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CN114179778B - 基于时滞预估的混合动力汽车e-h切换协调控制方法 - Google Patents

基于时滞预估的混合动力汽车e-h切换协调控制方法 Download PDF

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CN114179778B CN202111652816.9A CN202111652816A CN114179778B CN 114179778 B CN114179778 B CN 114179778B CN 202111652816 A CN202111652816 A CN 202111652816A CN 114179778 B CN114179778 B CN 114179778B
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Abstract

本发明公开了基于时滞预估的混合动力汽车E‑H切换协调控制方法，包括以下步骤，纯电动模式下行驶时，根据已设定的切换车速阈值v thr ，VCU判断是否进行模式切换；若车速v≥v thr 时，VCU控制第一电机使车辆由纯电动模式进入发动机拖转，设计基础电机转矩补偿控制策略，求解第一电机和第二电机的二次目标转矩；当发动机的转速ω e ≥ω idle 时，车辆进入混合驱动模式，求解该模式下第一电机和第二电机的二次目标转矩，当混合驱动模式趋于稳态后，发动机和第一电机的功率于前行星排齿圈汇合输出，结合来自后排行星架中第二电机的功率传递，最终三股功率流一起输出驱动车轮，模式切换过程结束；本发明实现平稳高效的模式切换品质。

Description

基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法
技术领域
本发明涉及车辆动态控制技术领域，尤其涉及基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法。
背景技术
为了满足人们对车辆性能日益提升的要求，车辆研究人员越来越注重控制系统的开发和应用。对于混合动力车辆来说，除了关注其燃油经济性和安全性，舒适性也是人们考量的重要标准。通过对两种动力源的控制切换，可使得整车根据驾驶员要求自由切换至多种模式，这其中就不可避免地涉及到模式切换平顺性问题。在整个实施控制的过程中，从信号采集、指令传输到执行器作出反应产生效果，期间的时间滞后是普遍存在且不容忽视的，它会导致状态转移的必然延迟特性，从而使系统长期处于非优化状态下，造成经济性、动力性以及稳定性能的恶化。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有汽车行驶过程中模式切换时存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法，其能在系统时滞干扰下维持模式切换的平稳性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法，包括以下步骤，
纯电动模式下行驶时，车速传感器及加速踏板位置传感设备实时监测当前车速信息及加速踏板、制动踏板位置信号，并输入到车辆控制器VCU，根据已设定的切换车速阈值vthr，VCU判断是否进行模式切换；
若车速v≥vthr时，VCU控制第一电机使车辆由纯电动模式进入发动机拖转，发动机拖转阶段内，控制第一电机在短时间内拖转发动机直至怠速转速ωidle，在此过程中，设计了基础电机转矩补偿控制策略，求解出第一电机和第二电机的二次目标转矩；
当发动机的转速ωe≥ωidle时，车辆进入混合驱动模式，发动机开始点火，并和第二电机协同驱动整车行驶，第一电机调速发动机工作于经济转速ωe-eco，设计模糊-Smith预估控制和基础电机转矩补偿控制构成的转矩再分配控制策略，求解出该模式下第一电机和第二电机的二次目标转矩，当混合驱动模式趋于稳态后，发动机和第一电机的功率于前行星排齿圈汇合输出，结合来自后排行星架中第二电机的功率传递，最终三股功率流一起输出驱动车轮，至此，模式切换过程结束。
作为本发明所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法的一种优选方案，其中：所述基础电机转矩补偿控制策略为，
其中，T′MG1和T′MG2分别为第一电机(104)和第二电机(108)的二次目标转矩，Tef为发动机的启动阻力矩，Treq为动力耦合装置输出轴端目标转矩，k1和k2分别为动力耦合机构中前后行星排的特征参数，I11和I21分别为发动机、前行星排齿圈及第一电机的不同转动惯量组合，ΔT′MG2为第二电机的补偿转矩。
