CN111677613B - 一种发动机启动协调控制方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发动机启动协调控制方法和***。该方法根据驾驶员踏板信息和车辆运行状态确定驾驶员的需求扭矩后，得到启动指令，根据发动机的启动指令确定发动机所处不同阶段的动力学模型；然后根据动力学模型确定车辆电机A的转矩和电机B的转矩，根据电机A的转矩和电机B的转矩进行调速并启动发动机，进而完成发动机启动协调控制过程。本发明提供的发动机启动协调控制方法和***，采用驱动电机反拖发动机进行启动，一方面采用混合动力***，调节发动机的负荷，改善发动机的工作点，进而改善发动机的油耗和排放；另一方面利用驱动电机来反拖启动发动机，驱动力矩更大，可以缩短启动时间，从而减少车辆油耗和排放量。

Description

一种发动机启动协调控制方法和***
技术领域
本发明涉及发动机启动控制领域，特别是涉及一种发动机启动协调控制方法和***。
背景技术
为应对全球性的资源短缺和气候变暖，国际上欧美日等汽车工业强国相继完成了针对2020年甚至更长的各年度乘用车燃料消耗标准法规制定，对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出了更严格的要求。乘用车燃油消耗量标准就像高悬于汽车企业头顶的达摩克利斯之剑，逼迫着汽车企业加大在新能源汽车领域的投入。
混合动力汽车指具有两种或两种以上动力源和动力转换装置的汽车。混合动力汽车不仅可以调节发动机工作点使发动机运行在高效率区，还可以通过控制发动机的怠速启停或滑行启停等减少发动机能量损失，并可以通过制动能量回收进行能量的再利用。混合动力汽车具有节能减排的特点引起了广泛关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种发动机启动协调控制方法和***，能够缩短启动时间，减少车辆油耗量和排放量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种发动机启动协调控制方法，包括：
获取驾驶员踏板信息和车辆运行状态；
根据所述驾驶员踏板信息和所述车辆运行状态确定驾驶员的需求扭矩；
根据所述驾驶员踏板信息和需求扭矩获取发动机的启动指令；
获取发动机转速、电机转速和离合器油压；
根据所述发动机的启动指令、所述发动机转速、所述电机转速和所述离合器油压确定所述发动机所处不同阶段的相应的动力学模型；所述不同阶段包括：离合器调速阶段、发动机启动控制阶段和发动机主动调速阶段；
根据所述动力学模型确定车辆电机A的转矩和电机B的转矩；
根据所述电机A的转矩和所述电机B的转矩进行调速并启动所述发动机；当所述发动机转速满足设定的发动机转速时进入混合驱动模式，完成发动机启动协调控制过程。
可选的，所述动力学模型具体包括：离合器调速阶段动力学模型、发动机启动控制阶段动力学模型和发动机主动调速阶段动力学模型。
可选的，所述离合器调速阶段动力学模型为：
Figure GDA0002930676220000021
Figure GDA0002930676220000022
Figure GDA0002930676220000023
式中，
Figure GDA0002930676220000024
为电机A在这一阶段的目标转速，ωA电机A在这一阶段的实际转速，k1表示第一行星排特性参数，k2表示第二行星排特性参数，k3表示第三行星排特性参数，ωo为耦合机构输出轴转速，TA为电机A的转矩，kAp为比例系数，kAi为积分系数，kAd为微分系数，To为输出转矩与电机A转矩、电机B转矩的耦合关系，即为输出端的转矩；
所述发动机启动控制阶段动力学模型为：
Figure GDA0002930676220000031
式中，X表示状态量，包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，Y表示输出量，包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，U表示控制量，包括电机A的转矩u1和电机B的转矩u2，Γ为干扰量，其为时变矩阵，A为***矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵，A、B和C均为常数矩阵；
所述发动机主动调速阶段动力学模型为：
Figure GDA0002930676220000032
Figure GDA0002930676220000033
Figure GDA0002930676220000034
式中，
Figure GDA0002930676220000035
为电机A的稳态目标转矩，if为前传动，Te为发动机转矩，KA为协调控制参数，TB为电机B的转矩。
可选的，根据所述离合器调速阶段动力学模型确定离合器调速阶段车辆电机A的转矩和电机B的转矩具体包括：
获取车辆输出轴的转速和电机A的实际转速；
根据所述车辆输出轴的转速和所述电机A的实际转速，根据离合器调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
可选的，根据所述发动机启动控制阶段动力学模型确定发动机启动控制阶段所述电机A的转矩和所述电机B的转矩具体包括：
获取车辆输入轴的转速和输出轴的转速；
