一種基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方法，涉及汽車控制理論領(lǐng)域。該方法應(yīng)用快速系統(tǒng)的模型預(yù)測控制策略，在建立混合動力汽車模式切換過程線性、非線性模型的基礎(chǔ)上，采集車輛模式切換過程中的系統(tǒng)運行狀態(tài)信號，通過模型預(yù)測控制確定本控制周期內(nèi)的系統(tǒng)各部件控制命令，協(xié)調(diào)控制模式切換過程中發(fā)動機、電動機、離合器實時輸出轉(zhuǎn)矩沖突，保證模式間的平穩(wěn)切換，以改善模式切換過程中車輛的動力性及乘客乘坐舒適性。該控制系統(tǒng)由于綜合考慮了未來車輛的需求信息和預(yù)測時域內(nèi)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)性能，可取得較好的控制效果。
【專利說明】
一種基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控 制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及車輛控制領(lǐng)域，尤其是指基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式 切換協(xié)調(diào)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源危機和環(huán)境污染對傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了一些新的要求，混合動力汽車 由于能耗低、污染小、技術(shù)也相對成熟，成為目前解決這兩個問題最切實可行的方案?；旌?動力汽車具有兩個及兩個以上的驅(qū)動源，在驅(qū)動源的不同組合運行狀態(tài)下，車輛可以工作 在多種運行模式下，由于發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性差異，在涉及發(fā)動機、電動機啟停 的模式切換中，動力源合成轉(zhuǎn)矩對目標(biāo)轉(zhuǎn)矩可能會產(chǎn)生較大偏差，這將引起車輛的動力中 斷或者輸出轉(zhuǎn)矩大幅波動，導(dǎo)致車輛動力性以及乘客乘坐舒適性變差。因此，如何設(shè)計高效 的矩協(xié)調(diào)控制算法對于發(fā)揮混合動力汽車動力系統(tǒng)性能尤為關(guān)鍵。
[0003] 模型預(yù)測控制是在工業(yè)實踐過程中逐步發(fā)展起來的一種新興的計算機控制算法。 模型預(yù)測控制采用多步測試、在線滾動優(yōu)化性能指標(biāo)和反饋校正等控制策略，來克服受控 對象建模誤差和結(jié)構(gòu)、參數(shù)與環(huán)境等不確定因素的影響，適用于控制不易建立精確數(shù)學(xué)模 型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，顯示出較高的魯棒性能和良好的應(yīng)用效果，所以它一出現(xiàn) 就受到國內(nèi)外工程界的重視，并已在石油、化工、電力、機電等工業(yè)部門的控制系統(tǒng)中得到 了成功的應(yīng)用。
[0004] 混合動力系統(tǒng)的模式切換等瞬態(tài)過渡過程因為具有非線性、不確定性和時變等特 點，要建立其精確的解析模型非常困難，模型預(yù)測控制算法為解決這一問題提供了較好的 途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對混合動力汽車模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制問題，本發(fā)明提出了基于模型 預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方法，其算法簡潔，易于實現(xiàn)，能達(dá)到較高 的轉(zhuǎn)矩控制精度和良好的動態(tài)響應(yīng)特性。
[0006] 本發(fā)明實施例提供一種用于混合動力汽車模式切換過程的非線性模型預(yù)測控制 算法，包括:建立面向離合器的混合動力車輛系統(tǒng)模擬式切換過程的離散線性化模型;確定 系統(tǒng)的預(yù)測時域和控制時域，計算出預(yù)測時域內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)量和輸出量;設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，并 進(jìn)行求解，得到控制時域內(nèi)的控制序列；將所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的 控制輸入增量作用于系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0008] -種基于模型預(yù)測控制的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制發(fā)方法，其特征在于， 包括如下步驟：
