自適應(yīng)控制算法在汽車電路調(diào)控中的應(yīng)用

中圖分類號：U463.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0128-03

【Abstract】Automobiles in actual operation are faced with factorssuch as changes inroad conditions，instantaneous load changes，natural aging ofcomponentsand externalenvironmental perturbations，which lead tothetraditional fixedparameter control system is dificult tomaintaintheoptimalperformance，and even poorcontrol effector safety problems. Adaptivecontrolalgorithmshavetheability tosensethesystemoperation state inreal timeandadjust thecontrol parametersautomaticaly，which can efectivelycopewith such complexity changes.Therefore，thispaper systematically analyzestheapplication mechanismand practicalefectsof adaptivecontrolalgorithms inautomotivecorecircuits，witha view to providing support forthedevelopmentof intelligentautomotiveelectroniccontrol systems with beter performance， strongeradaptabilityand morereliable operation.

【Key words】 adaptive algorithm；automotive circuits；circuit regulation and control

0 引言

汽車電子電氣架構(gòu)日益復(fù)雜和集成化，對核心電路單元的控制性能要求也更趨嚴(yán)格。例如，電池管理系統(tǒng)必須精確應(yīng)對電池充電放電過程的動態(tài)變化以及其自身特性的逐漸演變；驅(qū)動系統(tǒng)需在不同駕駛需求和路況下穩(wěn)定輸出要求的動力響應(yīng)。這些受控對象往往表現(xiàn)出參數(shù)會隨時間、環(huán)境或負(fù)載改變的復(fù)雜特性。因此，本文將探討自適應(yīng)控制算法在汽車電池管理、動力系統(tǒng)驅(qū)動等關(guān)鍵電路調(diào)控中的應(yīng)用，為構(gòu)建適應(yīng)性強、運行高效且更加可靠的車載電路控制系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1自適應(yīng)控制算法技術(shù)概述

1.1自適應(yīng)控制技術(shù)原理

自適應(yīng)控制技術(shù)旨在解決被控制的設(shè)備或系統(tǒng)，其內(nèi)在特性和運行環(huán)境常常無法在控制設(shè)計之初被完全掌握或在運行中發(fā)生改變的普遍問題。例如，汽車的電動機在低溫啟動、高速運行或部件老化等不同狀態(tài)下，其響應(yīng)的特性會發(fā)生變化，這種情況下，采用參數(shù)固定不變的傳統(tǒng)控制器，其控制效果容易隨著這些變化而降低，表現(xiàn)為響應(yīng)變慢、結(jié)果偏差加大或能耗上升。而自適應(yīng)控制器通過兩個緊密相連的工作環(huán)節(jié)應(yīng)對這種變化：狀態(tài)感知與估計，在系統(tǒng)運行過程中，控制器持續(xù)接收實際的輸入信號和對應(yīng)的輸出信號，利用這些實時數(shù)據(jù)，控制器內(nèi)部的計算單元不斷分析和推算設(shè)備當(dāng)前的具體表現(xiàn)特性，并通過控制方案調(diào)整實現(xiàn)動態(tài)適配；根據(jù)上述推算出設(shè)備的最新特性，控制器內(nèi)部運用預(yù)設(shè)的更新規(guī)則，立即修改控制器本身的運作參數(shù)，這種修改能讓控制器的輸出指令更符合設(shè)備當(dāng)前的實際狀態(tài)。

1.2自適應(yīng)控制算法類型

實踐中主要存在兩種被廣泛應(yīng)用的自適應(yīng)控制設(shè)計思路，其運作方式有明顯區(qū)別。模型參考自適應(yīng)控制，這種思路的核心是預(yù)先設(shè)定一個代表良好系統(tǒng)的行為模板，這個行為模板被稱為參考模型，其定義了當(dāng)控制器發(fā)出指令時，設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)該產(chǎn)生的理想響應(yīng)過程是怎樣的[2。比如，踩下加速踏板后，車速如何在期望時間內(nèi)平滑、迅速地達到并穩(wěn)定在目標(biāo)值。控制器的根本目標(biāo)，是通過不斷地分析比較系統(tǒng)的真實輸出和參考模型的理想輸出之間的差異，并依據(jù)這個差異的大小和趨勢，持續(xù)地微調(diào)控制器內(nèi)部的工作參數(shù)。自調(diào)節(jié)控制，這種思路采用間接的方式應(yīng)對變化，控制器內(nèi)置了專門的計算單元，其任務(wù)是利用實時采集到的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，不停地分析和更新用來描述設(shè)備當(dāng)前工作特性的數(shù)學(xué)表達式的系數(shù)，例如通過電壓和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)估算電動機某個關(guān)鍵的電磁系數(shù)。這種方式適合處理設(shè)備特性會隨時間發(fā)生逐漸性變化的情形。

