纯电动车驱动系统鲁棒控制与状态估计研究

摘要

电机-变速器集成驱动和轮毂电机分布驱动作为纯电动车两种不同的驱动方案，是目前纯电动车电驱动系统研究的重点内容。电机-变速器集成驱动系统能使纯电动车沿用内燃机汽车的底盘系统结构，从而具有很好的继承性。轮毂电机分布驱动系统则使纯电动车拥有全新的驱动形式，并在控制上独具灵活性。驱动电机快速精确的动力学响应特性以及车载网络的广泛运用，为纯电动车驱动系统控制性能的提升创造了条件，但同时也对控制系统的鲁棒性提出了更高的研究。本文分别以纯电动客车和四轮独立驱动纯电动车为研究对象，重点考虑车载网络的影响，基于鲁棒控制理论主要展开的研究内容如下：
　　(1)纯电动客车换挡过程鲁棒控制研究。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。

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符号与缩写

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 研究现状综述

1.3 主要研究内容

第二章 基础理论

2.1 线性矩阵不等式一般形式

2.2 线性矩阵不等式方法常用引理

2.3 线性矩阵不等式问题及求解算法

2.4 本章小结

第三章 纯电动客车换挡过程鲁棒控制研究

3.1 纯电动客车换挡过程分析

3.2 电机-变速器集成驱动系统换挡过程实验研究

3.3 转速同步鲁棒控制器设计

3.4 转速同步控制器效果验证

3.5 本章小节

第四章 电机-变速器集成驱动系统振荡抑制鲁棒控制研究

4.1 动力学建模及问题描述

4.2 鲁棒控制器设计

4.3 仿真分析

4.4 本章小结

第五章 电机-变速器集成驱动系统驱动轴扭矩鲁棒估计研究

5.1 动力学建模及问题描述

5.2 鲁棒观测器设计

5.3 仿真验证分析

5.4 本章小结

第六章 四轮独立驱动纯电动车侧向运动鲁棒控制研究

6.1 动力学建模及问题描述

6.2 控制系统分析与设计

6.3 基于CarSim的仿真验证分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 研究展望与建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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