一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法，通过对车载换挡电磁阀的运动机理，建立合理车载换挡电磁阀的数学模型；对建立的车载换挡电磁阀数学模型进行归一化处理，得车载换挡电磁阀控制系统动力学方程；根据车载换挡电磁阀控制系统动力学方程，基于微分平坦理论设计非线性控制器，选取控制量与被控量，推导非线性控制器的前馈控制律与反馈控制律；基于推导出的控制率，设计位移与速度估计器，对车载电磁阀的阀芯位移及速度进行估计。

A model based design method for control system of vehicle shift solenoid valve

The invention discloses a control system design method of a model-based vehicle-mounted shifting solenoid valve, establishes a mathematical model of a reasonable vehicle-mounted shifting solenoid valve through the movement mechanism of the vehicle-mounted shifting solenoid valve, normalizes the mathematical model of the established vehicle-mounted shifting solenoid valve, and obtains the control system dynamics of the vehicle-mounted shifting solenoid valve. According to the dynamics equation of the control system of the vehicle-mounted shifting solenoid valve, the nonlinear controller is designed based on the Differential Flatness theory, and the feedforward control law and feedback control law of the nonlinear controller are deduced by choosing the control variables and the controlled variables. Based on the derived control rate, the displacement and speed estimator is designed for the vehicle-mounted solenoid valve. The displacement and speed of the spool are estimated.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法
本专利技术针对搭载有湿式离合器的自动换挡车辆，为其离合器的换挡电磁阀提供一种基于模型的控制系统设计方法及系统硬件在环实验测试方案，属于汽车电控系统开发领域。
技术介绍
为了提高换挡的平顺性，需对自动变速箱离合器的分离/结合进行精确控制，尤其对于双离合式自动变速器(AT\DCT)，为了避免换挡过程发生动力干涉或中断，换挡过程中两个离合器的配合控制非常关键。针对采用液压执行机构的换挡过程，离合器的结合/分离靠调节电磁阀的压力实现。由于液压系统本身存在迟滞、液压弹性模量受温度变化影响，以及执行机构输出饱和受限等特征，使得换挡电磁阀具有死区、饱和、滞环等较强非线性，加之车载运行工况复杂多样，工程化的离合器控制系统开发存在标定工作量大，周期长且性能提升受限的问题。针对这样的现状，基于模型的控制系统设计与仿真-实物相结合的测试环境成为目前汽车控制系统研发的策略趋势。本专利技术借助这样一种思路，提出一种基于模型的、易于工程实现的电磁阀压力控制系统设计方法，结合换挡控制硬件在环实验平台完成了对所提出控制方案及方法的有效性验证，为先进理论控制方法应用到智能化车辆系统中提供一种设计思路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提高换挡过程离合器压力控制精度，提供一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法，通过模型的理论推导与基于实验平台的验证，充分表明该控制系统不仅可以快速稳定的实现离合器结合和分离，而且实时性较好，具有工程实现的良好基础。