[0009] 步驟一:對混合動力汽車系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)的驅(qū)動模式；
[0010] 步驟二:根據(jù)混合動力車輛的驅(qū)動特性，建立面向離合器且利于模型預(yù)測控制器 設(shè)計的預(yù)測模型；
[0011] 步驟三:模型預(yù)測控制器的設(shè)計。包含模型預(yù)測控制的模式切換轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策 略制定；
[0012] 步驟四：面向控制的離散化模型推導(dǎo)。通過定義適當(dāng)狀態(tài)量和控制量，被控模型可 化為如下形式+ 其中X為狀態(tài)量，A為系統(tǒng)狀態(tài)系數(shù)矩陣，B為系統(tǒng)控制 系數(shù)矩陣，Au為控制增量，為輸出量，C為輸出狀態(tài)系數(shù)矩陣，k為正整數(shù)。
[0013] 步驟五:確定系統(tǒng)的預(yù)測時域和控制時域，計算輸出預(yù)測時域內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)量；
[0014] 步驟六:設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，將模式切換協(xié)調(diào)控制問題轉(zhuǎn)化成二次規(guī)劃問題并進(jìn)行求 解，得到控制時域內(nèi)的控制序列；
[0015]步驟七:將上一步所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增量作 用于系統(tǒng)，即：
[0016] //(〇 =--u(r-\)\Au,
[0017] 系統(tǒng)執(zhí)行這一控制量直到下一時刻。在新的時刻，系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)信息重新預(yù)測下 一段時域的輸出，通過優(yōu)化過程得到一個新的控制增量序列。
[0018] 本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:本發(fā)明提出了基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車 模式切換協(xié)調(diào)控制方法，其算法簡潔，易于實現(xiàn)，能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)矩控制精度和良好的動態(tài) 響應(yīng)特性。
[0019] 1)混合動力車輛模式切換過程多依靠離合器的通斷來實現(xiàn)，所以模式切換過程勢 必關(guān)聯(lián)離合器接合過程的動態(tài)特性，而此過程可能會出現(xiàn)摩擦轉(zhuǎn)矩的顯著波動，將會影響 駕駛性能并對離合器造成過度的滑磨損耗，因此將離合器作為優(yōu)化控制對象，建立基于離 合器的預(yù)測控制模型，用以具體表征模式切換過程的動態(tài)特性。
[0020] 2)基于模型參考控制思想提出模式切換中的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，其中以參考模型 的瞬態(tài)輸出作為HEV驅(qū)動系統(tǒng)的目標(biāo)輸出，即模型預(yù)測控制算法的設(shè)定點信號。控制目標(biāo)是 離合器主動側(cè)的轉(zhuǎn)速ω e和從動側(cè)的轉(zhuǎn)速能夠跟蹤參考模型的輸出。這不僅能保證離合 器主動側(cè)的轉(zhuǎn)速等于離合器從動側(cè)的轉(zhuǎn)速，從而減少離合器滑摩階段的損耗，而且能夠保 證車輛好像始終運行在純電動模式一樣，從而降低車輛的縱向沖擊度，保證駕乘舒適性。
[0021] 3)由于系統(tǒng)的控制增量未知，需設(shè)定合適的優(yōu)化目標(biāo)并進(jìn)行求解，得到控制時域 內(nèi)的控制系列。考慮要保證系統(tǒng)快速且穩(wěn)定響應(yīng)，加入對系統(tǒng)控制量和控制量偏差的優(yōu)化。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明所用基于模型預(yù)測控制的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方案。
