引用論文

劉輝, 楊殿釗, 高普, 張偉, 焦佳新, 嚴琦, 關雙元, 項昌樂. 基于內?？刂瓶蚣艿臋C電復合傳動系統(tǒng)扭轉振動抑制策略[J]. 機械工程學報, 2025, 61(16): 204-216.

LIU Hui, YANG Dianzhao, GAO Pu, ZHANG Wei, JIAO Jiaxin, YAN Qi, GUAN Shuangyuan, XIANG Changle. Internal Model Control Framework-based Torsional Vibration Suppression Strategy for Electro-mechanical Transmission[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(16): 204-216.

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機電復合傳動系統(tǒng)(Electro-mechanical transmission，EMT)是一種將電驅動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)集成于一體的復雜系統(tǒng)，其特性在特殊工況下會迅速惡化，該問題可通過主動扭振抑制策略有效解決。然而，大多減振策略基于過度簡化的模型開展，導致其與實際場景的匹配性差。另外, 大多控制策略在改善振動情況時易造成響應延遲問題。為改善上述問題，北京理工大學劉輝教授團隊搭建了EMT27自由度扭轉振動模型，提出一種基于模態(tài)貢獻評價和剛度靈敏度分析的模型降階方法，實現(xiàn)將模型由27個自由度降階至5個自由度且使0~100 Hz模型相似度高達99.89%的效果。針對扭振強抑制與響應小延遲的固有矛盾問題，探究驅動轉矩激發(fā)EMT扭振的機理，優(yōu)化驅動轉矩頻域中的主頻和能量分布，設計干擾至半軸轉矩的理想傳遞特性，最終基于降階模型提出一種的EMT扭振抑制內模控制策略(Internal model control-based torsional vibration suppression，IMC-TVS)。經(jīng)驗證，IMC-TVS相比PID和線性二次型調節(jié)器在扭振抑制方面具有較好的先進性和實時性 。該團隊的研究成果以題為《基于內模控制框架的機電復合傳動系統(tǒng)扭轉振動抑制策略》發(fā)表在《機械工程學報》2025年第16期。

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研究背景及目的

本研究針對機電復合傳動系統(tǒng)（EMT）在瞬態(tài)工況下易出現(xiàn)的扭轉振動問題展開。EMT作為集成了電驅動與機械傳動的高端裝備，具有功率密度高、效率優(yōu)等特點，在履帶車輛等領域應用廣泛。然而，在多源強激勵與復雜服役工況下，系統(tǒng)易受扭轉振動影響，導致零部件疲勞損傷甚至失效，嚴重影響車輛平順性與可靠性。

當前扭振抑制策略主要存在兩方面不足：一是多數(shù)方法基于過度簡化的動力學模型（如二慣量模型），難以準確反映系統(tǒng)實際動態(tài)特性，導致控制策略與實際場景匹配性差；二是在抑制振動過程中往往引入顯著的響應延遲，無法同時滿足“強抑振”與“快響應”的雙重要求，尤其對于質量大、功率高、工況惡劣的履帶車輛而言，這一問題更為突出。本研究旨在通過建立高精度扭振模型并實施有效降階，在此基礎上設計一種兼顧扭振抑制與動態(tài)響應的內?？刂撇呗?。同時在保留系統(tǒng)關鍵動態(tài)特征的前提下降低模型復雜度，基于降階模型揭示驅動轉矩激發(fā)扭振的機理，并通過優(yōu)化轉矩頻域分布與設計理想傳遞特性，構建一種基于內?？刂瓶蚣艿呐ふ褚种撇呗裕↖MC-TVS），以期在抑制振動的同時保持系統(tǒng)的快速響應能力。

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論文亮點

(1)提出一種面向扭轉振動抑制的模型降階方法：針對傳統(tǒng)二慣量模型過于簡化、難以準確刻畫系統(tǒng)動態(tài)特性的問題，本文建立了詳細的27自由度EMT扭轉振動模型，并創(chuàng)新性地提出了一種基于模態(tài)貢獻評價與剛度靈敏度分析的降階方法。該方法能準確識別對系統(tǒng)扭振響應影響最大的關鍵模態(tài)與部件連接剛度，據(jù)此將模型顯著降階至5自由度，并在關鍵的0-100Hz頻段內，與原始模型的特性相似度高達99.89%，為后續(xù)高性能控制器的設計提供了精確可控的動力學模型。

(2) 設計了一種兼顧響應速度與扭振抑制效果的內?？刂撇呗裕↖MC-TVS）：深刻揭示了驅動力矩激發(fā)系統(tǒng)扭振的機理，并創(chuàng)新性地將扭振抑制問題轉化為對驅動轉矩指令在頻域能量分布的優(yōu)化問題。通過系統(tǒng)性地優(yōu)化轉矩指令軌跡，使其主頻避開系統(tǒng)共振的阻尼主導區(qū)，并最小化在該區(qū)的能量分布。同時，在設計過程中顯式考慮動力響應時間的約束，從而在理論上解決了扭振抑制與動態(tài)響應延遲之間的固有矛盾。此外，通過設計干擾至輸出的理想傳遞特性并構造反饋濾波器，有效提升了策略的魯棒性和抗干擾能力。

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實驗方法

試驗采用“仿真驗證先行，硬件在環(huán)實測佐證”的思路。（1）仿真驗證：首先在急踩/松踏板（Tip-in/out）工況下，對比IMC-TVS策略與無控制時的系統(tǒng)表現(xiàn)。隨后，主動注入瞬態(tài)階躍和周期性正弦干擾，嚴苛檢驗控制器的魯棒性。（2）硬件在環(huán)對比試驗：搭建實時仿真平臺，將IMC-TVS與經(jīng)典的PID和LQR控制策略進行對比，評估其在實際應用中的扭振抑制效果、對車輛舒適性的影響（沖擊度）及算法實時性。

