CN105599705B - 电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，通过在采样反馈通道采用周期性发送，同时在控制前向通道采用基于控制性能的可变周期的方式发送，与固定周期的发送方式相比，可降低网络传输量；将可变周期与可变优先级综合的方式发送控制命令，可以保证系统控制性能监测的实时性、提高系统响应的快速性同时又降低了总的网络数据传输量，相比非综合式动态方案更能满足电动汽车强实时性网络化控制系统的实际综合性需求；简单、实用且缩减了数据包长度、节省了数据帧资源，非常有利于帧长度有限的CAN类实时性网络化控制系统的具体应用。

Description

电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，尤其涉及一种电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置。

背景技术

随着节能、环保以及技术转型的需要，电动汽车近年来迎来很大发展。作为电动汽车核心部件的电机驱动系统，相比传统内燃机系统，具有控制精度高、响应速度快的优势，因此近年来，通过主动控制驱动电机实现无离合式换挡、车轮防滑转、车辆直接横摆力矩控制等强实时性动力和底盘控制相关技术被相继提出。此类新的控制技术在车辆上的集成应用必将会给电动汽车技术水平的提升带来很大潜力，同时也意味着将会有更多的电子控制部件需要实现互连集成。

另一方面随着智能传感器技术、智能执行器技术、车载网络技术、汽车电子技术和汽车集成控制理论的发展，汽车控制系统的网络化时代已经到来。为了提升汽车的技术水平和产品性能，当前高端汽车中采用的ECU-Electronic Control Unit个数越来越多，某些汽车上已经高达70多个，这些ECU通过共享不同的传感器信号来实现不同的控制功能；同时由于在开放性、模块化、互换性方面的巨大优势，采用智能化的传感器和执行器，实现传感器-车辆控制器、车辆控制器-执行器之间即反馈通道和前向通道均通过车载网络互连成为汽车网络化控制系统的趋势。J.YONG等在文献(Heuristic resource allocation andscheduling method for distributed automotive control systems,InternationalJournal of Automotive Technology,2013)中提出了一种针对这种传感器与执行器均通过网络和控制器交换数据实现汽车控制功能的系统级设计方法，极大地推进汽车控制系统的双通道式的网络化。随着CAN总线技术的推广，采用CAN车载网络实现反馈通道和前向通道互连成为汽车网络化控制系统的主流型式。

鉴于诸多电子控制部件的互连集成需要以及CAN网络在汽车网络化控制中的成功，采用CAN网络实现电动汽车动力和底盘控制系统的双通道互连集成成为常态。X.ZHU等在文献(Robust contro l of i ntegrated motor-transmission power-train systemover controller area network for automotive applications,Mechanical Systemsand Signal Processing,2015)中提出了一种采用CAN实现了双通道互连的电机-变速器集成控制技术。但是，该文献也同时指出：双通道网络的使用会带来额外的问题，如由于网络带宽受限、网络数据传输量大导致的网络诱导延时给车辆控制性能的监测实时性、系统响应的快速性带来了很大影响、严重降低了系统控制性能、甚至可能造成系统失稳。该文献提出了一种鲁棒控制方法，通过将网络诱导延时的影响转换为扰动，采用鲁棒方法处理扰动对系统的影响，一定程度上保证了系统的稳定性，但鲁棒方法具有保守性，对系统控制性能监测的实时性、系统响应的快速性等动态特性不提供保证。同时该方法对网络数据传输量降低问题不关注，故对网络诱导延时的抑制问题改善有限，且不利于网络化系统扩展。因此，该方法不能满足电动汽车网络化控制发展的实际需要。

目前可查的基于CAN的电动汽车网络化控制系统文献中，为了确保系统控制性能监测的实时性、提高系统响应的快速性还有变优先级法。Z.Shui等人在文献("Lateralmotion control for four-wheel-independent-drive electric vehicles usingoptimal torque allocation and dynamic message priority scheduling",ControlEngineering Practice,2014)中提出了一种基于模型决策的优先级动态调整方法，通过优先级动态调节一定程度上改善了网络诱导延时对系统控制响应快速性的影响，但该方法对网络数据传输量过大问题不关注，故对网络诱导延时抑制问题的改善有限，同时也不利于网络化系统的扩展。此外该方法具体面向的是仅在前向通道采用CAN网络而反馈通道采用专线直接连接的单通道式车辆网络化控制系统，其相比双通道式复杂程度相对较低。

