CN105035079B

CN105035079B - 一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法

Info

Publication number: CN105035079B
Application number: CN201510456340.XA
Authority: CN
Inventors: 何仁; 田翔
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: BEIJING YONGBO TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: CN105035079A

Abstract

本发明公开了一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，利用最小二乘支持向量机的方法对获得的发动机台架性能试验样本数据进行训练，并采用分布估计的算法对最小二乘支持向量机的参数C和σ进行优化，通过对发动机转矩模型进行离线训练与优化，基于最优参数建立发动机转矩观测器。输入当前的节气门开度与转速，得出实时的转矩值，实现发动机转矩的在线观测。在车辆由纯电动驱动模式向纯发动机驱动模式(不同动力源)切换过程中，针对不同的动力源，进行分段协调控制，进而实现整个切换过程的平稳过渡，动力***输出的转矩稳定，无波动，且满足车辆驱动总转矩的需求。

Description

一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合动力汽车动力模式切换协调控制方法，特别是关于一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法。

背景技术

混合动力电动汽车能实现低速纯电动行驶以及中高速和大负荷工况下的并联混合动力行驶，从而使得车辆能量流动的控制和能量消耗的优化具有更大的灵活性，更容易实现低油耗和低排放的目标。但由于不同动力源的瞬态响应特性的显著区别，车辆动力源之间的切换常常会导致动力***输出转矩的大幅变化或突变，从而导致动力输出的不平稳，对车辆产生较大的纵向冲击，进而降低车辆的驾驶性能。

目前现有的混合动力汽车控制方法中，中国专利CN101973267 B，名称为“混合动力电动汽车牵引力分层控制方法”所公开的方案中通过设置上层期望驱动总力矩计算层、中层动态协调控制层和底层退出机制层对混合动力汽车的动力进行协调控制。根据目标滑转率，建立动态滑模控制器计算期望驱动总力矩，用发动机响应期望驱动总力矩的低频部分，让响应速度快的电机动态补偿期望驱动总力矩的高频部分，并建立动态补偿机制。中国专利申请号201210539336.6，名称为“基于模型预测控制的混合动力汽车控制方法”所公开的方案中提出基于数学模型(指数衰减模型或马尔科夫链型模型)预测经过预定时间间隔时的需求转矩；获得优化参数，并据此确定发动机和电机的目标转矩，分别发送给发动机控制器和电机控制器。这两类有代表性的方法都很好的解决了如何识别驾驶员的意图，确定需求总转矩，并根据发动机和电动机响应的特点，分配各自的目标转矩，实现发动机和电机的协调控制。但是，这两类方法都没有涉及如何获取发动机实际的输出转矩这个难题，如果发动机的实际转矩与目标转矩存在较大的误差，那就不能保证车辆正常行驶所需的总转矩能够得到满足。

目前对发动机转矩在线估计方法主要有：(1)发动机平均值模型法，这是基于发动机的几个循环来预测平均的外部变量(曲轴转速、进气岐管压力)和内部变量(燃烧效率、充气效率)的值，平均的时间远短于动态工况中发动机参数的变化时间，从而能够较好地描述动态工况中发动机参数的变化过程。但该方法通用性较差，对于不同类型的发动机需要建立不同的模型，且需要大量的试验数据。(2)基于发动机动态试验的神经网络模型法，这是以发动机实验数据为基础，利用神经网络非线性逼近能力强的特点来估计发动机的动态转矩，但对神经网络类型以及网络参数的选取并没有精确的理论依据。(3)发动机曲轴瞬时转速法，这是建立在发动机发火频率点，曲轴瞬时转速波动幅值与转矩之间存在近似线性关系的基础上。该算法在获得每次循环曲轴瞬时转速序列之后需要进行傅里叶变换，算法复杂，计算量大，对控制***的硬件要求极高，实时性不易保证。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，通过对发动机转矩模型进行离线训练与优化，基于最优参数建立发动机转矩观测器。输入当前的节气门开度与转速，得出实时的转矩值，实现发动机转矩的在线观测。在车辆由纯电动驱动模式向纯发动机驱动模式的切换过程中，针对不同的动力源，进行分段协调控制，进而实现整个切换过程的平稳过渡，动力***输出的转矩稳定，无波动，且满足车辆驱动总转矩的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1，以发动机台架性能实验所得的不同节气门开度和转速下所对应转矩的数据作为样本，利用最小二乘支持向量机(LSSVM)进行训练；