[0023] 圖2是本發(fā)明所用基于模型預(yù)測控制的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合實施例具體描述本發(fā)明的實施方式，本部分所選實施例僅用于解釋和說 明本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0025] 步驟一:對混合動力汽車系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)的驅(qū)動模式；
[0026] 1.系統(tǒng)的驅(qū)動模式車輛工作模式分為純電動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、行 車充電、再生制動等。
[0027] 2.選用并聯(lián)式混合動力汽車從純電動驅(qū)動到聯(lián)合驅(qū)動這一模式切換過程作為具 體實施例來說明本發(fā)明的實施，該并聯(lián)式混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)包括一個傳統(tǒng)的發(fā)動機、 ISG和一驅(qū)動電機，以離合器為界，驅(qū)動系統(tǒng)被分為兩部分:第一部分包括發(fā)動機和ISG，第 二部分包括牽引電機和傳動系的剩余部分。車輛低速行駛時（小于20km/h)，驅(qū)動系統(tǒng)工作 在純電動模式，此時離合器不動作。車速高于一定值時(大于20km/h)，車輛工作在聯(lián)合驅(qū)動 模式，此時離合器結(jié)合，完成模式間的切換，但這一過程也同時造成了動力輸出的波動，給 驅(qū)動系統(tǒng)帶來了顯著的沖擊。針對該模式切換問題，應(yīng)用本發(fā)明所提出的基于模型預(yù)測控 制的模式切換協(xié)調(diào)控制方案(如圖1)，按圖2所示的流程具體實施；
[0028] 步驟二:根據(jù)混合動力車輛的驅(qū)動特性，建立面向離合器且利于模型預(yù)測控制器 設(shè)計的預(yù)測模型；
[0029] 1.混合動力車輛模式切換過程多依靠離合器的通斷來實現(xiàn)，所以模式切換過程勢 必關(guān)聯(lián)離合器接合過程的動態(tài)特性，而此過程可能會出現(xiàn)摩擦轉(zhuǎn)矩的顯著波動，將會影響 駕駛性能并對離合器造成過度的滑磨損耗，因此將離合器作為優(yōu)化控制對象，建立基于離 合器的預(yù)測控制模型，用以具體表征模式切換過程的動態(tài)特性。預(yù)測模型具有如下形式，亦 即離合器滑磨階段狀態(tài)方程，式中，Jv、Tlciad分別為等效的整車轉(zhuǎn)動慣量 \J/0c^Tc-TE 和整車負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，ω m是牽引電機轉(zhuǎn)速，!"是驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，Te為 發(fā)動機起動阻力矩，T。是離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，ω e是發(fā)動機轉(zhuǎn)速。
[0030] 2.離合器的連動過程很大程度上影響了模式間的切換品質(zhì)，著眼于離合器結(jié)合控 制問題，將離合器結(jié)合過程劃分為:空行程階段、離合器滑磨階段、轉(zhuǎn)速同步階段和完全鎖 止階段。在離合器兩側(cè)的速度差低于一定的閾值時，離合器進(jìn)入滑磨階段，這也是車輛從純 電動到聯(lián)合驅(qū)動過渡的重要階段。建立包含離合器的預(yù)測模型為: J、是電機、離合器、變速箱和傳動系等效到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，1^是牽引電機摩擦系數(shù)， b e是發(fā)動機摩擦系數(shù)，J ' e是發(fā)動機和I S G的總轉(zhuǎn)動慣量。Τ 1。a d可寫成：
，式中m和g為整車質(zhì)量和重力加速度，Cr和Θ分別代 表滾動阻力系數(shù)和道路坡道角，CD、Pd及A分別為空氣阻力系數(shù)、空氣密度及迎風(fēng)面積， 分別為車速及車輪半徑，ig和if分別為變速箱速比和主減速器速比。