以所述输入轴的转速和所述输出轴的转速为***的状态变量，根据所述发动机启动控制阶段动力学模型确定所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩。
可选的，根据所述发动机主动调速阶段动力学模型确定发动机主动调速阶段所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩具体包括：
获取车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速；
根据车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速，采用发动机主动调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
一种发动机启动协调控制***，包括：
第一获取模块，用于获取驾驶员踏板信息和车辆运行状态；
需求扭矩确定模块，用于根据所述驾驶员踏板信息和所述车辆运行状态确定驾驶员的需求扭矩；
启动指令确定模块，用于根据所述驾驶员踏板信息和需求扭矩获取发动机的启动指令；
第二获取模块，用于获取发动机转速、电机转速和离合器油压；
动力学模型确定模块，用于根据所述发动机的启动指令、发动机转速、电机转速和离合器油压确定所述发动机所处不同阶段的相应的动力学模型；所述不同阶段包括：离合器调速阶段、发动机启动控制阶段和发动机主动调速阶段；所述动力学模型包括：离合器调速阶段动力学模型、发动机启动控制阶段动力学模型和发动机主动调速阶段动力学模型；
转矩确定模块，用于根据所述动力学模型确定车辆电机A的转矩和电机B的转矩；
启动模块，用于根据所述电机A的转矩和所述电机B的转矩进行调速并启动所述发动机；当所述发动机转速满足设定的发动机转速时进入混合驱动模式，完成发动机启动协调控制过程。
可选的，所述转矩确定模块包括：
第一转速获取单元，用于获取车辆输出轴的转速和电机A的实际转速；
第一转矩确定单元，用于根据所述车辆输出轴的转速和所述电机A的实际转速，根据离合器调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
可选的，所述转矩确定模块还包括：
第二转速获取单元，用于获取车辆输入轴的转速和输出轴的转速；
第二转矩确定单元，用于以所述输入轴的转速和所述输出轴的转速为***的状态变量，根据所述发动机启动控制阶段动力学模型确定所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩。
可选的，所述转矩确定模块还包括：
第三获取单元，用于获取车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速；
第三转矩确定单元，用于根据车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速，采用发动机主动调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的发动机启动协调控制方法和***，采用驱动电机反拖发动机进行启动，一方面采用混合动力***，调节发动机的负荷，改善发动机的工作点，进而改善发动机的油耗和排放；另一方面利用驱动电机来反拖启动发动机，驱动力矩更大，可以缩短启动时间，从而减少车辆油耗和排放量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明实施例提供的发动机启动协调控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的整车不同工作模式切换逻辑图；
图3为本发明实施例提供的发动机启动逻辑位规则图；
图4为本发明实施例提供的纯电动驱动模式控制策略；
图5为本发明实施例提供的混合驱动模式能量管理流程；
图6为本发明实施例提供的一种机电复合传动***结构示意图；
图7为本发明实施例提供的发动机启动过程动力学模型图；
图8为本发明实施例提供的行进中发动机启动过程控制流程图；
图9为本发明实施例提供的离合器调速阶段电机转矩控制算法图；
图10为本发明实施例提供的最优跟踪***结构图；
图11为本发明实施例提供的路面负载观测器结构框图；
图12为本发明实施例提供的发动机万有特性图；
图13为本发明实施例提供的电机A转矩协调控制系数随发动机转速偏差的变化轨迹图；
图14为本发明实施例提供的发动机主动调速阶段协调控制策略图；
图15为本发明实施例提供的发动机启动协调控制***的结构示意图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种发动机启动协调控制方法和***，能够缩短启动时间，减少车辆油耗量和排放量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的本发明实施例提供的发动机启动协调控制方法的流程示意图，如图1所示，一种发动机启动协调控制方法，包括：
步骤100：获取驾驶员踏板信息和车辆运行状态。
步骤101：根据所述驾驶员踏板信息和所述车辆运行状态确定驾驶员的需求扭矩。
步骤102：根据所述驾驶员踏板信息和需求扭矩获取发动机的启动指令。
步骤103：获取发动机转速、电机转速和离合器油压；