针对现有问题，一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法，包括以下步骤：步骤一、车载换挡电磁阀的数学建模：通过对车载换挡电磁阀的运动机理，建立合理车载换挡电磁阀的数学模型；步骤二、车载换挡电磁阀的控制系统设计：2.1)对所述步骤一建立的车载换挡电磁阀数学模型进行归一化处理，得车载换挡电磁阀控制系统动力学方程；2.2)基于微分平坦的非线性控制器设计：根据车载换挡电磁阀控制系统动力学方程，基于微分平坦理论设计非线性控制器，选取控制量与被控量，推导非线性控制器的前馈控制律与反馈控制律；2.3)基于步骤2.2)推导出的控制率，设计位移与速度估计器，对车载电磁阀的阀芯位移及速度进行估计。进一步地，所述步骤一建立的车载换挡电磁阀的数学模型包括：电磁力与阀芯位移及输入电流的关系，可表示为：Fmag＝f(i,xs)其中，xs为阀芯位移，i为电磁线圈内的电流，Fmag为电磁力；阀芯的左右移动与离合器换挡电磁阀输出液压的关系，可表示为以下运动方程：其中，Pr为离合器换挡电磁阀输出压力；Al,Ar分别为阀芯左右两端的截面积；mv为阀芯的质量；Cv为液压阻尼系数；电磁阀输出压力的动态表达式为：其中，Qo为出油孔处的流量；Ps为进油孔处的液压，可认为是常量；Pt为油箱内的压力；Cq为阀孔流量系数；ρ为液压油密度；ds为阀芯直径；xs为阀芯位移；Vt为主腔容积；βe为弹性模量；xu为阀芯从初始位置到泄油孔完全关闭所需的行程。更进一步地，所述步骤2.1)获得车载换挡电磁阀控制系统动力学方程的过程包括：定义状态变量为选取控制量u＝Fmag＝f(i,xs)，得描述控制系统动力学的状态空间方程为：其中，Qo为出油孔处的流量；Ps为进油孔处的液压，可认为是常量；Pt为油箱内的压力；Cq为阀孔流量系数；ρ为液压油密度；ds为阀芯直径；xs为阀芯位移；Vt为主腔容积；βe为弹性模量；xu为阀芯从初始位置到泄油孔完全关闭所需的行程；Pr为离合器换挡电磁阀输出压力；Al,Ar分别为阀芯左右两端的截面积；mv为阀芯质量；Cv为液压阻尼系数。更进一步地，所述步骤2.2)基于微分平坦的非线性控制器设计包括以下过程：(1)选取平坦输出量：输出量与输入量之间的直接表达关系为如下的微分形式：其中，A3(y,x2)＝[a1”(y)+b1”(y)·x2][a1(y)+b1(y)x2]2+b1(y)+kv·a3(y,x3)A2(y,x3)＝2b1'(y)·kv·x3A1(y,x2)＝a1'(y)+b1'(y)·x2B＝kv·ku其中，a1'(y)，a1”(y)，b1'(y)，b1”(y)分别是函数a1(x1)，b1(x1)对y＝x1的一阶及二阶导数；y＝x1为控制系统的平坦输出；控制系统的状态量与输出量用平坦输出及平坦输出的有限阶导数表示，如下：x1＝y(2)前馈控制律推导：设期望的离合器压力为则当系统输出达到期望值，即y＝yd时，可得到状态量x2，x3的期望值及期望的控制律ud为：(3)反馈控制律推导：反馈控制基于误差值的控制律Δu为：Δu＝k1e1+k2e2+k3e3其中，k1，k2，k3为控制器可调参数；跟踪误差为e1＝y-yd；跟踪误差为e2＝x2-x2d；跟踪误差e3＝x3-x3d；总控制律u为：u＝ud+Δu更进一步地，所述步骤2.3)设计位移与速度估计器包括以下过程：测量的输出为y＝x1，被估计的状态为z＝[x2x3]T，推导得估计器的状态空间方程为：其中，F(y)＝a1(y)G(y)＝[b1(y)0]选择真实值和估计值作为校正项，得到估计器形式如下：其中，估计器增益为第一个估计器增益设置为零，定义新的状态δ为：得到位移与速度估计器为：综上，采用上述的技术方案，本专利技术带来的有益效果是：1)本专利技术所提出的离合器压力控制系统的设计方案，以及纯仿真或仿真-实物相结合的验证技术，可虚拟构建不同运行工况进行控制性能的初步验证，可为前期系统开发方案可行性论证的依据，同时该设计明显缩短了控制器的开发周期，提高了控制性能。2)本专利技术所采用的非线性控制方法各模块设计依据明确，而且具有工程化的结构形式，加之本专利技术的实验验证，可见该控制系统具有工程应用的潜能，同时该方法也可应用于位置电磁阀、流量电磁阀等的系统控制中，设计思路和方法具有可推广性。