[0031] 步驟三:模型預(yù)測控制器的設(shè)計。包含模型預(yù)測控制的模式切換轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策 略制定；
[0032] 1.基于模型參考控制思想提出模式切換中的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，其中以參考模型 的瞬態(tài)輸出作為HEV驅(qū)動系統(tǒng)的目標(biāo)輸出，即模型預(yù)測控制算法的設(shè)定點信號。控制目標(biāo)是 離合器主動側(cè)的轉(zhuǎn)速ω e和從動側(cè)的轉(zhuǎn)速能夠跟蹤參考模型的輸出。這不僅能保證離合 器主動側(cè)的轉(zhuǎn)速等于離合器從動側(cè)的轉(zhuǎn)速，從而減少離合器滑摩階段的損耗，而且能夠保 證車輛好像始終運行在純電動模式一樣，從而降低車輛的縱向沖擊度，保證駕乘舒適性。
[0033] 2.由于在車輛完成模式切換后離合器完全鎖止，兩軸轉(zhuǎn)速同步，因此將電機按照 駕駛員需求轉(zhuǎn)矩單獨拖動驅(qū)動系統(tǒng)時的模型作為參考模型(離合器鎖止），其轉(zhuǎn)速作為實際 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速規(guī)劃值，參考模型為：
[0034] (/* + ^%〇ad
[0035] Tde?是等效到變速箱輸入側(cè)的駕駛員期望轉(zhuǎn)矩，core3f是參考模型的輸出，離散化則 有：
L〇〇37J coref(k)即coref在k個米樣時刻的值，用γ (k) = L?ref(k)coref(k)]T作為模型預(yù)測 控制器中電機轉(zhuǎn)速C〇m(k)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速COe(k)的參考信號（即設(shè)定點信號），控制目標(biāo)是離 合器主動側(cè)的轉(zhuǎn)速和從動側(cè)的轉(zhuǎn)速能夠跟蹤參考模型的輸出，保證離合器主動側(cè)的轉(zhuǎn)速等 于離合器從動側(cè)的轉(zhuǎn)速，從而減少離合器滑摩階段的損耗，而且能夠保證車輛好像始終運 行在純電動模式一樣，從而降低車輛的縱向沖擊度，保證駕乘舒適性。以ε代表離合器兩側(cè) 的轉(zhuǎn)速差，當(dāng)ε大于閾值5時，車輛工作于純電動模式；當(dāng)ε大于閾值5rad/s時，離合器開始結(jié) 合，此時由模型預(yù)測控制器來決定發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、離合器轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩；當(dāng)ε為〇時，離合器 完全鎖止，車輛工作在聯(lián)合驅(qū)動模式下，此時由能量管理策略來決定發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和牽引電 機轉(zhuǎn)矩，離合器轉(zhuǎn)矩不再可控。
[0038] 步驟四：面向控制的離散化模型推導(dǎo)；
[0039] 1.通過定義適當(dāng)狀態(tài)量和控制量，被控模型可化為如下形式 其中X為狀態(tài)量，A為系統(tǒng)狀態(tài)系數(shù)矩陣，B為系統(tǒng)控制系數(shù)矩陣，Au為控制增量，為輸出量， C為輸出狀態(tài)系數(shù)矩陣，k為正整數(shù)；
[0040] 2.對上述步驟二中的預(yù)測模型以Ts為采樣周期進(jìn)行離散化處理：
[0042]寫成矩陣形式：
[0044] 3.令xd(k) = [ 0m(k) c0e(k)]T,定義狀態(tài)增量為：Axd(k)=xd(k)-xd(k_l)，定義控 制增量為：Δ u(k)=u(k)-u(k-l)，選擇新狀態(tài)矢量:x(k) = [ Δ Xd(k)Txd(k)T]T,可得如下增 廣模型： ? χ(Λ -f- 1) - Ax(k) + BAu(k)
[0045] .廠，"、 L y=Cx(k)
[0046] 其中，
[0047] 步驟五:確定系統(tǒng)的預(yù)測時域和控制時域，計算輸出預(yù)測時域內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)量。
[0048] 1.定義系統(tǒng)的預(yù)測時域為^，控制時域為Nc，則預(yù)測時域內(nèi)的狀態(tài)量和系統(tǒng)輸出量 可通過如下迭代過程計算得到：
[0049] x(t + Np \t) = A'1'x{t\t) + AN1, 'Β???{?\?)
[0050] )..(? + Λ，ρ = + 十…+ + % |?)