步骤104：根据所述发动机的启动指令、发动机转速、电机转速和离合器油压确定所述发动机所处不同阶段的相应的动力学模型。所述不同阶段包括：离合器调速阶段、发动机启动控制阶段和发动机主动调速阶段。
步骤105：根据所述动力学模型确定车辆电机A的转矩和电机B的转矩。
步骤106：根据所述电机A的转矩和所述电机B的转矩进行调速并启动所述发动机。当所述发动机转速满足设定的发动机转速时进入混合驱动模式，完成发动机启动协调控制过程。
其中，发动机启动控制作为整车控制策略的一部分，其触发指令由整车控制器发出，当完成发动机启动，返回发动机启动完成的标志位，更新工作模式。
发动机启动逻辑为：
发动机启动逻辑是指根据整车的工作工作状态来确定什么时候启动发动机，当发动机不启动是纯电工况，发动机启动后转换为混合驱动工况。
混合动力车辆的整车能量管理策略是混合动力领域研究最为充分的问题，总体来讲，可以分为两大类，基于规则的控制算法和基于优化的控制算法。基于规则的控制算法通过建立一定的规则库确定各部件的工作状态，分为确定逻辑规则算法和模糊逻辑规则算法。基于优化的控制算法分为全局优化控制算法和实时优化控制算法。本发明采用简单可靠的基于确定逻辑规则的控制算法，其核心内容分为不同工作模式之间的逻辑切换条件和各工作模式下功率分配规则两大部分。
基于确定逻辑规则的控制策略把车辆不同工作模式划分成一系列状态，不同状态关系和切换条件如图2所示。整车不同工作状态下的切换条件如表1所示，其中，α为驾驶员踏板开度，其数值在+1到-1之间，正代表驱动功率的大小，负代表制动功率的大小。V为实际车速，δ为一个较小正数。Eng为发动机启停***逻辑，1代表发动机启动指令，0代表发动机关停指令。CHA为电池充放电***逻辑，1代表停车充电指令，0代表充电完成指令。Ve2h、Vevt122、Vevt221分别为纯电动驱动到混联驱动、EVT1到EVT2、EVT2到EVT1的模式切换门限车速值，为避免循环切换模式，令Vevt122>Vevt221。
表1整车不同工作状态切换条件
Figure GDA0002930676220000091
Figure GDA0002930676220000101
通过以上分析，本发明关心的发动机启动过程主要发生在两种情况下：一是驻车状态下的启动工况。另一个是行车过程中由纯电动模式切换到混合驱动模式过程。这两种发动机启动工况对应三种切换条件，分别是车速V高于纯电动驱动最高车速Ve2h、驱动功率需求Pneed高于纯电动驱动模式最大驱动功率PmotBmax、动力电池SOC低于允许的最低值SOClow。因此，发动机启动逻辑位的切换规则如图3所示。
以上介绍了混合动力车辆发动机启动的两种情况，本发明讨论行进中发动机启动工况。此外，进行中启动还涉及到纯电动驱动和混合驱动模式。
纯电动驱动工况采用电机B单独驱动，发动机和电机A停止工作，离合器CL0和CL1分离，制动器B1结合。如图4所示，控制策略主要是根据驾驶员模型输出的驱动功率需求Pneed和电机B转速确定电机B转矩，以满足驾驶员的操作意图。
混合驱动模式下，在满足驾驶员动力性需求前提下，主要是通过调节动力电池和电机A、B的工作状态来保证发动机工作在高效燃油经济区，***能量管理的流程如图5所示。
本发明研究的机电复合传动***(EMT)主要用于满足重型车辆驱动大功率、大转矩的需求，由两个可以四象限工作的电机和三个行星排构成，通过控制不同离合器的接合和分离，使得***可以工作在不同的模式下。***结构示意图如图6。
其中，发动机通过前传动和主离合器CL0与耦合机构输入端相连，发动机的启动和转矩输出都是通过控制主离合器CL0的接合与分离来实现。电机A和电机B在混合驱动模式下负责调节发动机工作点，使发动机工作在高效区，从而达到机械功率和电功率的综合传动效率最高。此外，电机B在纯电动模式下还负责电力驱动。通过操纵离合器CL1和制动器B1可以实现两种混合驱动模式：
如下表2所示，EVT1模式下离合器CL1分离，制动器B1接合，***输出转速较低，而输出转矩较大，适合低速大转矩工况。EVT2模式下离合器CL1接合，制动器B1分离，***的输出转速较高，而输出转矩较低，适合高速驱动工况。
表2混合驱动模式与操纵元件状态
Figure GDA0002930676220000111
两种混合驱动模式的相互切换既拓展了传动***的转速范围，又能够满足重型车辆对低速大转矩的需求。不同混合驱动模式下***转速和转矩关系如下表3所示。其中，na表示电机a转速，nb表示电机b转速，ni表示输入端i的转速，no表示输出端o的转速，Ti表示输入端i的转矩，To表示输出端b的转矩。
表3混合驱动模式下转速和转矩关系
Figure GDA0002930676220000112
Figure GDA0002930676220000121
在动力电池电量充足、低负载情况下，混合动力车辆一般采用纯电动驱动起步，随着车速升高，需求功率也不断升高，逐渐切换到混合驱动模式。这一过程伴随着发动机启动、离合器接合、发动机和电机转矩协调等动态过程，本发明的机电复合传动***采用三个行星排混联式结构，并不能通过电机直接启动发动机，因此本发明设计了分阶段的发动机启动过程控制策略，改善发动机启动过程中的平顺性问题。
本发明中：式(2)确定***由纯电动驱动过程中进入到发动机启动控制模式的切换车速。
离合器调速阶段：式(6)给出了输出转矩与电机A、电机B转矩的关系。