步骤2，采用分布估计算法对最小二乘支持向量机的参数：平衡因子C和核函数参数σ进行优化，得出最优参数，基于最优参数建立发动机转矩观测器模型；

步骤3，根据驾驶员对油门踏板、制动踏板的操作，识别驾驶意图，得出期望的车辆运行状态，在车辆由纯电动驱动模式向纯发动机驱动模式的切换过程中，设置一个动力切换分段控制***，以离合器的状态作为控制***划分的依据，针对不同的动力源，采用不同的控制策略，实现分段协调控制；

步骤4，车辆起步阶段处于纯电动驱动模式，此时发动机关闭，离合器分离，仅由驱动电机提供动力；当车速大于预先设定的车速V_e时，发动机起动，采用模糊PI混合控制调节发动机转速；在离合器两端转速差值较小的情况，进行离合器结合；

步骤5，在离合器完全结合之后，车辆进入混合驱动模式；建立带发动机转矩观测器的模型匹配控制器来调节驱动电机的输出转矩，实现对动力输出总转矩的闭环控制；

步骤6，当发动机正常工作，输出转矩平稳，且实际车速大于预先设定的纯发动机驱动模式门限值V_{eng_alone}时，则逐步增加发动机的转矩输出，并调节驱动电机的转矩输出逐渐下降直至为零，仅由发动机提供动力，车辆进入纯发动机驱动模式。

进一步，在所述步骤1中，以节气门开度间隔为20％，转速间隔为500r/min来获取样本数据。

进一步，在所述步骤1中，选择径向基函数作为最小二乘支持向量机的核函数。

进一步，在所述步骤2中，采用分布估计算法对最小二乘支持向量机参数进行优化的步骤如下：

步骤2.1，采用一维的Logistic映射模型来初始化种群X＝[C,σ]，随机产生一组[0,1]之间的初始值，表示为X₀＝[rand(0,1)，rand(0,1)]，利用X_t+1＝λ·X_t(1-X_t)，经过n次迭代可得混沌序列，并以矩阵的形式表示为：

将混沌序列的取值范围扩展到待优化参数问题的取值范围，可表示为：

x_i1＝C_min+(C_max-C_min)x_i1

x_i2＝σ_min+(σ_max-σ_min)x_i2

式中，n为种群规模，λ为控制参数，平衡因子C的取值范围为[C_max,C_min],核函数参数σ的取值范围为[σ_max,σ_min]；

步骤2.2，评价种群中每个个体的适应度值，第j个个体的适应度值可表示为：

式中，d_ji为第j个个体的第i个实际值，y_ji为第j个个体的第i个观测值，Z为训练样本的个数；

步骤2.3，对种群中的每个个体执行混沌变异，第j个个体的第i个参数值的变异半径可表示为：

变异操作后，计算新个体的适应度值，若小于旧个体原来的适应度值，则用其替换旧个体；否则，保留旧个体；

步骤2.4，对种群中个体的适应度值进行排序，建立带权重的混合高斯模型；

步骤2.5，按建立的混合高斯模型进行抽样，生成n个新个体作为下一代种群；

步骤2.6，判断是否满足收敛条件，如果不满足则转至步骤2.2继续执行；如果满足，则种群中适应度值最小的个体为所求的最优参数。

进一步，在所述步骤4中，采用模糊PI混合控制对发动机进行转速调节的步骤如下：

步骤4.1，根据驱动电机转速ω_m计算目标转速ω_d为：ω_d＝ω_m×i_g，式中i_g为变速箱的传动比，由车辆当前的档位决定；

步骤4.2，根据转速传感器反馈的发动机实际转速ω_e和步骤4.1中确定的目标转速ω_d计算差值，对其进行修正为：Δω＝K×(ω_d-ω_e)，并作为切换的依据；

步骤4.2，当Δω≥ω_TH时，采用模糊控制器对发动机进行转速调节；

步骤4.4，当Δω<ω_TH时，采用PI控制器对发动机进行转速调节；

上式中，K为动态切换补偿切换转速修正系数，ω_TH为模糊控制器与PI控制器之间切换的门限值。

进一步，在所述步骤5中，采用一阶延迟特性来构建控制***的响应特性，建立带发动机转矩观测器的模型匹配控制器来调节驱动电机输出转矩的步骤如下：

步骤5.1，基于最优参数建立发动机转矩观测器模型，输入当前节气门开度α和发动机实际转速ω_e，输出实时转矩，发动机转矩观测器模型可表示为：式中，ω_e为发动机实际转速，α为当前的节气门开度，f(ω_e,α)为发动机转矩观测器输出值，τ_e为观测器模型的滞后时间常数；