附图说明图1为换挡电磁阀的结构；图2为换挡电磁阀的控制框图；图3为硬件在环实验平台方案图；图4为电磁力与阀芯位移及电流的数值关系；图5为稳态工况下的实验结果；图6为动态工况下的实验结果；具体实施方式以下结合附图详细介绍本专利技术的技术方案及其仿真试验。本专利技术整体方案：车载换挡电磁阀的数学建模：通过换挡电磁阀的结构和工作原理，给出可用于控制器设计的系统动力学方程。车载换挡电磁阀的控制系统设计：基于微分平坦理论，选取合理的控制量与被控量。推导前馈控制与反馈控制律。针对控制系统中输入信息不可测量的实验问题，设计了非线性估计器对电磁阀的阀芯位移及速度进行估计。硬件在环实验验证：给出控制系统硬件在环实物仿真实验平台及验证方案，通过实验结果证明所设计控制系统和测试方法的有效性。为清楚阐明本
技术实现思路
，分三部分进行详细说明。第一部分给出电磁阀的工作机理及数学描述；第二部分，基于微分平坦理论给出控制系统的详细设计过程；第三部分给出控制系统基于实验平台的验证过程。(一)换挡电磁阀的机理分析1)换挡电磁阀工作原理描述为了直观描述电磁阀的工作原理，将换挡电磁阀实物内部结构简化为图1所示，换挡电磁阀主要由电磁线圈10、阀芯5以及阀体6三部分组成。阀芯5将阀体6内部分成四个腔：两个压力反馈腔1/4、一个压力调节腔(主腔)2以及一个恒压腔3。阀体外壳上有进油孔7、出油孔11和泄油孔9，分别与供油源13本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、车载换挡电磁阀的数学建模：通过对车载换挡电磁阀的运动机理，建立合理车载换挡电磁阀的数学模型；步骤二、车载换挡电磁阀的控制系统设计：2.1)对所述步骤一建立的车载换挡电磁阀数学模型进行归一化处理，得车载换挡电磁阀控制系统动力学方程；2.2)基于微分平坦的非线性控制器设计：根据车载换挡电磁阀控制系统动力学方程，基于微分平坦理论设计非线性控制器，选取控制量与被控量，推导非线性控制器的前馈控制律与反馈控制律；2.3)基于步骤2.2)推导出的控制率，设计位移与速度估计器，对车载电磁阀的阀芯位移及速度进行估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、车载换挡电磁阀的数学建模：通过对车载换挡电磁阀的运动机理，建立合理车载换挡电磁阀的数学模型；步骤二、车载换挡电磁阀的控制系统设计：2.1)对所述步骤一建立的车载换挡电磁阀数学模型进行归一化处理，得车载换挡电磁阀控制系统动力学方程；2.2)基于微分平坦的非线性控制器设计：根据车载换挡电磁阀控制系统动力学方程，基于微分平坦理论设计非线性控制器，选取控制量与被控量，推导非线性控制器的前馈控制律与反馈控制律；2.3)基于步骤2.2)推导出的控制率，设计位移与速度估计器，对车载电磁阀的阀芯位移及速度进行估计。2.如权利要求1所述的一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法，其特征在于，所述步骤一建立的车载换挡电磁阀的数学模型包括：电磁力与阀芯位移及输入电流的关系，可表示为：Fmag＝f(i,xs)其中，xs为阀芯位移，i为电磁线圈内的电流，Fmag为电磁力；阀芯的左右移动与离合器换挡电磁阀输出液压的关系，可表示为以下运动方程：其中，Pr为离合器换挡电磁阀输出压力；Al,Ar分别为阀芯左右两端的截面积；mv为阀芯的质量；Cv为液压阻尼系数；电磁阀输出压力的动态表达式为：其中，Qo为出油孔处的流量；Ps为进油孔处的液压，可认为是常量；Pt为油箱内的压力；Cq为阀孔流量系数；ρ为液压油密度；ds为阀芯直径；xs为阀芯位移；Vt为主腔容积；βe为弹性模量；xu为阀芯从初始位置到泄油孔完全关闭所需的行程。3.如权利要求1所述的一种基于模型的车载换挡电磁阀的控制系统设计方法，其特征在于，所述步骤2.1)获得车载换挡电磁阀控制系统动力学方程的过程包括：定义状态变量为选取控制量u＝Fmag＝f(i,xs)，得描述控制系统动力学的状态空间方程为：其中，Qo为出油孔处的流量；Ps为进油孔处的液压，可认为是常量；Pt为油箱内的压力；Cq为阀孔流量系数；ρ为液压油密度；ds为阀芯直...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘奇芳，董世营，姜子蛟，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22