提高系统的鲁棒性能。
[0043] 本发明使用的基于干扰观测器的控制(Disturbance-Observer-Based Control, 简称D0BC)方法具有以下优点:①结构简单,可以根据控制性能的不同要求结合不同的控制 规律,易于在线整定和工程实现;②研究的干扰具有更广泛的干扰类型,不仅局限于范数有 界的或中立稳定的干扰,也可以是依赖于时变参数的模型或具有其他的动态性质等;③ D0BC研究的是当干扰出现时闭环系统的稳定性。它的基本思想是:控制器设计构造为两部 分的复合。一部分是根据系统输出(或状态)设计的观测器,并利用这个估计值来抵消干扰; 另一部分是对标称系统(不考虑干扰信号)设计的镇定器。与现有的干扰观测器控制方法的 区别点在于:现有干扰观测器解决的主要是针对于在输入通道里的匹配干扰,而本发明使 用的干扰观测器控制方法不仅可以处理匹配干扰,也可以解决不匹配干扰,这个干扰可以 是在任意通道中的。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明混合动力汽车的燃料电池与超级电容器混合能量存储系统结构图;
[0045] 图2为本发明混合动力汽车的燃料电池与超级电容器混合能量存储系统电路拓扑 结构图;
[0046] 图3为发明控制方法流程图;
[0047] 图4为本发明控制系统简洁的传递函数示意图;
[0048] 图5为本实施例仿真中控制信号m随时间变化曲线,其中实线表示使用本发明方 法的仿真曲线,虚线表示未使用本发明方法的仿真曲线;
[0049]图6为本实施例仿真中控制信号u23随时间变化曲线,其中实线表示使用本发明方 法的仿真曲线,虚线表示未使用本发明方法的仿真曲线;
[0050] 图7为本实施例仿真中直流总线电压受到扰动影响的时间变化曲线,其中实线表 示使用本发明方法的仿真曲线,虚线表示未使用本发明方法的仿真曲线。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0052] 实施例
[0053] -种针对燃料电池混合动力汽车的电气层的基于干扰观测器的主动不确定性抑 制方法,首先需要对系统进行数学建模分析,然后针对在系统功率变换器存在元件参数不 确定的情况下,利用基于干扰观测器的方法结合反步递归设计思想和李雅普诺夫稳定性理 论,设计一个主动抗干扰控制律,使得直流总线电压在一个比较满意的精度要求下,可以精 确地跟踪其参考电压值。
[0054] 本发明混合动力汽车的燃料电池与超级电容器混合能量存储系统结构如图1所 示,系统的电路拓扑结构如图2所示,燃料电池超级电容器混合动力汽车是一个典型的多输 入多输出、非线性强耦合复杂系统,本发明方法主要针对燃料电池与超级电容器混合动力 汽车的电气层进行建模和主动抗扰控制研究。该混合储能系统采用质子交换膜燃料电池作 为主要动力源与超级电容器作为辅助动力源并联的方式,通过单向升压型变换器控制燃料 电池的放电,双向升降压型变换器控制超级电容器的充放电,这两个变换器与驱动交流电 动机运行的DC/AC逆变器共同连接在同一条直流总线上。当系统内外部环境发生变化时,即 汽车在启动、加速或是紧急制动的情况下,需要稳定直流总线电压以确保汽车可以平稳运 行。
[0055]系统的数学模型为:
[0056]
[0057] '·
[0058]
[0059] 所设计的控制器具体步骤如下所示:
[0060] 首先定义输出误差zi = xi-ifcxi,贝可求其导函数为
[0061] ^10 ^10
"-?0
[0062] 为了估计不匹配集总扰动cbU),对為子系统引进一个非线性干扰观测器
[0063]
[0064]
[0065]其中出>0。为干扰增益,P1为引进的中间变量,并非系统内部的状态变量。干扰观测 器误差定乂为,其导函数为^ +走。
[0066] 构造一个李雅普诺夫函数K彳+|彳,其时间导数可计算如下
[0067]
[0068]控制器讲设计为如下形式
[0069]
[0070] 其中1^彡1.5是一个常数增益,Z3 = X3-X3d是一个阻尼项,其目的是调节输出响应。 此时可得
[0071]
[0072] 其次,令Z2 = x2-iscd,则关于时间的导函数为
[0073] Δ?. Δ\!
2λ)
[0074] 构造一个干扰观测器来估计d2(t):
[0078] 构造李雅普诺夫函数F2 = Κ +备z22 ,其时间导数为2.2.