作为本发明所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法的一种优选方案，其中：所述模糊-Smith预估控制策略为，
TMG1-fs＝kp(ωe-eco-ωe-ew-engine)+ki∫(ωe-eco-ωe-ew-engine)dt+ΔTMG1-f；
ew-engine＝ωengine2-ωengine1；
混合驱动模式的基础电机转矩补偿控制策略为，
ΔTMG1＝kp2(ωe-eco-ωe)+ki2∫(ωe-eco-ωe)dt+TMG1-fs；
其中，TMG1-fs是模糊-Smith预估控制器的输出，ωengine1和ωengine2分别为考虑信号传输时滞和未考虑信号传输时滞的发动机转速，也是模糊-Smith预估控制器的输入，kp和ki分别为模糊-Smith预估器里的比例系数和积分系数，ΔTMG1-f为第一电机的模糊补偿转矩，TE-est为发动机的估计转矩，kp2和ki2分别为第一电机控制器中的比例参数和积分参数，ωMG1和ωMG2分别为第一电机和第二电机的转速，I12为第一电机、第二电机及双行星排之间的转动惯量组合。
作为本发明所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法的一种优选方案，其中：所述模糊-Smith预估控制器中的第一电机的模糊补偿转矩ΔTMG1-f设计如下，
选取不同信号传输时滞下发动机转速差ew-engine和其变化率作为模糊-Smith预估控制器中模糊模块的输入信号，输出信号为第一电机的模糊补偿转矩ΔTMG1-f，将输入的转速误差信号ew-engine、变化率/>及输出ΔTMG1-f设为5个模糊集：NB(负大)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PB(正大)。
作为本发明所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法的一种优选方案，其中：所述模糊控制中的转速误差信号ew-engine和误差变化率信号论域均设为[-50，50]，ΔTMG1-f的论域设为[-50，50]。
作为本发明所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法的一种优选方案，其中：所述转速误差信号ew-engine和变化率都采用高斯型的隶属函数。
本发明的有益效果：本发明搭建一步马尔可夫链时滞预估模型，可实现模糊-Smith预估控制器的时滞匹配，利用其转矩再分配算法，推导出电机的时滞补偿转矩，进而实现平稳高效的模式切换品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中混合动力汽车动力系统布局图。
图2为本发明中混合动力汽车E-H模式切换流程图。
图3为本发明中基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制策略的总体控制方案图。
图中，100混合动力系统，101前排行星架，102缓冲锁止机构，103发动机，104第一电机，105前行星排齿圈，106前排太阳轮，107后行星排齿圈，108第二电机，109后排太阳轮，110后排行星架。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了本发明研究的双行星排式混合动力系统100，其包括前行星排齿圈105、前排行星架101、前排太阳轮106、后行星排齿圈107、后排行星架110和后排太阳轮109，发动机103通过缓冲锁止机构102与前排行星架101相连，第一电机104的转子轴与前排太阳轮106连接，第二电机108的转子轴与后排太阳轮109连接，前行星排齿圈105连接在后排行星架110上。
实施例2
参照图2和图3，为本发明的第二个实施例，该实施例提供了对上述混合动力系统100进行E-H切换协调控制方法，其包括以下步骤，
S1：混合动力汽车初始以纯电动模式行驶，制动器B1锁止，发动机103关闭，第二电机108完全负担车辆驱动所需扭矩，同时，混合动力汽车上的车速传感器及加速踏板位置传感设备实时监测当前车速信息及加速踏板、制动踏板位置信号，并输入到车辆控制器VCU，根据已设定的切换车速阈值vthr，VCU判断是否进行模式切换；
S2：若车速v≥vthr时，满足模式切换条件，进行模式切换，VCU控制第一电机104使车辆由纯电动模式进入发动机103拖转，发动机103拖转阶段控制目标为，第一电机104需在短时间内拖转发动机103直至怠速转速ωidle，同时降低纵向冲击，考虑到发动机103低速转动时存在显著的转矩波动，设计了基础电机转矩补偿控制策略，求解出第一电机104和第二电机108的二次目标转矩，