发动机启动控制阶段：式(9)给出了耦合机构在这一阶段的状态空间模型，式(10)定义状态变量的跟踪轨迹，式(11)定义跟踪误差矢量e(t)，式(13)采用线性二次型的方法定义跟踪***性能函数，式(14)定义了哈密尔顿函数，随后进行最优控制量的求解，式(29)给出了在发动机启动控制阶段，向发动机控制器、电机控制器和离合器控制器发送的控制指令。
电机拖动发动机启动阶段：式(38)给出了路面负载的估计值，结合驾驶员需求转矩，从离线计算表格查表得到电机A的转矩和电机B的转矩，将发动机转速拖动到点火转速。
发动机主动调速阶段：比例关系式(39)给出了在EVT1模式下出电机A的稳态目标转矩。考虑到电机A与发动机的协调控制，式(40)引入一个协调控制系数kA，来控制电机A转矩。式(41)给出了输出转矩To与发动机转矩、电机B转矩的关系。
启动过程动力学分析
将传动***耦合机构看成一个多刚体***，忽略轴、轴承和齿轮啮合的弹性和阻尼，将各元件视为完全刚性无阻尼的旋转惯性元件，以集中质量形式表示。可以得到机电复合传动***在发动机启动过程中的动力学模型，如图3所示。
图7中共有五个独立旋转质量JA、JB、Jx、Jo、Ji。其中JA为电机A和k2排齿圈等效转动惯量。JB为电机B和k1、k2、k3排太阳轮的等效转动惯量。Jx为k1排齿圈和k2排行星架的等效转动惯量。Jo为k3排行星架和整车平移质量等效转动惯量。对于Ji，由于发动机启动过程涉及到主离合器CL0的接合过程，因此在主离合器分离时，Ji为k1排行星架和主离合器从动端的等效转动惯量，在主离合器接合后，Ji还需要附加上输入轴和发动机飞轮的等效转动惯量，k1表示第一行星排特性参数，k2表示第二行星排特性参数，k3表示第三行星排特性参数，K1、k2、k3、JA、JB、Jx、Jo、Ji都是常数。
耦合机构动力学模型：
Figure GDA0002930676220000131
式中，TA表示电机A的转矩，TB表示电机B的转矩，Ti表示输入端i的转矩，To表示输出端的转矩，
Figure GDA0002930676220000141
表示输入端角加速度，
Figure GDA0002930676220000142
表示输出端角加速度，b11、b12、b21和b22均表示常数。
Figure GDA0002930676220000143
发动机启动控制作为整车控制策略的一部分，其触发指令由整车控制器发出，当完成发动机启动，返回发动机启动完成的标志位，更新工作模式。其完整流程如下：
1)由驾驶员踏板信号和车辆运行状态得到驾驶员的需求转矩，结合电池组SOC和车速状况，根据图2所示的发动机启动逻辑规则确定是否进入发动机启动模式，如果满足发动机启动条件(车速V高于纯电动驱动最高车速Ve2h、驱动功率需求Pneed高于纯电动驱动模式最大驱动功率PmotBmax、动力电池SOC低于允许的最低值SOClow)，发动机启动标志位Eng置1，进入下一阶段。
2)在发动机启动控制阶段，根据设计的分阶段发动机启动协调控制策略，分别向发动机控制器、电机控制器和离合器控制器发送控制指令，控制各部件协调工作。在主离合器CL0接合后，进入下一阶段。
3)在电机拖动发动机启动阶段，根据路面负载观测器观测得到的路面负载转矩，结合驾驶员需求转矩，从离线计算表格查表得到电机A的转矩和电机B的转矩，将发动机转速拖动到点火转速。发动机点火后，进入下一阶段。
4)发动机点火后，进入发动机主动调速阶段，当发动机转速升高到满足进入混合驱动模式条件时，发动机启动控制阶段结束，发动机启动标志位Eng置0，模式状态更新。
根据不同阶段的动力学模型确定与所述不同阶段的动力学模型相对应的发动机启动控制策略，该发动机启动控制策略称为分阶段发动机启动协调控制策略。
行车过程中发动机启动过程，需要协调主离合器、电机与发动机的转矩关系，不同阶段的动力学模型不相同，因此，针对不同启动阶段，设计了多阶段发动机启动控制策略。不同阶段的切换条件如图8所示。
纯电动驱动过程中，当车速高于切换车速Ve2h时，***进入到发动机启动控制模式，切换车速由式(2)确定，本发明取Ve2h＝15km/h。
Figure GDA0002930676220000151
式中，nB取电机B的额定转速，R为车轮半径，io为车辆主减速器的传动比。
针对不同阶段车辆动力学模型，设计的协调控制策略如下：
(1)纯电动驱动模式
纯电动驱动模式下，制动器B1接合，由电机B单独驱动，传动***的输出转矩To为：
To＝(1+k3)TB (3)
其中，输出转矩To由驾驶员踏板决定，反映驾驶员的动力需求。在纯电动驱动过程中，行星排k3处于工作状态，行星排k1和k2处于空转状态。随着车速变化，耦合机构输入端，即主离合器C0的被动端，也会产生空转转速。而发动机此时处于静止状态，所以主离合器C0主被动端产生了速差。如果不消除速差接合主离合器CL0，必然会产生较大冲击，因此，在发动机启动之前，需要进行离合器调速。
(2)离合器调速阶段
这一阶段的主要目的是利用电机A消除主离合器速差，即减小耦合机构输入端的空转转速，从而降低主离合器CL0接合的冲击。在这一阶段，主离合器CL0处于分离状态，制动器B1接合，与纯电动驱动模式相同。
根据EVT1模式下转速耦合关系式，令ωi＝0，可以得到电机A在这一阶段的目标转速：
Figure GDA0002930676220000161
采用PID控制电机A的转矩，则TA由式(5)得到。