[0075]
[0076]
[0077] 其中h2>0是观测器增益,观测器误差及其导函数分别为巧=4 -义,t: = -/γ2 H- 4。
[0079]
[0080] 因此,可设计出控制器μ23为
[0081]
[0082] 其中k2>=1.5是常数增益,将控制器μ23表达式代入&中可得
[0083]
[0084] 同理,如上戶斤述,引进非线性干扰观测器:Μ%. - A )..,4 > 〇,兵=(1 _ Α)式-+/Λι _+先 来估计扰动d3(t)。观测器误差及其导函数分别为£>3 =i/3-J3,?3 =-~?;,+<?3。
[0085] 可构造李雅普诺夫函数巧=F2 +|ζ32 其导函数计算结果如下:
[0086] \ υ υ
υ /
[0087] x3d作用是为了调节输出响应电压使其稳定在100V左右,为了保证系统满足李雅普 诺夫稳定,X3d应满足如下微分等式:
[0088]
.5是常数增益, 将其代入h不等式中可得:
[0089]
[0090]则可知设计的两个控制器为:
[0093] 选择合适的干扰观测器增益%2 |,i = 1,2,3,则$可简化为
[0091]
[0092]
[0094]
[0095] 基于李雅普诺夫稳定性理论可以验证闭环系统是全局输入到状态稳定的。
[0096] 图5、图6、图7为系统仿真图,其中实线表示使用本发明方法的仿真曲线,虚线表示 未采用该方法的仿真曲线。从仿真图可以看出直流总线电压受到扰动影响后,在一个比较 满意的精度要求下,可以准确地跟踪其参考电压值。通过仿真效果对比,表明了本发明方法 的有效性及可行性。
[0097] 本方法在系统受到内在不确定性以及外部干扰而形成的不匹配扰动时,保证直流 总线电压的稳定,以确保汽车可以平稳地运行。为了提升直流总线电压控制的鲁棒性,采用 复合控制策略,即结合反步递归设计方法和李雅普诺夫稳定性理论,通过一个非线性干扰 观测器来估计和补偿不匹配集总扰动,从而设计出一个具有不确定性主动抑制的鲁棒控制 器。该方法可以对干扰进行软测量后主动前馈补偿,有利于控制系统发挥其闭环调节能力 并有效抑制内部参数摄动及外部干扰的影响,从而提高控制系统的鲁棒性,对于混合动力 电动汽车相关技术发展具有较好的应用价值。
【主权项】
1. 一种基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方法,所述的电气层包括与 燃料电池连接的boost电路以及与超级电容器连接的双管buck-boost电路,所述的boost电 路和双管buck-boost电路输出端并联且连接逆变器,所述的boost电路包括第一电感LdP 第一开关管S1,所述的双管buck-boost电路包括第二电感L2、第二开关管S2和第三开关管 &,第二电感1^ 2-端连接超级电容器输出端正极,另一端分别连接第二开关管S2的集电极与 第三开关管S3的发射极,第二开关管S2的发射极接地,第三开关管S3的集电极与boost电路 的输出端正极连接,其特征在于,所述的方法包括以下步骤: S1,对混合动力汽车电气层的拓扑结构进行数学建模,表达式如下:其中,Ri为第一电感L1的串联电阻,R2为第二电感L2的串联电阻,Cf为与燃料电池输出端 并联的电容,Cdc为与boost电路和双管buck-boost电路输出端并联的电容,if。、isc分别为 Li、L2中的电流,Vdc为直流总线电压,μι、μ2、μ3分别为第一开关管Si、第二开关管S2和第三开 关管S3的占空比,k定义如下:在电流i sc>0,即双管buck-boost电路工作在boost状态下,k = 1,在电流iscXO,即双管buck-boost电路工作在buck状态下时,k = 0; 32,令叉1 = 1化,叉2 = 13。,叉3 = ¥此,423 = 1^(1-42) + (1-1〇43,对系统模型进行变换:S3,分别将L1、L2、Ri、R2、Cdc用基准值和时变不确定项表示:其中,LiQ、RiQ和Co为与Li、Ri和Cdc--对应的基准值,气(?)、和λ c⑴为与Li、Ri和 Cdc--对应的时变不确定项,下标i = 1或2; S4,结合步骤S3,将步骤S2中的模型表示为带有不匹配集总扰动项的模型:其中,dKthcbUhcbU)为不匹配集总扰动项,表达式为:S5,使用基于干扰观测器的方法,求解控制器μ#Ρμ23,计算式如下:其中μι控制与燃料电池连接的boost电路,μ23控制与超级电容器连接的双管buck- boost电路,4(?).、i2(i)和4(?)为与不匹配集总扰动项di(t)、d2(t)和d3(t)--对应的干 扰观测器,ki、k2分别为常数增益,ifcd、iscd、X3d分别为χι、Χ2、Χ3的参考信号,其中if cd、iscd为 期望的常值变量,、4??分别为if。<1、isc;d的微分,X3d满足如下微分等式:2. 根据权利要求1所述的一种基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方 法,其特征在于,所述的常数增益1.5。3. 根据权利要求1所述的一种基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方 法,其特征在于,所述的常数增益k2^ 1.5。4. 根据权利要求1所述的一种基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方 法,其特征在于,所述的步骤S5中,干扰观测器采用反步控制法和李雅普诺夫理论进行设 计。5. 根据权利要求1所述的一种基于主动不确定性抑制的混合动力汽车电气层控制方 法,其特征在于,所述的步骤S5具体包括以下步骤: S51,分别令X1、X2、X3与对应参考信号之差为输出误差; 552, 对输出误差求导并设置非线性干扰观测器; 553, 结合反步控制法和李雅普诺夫理论对非线性干扰观测器进行设计,求解控制器yi 和 μ23。
【文档编号】H02M7/44GK105932878SQ201610394248
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】薛刘朋, 张传林, 李辉, 贺帅鹏, 黄瑶妹
【申请人】上海电力学院
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