[0051 ]以矩陣形式表示系統(tǒng)未來時刻的輸出：
[0052] Y(t) = ?tx(t|t)+0tAU(t)
[0053] 式中： 「 ： Γ π Γ CB' 0 0 0 CA. GAB CB Ο Ο yU-2 |r) CA:
[0054] nv)= ，φ,=，A邱）=M? +丄10 ，0,= m Γ/?'-'S … CB B 沖 +物 〇' - CA、B Cn.' CAB · "* _Ai/(/+.A' |z) , - . '(' + -、、U)_ CA 1 _ _d C4'-…C4'-'
[0055] 2.以NP、N。分別代表預(yù)測時域和控制時域，為了便于說明模型預(yù)測控制的一般迭代 過程，選取N p = 3，Nc = 1對上述步驟四中的增廣模型進(jìn)行迭代計算有：
[0056] x(k+l |k)=Ax(k)+BAu(k),
[0057] x(k+2|k)=A2x(k)+ABAu(k),
[0058] x(k+3 I k) =A3x(k)+A2B Δ u(k).
[0059] 由此可得預(yù)測輸出為：
[0060] y(k+l I k) =CAx(k)+CB Δ u(k),
[0061 ] y(k+2 | k) =CA2x(k)+CAB Δ u(k),
[0062] y(k+3 | k) =CA3x(k)+CA2B Δ u(k). y\k + \\k) Mm(k)
[0063] 令 F=)你+ 2|/f)，Δ{7 = Δη(/〇= Δ?；?/〇 ,則 Υ=φχ(1〇+Θ AU，其中 -j(/f+3|/〇」 1_ΔΙ：(/〇_ "C41 Γ CB "
[0064] Φ= C42，@= C乂δ。 CA}\ [CAZB
[0065] 在第k個采樣時刻，模型預(yù)測控制的目標(biāo)是使預(yù)測輸出〇^仏+1|1〇(1 = 1，2,3)和 〇^(1^+;[|10(1 = 1，2,3)盡可能跟隨上述步驟三中所述規(guī)劃值丫（10 = [01^(1001^(10]1'。
[0066] 步驟六:設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，將模式切換協(xié)調(diào)控制問題轉(zhuǎn)化成二次規(guī)劃問題并進(jìn)行求 解，得到控制時域內(nèi)的控制序列；
[0067] 1.所述步驟六中，考慮要保證系統(tǒng)快速且穩(wěn)定響應(yīng)，加入對系統(tǒng)控制量和控制量 偏差的優(yōu)化，設(shè)定如下形式的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
[0068] J{k) = ^|] tj(t + i 11) - (i+/'| /) |j^, + 乞J 十 i:|〇 ||士 +pe^ /=1
[0069] 式中，Q和R為權(quán)重矩陣，p為權(quán)重系數(shù)，ε為松弛因子。同時，設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)量及控制 量的一些約束條件：
[0070] 控制量約束：
[0071 ] Umin(t+k)^u(t+k)^Umax(t+k) ,k = 0,1 , ··· ,NC-1
[0072] 控制增量約束：
[0073] Δ Umin(t+kX Δ u(t+k)< Δ umax(t+k)，k = 0,1，…，NC_1
[0074] 輸出約束：
[0075] ymin(t+k)^y(t+k)^ymax(t+k) ,k = 0,1, ··· ,NC-1
[0076] 對于以上形式的優(yōu)化目標(biāo)，一般將其轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃(Quadratic Programming, QP)問題處理，常用解法為有效集法和內(nèi)點法。
[0077] 2.由于系統(tǒng)的控制增量未知，需設(shè)定合適的優(yōu)化目標(biāo)并進(jìn)行求解，得到控制時域 內(nèi)的控制系列?？紤]要保證系統(tǒng)快速且穩(wěn)定響應(yīng)，加入對系統(tǒng)控制量和控制量偏差的優(yōu)化。 一般轉(zhuǎn)化為如下形式的二次規(guī)劃問題： J =藝[(~"〔)_+* | +(e0rcJ {k)-coc{k + /1/f))"]
[0078] ./=1 + [α,(ΔΓ)(^))" +α?(ΔΓ,(?:))'· +a^fit,Tr(k：)y]
[0079] 其中，第一項反映了系統(tǒng)對參考模型的跟隨能力，第二項反映了對控制量平穩(wěn)變 化的要求，&1、 &2和83為權(quán)重系數(shù)，為正的常數(shù)。針對該系統(tǒng)，還需滿足系統(tǒng)狀態(tài)量和控制量 的一些約束，如下：
[0080] comin(k+iX ω (k+i |k)< t〇max(k+i)
[0081] ATmin^AT(k+i|k)^ATmax
[0082] Tmin^T(k+i|k)^Tmax
[0083] 以上就形成了一個完整的優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式。通過求解這個帶約束條件的優(yōu)化目 標(biāo)，就能得到未來一段時間內(nèi)的控制序列。
