北京理工大學(xué)劉輝教授團(tuán)隊(duì)：基于內(nèi)模控制框架的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制策略丨JME文章推薦

引用論文

劉輝, 楊殿釗, 高普, 張偉, 焦佳新, 嚴(yán)琦, 關(guān)雙元, 項(xiàng)昌樂(lè). 基于內(nèi)模控制框架的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制策略[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 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(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)(Electro-mechanical transmission，EMT)是一種將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)集成于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其特性在特殊工況下會(huì)迅速惡化，該問(wèn)題可通過(guò)主動(dòng)扭振抑制策略有效解決。然而，大多減振策略基于過(guò)度簡(jiǎn)化的模型開(kāi)展，導(dǎo)致其與實(shí)際場(chǎng)景的匹配性差。另外, 大多控制策略在改善振動(dòng)情況時(shí)易造成響應(yīng)延遲問(wèn)題。為改善上述問(wèn)題，北京理工大學(xué)劉輝教授團(tuán)隊(duì)搭建了EMT27自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，提出一種基于模態(tài)貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)和剛度靈敏度分析的模型降階方法，實(shí)現(xiàn)將模型由27個(gè)自由度降階至5個(gè)自由度且使0~100 Hz模型相似度高達(dá)99.89%的效果。針對(duì)扭振強(qiáng)抑制與響應(yīng)小延遲的固有矛盾問(wèn)題，探究驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩激發(fā)EMT扭振的機(jī)理，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻域中的主頻和能量分布，設(shè)計(jì)干擾至半軸轉(zhuǎn)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(nèi)模控制策略(Internal model control-based torsional vibration suppression，IMC-TVS)。經(jīng)驗(yàn)證，IMC-TVS相比PID和線(xiàn)性二次型調(diào)節(jié)器在扭振抑制方面具有較好的先進(jìn)性和實(shí)時(shí)性 。該團(tuán)隊(duì)的研究成果以題為《基于內(nèi)模控制框架的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制策略》發(fā)表在《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年第16期。

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研究背景及目的

本研究針對(duì)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)（EMT）在瞬態(tài)工況下易出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)。EMT作為集成了電驅(qū)動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)的高端裝備，具有功率密度高、效率優(yōu)等特點(diǎn)，在履帶車(chē)輛等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，在多源強(qiáng)激勵(lì)與復(fù)雜服役工況下，系統(tǒng)易受扭轉(zhuǎn)振動(dòng)影響，導(dǎo)致零部件疲勞損傷甚至失效，嚴(yán)重影響車(chē)輛平順性與可靠性。

當(dāng)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(guò)度簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型（如二慣量模型），難以準(zhǔn)確反映系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)態(tài)特性，導(dǎo)致控制策略與實(shí)際場(chǎng)景匹配性差；二是在抑制振動(dòng)過(guò)程中往往引入顯著的響應(yīng)延遲，無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足“強(qiáng)抑振”與“快響應(yīng)”的雙重要求，尤其對(duì)于質(zhì)量大、功率高、工況惡劣的履帶車(chē)輛而言，這一問(wèn)題更為突出。本研究旨在通過(guò)建立高精度扭振模型并實(shí)施有效降階，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種兼顧扭振抑制與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的內(nèi)模控制策略。同時(shí)在保留系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特征的前提下降低模型復(fù)雜度，基于降階模型揭示驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩激發(fā)扭振的機(jī)理，并通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩頻域分布與設(shè)計(jì)理想傳遞特性，構(gòu)建一種基于內(nèi)模控制框架的扭振抑制策略（IMC-TVS），以期在抑制振動(dòng)的同時(shí)保持系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。

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論文亮點(diǎn)

(1)提出一種面向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制的模型降階方法：針對(duì)傳統(tǒng)二慣量模型過(guò)于簡(jiǎn)化、難以準(zhǔn)確刻畫(huà)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的問(wèn)題，本文建立了詳細(xì)的27自由度EMT扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，并創(chuàng)新性地提出了一種基于模態(tài)貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)與剛度靈敏度分析的降階方法。該方法能準(zhǔn)確識(shí)別對(duì)系統(tǒng)扭振響應(yīng)影響最大的關(guān)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(guān)鍵的0-100Hz頻段內(nèi)，與原始模型的特性相似度高達(dá)99.89%，為后續(xù)高性能控制器的設(shè)計(jì)提供了精確可控的動(dòng)力學(xué)模型。

(2) 設(shè)計(jì)了一種兼顧響應(yīng)速度與扭振抑制效果的內(nèi)模控制策略（IMC-TVS）：深刻揭示了驅(qū)動(dòng)力矩激發(fā)系統(tǒng)扭振的機(jī)理，并創(chuàng)新性地將扭振抑制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令在頻域能量分布的優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)性地優(yōu)化轉(zhuǎn)矩指令軌跡，使其主頻避開(kāi)系統(tǒng)共振的阻尼主導(dǎo)區(qū)，并最小化在該區(qū)的能量分布。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中顯式考慮動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間的約束，從而在理論上解決了扭振抑制與動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲之間的固有矛盾。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)干擾至輸出的理想傳遞特性并構(gòu)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(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用“仿真驗(yàn)證先行，硬件在環(huán)實(shí)測(cè)佐證”的思路。（1）仿真驗(yàn)證：首先在急踩/松踏板（Tip-in/out）工況下，對(duì)比IMC-TVS策略與無(wú)控制時(shí)的系統(tǒng)表現(xiàn)。隨后，主動(dòng)注入瞬態(tài)階躍和周期性正弦干擾，嚴(yán)苛檢驗(yàn)控制器的魯棒性。（2）硬件在環(huán)對(duì)比試驗(yàn)：搭建實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，將IMC-TVS與經(jīng)典的PID和LQR控制策略進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估其在實(shí)際應(yīng)用中的扭振抑制效果、對(duì)車(chē)輛舒適性的影響（沖擊度）及算法實(shí)時(shí)性。