步骤5.2，需求转矩辨识模型以节气门开度作为输入，根据驾驶员的驾驶意图，对最大需求转矩进行比例划分，得出当前的需求转矩需求转矩辨识模型可表示为：式中T_dm为最大需求转矩，τ₁为需求转矩辨识模型的滞后时间常数；

步骤5.3，驱动电机的模型可简化为式中，T_mx为驱动电机的额定转矩，τ_m为驱动电机***的滞后时间常数；

步骤5.4，建立前馈控制器，考虑到控制***设计目标为需求转矩T_d与实际驱动总转矩T_q之间的偏差为零，建立前馈控制器为：

步骤5.5，建立反馈控制器，反馈控制器采用PI控制器：

式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数。

进一步，在所述步骤5.5中，PI控制器的参数k_p和k_i具有多组值，并能根据需求转矩T_d与实际驱动总转矩T_q之间的偏差大小选择合适的一组值。

本发明的有益效果是：利用最小二乘支持向量机的方法对获得的发动机台架性能试验样本数据进行训练，并采用分布估计的算法对最小二乘支持向量机的参数C和σ进行优化，基于最优参数建立发动机转矩观测器模型，提高了观测模型的分类性能和泛化能力，解决了发动机转矩实时估计不准确、通用性差、算法复杂的难题。

同时，在并联混合动力汽车由纯电动驱动模式向纯发动机驱动模式切换过程中，设置一个混合动力汽车动力切换分段控制***：

(1)在离合器完全结合之前，采用模糊PI混合控制调节发动机转速，确保在离合器两端转速差较小的情况下进行结合，能够较快地完成离合器的完全结合，减少滑磨的过程，降低了离合器由分离到结合的变化过程中对动力***的冲击；

(2)在离合器完全结合之后，建立带发动机转矩观测器的模型匹配控制器来调节驱动电机的输出转矩，通过对发动机转矩准确的在线实时观测，实现了对动力输出总转矩的闭环控制，提高了动力***输出稳定性、可靠性和鲁棒性，有效地改善了车辆的平顺性和操控性能。本发明可以广泛用于各种混合动力汽车动力切换控制过程中。

附图说明

图1是本发明所述的同轴并联混合动力汽车动力传动***简化结构示意图；

图2是本发明所述的带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力协调控制流程示意图；

图3是本发明所述的发动机转矩模糊PI混合控制结构示意图；

图4是本发明所述的模糊控制器控制规则对应的曲线图；

图5是本发明所述的带发动机转矩观测器的模型匹配控制结构示意图。

图中：1-发动机；2-离合器；3-变速箱；4-驱动电机；5-主减速器；6-车轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1为车辆动力传动***的简化结构示意图，仅以示意方式显示与本发明有关的构成。

如图1所示的同轴并联混合动力汽车包括发动机1、离合器2、变速箱3、驱动电机4、主减速器5和车轮6。其中，驱动电机4的前端与变速箱3的动力输出轴相连，驱动电机4的后端通过主减速器5与车轮6相连，发动机1通过离合器2与变速箱3的输入轴相连。

图2为本发明方法的流程示意图，分为离线与在线两部分。离线部分主要是关于发动机转矩观测模型建立与优化的过程，而在线部分主要关于车辆由纯电动驱动模式向纯发动机驱动模式切换过程，不同动力源协调控制的步骤。

本发明方法包括以下步骤：

(1)离线部分

1)以发动机台架性能实验所得数据(不同节气门开度和转速下，所对应的转矩)作为样本，其中节气门开度间隔为20％，转速间隔为500r/min。

2)选择径向基函数(RBF)作为最小二乘支持向量机的核函数，利用分布估计算法对最小二乘支持向量机的参数：平衡因子C和核函数参数σ进行优化。优化过程如下：

①采用一维的Logistic映射模型来初始化种群X＝[C,σ],

随机产生一组[0,1]之间的初始值，表示为：

X₀＝[rand(0,1)，rand(0,1)]