1.3自適應(yīng)控制的數(shù)學(xué)模型

構(gòu)建并實現(xiàn)有效的自適應(yīng)控制系統(tǒng)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)框架支持，該框架主要由系統(tǒng)動態(tài)描述、控制器結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)律三部分構(gòu)成[3]。

系統(tǒng)動態(tài)描述通常采用差分或微分方程表達輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：

y[k]=-a₁×y[k-1]-a₂×y[k-2]-…+b₁×u[k-1]+b₂×u[k-1]. 2]+…+w[k]

式中： y —輸出量； u —控制輸入量； w 未知擾動； …·描述系統(tǒng)動態(tài)行為隨時間變化的系統(tǒng)參數(shù)向量 p 。自適應(yīng)控制的核心使命即是對抗向量 p 的時變性或初始不確定性。

自適應(yīng)控制的算法實現(xiàn)要點在于設(shè)計自適應(yīng)調(diào)節(jié)律以驅(qū)動控制器增益（記為k）變化：

k[p+1]=k[p]+G× （參考模型輸出 [p]- 實際輸出 [p]）× F （部分輸入/輸出觀測值）

該方程確保了參考模型與實際輸出之間的跟蹤誤差 e[p 持續(xù)收斂至0。函數(shù) F（?） 和增益矩陣 G 的設(shè)計需依賴穩(wěn)定性理論分析以保證整體系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性與收斂性。

2 自適應(yīng)控制算法在汽車電路調(diào)控中的技術(shù)應(yīng)用

2.1電池管理系統(tǒng)中的控制技術(shù)

電池管理系統(tǒng)中的控制技術(shù)通常采用動態(tài)等效電路模型參數(shù)在線辨識方法：建立包含歐姆內(nèi)阻、極化阻容的二階RC電池等效模型，通過遞推最小二乘算法持續(xù)更新模型參數(shù)。在系統(tǒng)工作時：輸人層，實時采集負(fù)載電流 I_bat， 端電壓 V_t 及溫度 T ；辨識層，以1Hz 頻率求解最優(yōu)參數(shù)向量 θ=[R₀，R_p，C_p，Q_max]^T ，使電壓預(yù)測誤差 ；控制層，充電調(diào)控是基于更新后的 R₀ 值動態(tài)約束最大充電電流 I_chg^max∝1/R₀ ，SOC修正將辨識容量 Q_max 輸人安時積分法 ΔSOC= 實現(xiàn)自校準(zhǔn)。

當(dāng)溫度驟變引發(fā)模型失配時，通過實時修正的電池模型，構(gòu)建閉環(huán)校估機制，抵消開路電壓與容量關(guān)系隨使用條件的變化，提升剩余電量估計精度。這種動態(tài)修正能力本質(zhì)增強了電池使用安全邊界與續(xù)航預(yù)測可靠性[4]。

2.2 電動動力系統(tǒng)中的智能控制技術(shù)

針對驅(qū)動電機參數(shù)時變（如磁性材料溫度漂移、磁飽和效應(yīng)）引發(fā)的控制偏差，自適應(yīng)控制構(gòu)建實時參數(shù)識別與動態(tài)整定雙閉環(huán)：通過電機運行時的電壓/電流響應(yīng)，實時估算動態(tài)變化的電感、磁鏈等關(guān)鍵參數(shù)；并基于最新參數(shù)更新電流環(huán)比例積分系數(shù)，維持磁場定向控制的精度。其核心模型采用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（MRAS）架構(gòu)，參考模型為：

經(jīng)參數(shù)比較后，可調(diào)模型為：

參數(shù)辨識通過構(gòu)建角速度誤差 ，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論推導(dǎo)參數(shù)更新律：

控制器自整定基于 實時計算電流環(huán) PI 增益：

當(dāng)車輛急加速導(dǎo)致電機磁通弱化時，系統(tǒng)自動強化電流補償能力，抑制輸出扭矩波動導(dǎo)致的頓挫；而在電機自然弱磁區(qū)域，依據(jù)磁鏈衰減程度自動調(diào)節(jié)勵磁分量，維持高轉(zhuǎn)速區(qū)的功率輸出能力。系統(tǒng)通過連續(xù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)取代固定參數(shù)控制，在復(fù)雜工況下保持驅(qū)動效率與動態(tài)響應(yīng)平衡[5]

2.3智能電路故障檢測與容錯控制

基于特征參數(shù)異常識別的自適應(yīng)容錯技術(shù)，實現(xiàn)從故障診斷到系統(tǒng)重構(gòu)的一體化控制。建立電流、電壓等關(guān)鍵信號的實時預(yù)測模型，當(dāng)傳感器失效或功率器件故障導(dǎo)致實際值與預(yù)測值偏差超限時，觸發(fā)故障分類機制，采用故障檢測模型，構(gòu)建狀態(tài)觀測器：

