北京理工大學劉輝教授團隊：基于內模控制框架的機電復合傳動系統扭轉振動抑制策略丨JME文章推薦

引用論文

劉輝, 楊殿釗, 高普, 張偉, 焦佳新, 嚴琦, 關雙元, 項昌樂. 基于內模控制框架的機電復合傳動系統扭轉振動抑制策略[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(Electro-mechanical transmission，EMT)是一種將電驅動系統和傳動系統集成于一體的復雜系統，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，提出一種基于模態貢獻評價和剛度靈敏度分析的模型降階方法，實現將模型由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EMT扭振的機理，優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)。經驗證，IMC-TVS相比PID和線性二次型調節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扭轉振動抑制策略》發表在《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（EMT）在瞬態工況下易出現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），難以準確反映系統實際動態特性，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響應的內模控制策略。同時在保留系統關鍵動態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扭振的機理，并通過優化轉矩頻域分布與設計理想傳遞特性，構建一種基于內模控制框架的扭振抑制策略（IMC-TVS），以期在抑制振動的同時保持系統的快速響應能力。

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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：針對傳統二慣量模型過于簡化、難以準確刻畫系統動態特性的問題，本文建立了詳細的27自由度EMT扭轉振動模型，并創新性地提出了一種基于模態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扭振響應影響最大的關鍵模態與部件連接剛度，據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模控制策略（IMC-TVS）：深刻揭示了驅動力矩激發系統扭振的機理，并創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化問題。通過系統性地優化轉矩指令軌跡，使其主頻避開系統共振的阻尼主導區，并最小化在該區的能量分布。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表現。隨后，主動注入瞬態階躍和周期性正弦干擾，嚴苛檢驗控制器的魯棒性。（2）硬件在環對比試驗：搭建實時仿真平臺，將IMC-TVS與經典的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，車輛聳振現象消失。

圖1 不同控制策略下系統表現對比

硬件在環試驗提供了更具說服力的數據。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扭轉振動的抑制方案。首先，基于模態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），通過優化驅動轉矩頻域分布以規避系統共振，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PID/LQR方法的47.83%和25.47%，且單次任務執行時間小于0.035ms，兼具優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貢獻與剛度靈敏度的模型降階方法，為復雜機電傳動系統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模型的復雜度，可推廣至風電齒輪箱、船舶推進系統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化思路通過重構驅動指令的頻譜特性，從源頭規避系統共振。這種“頻譜整形”方法為具有共振特性的機電系統振動抑制提供了新途徑，展現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。主持國家自然科學基金重點項目、重大預研項目、創新特區重點項目等。授權國家發明專利40余項、美國發明專利3項，發表SCI/EI論文160余篇。獲國家技術發明一等獎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. 基于內模控制框架的機電復合傳動系統扭轉振動抑制策略. 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化及試驗研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61(7): 373-381.

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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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