Figure GDA0002930676220000162
在电机A调节转速过程中，由于转矩耦合作用，电机A转矩会对输出转矩产生一定干扰，输出转矩与电机A、电机B转矩的耦合关系如下：
Figure GDA0002930676220000163
因此，这一阶段电机A的转矩和电机B的转矩需要相互协调，满足驾驶员模型对输出转矩的需求，电机转矩控制算法如图9。
(3)离合器接合阶段
由于存在离合器调速阶段，因此主离合器CL0可以做到低速差接合，接合过程的冲击度和滑磨功可以得到保证。在实际控制中，设定离合器接合指令的逻辑门限值(本发明取为Δω＝50r/min)，该逻辑门限值的选取既不能太小而使接合条件过于严苛，也不能过大导致离合器接合速差太大产生冲击，当离合器速差低于逻辑门限值，控制器发送接合指令，离合器经过短暂的同步过程，快速接合，***进入到发动机启动控制阶段。
(4)发动机启动控制阶段
这一阶段主要目的是通过电机A和电机B的拖动使得发动机曲轴转速由静止到达发火转速，同时，还要保证这一过程中输出转矩的平稳。评价输出转矩平稳的指标是冲击度，冲击度的定义：
Figure GDA0002930676220000171
式中，j为整车纵向冲击度，德国标准中冲击度j≤10m/s3，中国标准j≤17.64m/s3。
由式(7)可知，若输出轴转速ωo能够保持线性变化，即车辆加速度保持为常数，则整车冲击度能够理论上维持在零。因此，如果设定输出轴的转速轨迹并施加控制进行轨迹跟踪，则发动机启动过程中的平稳性控制问题可以转化为转速跟踪控制问题。
最优控制问题分为状态调节器和***问题，状态调节器的任务是消耗尽量少的能量使***状态维持在平衡状态，而***的控制目的是使输出紧紧跟随某希望的状态轨迹，同时不消耗过多的控制能量。
根据式(1)所得到的动力学模型，选取输入轴转速和输出轴转速为***的状态变量，电机A的转矩和电机B的转矩为***的控制变量，即：
Figure GDA0002930676220000181
其中，x1为耦合机构输入轴转速，x1＝ωi，x2耦合机构输出轴转速，x2＝ωo，TA为电机A的转矩，TA＝u1，TB为电机B的转矩，TB＝u2。
耦合机构在这一阶段的状态空间模型为：
Figure GDA0002930676220000182
式中，
Figure GDA0002930676220000183
X表示状态量，包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，Y表示输出量，包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，U表示控制量，包括电机A的转矩u1和电机B的转矩u2，Γ为干扰量，其为时变矩阵，A为***矩阵B为控制矩阵，C为输出矩阵，A、B和C均为常数矩阵。
由于矩阵[BAB]的秩为2，所以***完全能控。由于矩阵[C CA]T的秩为2，所以***完全能观。
设定状态变量的跟踪轨迹为：
Figure GDA0002930676220000184
式中，βi为发动机曲轴角加速度。ωo(t0)为耦合机构输出端在这一阶段的初始转速。βo为耦合机构输出端的角加速度。在刚性假设前提下，βo与整车纵向加速度的关系如下：
Figure GDA0002930676220000185
其中，V表示整车纵向速度，t代表时间。
在目标跟踪轨迹z(t)中，设定了发动机曲轴端转速和耦合机构输出端转速均按照线性规律变化，即输入输出端角加速度保持恒定。
同时，定义跟踪误差矢量e(t)为：
e(t)＝z(t)-Y(t) (12)
定义***性能泛函如下：
Figure GDA0002930676220000191
式中，
Figure GDA0002930676220000192
Q、R、Qo均为权重矩阵，Q表示对于输入端转速和输出端转速跟踪误差重视程度，R表示动态过程中对控制代价的重视程度，Qo表示对于终端时刻跟踪误差的重视程度。q1和q2分别代表对输入端转速和输出端转速跟踪误差的重视程度。r1和r2分别代表动态过程中对控制代价的重视程度。q10和q20分别代表对终端时刻跟踪误差的重视程度。最优跟踪***结构图如图10所。
本发明采用数值法求解线性二次型最优跟踪控制问题，其基本思想是将矩阵微分方程离散化，通过迭代计算得到一系列点，逐渐逼近最优解。
根据极小值原理，定义哈密尔顿函数：
Figure GDA0002930676220000193
由极值条件可得：
Figure GDA0002930676220000194
即最优控制为：
U*(t)＝-R-1BTλ(t) (16)
***的正则方程：
Figure GDA0002930676220000201
Figure GDA0002930676220000202
令
λ(t)＝P(t)X(t)-g(t) (19)
两边微分可得：
Figure GDA0002930676220000203
联立式(17)、式(19)和式(20)可得：
Figure GDA0002930676220000204
另一方面，联立式(18)和式(19)可得：
Figure GDA0002930676220000205
为保证对任意X(t)和z(t)都成立，式(21)和式(22)对应项应相等，即：
Figure GDA0002930676220000206