仿真結果表明，IMC-TVS能有效柔化轉矩指令，顯著抑制系統(tǒng)振蕩。如圖1所示，應用該策略后，半軸轉矩的劇烈波動得到根本性抑制，車輛聳振現(xiàn)象消失。

圖1 不同控制策略下系統(tǒng)表現(xiàn)對比

硬件在環(huán)試驗提供了更具說服力的數(shù)據(jù)。在加速工況下，IMC-TVS策略的扭轉振動峰峰值僅為PID和LQR方法的47.83%，而其帶來的車輛縱向沖擊度更是僅為后兩者的25.47%，在保障動力性的同時極大提升了平順性。盡管算法更復雜，但IMC-TVS的單次任務執(zhí)行時間小于0.035ms，完全滿足車輛控制器對實時計算的要求，證明了其工程應用可行性。

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結論

提出了一套針對機電復合傳動系統(tǒng)扭轉振動的抑制方案。首先，基于模態(tài)貢獻與剛度靈敏度分析，將27自由度模型降階為5自由度模型，在0-100Hz頻段內精度達99.89%。在此基礎上，設計了扭振抑制策略（IMC-TVS），通過優(yōu)化驅動轉矩頻域分布以規(guī)避系統(tǒng)共振，并顯式考慮響應延遲約束。試驗表明，該策略在急加速工況下，能將扭轉振動峰值和縱向沖擊度峰值分別降至傳統(tǒng)PID/LQR方法的47.83%和25.47%，且單次任務執(zhí)行時間小于0.035ms，兼具優(yōu)異抑振性能與工程實時性。

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前景應用

本研究提出的基于模態(tài)貢獻與剛度靈敏度的模型降階方法，為復雜機電傳動系統(tǒng)的實時控制器設計提供了有效工具。該方法通過保留關鍵動力學特性，顯著降低了高維系統(tǒng)模型的復雜度，可推廣至風電齒輪箱、船舶推進系統(tǒng)等多自由度重型裝備的振動控制領域。

在控制策略層面，采用的頻域能量分布優(yōu)化思路通過重構驅動指令的頻譜特性，從源頭規(guī)避系統(tǒng)共振。這種“頻譜整形”方法為具有共振特性的機電系統(tǒng)振動抑制提供了新途徑，展現(xiàn)了良好的跨領域應用潛力。

作者及團隊介紹

劉輝，教授，國家級領軍人才。北京理工大學車輛工程系主任、智能無人系統(tǒng)技術國家級重點實驗室副主任、中國汽車工程學會會士等。研究方向為智能車輛動力學控制、多模態(tài)地面無人平臺技術、混合動力車輛機電傳動技術等，應用于裝甲車輛系列型號裝備、新一代裝甲車輛及無人系統(tǒng)。主持國家自然科學基金重點項目、重大預研項目、創(chuàng)新特區(qū)重點項目等。授權國家發(fā)明專利40余項、美國發(fā)明專利3項，發(fā)表SCI/EI論文160余篇。獲國家技術發(fā)明一等獎1項、部級一等獎3項。獲首都勞動獎章、北京市先進工作者等榮譽稱號。

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近兩年團隊發(fā)表文章

[1] Yang D., Liu H., Gao P., et al. Dynamic coordination-decoupling control strategy for torsional vibration suppression and power stability in electro-mechanical transmission systems under asymmetric load conditions[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2025 (Early Access). DOI:10.1109/TTE.2025.3647550.

[2] Yan, K., Xie, Y., Gao, P., et al. Study on the coupling vibration mechanism and amplitude-frequency modulation characteristics of electromechanical composite transmission system used in HEV. Mechanical Systems and Signal Processing, 2025, 241: 113557.

[3] Yan Q., Liu H., Gao P., et al. MPC-based coordinated control for mode transition in power-split hybrid electric vehicles: dynamic modeling, torque fluctuation suppression, and experiment[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2025 (In Press). DOI: 10.1016/j.cjme.2025.100174.

[4] 劉輝, 楊殿釗, 高普, 等. 基于內?？刂瓶蚣艿臋C電復合傳動系統(tǒng)扭轉振動抑制策略. 機械工程學報, 2025, 61(16): 204-216.

[5] 嚴琦, 劉輝, 高普, 等. 基于陷波FxLMS算法的混聯(lián)式混合動力車輛多通道主動振動控制策略[J].兵工學報, 2025, 46(11): 241157.

[6] 劉輝, 楊毅, 高普, 等. 扭轉減振器頻率控制優(yōu)化及試驗研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(7): 373-381.

團隊招聘：

本團隊招收博士后研究人員，所需專業(yè)為機械工程、車輛工程、信息與控制、計算機等，研究方向包括低空飛行器結構強度與動力學、混合動力系統(tǒng)動力學控制、輪腿式機器人控制與關鍵部件研發(fā)等。

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2.發(fā)展平臺：可依托學校部分科研流動站、科研工作站以及學校異地機構/博士后創(chuàng)新實踐基地開展科研工作，優(yōu)質的合作導師資源可有效指導申請國家自然科學基金、博士后科學基金及國家資助博士后研究人員計劃等，工作地點可選擇北京、合肥等，為海內外青年人才提供更廣闊的職業(yè)發(fā)展平臺。

應聘者將個人申請材料（包括個人簡歷、曾參與的重要科研項目及個人貢獻、代表性學術成果等）發(fā)送至聯(lián)系人郵箱，郵箱主題“博士后應聘+姓名”。聯(lián)系人：高普，電話：13146948889，郵箱：gaopu_tva@bit.edu.cn。

作 者：高 普

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 彤

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