CN102865358A - 一种用于混合动力汽车的amt电机控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法和控制系统，包括比较器、PID控制器、专家系统、AMT直流电机、角速度计算模块、角度传感器等，比较器将设定的目标角度值与角度传感器采集的当前值进行比较获得角度偏差，该角度偏差分别送给PID控制器和专家系统；角速度计算模块根据相邻两个时刻的角度差计算出角速度送给专家系统；专家系统根据角度偏差值和角速度值调整PID控制系统增益，完成对AMT电机的控制。基于专家系统的AMT电机控制系统根据当前的角速度、角度偏差信息，实时调整比例、积分、微分参数值，实现针对性的PID控制，确保每个状态下对选、换挡电机的良好控制，实现混合动力汽车行驶过程中AMT档位的可靠切换。

Description

一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法和控制系统

技术领域

本发明主要应用在混合动力汽车技术领域，提供了一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法和控制系统。

背景技术

当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，能量利用率低，更为严重的是排放废气污染环境。近些年来各大汽车集团都在进行混合动力电动汽车研发，多数以混合动力电动客车为主。混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，这种研发方向符合我国国情，有利于我国电动汽车的研究发展。但是，混合动力客车档位切换时，由于司机熟练程度和驾驶技术等方面的问题，常使车辆发动机工作在非稳定工作状态，影响整车节油效率。AMT(Automated MechanicalTransmission)自动变速器是在传统固定轴式齿轮变速箱的基本上，把选档、换档、离合器及相应发动机供油操纵用以微处置器为核心的控制器完成的自动变速器，通过自动调节车辆档位，消除不同驾驶员驾驶技术和驾驶熟练程度的差异，减轻驾驶员的疲劳程度，降低油耗。 AMT可以主要可以分为电控气动、电控液动、电控电动几种，电控电动AMT的换挡系统结构相对简单，重量轻，另外由于直接采用易于控制、精度更高的电动机代替液压执行元件，使得系统的动作的误差减少了，控制方法上也更简单。

电控电动AMT 通过两个24V直流电机实现变速箱选、换档操作，当选档或换档操作进行时，电机带动AMT变速器机械结构进行旋转，同时与电机转子轴耦合的角度传感器返回当前旋转的角度信息。不同档位，选、换档电机带动AMT机械结构形成的空间位移不同，返回的角度信息也各不一样。因此，变速箱档位位置与电机旋转角度存在一一映射关系。并联混合动力客车行驶过程中，要想确保档位切换快速、准确，要求选、换档电机角度控制过程的动态性与稳定性较好。

传统客车的AMT自动变速器选、换档控制多采用经典PID控制方式，根据控制复杂程度不同，可分为角度闭环控制，或者角度-角速度双闭环控制。其控制参数取值固定，通过多次尝试或者经验公式获取相对较优的比例-积分-微分参数值来实现电机角度的可靠逼近，整个系统动态性能与静态偏差取决于比例、积分、微分参数的设置。受变速箱内部工艺、变速比影响，不同位置选、换档电机旋转阻力不同，固定的比例、积分、微分参数只能确保某个状态下的控制最优，无法保证电机在任意角度下到达其他任意目标位置的控制都能可靠实现。 

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于专家系统的AMT电机控制方法和控制系统，根据当前的角速度、角度偏差信息，实时调整比例、积分、微分参数值，实现针对性的PID控制，通过确保每个状态下对选、换挡电机的良好控制，实现混合动力汽车行驶过程中AMT档位的可靠切换。  

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法，包括以下几个步骤：

1）给定电机目标角度，通过比较器与角度传感器采集的当前值作比较，产生角度偏差；

2）当前角度值发送给角速度计算模块，获得实时角速度值；

3）将角度偏差与角速度输入到专家系统，专家系统根据角度偏差的大小，确定PID控制所需的增益参数；

4）随着控制过程的进行，角度偏差与角速度值不断更改，专家系统跟随调整控制参数增益，逐步实现整个过程的较优控制。 

具体地，所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法中所述专家系统按照以下知识库确定PID控制所需的增益参数：