Figure GDA0002930676220000207
其中，e(t)表示跟踪误差矢量，u(t)表示控制代价，λ(t)表示待定的n维拉格朗日乘子矢量，A为***矩阵，B为控制矩阵，矩阵P(t)是矩阵微分黎卡提方程(23)的解，伴随向量g(t)是向量微分方程(24)的解，而且P(t)和g(t)分别满足边界条件：
P(tf)＝CTQ0C (25)
g(tf)＝CTQ0z(tf) (26)
根据式(23)和式(25)，P(t)的解与z(t)的选取无关，所以可以对所有的时间将P(t)求解出来。本发明采用四阶龙格库塔法在时间序列[t0,tf]上逆序求解矩阵微分方程式(23)，其解析表达式为：
Figure GDA0002930676220000211
式中，h为仿真选取的步长，初始条件根据式(25)，与权重矩阵Q0的取值有关。
当已知P(t)和z(t)之后，同理，可以根据式(24)和式(26)在时间序列[t0,tf]上逆序求解g(t)，其解析表达式为：
Figure GDA0002930676220000212
初始条件根据式(26)，与权重矩阵Q0和z(tf)的取值都有关系，本发明取发动机启动控制时间tf＝0.5s。
分别求解得到P(t)和g(t)之后，根据式(16)和式(19)即可得到最优控制变量：
U*(t)＝-R-1BTP(t)X(t)+R-1BTg(t) (29)
以上步骤即可求解最优控制变量U*(t)，即电机A和电机B在发动机启动控制阶段的转矩，将求解结果发送到电机控制器中，即可完成发动机启动控制过程。在不同的边界条件下，如不同车辆加速度、地面负载、车速等，计算结果也不相同，在实车应用上当不能满足实时计算时，可进行离线计算，将计算结果保存下来，在实车应用时进行插值计算。
降阶负载状态观测器设计
在对控制变量的求解过程中，需要地面负载的信息，不同的地面负载对应不同的控制变量结果。现有的车用传感器对转矩的测量方法复杂、成本较高。因此，本发明基于动力***的状态空间方程，建立状态观测器，对负载转矩进行估计，提高了发动机启动控制策略的实用性。本发明对路面负载转矩设计降维观测器，得到负载转矩的估计值。
在一个采样周期内，将负载转矩视为恒值。
根据式(9)，将***的状态空间方程改写如下：
Figure GDA0002930676220000221
式中，
Figure GDA0002930676220000222
根据式(30)可知，输入轴转速和输出轴转速(状态变量x2)可由输出变量y直接测量，还需要对路面负载(状态变量x1)设计状态观测器。关于状态变量x1的状态方程为：
Figure GDA0002930676220000231
令
Figure GDA0002930676220000232
则有
Figure GDA0002930676220000233
针对子***(33)设计观测器，即为原***的降维状态观测器。引入反馈矩阵L，根据观测器理论，子***(33)的观测器状态方程为：
Figure GDA0002930676220000234
式中，反馈矩阵L取值为L＝[l1 l2]，其中l1和l2均为设计参数。
根据式(33)和式(34)可得观测器观测误差的动态方程为：
Figure GDA0002930676220000235
因此，观测误差的解为：
Figure GDA0002930676220000236
式中，c0为常数，***的稳定条件是
Figure GDA0002930676220000237
此时，负载转矩的观测误差以指数的形式随时间t逐渐趋近于0，其趋近速率与极点配置位置相关。
在式(32)中引入的变量w中存在输出变量y的导数，这会增加***对噪声的敏感度，因此，定义一个新的状态变量z：
Figure GDA0002930676220000238
将其代入式(34)可得：
Figure GDA0002930676220000241
通过式(38)即可得到状态变量x1的估计值
Figure GDA0002930676220000242
了。
图11展示了所设计的路面负载观测器的结构框图，观测器模型以原动力传动***状态方程的输出变量和控制变量为输入，通过引入的状态变量z得到路面负载Tf的观测值。
(5)发动机主动调速阶段
发动机达到发火转速后，产生输出转矩，进入到发动机主动调速阶段。根据发动机的万有特性如图12，发动机的燃油经济区大致为1400-1700r/min，因此，设定1400r/min为这一阶段的目标转速。
在EVT1模式下电机A和发动机转矩存在比例关系，根据比例关系式(39)即可计算出电机A的稳态目标转矩。考虑到电机A与发动机的协调控制，本发明引入一个协调控制系数kA，将其定义为电机A在发动机调速阶段实际转矩与稳态目标转矩之比，如式(40)所示。在稳态情况下，电机A为发动机的负载，kA＝1。在发动机实际转速与目标转速差值较大时，令kA取负值，即电机A转矩可以起到助力作用。当发动机转速逐渐接近其目标转速，kA逐渐趋近1，即电机A的转矩也趋近与稳态目标转矩。发动机调速阶段，kA随发动机转速偏差的变化轨迹如图13所示。
Figure GDA0002930676220000243
Figure GDA0002930676220000251
式中，if为前传动，Te为发动机转矩。
Figure GDA0002930676220000252
为电机A的稳态目标转矩。kA为协调控制参数。TA为电机A的实际转矩。