利用X_t+1＝λ·X_t(1-X_t)，经过n次迭代可得混沌序列，并以矩阵的形式表示为：

x_i1＝C_min+(C_max-C_min)x_i1

x_i2＝σ_min+(σ_max-σ_min)x_i2

式中，n为种群规模，λ为控制参数，平衡因子C的最大值C_max＝500,最小值C_min＝10,核函数参数σ的最大值σ_max＝10,σ_min＝0.1；

②评价种群中每个个体的适应度值，第j个个体的适应度值可表示为：

式中，d_ji为第j个个体的第i个实际值，y_ji为第j个个体的第i个观测值，Z为训练样本的个数。

③对种群中的每个个体执行混沌变异，第j个个体的第i个参数值的变异半径可表示为

变异操作后，计算新个体的适应度值，若小于旧个体原来的适应度值，则用其替换旧个体。否则，保留旧个体。

④对个体的适应度值进行排序，建立带权重的混合高斯模型。权重因子可以表示为

式中q为修正系数。

⑤根据概率对混合高斯模型进行抽样，生成n个新个体作为下一代种群。

抽样的概率可表示为：

⑥判断是否满足收敛条件，如果不满足则转至②继续执行。如果满足，则种群中适应度值最小的个体为所求的最优参数。

基于最优参数建立发动机转矩观测器模型，以转速传感器反馈的发动机实际转速ω_e和节气门开度α作为输入，输出为发动机的转矩。观测误差小，通用性强，算法简单。由于是离线训练，在线观测，所以实时性较好。

(2)在线部分

1)根据驾驶员对油门踏板、制动踏板的操作，识别驾驶意图，得出期望的车辆运行状态。在车辆由纯电动驱动模式向纯发动机驱动模式的切换过程中，设置一个动力切换分段控制***，以离合器的状态作为控制***划分的依据。针对不同的动力源，采用不同的控制策略，实现分段协调控制。

2)车辆起步阶段处于纯电动驱动模式，此时发动机关闭，离合器分离，仅由驱动电机提供动力。当车速大于预先设定的V_e时，发动机起动，采用模糊PI混合控制调节发动机转速，如图3所示。在离合器两端转速差值较小(|ω|＜ω_T)的情况，进行离合器结合，能够较快地实现完全结合，减少离合器的滑磨过程，降低对车辆动力传输的波动影响。优选参数V_e＝30，ω_T＝45；

上述模糊PI混合控制调节发动机转速的方法如下：

①根据驱动电机转速ω_m计算目标转速ω_d为：

ω_d＝ω_m×i_g

式中i_g为变速箱的传动比，由车辆当前的档位决定。

②根据转速传感器反馈的发动机实际转速ω_e和①中确定的目标转速ω_d计算差值，考虑整个***的动态响应，对其进行修正为：

Δω＝K×(ω_d-ω_e)

并作为切换的依据；

式中，K为动态切换补偿切换转速修正系数，优选参数K＝1.05。

③当Δω≥ω_TH时，采用模糊控制器对发动机进行转速调节，其控制规则的设置贴近发动机调速的特性，避免因当前转速误差较大，大量地增加喷油量和进气量，造成油气突然加浓和燃烧不充分的情况发生，引起燃油利用率下降和尾气排放污染加重；

④当Δω<ω_TH时，采用PI控制器对发动机进行转速调节，避免由于有限的模糊控制规则造成的输出振荡，有利于消除***的静态误差，提高***控制的精度；

式中，ω_TH为模糊控制器与PI控制器之间切换的门限值。优选参数ω_TH＝10。而模糊控制器控制规则的设置是建立在多次发动机调速试验的基础上，依据发动机调速的特性，选择合适的控制量输出。以转速误差e和误差变化率作为输入，做归一化处理，都映射到论域[-6,6]，而控制量U则映射到论域[-7,7]，控制规则如图4所示。