知识库1：角度偏差                                                

时，采用比例控制，控制信号与角度偏差成正比；

知识库2：角度偏差

时，采用比例-微分控制，比例控制实现电机角度的逼近，微分功能削弱上个阶段大比例控制导致的较强电机旋转速度惯性；

知识库3：角度偏差

时，采用比例-积分控制，当比例控制功能仍无法保证AMT电机角度进入目标范围时，随着角度偏差的多次累计，积分功能迫使控制信号逐步增强，最终到达驱动要求；

知识库4：其他情况，角度偏差进入允许范围，取消比例、积分、微分控制功能，AMT电机由于角速度不足停留在此阶段；

其中：DIFF为选档电机同侧相邻档位的最小距离或者换挡电机各档位到空档的最小距离，为当前时刻的角度；

为当前时刻的目标角度。

具体地，所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法：

1）比例控制时：当角度偏差较大时，比例控制系数较大，实现角度的快速逼近；当角度偏差减小时，比例控制系数相应缩小，减少超调发生；

2）比例微分控制时：电机角度旋转区间较宽，比例-微分控制时间充足，根据角速度的不同，调整微分控制的强弱，确保电机角速度适中；

3）比例积分控制时：根据电机角速度，调整比例控制参数，角速度大则减小比例作用，角速度小则增加比例作用，实现角度逼近过程柔和。 

基于本发明控制方法的一种用于混合动力汽车的AMT电机控制系统，其特征在于包括比较器、PID控制器、专家系统、AMT电机、角速度计算模块、角度传感器；所述角度传感器从AMT电机获取当前角度值，传送给比较器，比较器将设定的目标角度值与当前角度值进行比较获得角度偏差值，该角度偏差值分别送给PID控制器和专家系统；角度传感器与角速度计算模块连接，角速度计算模块计算出当前角速度送给专家系统；专家系统根据角度偏差值和角速度值确定PID控制所需的增益参数，传送给AMT电机。

具体地，所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制系统所述专家系统包括如下知识库：

知识库1：角度偏差

时，采用比例控制，控制信号与角度偏差成正比；

知识库2：角度偏差

时，采用比例-微分控制，比例控制实现电机角度的逼近，微分功能削弱上个阶段大比例控制导致的较强电机旋转速度惯性；

知识库3：角度偏差

时，采用比例-积分控制，当比例控制功能仍无法保证AMT电机角度进入目标范围时，随着角度偏差的多次累计，积分功能迫使控制信号逐步增强，最终到达驱动要求；

知识库4：其他情况，角度偏差进入允许范围时，取消比例、积分、微分控制功能，AMT电机由于角速度不足停留在此阶段；

其中：DIFF为选档电机同侧相邻档位的最小距离或者换挡电机各档位到空档的最小距离，

为当前时刻的角度；

为当前时刻的目标角度。

具体地，所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制系统，其特征在于：

1）比例控制时：当角度偏差较大时，比例控制系数较大，实现角度的快速逼近；当角度偏差减小时，比例控制系数相应缩小，减少超调发生；

2）比例微分控制时：电机角度旋转区间较宽，比例-微分控制时间充足，根据角速度的不同，调整微分控制的强弱，确保电机角速度适中；

3）比例积分控制时：根据电机角速度，调整比例控制参数，角速度大则减小比例作用，角速度小则增加比例作用，实现角度逼近过程柔和。 

 

本发明的有益效果在于：

1）本发明的专家系统基于角度偏差与角速度建立，角速度通过公式计算，省去了传感器的使用，简化了系统结构，节省了AMT自动变速器的制造成本； 

2）本发明AMT电机控制各个阶段采用的比例-积分-微分参数均是通过专家系统处理获得，具有较强的适应性，能够很好地适应当前的控制环境，实现较优的控制性能；

3）本发明AMT电机控制对角速度进行了较好控制，当角速度较高时，抑制控制输出；当角速度较低时，增大控制输出，从而确保电机角速度始终处于合适的工作范围，角速度始终可控有利于减低系统超调；

4）本发明在不增加硬件资源的情况下，实现了电机角速度的范围控制，整个控制系统更接近角度-角速度双闭环控制系统，系统稳定性能提高。

附图说明

     图1： AMT电机控制系统结构示意图；

     图2 ：专家系统知识库1中角度偏差、角速度与PID参数关系图；

     图3 ：专家系统知识库2中角度偏差、角速度与PID参数关系图；

     图4 ：专家系统知识库3中角度偏差、角速度与PID参数关系图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

选换挡电机的控制规律相同，本发明针对选、换档电机被控对象，建立基于目标角度的闭环控制系统，构建合理、完善的专家系统知识库，通过电机工作状态的实时处理，完成各项控制参数的自动调整与优化，实现选、换档各个阶段控制过程快速、稳定，最终实现整个档位切换过程系统动态性能与稳态参数的严格控制。