电机A转矩通过转矩协调控制系数来协调，电机B的转矩则需要与发动机转矩配合以满足驾驶员对输出转矩的需求。输出转矩To与发动机转矩、电机B转矩的关系满足式(41)，发动机转矩由发动机指示转矩计算模块得到，输出转矩由驾驶员模型得到，如图14所示。综上，可以分别计算得到电机A和电机B的协调转矩，二者都是关于发动机工作点的变量，这也体现了发动机调速这一阶段的特点。
Figure GDA0002930676220000253
此外对应于上述，本发明还提供了一种发动机启动协调控制***，如图15所示，一种发动机启动协调控制***，包括：第一获取模块151、需求扭矩确定模块152、启动指令确定模块153、第二获取模块154、动力学模型确定模块155、转矩确定模块156和启动模块157。
第一获取模块151用于获取驾驶员踏板信息和车辆运行状态。
需求扭矩确定模块152用于根据所述驾驶员踏板信息和所述车辆运行状态确定驾驶员的需求扭矩。
启动指令确定模块153用于根据所述驾驶员踏板信息和需求扭矩获取发动机的启动指令。
第二获取模块154用于获取发动机转速、电机转速和离合器油压。
动力学模型确定模块155用于根据所述发动机的启动指令、发动机转速、电机转速和离合器油压确定所述发动机所处不同阶段的相应的动力学模型。所述不同阶段包括：离合器调速阶段、发动机启动控制阶段和发动机主动调速阶段。所述动力学模型包括：离合器调速阶段动力学模型、发动机启动控制阶段动力学模型和发动机主动调速阶段动力学模型。
转矩确定模块156用于根据所述动力学模型确定车辆电机A的转矩和电机B的转矩。
启动模块157用于根据所述电机A的转矩和所述电机B的转矩进行调速并启动所述发动机。当所述发动机转速满足设定的发动机转速时进入混合驱动模式，完成发动机启动协调控制过程。
作为本发明的一实施例，上述转矩确定模块156包括：第一转速获取单元和第一转矩确定单元。
第一转速获取单元用于获取车辆输出轴的转速和电机A的实际转速。
第一转矩确定单元用于根据所述车辆输出轴的转速和所述电机A的实际转速，根据离合器调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
作为本发明的另一实施例，上述转矩确定模块156包括：第二转速获取单元和第二转矩确定单元。
第二转速获取单元用于获取车辆输入轴的转速和输出轴的转速。
第二转矩确定单元用于以所述输入轴的转速和所述输出轴的转速为***的状态变量，根据所述发动机启动控制阶段动力学模型确定所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩。
作为本发明的另一实施例，上述转矩确定模块156包括：第三获取单元和第三转矩确定单元。
第三获取单元用于获取车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速。
第三转矩确定单元用于根据车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速，采用发动机主动调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
所述动力学模型确定模块155具体包括：确定选用在离合器调速阶段、离合器接合阶段、发动机启动控制阶段、发动机主动调速阶段的动力学模型。
所述转矩确定模块156具体包括：转速获取单元和转矩确定单元。
转速获取单元用于获取车辆输入轴的转速和输出轴的转速。转矩确定单元用于以所述输入轴转速的转速和所述输出轴的转速为***的状态变量，根据所述动力学模型确定所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。
综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种发动机启动协调控制方法，其特征在于，包括：
获取驾驶员踏板信息和车辆运行状态；
根据所述驾驶员踏板信息和所述车辆运行状态确定驾驶员的需求扭矩；
根据所述驾驶员踏板信息和需求扭矩获取发动机的启动指令；
获取发动机转速、电机转速和离合器油压；
根据所述发动机的启动指令、发动机转速、电机转速和离合器油压确定所述发动机所处不同阶段的相应的动力学模型；所述不同阶段包括：离合器调速阶段、发动机启动控制阶段和发动机主动调速阶段；
根据所述动力学模型确定车辆电机A的转矩和电机B的转矩；
根据所述电机A的转矩和所述电机B的转矩进行调速并启动所述发动机；当所述发动机转速满足设定的发动机转速时进入混合驱动模式，完成发动机启动协调控制过程。
2.根据权利要求1所述的一种发动机启动协调控制方法，其特征在于，所述动力学模型具体包括：离合器调速阶段动力学模型、发动机启动控制阶段动力学模型和发动机主动调速阶段动力学模型。
3.根据权利要求2所述的一种发动机启动协调控制方法，其特征在于，所述离合器调速阶段动力学模型为：
Figure FDA0002930676210000011
Figure FDA0002930676210000012
Figure FDA0002930676210000021
式中，
Figure FDA0002930676210000022