3)如图5所示，在离合器完全结合之后，车辆进入混合驱动模式。建立带发动机转矩观测器的模型匹配控制器来调节驱动电机的输出转矩，实现了对动力输出总转矩的闭环控制，既满足了驾驶需求转矩的要求，又实现了整个***转矩平稳输出；

上述带发动机转矩观测器的模型匹配控制器包含模型如下：

①基于最优参数建立发动机转矩观测器模型，输入当前节气门开度α和发动机实际转速ω_e，输出实时转矩。发动机转矩观测器模型可表示为

式中，ω_e为发动机实际转速，α为当前的节气门开度，τ_e为观测器模型的滞后时间常数，优选参数τ_e＝20。

②需求转矩辨识模型以节气门开度作为输入，根据驾驶员的驾驶意图，对最大需求转矩进行比例划分，得出当前的需求转矩需求转矩辨识模型可表示为

式中，T_dm为最大需求转矩，应小于车辆双动力源驱动时输出的最大转矩，τ₁为需求转矩辨识模型的滞后时间常数，优选参数τ₁＝15。

③驱动电机的模型可简化为

式中，T_mx为驱动电机的额定转矩值，τ_m为驱动电机***的滞后时间常数，优选参数τ_m＝8。

④建立前馈控制器，来实现***的目标值应答特性即模式匹配性。考虑到控制***设计目标为需求转矩T_d与实际驱动总转矩T_q之间的偏差为零，建立前馈控制器：

⑤建立反馈控制器，来实现***的鲁棒跟随特性和稳定性。反馈控制器采用PI控制器：

PI控制器的参数k_p和k_i具有多组值，并能根据需求转矩T_d与实际驱动总转矩T_q之间的偏差e大小选择合适的参数，兼顾***响应速度和超调量的要求。偏差e较大时，比例系数k_p选较大值，积分系数k_i选较小值，以实现加快***响应速度的目的；当偏差e变小时，比例系数k_p选较小值，积分系数k_i选较大值，以达到***的超调量较小的目的。式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，优选参数:当e＝35时，k_p＝80，k_i＝3；当e＝15时，k_p＝45，k_i＝25；当e＝8时，k_p＝5，k_i＝40。

4)当发动机正常工作，输出转矩平稳，且实际车速大于预先设定的纯发动机驱动模式门限值V_{eng_alone}时，则逐步增加发动机的转矩输出，并调节驱动电机的转矩输出逐渐下降直至为零，仅由发动机提供动力，车辆进入纯发动机驱动模式，实现了对不同动力源的切换。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，以发动机台架性能实验所得的不同节气门开度和转速下所对应转矩的数据作为样本，利用最小二乘支持向量机进行训练；

2.如权利要求1所述的带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，其特征在于：在所述步骤1中，以节气门开度间隔为20％，转速间隔为500r/min来获取样本数据。

3.如权利要求1所述的带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，其特征在于：在所述步骤1中，选择径向基函数作为最小二乘支持向量机的核函数。

4.如权利要求1所述的带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，其特征在于：在所述步骤2中，采用分布估计算法对最小二乘支持向量机参数进行优化的步骤如下：

x_i1＝C_min+(C_max-C_min)x_i1

x_i2＝σ_min+(σ_max-σ_min)x_i2

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5.如权利要求1所述的带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，其特征在于：在所述步骤4中，采用模糊PI混合控制对发动机进行转速调节的步骤如下：

步骤4.3，当Δω≥ω_TH时，采用模糊控制器对发动机进行转速调节；

式中，K为动态切换补偿切换转速修正系数，ω_TH为模糊控制器与PI控制器之间切换的门限值。

6.如权利要求1所述的带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，其特征在于：在所述步骤5中，采用一阶延迟特性来构建控制***的响应特性，建立带发动机转矩观测器的模型匹配控制器来调节驱动电机输出转矩的步骤如下：

步骤5.4，建立前馈控制器，考虑到控制***设计目标为需求转矩T_d与实际驱动总转矩T_q之间的偏差为零，设计前馈控制器为：

步骤5.5，建立反馈控制器，反馈控制器采用PI控制器：

式中，k_p为比例系数，k_i为积分系数。

7.如权利要求6所述的带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，其特征在于：在所述步骤5.5中，PI控制器的参数k_p和k_i具有多组值，并能根据需求转矩T_d与实际驱动总转矩T_q之间的偏差大小选择合适的一组值。