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

圖1 不同控制策略下系統(tǒng)表現(xiàn)對(duì)比

硬件在環(huán)試驗(yàn)提供了更具說(shuō)服力的數(shù)據(jù)。在加速工況下，IMC-TVS策略的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)峰峰值僅為PID和LQR方法的47.83%，而其帶來(lái)的車(chē)輛縱向沖擊度更是僅為后兩者的25.47%，在保障動(dòng)力性的同時(shí)極大提升了平順性。盡管算法更復(fù)雜，但I(xiàn)MC-TVS的單次任務(wù)執(zhí)行時(shí)間小于0.035ms，完全滿(mǎn)足車(chē)輛控制器對(duì)實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，證明了其工程應(yīng)用可行性。

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結(jié)論

提出了一套針對(duì)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的抑制方案。首先，基于模態(tài)貢獻(xiàn)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(nèi)精度達(dá)99.89%。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了扭振抑制策略（IMC-TVS），通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻域分布以規(guī)避系統(tǒng)共振，并顯式考慮響應(yīng)延遲約束。試驗(yàn)表明，該策略在急加速工況下，能將扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(wù)執(zhí)行時(shí)間小于0.035ms，兼具優(yōu)異抑振性能與工程實(shí)時(shí)性。

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前景應(yīng)用

本研究提出的基于模態(tài)貢獻(xiàn)與剛度靈敏度的模型降階方法，為復(fù)雜機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制器設(shè)計(jì)提供了有效工具。該方法通過(guò)保留關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)特性，顯著降低了高維系統(tǒng)模型的復(fù)雜度，可推廣至風(fēng)電齒輪箱、船舶推進(jìn)系統(tǒng)等多自由度重型裝備的振動(dòng)控制領(lǐng)域。

在控制策略層面，采用的頻域能量分布優(yōu)化思路通過(guò)重構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(jī)電系統(tǒng)振動(dòng)抑制提供了新途徑，展現(xiàn)了良好的跨領(lǐng)域應(yīng)用潛力。

作者及團(tuán)隊(duì)介紹

劉輝，教授，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才。北京理工大學(xué)車(chē)輛工程系主任、智能無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)會(huì)士等。研究方向?yàn)橹悄苘?chē)輛動(dòng)力學(xué)控制、多模態(tài)地面無(wú)人平臺(tái)技術(shù)、混合動(dòng)力車(chē)輛機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)等，應(yīng)用于裝甲車(chē)輛系列型號(hào)裝備、新一代裝甲車(chē)輛及無(wú)人系統(tǒng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重大預(yù)研項(xiàng)目、創(chuàng)新特區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目等。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利40余項(xiàng)、美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，發(fā)表SCI/EI論文160余篇。獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。獲首都勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆⒈本┦邢冗M(jìn)工作者等榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

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近兩年團(tuán)隊(duì)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(nèi)模控制框架的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制策略. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(16): 204-216.

[5] 嚴(yán)琦, 劉輝, 高普, 等. 基于陷波FxLMS算法的混聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)輛多通道主動(dòng)振動(dòng)控制策略[J].兵工學(xué)報(bào), 2025, 46(11): 241157.

[6] 劉輝, 楊毅, 高普, 等. 扭轉(zhuǎn)減振器頻率控制優(yōu)化及試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(7): 373-381.

團(tuán)隊(duì)招聘：

本團(tuán)隊(duì)招收博士后研究人員，所需專(zhuān)業(yè)為機(jī)械工程、車(chē)輛工程、信息與控制、計(jì)算機(jī)等，研究方向包括低空飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)力學(xué)、混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制、輪腿式機(jī)器人控制與關(guān)鍵部件研發(fā)等。

1.薪資待遇：1）特立博士后基本年薪37.5萬(wàn)元起，團(tuán)隊(duì)崗博士后基本年薪25萬(wàn)元起；2）根據(jù)學(xué)校政策，辦理在京落戶(hù)、子女入托入學(xué)等，出站后，在滿(mǎn)足學(xué)校相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，可聘任至相應(yīng)崗位。

2.發(fā)展平臺(tái)：可依托學(xué)校部分科研流動(dòng)站、科研工作站以及學(xué)校異地機(jī)構(gòu)/博士后創(chuàng)新實(shí)踐基地開(kāi)展科研工作，優(yōu)質(zhì)的合作導(dǎo)師資源可有效指導(dǎo)申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金及國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃等，工作地點(diǎn)可選擇北京、合肥等，為海內(nèi)外青年人才提供更廣闊的職業(yè)發(fā)展平臺(tái)。

應(yīng)聘者將個(gè)人申請(qǐng)材料（包括個(gè)人簡(jiǎn)歷、曾參與的重要科研項(xiàng)目及個(gè)人貢獻(xiàn)、代表性學(xué)術(shù)成果等）發(fā)送至聯(lián)系人郵箱，郵箱主題“博士后應(yīng)聘+姓名”。聯(lián)系人：高普，電話(huà)：13146948889，郵箱：gaopu_tva@bit.edu.cn。

作 者：高 普

責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)

審 核：張 彤

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