如图1所示，基于专家系统的AMT电机控制系统由比较器、PID控制器、专家系统、AMT电机、角速度计算模块、角度传感器等部分组成。 

系统工作流程如下：

1）给定电机目标角度，通过比较器与角度传感器采集的当前值作比较，产生角度偏差。

2）角速度计算模块根据相邻两个时刻的角度差计算实时角速度：

其中：

为 当前时刻的角速度；为当前时刻的角度；

为上个时刻的角度；

为角速度计算周期。

3）当前角度偏差与角速度输入到专家系统，获得已经优化的PID控制所需的参数增益，从而在当前条件下实现对AMT电机角度的较优控制。 

随着控制过程的进行，角度偏差与角速度值不断更改，专家系统跟随性调整控制参数增益，逐步实现整个过程的较优控制。 

专家系统包含4套知识库，每套知识库系统都描述了角度偏差、角速度与PID增益的调节关系。给定目标角度后，根据角度偏差值进行知识库选择。

选、换档电机的控制规律相同。对于选档电机，假定同侧相邻档位的最小距离为DIFF，对于换档电机，假定各档位到空档的最小距离为DIFF，则知识库按如下规则进行选择：

（1）如果

，选择知识库1；

（2）如果

，选择知识库2；

（3）如果，选择知识库3；

（4）其他情况，选择知识库4；

其中：为当前时刻的角度；

为当前时刻的目标角度。

知识库1：如图2所示，此阶段角度偏差较大，只采用比例控制，控制信号与角度偏差成正比。启动瞬间，电机状态发生突变，需要克服的阻力最大，此时设置较大的比例系数，可充分保证电机的正常启动。当角度偏差较大时，比例控制系数较大，实现角度的快速逼近；当角度偏差减小时，比例控制系数相应缩小，减少超调发生。 

当比例控制系数一定时，大的角度偏差将导致大的控制信号输出，由于控制信号与角度偏差的比例关系，该阶段控制信号完全指向偏差减小方向。由于当前电机旋转角度与目标角度还有足够距离，同时存在对比例控制系数的线性限制，超调发生的情况得到抑制，因此纯比例控制阶段可实现选、换档电机角度的大范围、快速调整。知识库1不对电机旋转角速度进行控制。

知识库2：如图3所示，此阶段角度偏差适中，采用比例-微分控制。比例控制的作用仍然是实现电机角度的逼近，此时由于电机旋转角度已接近目标角度，如果比例控制功能持续加强，则可能导致电机角度旋转超出目标，产生超调，影响控制过程动态性能与稳态性能。因此，相对纯比例控制阶段，比例-微分控制阶段，比例功能已明显减弱；虽然，控制信号减慢，但是由于此时角度偏差已较小，逼近时间仍然可以得到较好控制。 

此阶段的微分功能，主要是削弱上个阶段大比例控制导致的较强电机旋转速度惯性。根据角速度的不同，调整微分控制的强弱，确保电机角速度适中。此阶段电机角度旋转区间较宽，可确保比例-微分控制时间充足，微分功能可以有效减弱电机旋转惯性。

知识库3：如图4所示此阶段角度偏差较小，采用比例-积分控制。此阶段可能出现两种现象：（1）前面两个阶段残留的旋转惯性较强，电机仍可以保持一定的旋转速度，进入目标允许范围，此时如果继续保持控制功能，则可能迫使电机角度出现超调；（2）前面两个阶段残留的电机旋转惯性较弱，进入此阶段时，电机旋转需要继续提供控制信号，否则无法到达目标范围。针对这两种现象，根据电机角速度，调整比例控制参数，角速度大则减小比例作用，角速度小则增加比例作用，实现角度逼近过程柔和。 

此阶段还存在一个较弱的积分作用，当比例控制功能仍无法保证电机角度进入目标范围时，随着角度偏差的多次累计，积分功能迫使控制信号逐步增强，最终到达驱动要求，电机得以继续旋转调整。由于积分能力较弱，不足以提供电机多次振荡所需的能量，电机最终迅速达到目标范围。 

如果前面阶段的惯性作用导致超调现象出现，由于此阶段电机无法获得控制信号的持续支持，同时由于电机旋转存在的机械阻力，超调次数可以控制在有限范围内。

知识库4：此阶段角度偏差进入允许范围，取消比例、积分、微分控制功能，电机在没有控制信号支撑的条件下，原有较弱的惯性扭矩逐步被机械阻力抵消，最终电机由于角速度不足停留在此阶段。

PID参数的调整还可通过神经网络、遗传算法等迭代方法进行自学习获得，但是需要建立大量的样本库，通过对样本进行不断学习，获得最佳PID参数，实习较为复杂，且对AMT控制器的运算能力要求较高。