[0084] 步驟七:將上一步所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增量作 用于系統(tǒng)，系統(tǒng)執(zhí)行這一控制量直到下一時刻，在新的時刻，系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)信息重新預(yù)測下 一段時域的輸出，通過優(yōu)化過程得到一個新的控制增量序列。
[0085] 1.所述步驟七中，通過求解步驟六中所述帶約束條件的優(yōu)化目標(biāo)，能得到控制時 域內(nèi)的一系列控制輸入增量：
[0086] Δ?；,* ，…，
[0087] 將該控制序列中第一個元素作為實際的控制輸入增量作用于系統(tǒng)，BP:
[0088] a(;i) = M(#-l)+Au*
[0089] 進(jìn)入下一控制周期后，重復(fù)上述過程，如此循環(huán)實現(xiàn)了對車輛的預(yù)測控制。
[0090] 2.在本實施例中每個控制周期對優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解，得到了控制時域內(nèi)的一系列 控制控制輸入增量：
[0091 ] Δ?/( =： \Mt, &uM,..., An, κν _, ]r
[0092] 根據(jù)模型預(yù)測的基本原理，將該控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增 量，本實例中控制時域N。取1，所以只將優(yōu)化求解結(jié)果直接作用于系統(tǒng)，及：
[0093] u(t) =u(t~l)+ Δ ut
[0094] 系統(tǒng)執(zhí)行這一控制量直到下一時刻，系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)信息重新預(yù)測下一時域的輸 出，通過優(yōu)化過程得到一個新的控制增量序列。如此循環(huán)往復(fù)，直到系統(tǒng)完成控制過程。
[0095] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"一個實施例"、"一些實施例"、"示意性實施例"、 "示例"、"具體示例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié) 構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的 示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0096]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1. 一種基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于， 包括如下步驟： 步驟一:對混合動力汽車系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)的驅(qū)動模式； 步驟二：根據(jù)混合動力車輛的驅(qū)動特性，建立面向離合器且利于模型預(yù)測控制器設(shè)計 的預(yù)測模型； 步驟Ξ:模型預(yù)測控制器的設(shè)計，包含模型預(yù)測控制的模式切換轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略制 定； 步驟四：面向控制的離散化模型推導(dǎo):通過定義適當(dāng)狀態(tài)量和控制量，被控模型可化為 如下形式：I其中X為狀態(tài)量，A為系統(tǒng)狀態(tài)系數(shù)矩陣，B為系統(tǒng)控制系數(shù) 矩陣，A U為控制增量，為輸出量，C為輸出狀態(tài)系數(shù)矩陣，k為正整數(shù)； 步驟五:確定系統(tǒng)的預(yù)測時域和控制時域，計算輸出預(yù)測時域內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)量； 步驟六:設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，將模式切換協(xié)調(diào)控制問題轉(zhuǎn)化成二次規(guī)劃問題并進(jìn)行求解，得 到控制時域內(nèi)的控制序列； 步驟屯:將上一步所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增量，并將 運一控制輸入增量作用于系統(tǒng)，系統(tǒng)執(zhí)行運一控制量直到下一時刻，在新的時刻，系統(tǒng)根據(jù) 狀態(tài)信息重新預(yù)測下一段時域的輸出，通過優(yōu)化過程得到一個新的控制增量序列。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方 法，其特征在于，所述步驟一中，系統(tǒng)的驅(qū)動模式分為純電動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū) 動、行車充電、再生制動。