S3：当发动机103的转速ωe≥ωidle时，车辆进入混合驱动模式，发动机103开始点火，并和第二电机108协同驱动整车行驶，第一电机104调速发动机103工作于经济转速ωe-eco，考虑到上层控制器、子控制器、执行器之间的信号传输时滞导致的整车模式切换失稳，设计了模糊-Smith预估控制和基础电机转矩补偿控制构成的转矩再分配控制策略，求解出该模式下第一电机104和第二电机的二次目标转矩，
ΔTMG1＝kp2(ωe-eco-ωe)+ki2∫(ωe-eco-ωe)dt+TMG1-fs；
其中，模糊-Smith预估控制主要用于消除由上层控制器和第一电机104之间的信号传输时滞引起的发动机103调速失稳，
TMG1-fs＝kp(ωe-eco-ωe-ew-engine)+ki∫(ωe-eco-ωe-ew-engine)dt+ΔTMG1-f；
ew-engine＝ωengine2-ωengine1；
而模糊-Smith预估控制器中的第一电机104的模糊补偿转矩ΔTMG1-f设计如下，
选取不同信号传输时滞下发动机103转速差ew-engine和其变化率作为模糊-Smith预估控制器中模糊模块的输入信号，输出信号为第一电机104的模糊补偿转矩ΔTMG1-f，将输入的转速误差信号ew-engine、变化率/>及输出ΔTMG1-f设为5个模糊集：NB(负大)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PB(正大)，本模糊控制中转速误差信号ew-engine和误差变化率/>信号论域均设为[-50，50]，ΔTMG1-f的论域设为[-50，50]，对于输入量转速误差信号ew-engine和变化率/>都采用高斯型的隶属函数，对于输出量ΔTMG1-f采用三角形隶属函数，其模糊规则控制表如表1所示；
为了提高模糊-Smith预估控制的有效性，针对具有典型时变特性的信号传输时滞，搭建了一步马尔可夫链时滞预估模型，以实现模糊-Smith预估控制中的时滞匹配；当混合驱动模式趋于稳态后，发动机103和第一电机的功率于前行星排齿圈105汇合输出，结合来自后排行星架110中第二电机的功率传递，最终三股功率流一起输出驱动车轮，至此，模式切换过程结束；
其中，Tef为发动机103的启动阻力矩，Treq为动力耦合装置输出轴端目标转矩，k1和k2分别为动力耦合机构中前后行星排的特征参数，I11和I21分别为发动机103、前行星排齿圈105及第一电机104的不同转动惯量组合，ΔTM′G2为第二电机108的补偿转矩；TMG1-fs是模糊-Smith预估控制器的输出，ωengine1和ωengine2分别为考虑信号传输时滞和未考虑信号传输时滞的发动机103转速，也是模糊-Smith预估控制器的输入，kp和ki分别为模糊-Smith预估器里的比例系数和积分系数，ΔTMG1-f为第一电机104的模糊补偿转矩，TE-est为发动机103的估计转矩，kp2和ki2分别为第一电机104控制器中的比例参数和积分参数，ωMG1和ωMG2分别为第一电机104和第二电机的转速，I12为第一电机104、第二电机及双行星排之间的转动惯量组合。
表1模糊规则控制表
当混合动力汽车车速超过设定阈值vthr,车辆控制器接收到纯电动切换至混合驱动的模式切换信号，此时驾驶员模型根据目标车速和汽车行驶驱动力-行驶阻力平衡方程计算出各模式下动力耦合机构输出端需求转矩Treq，通过本发明中设计的分阶段协调控制策略，减小由模式切换带来的驱动轴冲击振动，通过模糊-Smith预估控制和基础电机转矩补偿综合求解整个切换过程中双电机的目标转矩T′MG1和T′MG2，并考虑到执行器的实际操作限制和信号传输时滞，分别设计了扭矩限制模块和时滞模块，其中电机的扭矩限制模块为，
TMG1-min(ωMG1)≤TMG1(ωMG1)≤TMG1-max(ωMG1)
TMG2-min(ωMG2)≤TMG2(ωMG2)≤TMG2-max(ωMG2)
其中，TMG1-min(ωMG1)为设定的第一电机104在转速为ωMG1时的最小转矩，TMG1(ωMG1)为第一电机104在转速为ωMG1时的转矩，TMG1-max(ωMG1)为设定的第一电机104在转速为ωMG1时的最大转矩，TMG2-min(ωMG2)为设定的第二电机108在转速为ωMG1时的最小转矩，TMG2(ωMG2)为第二电机108在转速为ωMG2时的转矩，TMG2-max(ωMG2)为设定的第二电机108在转速为ωMG2时的最大转矩。