基于专家系统的AMT电机控制方法比例调节先行，在角速度偏差较大时，采用纯比例控制，启动瞬间，放大比例控制增益，确保电机顺利启动；运行过程中，随着角度偏差减小或角速度增加，比例控制系数降低，减小系统超调可能；在角速度偏移适中时，采用比例-微分控制，比例功能继续提供电机旋转动力，微分功能抑制过大的电机角速度，确保电机转速稳定，可控；在角速度较小时，采用比例-积分控制，比例功能调整电机逼近的速度，积分功能作为电机动力不足时控制信号的额外补偿，确保电机顺利进入精度要求区。较弱的积分控制，可减小稳态误差，又避免过多影响系统动态性能。

本实施例目的在于使本领域专业技术人员可以据其了解本发明的技术方案并加以实施，并不能以其限制本专利的保护范围，凡依据本发明披露技术所作的变形，均落入本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）给定电机目标角度，通过比较器与角度传感器采集的当前值作比较，产生角度偏差；

2）当前角度值发送给角速度计算模块，获得实时角速度值；

3）将角度偏差与角速度输入到专家系统，专家系统根据角度偏差的大小，确定PID控制所需的增益参数；

4）随着控制过程的进行，角度偏差与角速度值不断更改，专家系统跟随调整控制参数增益，逐步实现整个过程的较优控制。

2.根据权利要求1所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法，其特征在于所述专家系统按照以下知识库确定PID控制所需的增益参数：

知识库1：角度偏差                                                时，采用比例控制，控制信号与角度偏差成正比；

知识库2：角度偏差

时，采用比例-微分控制，比例控制实现电机角度的逼近，微分功能削弱上个阶段大比例控制导致的较强电机旋转速度惯性；

知识库3：角度偏差

时，采用比例-积分控制，当比例控制功能仍无法保证AMT电机角度进入目标范围时，随着角度偏差的多次累计，积分功能迫使控制信号逐步增强，最终到达驱动要求；

知识库4：其他情况，角度偏差进入允许范围时，取消比例、积分、微分控制功能，AMT电机由于角速度不足停留在此阶段；

其中：DIFF为选档电机同侧相邻档位的最小距离或者换挡电机各档位到空档的最小距离，

为当前时刻的角度；

为当前时刻的目标角度。

3.根据权利要求1~2所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制方法，其特征在于：

1）比例控制时：当角度偏差较大时，比例控制系数较大，实现角度的快速逼近；当角度偏差减小时，比例控制系数相应缩小，减少超调发生；

2）比例微分控制时：电机角度旋转区间较宽，比例-微分控制时间充足，根据角速度的不同，调整微分控制的强弱，确保电机角速度适中；

3）比例积分控制时：根据电机角速度，调整比例控制参数，角速度大则减小比例作用，角速度小则增加比例作用，实现角度逼近过程柔和。

4.一种用于混合动力汽车的AMT电机控制系统，其特征在于包括比较器、PID控制器、专家系统、AMT电机、角速度计算模块、角度传感器；所述角度传感器从AMT电机获取当前角度值，传送给比较器，比较器将设定的目标角度值与当前角度值进行比较获得角度偏差值，该角度偏差值分别送给PID控制器和专家系统；角度传感器与角速度计算模块连接，角速度计算模块计算出当前角速度送给专家系统；专家系统根据角度偏差值和角速度值确定PID控制所需的增益参数，传送给AMT电机。

5.根据权利要求4所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制系统，其特征在于所述专家系统包括如下知识库：

知识库1：角度偏差

时，采用比例控制，控制信号与角度偏差成正比；

知识库2：角度偏差时，采用比例-微分控制，比例控制实现电机角度的逼近，微分功能削弱上个阶段大比例控制导致的较强电机旋转速度惯性；

知识库3：角度偏差

时，采用比例-积分控制，当比例控制功能仍无法保证AMT电机角度进入目标范围时，随着角度偏差的多次累计，积分功能迫使控制信号逐步增强，最终到达驱动要求；

知识库4：其他情况，角度偏差进入允许范围，取消比例、积分、微分控制功能，AMT电机由于角速度不足停留在此阶段；

其中：DIFF为选档电机同侧相邻档位的最小距离或者换挡电机各档位到空档的最小距离，

为当前时刻的角度；

为当前时刻的目标角度。

6.根据权利要求4~5所述一种用于混合动力汽车的AMT电机控制系统，其特征在于：

1）比例控制时：当角度偏差较大时，比例控制系数较大，实现角度的快速逼近；当角度偏差减小时，比例控制系数相应缩小，减少超调发生；

2）比例微分控制时：电机角度旋转区间较宽，比例-微分控制时间充足，根据角速度的不同，调整微分控制的强弱，确保电机角速度适中；

3）比例积分控制时：根据电机角速度，调整比例控制参数，角速度大则减小比例作用，角速度小则增加比例作用，实现角度逼近过程柔和。

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