再生成殘差向量：

最后設(shè)置自適應(yīng)閾值：

對失效信號源（如斷線電流傳感器）啟動觀測器算法，生成替代信號維持閉環(huán)運行，建立電壓方程觀測器： 并將主控制器切換至預(yù)設(shè)容錯模式，當(dāng)IGBT開路時采用冗余相補償策略，保持逆變器基礎(chǔ)驅(qū)動能力。區(qū)別于傳統(tǒng)硬件冗余方案，該技術(shù)通過軟件層算法重構(gòu)，在局部故障時維持核心功能運作，為車輛安全停靠提供關(guān)鍵保障。

3自適應(yīng)控制算法在汽車電路調(diào)控中的發(fā)展方向

3.1 智能化與自學(xué)習(xí)控制技術(shù)

自適應(yīng)控制算法發(fā)展的核心在于使控制系統(tǒng)具備自主積累運行經(jīng)驗并優(yōu)化決策的能力。重點突破方向包括：漸進式模型精化機制，建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫與動態(tài)知識庫的雙層架構(gòu)，系統(tǒng)將持續(xù)運行的輸人輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為經(jīng)驗片段，通過統(tǒng)計特征提取建立增量模型。以電池管理系統(tǒng)為例，每次充放電過程自動識別電壓弛豫特性變化，逐步完善老化階段的阻抗模型表達式，使壽命末期的容量預(yù)測精度提升 20% 以上且無需人工再標(biāo)定。閉環(huán)性能自優(yōu)化架構(gòu)，引人控制器效能評價函數(shù)，實時量化響應(yīng)速度、波動抑制等核心指標(biāo)。當(dāng)工況超越預(yù)設(shè)閾值時（如電機突卸負(fù)載引發(fā)的轉(zhuǎn)速超調(diào)），系統(tǒng)基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論構(gòu)建自適應(yīng)調(diào)節(jié)通道，在線修正控制律結(jié)構(gòu)與參數(shù)權(quán)重。該機制使控制器在復(fù)雜環(huán)境擾動下維持漸進穩(wěn)定狀態(tài)，顯著降低緊急工況對硬件保護機制的依賴頻次。區(qū)別于傳統(tǒng)自適應(yīng)算法，該技術(shù)本質(zhì)是構(gòu)建運行經(jīng)驗 $$ 知識沉淀 $$ 策略優(yōu)化的正向循環(huán)，最終實現(xiàn)控制器從被動適應(yīng)到自主進化的范式躍遷。

3.2 多系統(tǒng)集成與協(xié)同控制技術(shù)

面向整車電子電氣架構(gòu)深度整合趨勢，發(fā)展方向應(yīng)聚焦于打破傳統(tǒng)控制孤島并建立動態(tài)交互機制。可建立全域狀態(tài)協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計層級化信息融合框架，通過跨域通信總線（如以太網(wǎng)TSN）將電池、電機、熱管理三系統(tǒng)狀態(tài)變量解耦傳輸。底盤域控制器依據(jù)動力電池溫度分布梯度，動態(tài)協(xié)調(diào)電機功率上限與散熱系統(tǒng)運行模式；當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)請求峰值輸出時，基于電池實時直流內(nèi)阻曲線計算最短時間功率分配策略。設(shè)立約束智能協(xié)調(diào)模型，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)動態(tài)組合機制，將行駛安全性（如ESC觸發(fā)閾值）能耗經(jīng)濟性（總成效率最優(yōu)）與硬件耐久性（部件溫升限制）映射為權(quán)變系數(shù)。在制動能量回收工況中，同時滿足充電功率約束、驅(qū)動防滑約束與液壓制動力分配邊界，通過約束邊界實時滑動實現(xiàn)多項指標(biāo)綜合最優(yōu)。該技術(shù)將徹底改變當(dāng)前分系統(tǒng)獨立優(yōu)化導(dǎo)致的性能折損局面。

4結(jié)論

本文明確了在汽車電路調(diào)控中，自適應(yīng)控制算法應(yīng)對電池非線性衰減、電機參數(shù)時變及電路故障等復(fù)雜場景時具有技術(shù)優(yōu)勢。通過建立動態(tài)參數(shù)辨識、在線整定與容錯重構(gòu)三級技術(shù)架構(gòu)，揭示了從局部參數(shù)適應(yīng)到系統(tǒng)級狀態(tài)維持的控制演進路徑。因此，下一代控制系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)聚焦兩大方向：構(gòu)建控制經(jīng)驗自進化體系，通過運行數(shù)據(jù)驅(qū)動模型持續(xù)收斂，突破傳統(tǒng)自適應(yīng)算法的學(xué)習(xí)能力上限；開發(fā)跨域協(xié)同優(yōu)化器，建立動力域、底盤域、熱管理域等多系統(tǒng)的動態(tài)博弈模型，從根本上解決分系統(tǒng)獨立優(yōu)化導(dǎo)致的全局性能折損。通過算法架構(gòu)的智能化重塑與跨域控制機制的深度整合，最終實現(xiàn)汽車電子系統(tǒng)在安全性、能效性與可靠性維度的全面提升。

參考文獻

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（編輯楊凱麟）