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方 法，其特征在于，所述步驟二中，將離合器作為優(yōu)化控制對象，建立基于離合器的預(yù)測控制 模型，用W表征模式切換過程的動態(tài)特性;預(yù)測模型具有如下形式巧 中，Jv、TlD3d分別為等效的整車轉(zhuǎn)動慣量和整車負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Je為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，com是牽引 電機轉(zhuǎn)速，Tm是驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，Te為發(fā)動機起動阻力矩，Tc是離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，We是發(fā) 動機轉(zhuǎn)速。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方 法，其特征在于，所述步驟Ξ中模型預(yù)測控制器的設(shè)計過稱為:基于模型參考控制思想提出 模式切換中的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，其中W參考模型的瞬態(tài)輸出作為皿V驅(qū)動系統(tǒng)的目標(biāo)輸 出，即模型預(yù)測控制算法的設(shè)定點信號;控制目標(biāo)是離合器主動側(cè)的轉(zhuǎn)速ω e和從動側(cè)的轉(zhuǎn) 速ω m能夠跟蹤參考模型的輸出。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方 法，其特征在于，所述步驟四中面向控制的離散化模型推導(dǎo)過程為:通過對步驟二所述預(yù)測 模型WTs為采樣時間進(jìn)行離散化處理，選取兩個狀態(tài)量[ω?；￤e(k)]T，^個控制量[Tm (k) Tc(；k) Te(k)]T，再令xd(k) = [Wm(k) We(k)]T,定義狀態(tài)增量為：Axd(k) = xd(；k)-Xd (k-1)，定義控制增量為：Au化）=u(k)-u化-1)，選擇新狀態(tài)矢量:x化）= [Axd(k)T Xd(k )τ]τ，可得如下增廣模型： 其中X為狀態(tài)量，A為系統(tǒng)狀態(tài)系數(shù)矩陣，B為系統(tǒng)控制系開 數(shù)矩陣，Au為控制增量，為輸出量，C為輸出狀態(tài)系數(shù)矩陣，k為正整數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方 法，其特征在于，所述步驟五中，定義系統(tǒng)的預(yù)測時域為Np，控制時域為Nc，則預(yù)測時域內(nèi)的 狀態(tài)量和系統(tǒng)輸出量可通過如下迭代過程計算得到：W矩陣形式表示系統(tǒng)未來時刻的輸出： Y(t) =巫 tx(t|t) + 0tAU(t) 式中：7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方 法，其特征在于，所述步驟六中將模式切換協(xié)調(diào)控制問題轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題并進(jìn)行求解 過程為:考慮要保證系統(tǒng)快速且穩(wěn)定響應(yīng)，加入對系統(tǒng)控制量和控制量偏差的優(yōu)化，設(shè)定如 下形式的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：式中，Q和R為權(quán)重矩陣，P為權(quán)重系數(shù)，ε為松弛因子。同時，設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)量及控制量的 一些約束條件： 控制量約束：對于W上形式的優(yōu)化目標(biāo)，一般將其轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃（Qua化atic P;rogramming，QP)問 題處理，常用解法為有效集法和內(nèi)點法。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型預(yù)測控制算法的混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制方 法，其特征在于，所述步驟屯的具體過程為中：通過求解步驟六中所述帶約束條件的優(yōu)化目 標(biāo)，能得到控制時域內(nèi)的一系列控制輸入增量：將該控制序列中第一個元素作為實際的控制輸入增量作用于系統(tǒng)，即：進(jìn)入下一控制周期后，重復(fù)上述過程，如此循環(huán)實現(xiàn)了對車輛的預(yù)測控制。
【文檔編號】B60W20/40GK106080584SQ201610455201
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】汪少華, 賀春榮, 施德華, 姚勇, 何建強
【申請人】江蘇大學(xué)