经过“实际化”后的双电机执行扭矩TMG1和TMG2信号同时通过两种途径向被控对象传输，一种是通过模拟信号传输时滞的一步马尔可夫链时滞预估模型输入至混合动力系统100中，另一种是忽略时滞输入至混合动力系统100中，并将两种工况下发动机103的输出转速反馈至协调控制器中，如此构成了完整的混合动力汽车闭环协调控制系统。
通过本发明中马尔可夫链时滞预估模型的搭建和协调控制策略的设计，使得整车在系统时滞的影响下，可以有效降低模式切换冲击，同时实现发动机103的稳定调速。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
纯电动模式下行驶时，车速传感器及加速踏板位置传感设备实时监测当前车速信息及加速踏板、制动踏板位置信号，并输入到车辆控制器VCU，根据已设定的切换车速阈值vthr，VCU判断是否进行模式切换；
若车速v≥vthr时，VCU控制第一电机(104)使车辆由纯电动模式进入发动机(103)拖转，发动机(103)拖转阶段内，控制第一电机(104)在短时间内拖转发动机(103)直至怠速转速ωidle，在此过程中，设计了基础电机转矩补偿控制策略，求解出第一电机(104)和第二电机(108)的二次目标转矩；
当发动机(103)的转速ωe≥ωidle时，车辆进入混合驱动模式，发动机(103)开始点火，并和第二电机(108)协同驱动整车行驶，第一电机(104)调速发动机(103)工作于经济转速ωe-eco，设计模糊-Smith预估控制和基础电机转矩补偿控制构成的转矩再分配控制策略，求解出该模式下第一电机(104)和第二电机(108)的二次目标转矩，当混合驱动模式趋于稳态后，发动机(103)和第一电机的功率于前行星排齿圈(105)汇合输出，结合来自后排行星架中第二电机(108)的功率传递，最终三股功率流一起输出驱动车轮，至此，模式切换过程结束；
所述基础电机转矩补偿控制策略为，
其中，TM′G1和TM′G2分别为第一电机(104)和第二电机(108)的二次目标转矩，Tef为发动机(103)的启动阻力矩，Treq为动力耦合装置输出轴端目标转矩，k1和k2分别为动力耦合机构中前后行星排的特征参数，I11和I21分别为发动机(103)、前行星排齿圈(105)及第一电机(104)的不同转动惯量组合，ΔTM′G2为第二电机(108)的补偿转矩；
所述模糊-Smith预估控制策略为，
TMG1-fs＝kp(ωe-eco-ωe-ew-engine)+ki∫(ωe-eco-ωe-ew-engine)dt+ΔTMG1-f；
ew-engine＝ωengine2-ωengine1；
混合驱动模式的基础电机转矩补偿控制策略为，
ΔTMG1＝kp2(ωe-eco-ωe)+ki2∫(ωe-eco-ωe)dt+TMG1-fs；
其中，TMG1-fs是模糊-Smith预估控制器的输出，ωengine1和ωengine2分别为考虑信号传输时滞和未考虑信号传输时滞的发动机(103)转速，也是模糊-Smith预估控制器的输入，kp和ki分别为模糊-Smith预估器里的比例系数和积分系数，ΔTMG1-f为第一电机(104)的模糊补偿转矩，TE-est为发动机(103)的估计转矩，kp2和ki2分别为第一电机(104)控制器中的比例参数和积分参数，ωMG1和ωMG2分别为第一电机(104)和第二电机(108)的转速，I12为第一电机(104)、第二电机(108)及双行星排之间的转动惯量组合。
2.如权利要求1所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法，其特征在于：所述模糊-Smith预估控制器中的第一电机(104)的模糊补偿转矩ΔTMG1-f设计如下，
选取不同信号传输时滞下发动机(103)转速差ew-engine和其变化率作为模糊-Smith预估控制器中模糊模块的输入信号，输出信号为第一电机(104)的模糊补偿转矩ΔTMG1-f，将输入的转速误差信号ew-engine、变化率/>及输出ΔTMG1-f设为5个模糊集：NB(负大)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PB(正大)。
3.如权利要求2所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法，其特征在于：所述模糊控制中的转速误差信号ew-engine和误差变化率信号论域均设为[-50，50]，ΔTMG1-f的论域设为[-50，50]。
4.如权利要求3所述的基于时滞预估的混合动力汽车E-H切换协调控制方法，其特征在于：所述转速误差信号ew-engine和变化率都采用高斯型的隶属函数。
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