为电机A在这一阶段的目标转速，ωA电机A在这一阶段的实际转速，k1表示第一行星排特性参数，k2表示第二行星排特性参数，k3表示第三行星排特性参数，ωo为耦合机构输出轴转速，TA为电机A的转矩， kAp为比例系数，kAi为积分系数，kAd为微分系数，To为输出转矩与电机A转矩、电机B转矩的耦合关系，即为输出端的转矩；
所述发动机启动控制阶段动力学模型为：
Figure FDA0002930676210000023
式中，X表示状态量，包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，Y表示输出量，包括耦合机构输入轴转速ωi和耦合机构输出轴转速ωo，U表示控制量，包括电机A的转矩u1和电机B的转矩u2，Γ为干扰量，其为时变矩阵，A为***矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵，A、B和C均为常数矩阵；
所述发动机主动调速阶段动力学模型为：
Figure FDA0002930676210000024
Figure FDA0002930676210000025
Figure FDA0002930676210000026
式中，
Figure FDA0002930676210000027
为电机A的稳态目标转矩，if为前传动，Te为发动机转矩，KA为协调控制参数，TB为电机B的转矩。
4.根据权利要求2所述的一种发动机启动协调控制方法，其特征在于，根据所述离合器调速阶段动力学模型确定离合器调速阶段车辆电机A的转矩和电机B的转矩具体包括：
获取车辆输出轴的转速和电机A的实际转速；
根据所述车辆输出轴的转速和所述电机A的实际转速，根据离合器调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
5.根据权利要求2所述的一种发动机启动协调控制方法，其特征在于，根据所述发动机启动控制阶段动力学模型确定发动机启动控制阶段所述电机A的转矩和所述电机B的转矩具体包括：
获取车辆输入轴的转速和输出轴的转速；
以所述输入轴的转速和所述输出轴的转速为***的状态变量，根据所述发动机启动控制阶段动力学模型确定所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩。
6.根据权利要求2所述的一种发动机启动协调控制方法，其特征在于，根据所述发动机主动调速阶段动力学模型确定发动机主动调速阶段所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩具体包括：
获取车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速；
根据车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速，采用发动机主动调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
7.一种发动机启动协调控制***，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取驾驶员踏板信息和车辆运行状态；
需求扭矩确定模块，用于根据所述驾驶员踏板信息和所述车辆运行状态确定驾驶员的需求扭矩；
启动指令确定模块，用于根据所述驾驶员踏板信息和需求扭矩获取发动机的启动指令；
第二获取模块，用于获取发动机转速、电机转速和离合器油压；
动力学模型确定模块，用于根据所述发动机的启动指令、发动机转速、电机转速和离合器油压确定所述发动机所处不同阶段的相应的动力学模型；所述不同阶段包括：离合器调速阶段、发动机启动控制阶段和发动机主动调速阶段；所述动力学模型包括：离合器调速阶段动力学模型、发动机启动控制阶段动力学模型和发动机主动调速阶段动力学模型；
转矩确定模块，用于根据所述动力学模型确定车辆电机A的转矩和电机B的转矩；
启动模块，用于根据所述电机A的转矩和所述电机B的转矩进行调速并启动所述发动机；当所述发动机转速满足设定的发动机转速时进入混合驱动模式，完成发动机启动协调控制过程。
8.根据权利要求7所述的发动机启动协调控制***，其特征在于，所述转矩确定模块包括：
第一转速获取单元，用于获取车辆输出轴的转速和电机A的实际转速；
第一转矩确定单元，用于根据所述车辆输出轴的转速和所述电机A的实际转速，根据离合器调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
9.根据权利要求7所述的发动机启动协调控制***，其特征在于，所述转矩确定模块还包括：
第二转速获取单元，用于获取车辆输入轴的转速和输出轴的转速；
第二转矩确定单元，用于以所述输入轴的转速和所述输出轴的转速为***的状态变量，根据所述发动机启动控制阶段动力学模型确定所述车辆电机A的转矩和所述电机B的转矩。
10.根据权利要求7所述的发动机启动协调控制***，其特征在于，所述转矩确定模块还包括：
第三获取单元，用于获取车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速；
第三转矩确定单元，用于根据车辆发动机的转矩、发动机的实际转速和预设的发动机目标转速，采用发动机主动调速阶段动力学模型确定所述电机A的转矩和所述电机B的转矩。
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