目前可查的其它基于CAN的双通道式网络化控制系统文献中，为了确保控制性能监测的实时性，提高系统响应的快速性通常通过缩短采样周期的方法，这样将会导致网络数据传输量的大幅增加，占用过多的网络资源，甚至会造成网络拥堵。而为了降低周期缩短带来的网络数据传输量增加，D.Yue等在文献(A Delay System Method for DesigningEvent-Triggered Controllers of Networked Control Systems,IEEE Transactions onAutomatic Control,2013)中提出了一种基于系统状态变化门限的事件触发型变采样周期方法，该方法通过在传感器端设置基于门限的事件触发模块并通过该模块监测系统状态采样值的变化，只有当变化值达到设定的门限值时，传感器端才会向网络发送本次采样数据并进而完成一次控制，否则不向网络发送采样数据，如此可以有效降低网络数据传输量，并保证控制系统对系统状态变化的快速响应。但此方法的缺陷是不能保证控制系统对控制器端控制性能状态变化的快速监测和实时控制。

现有的上述方法都具有一定的局限性，不能满足网络带宽受限、对系统控制性能监测和系统响应快速性要求高的电动汽车动力和底盘网络化控制系统的实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，用于抑制网络诱导延时对系统控制性能监测和系统响应快速的影响，同时降低网络数据传输量。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明的电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块，其中调度器模块又包含周期调度模块、优先级调度模块和调度综合模块；车辆的传感器通过CAN网络与比较模块连接，比较模块与控制器模块和周期调度模块连接，周期调度模块与优先级调度模块连接，周期调度模块、优先级调度模块还与调度综合模块连接，调度综合模块、控制器模块还分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆各执行器连接；

所述比较模块根据接收的传感器信息以及驾驶员命令产生控制性能参数；

所述控制器模块根据比较模块产生的控制性能参数产生控制命令；

所述周期调度模块根据控制性能参数，确定控制命令的发送周期，发送周期的配置原则为：控制性能参数表征的控制性能越差时，控制命令的发送周期越小；反之，控制命令的发送周期越大；

所述优先级调度模块采用固定优先级或变优先级的方式确定控制命令发送的优先级，其中固定优先级是指控制命令的发送优先级确定后一直保持不变；变优先级指的是基于周期调度模块产生的控制命令发送周期确定各个控制命令的优先级，其原则为：控制命令的发送周期越大,分配的优先级越低；反之发送周期越小，分配的优先级越高；

所述调度综合模块根据周期调度模块产生的发送周期和优先级调度模块产生的发送优先级，产生相应的调度命令；

所述综合模块根据调度综合模块产生的调度命令，将控制器模块产生的控制命令按照其对应的发送周期和优先级通过CAN网络发送至对应的执行器，由此实现车辆的网络化控制。

较佳的，所述的周期调度模块采用静态分段式策略确定控制命令发送周期：

首先确定系统控制性能综合评价指标的可能变化范围，将该变化范围分成N段，同时选取控制命令可用的N种发送周期；

然后将控制性能综合评价指标的各个分段与对控制命令的N种发送周期一一对应；其中，N为大于或等于2的整数；

最后，通过在线计算当前系统的控制性能综合评价指标值即可得出对应的周期值，采用该周期值发送对应的控制命令。

较佳的，车辆控制性能综合评价指标为：

Qc＝k₁e+k₂Δe；

其中，e为所述比较模块获得的控制性能参数目标值与实际值间的误差向量；Δe为所述比较模块获得的控制性能参数误差变化向量，k1和k2分别为权重系数。

较佳的，所述周期调度模块采用动态调节策略确定所述发送周期：(1)首先根据采样周期对控制性能的影响规律，制定调度算法和策略，(2)基于控制性能误差、误差变化量参数，利用调度算法和策略实现实时在线产生新的发送周期值。

较佳的，所述周期调度模块采用动态调节策略确定所述发送周期，具体为：

将比较模块产生的控制性能参数中的误差向量e和误差变化向量Δe作为输入变量，并将该两个输入变量按照如下公式模糊化：

e∈{负大，负中，负小，0，正小，正中，正大} （5）

Δe∈{负大，负中，负小，0，正小，正中，正大}

以控制命令发送周期T_c为输出变量，对输出变量按照如下公式模糊化：

T_c＝{T_c1,T_c2,T_c3} (6)

其中T_c1＜T_c2＜T_c3；

输入变量和输出变量之间的规则库如下表：

最后，基于输入变量误差向量e和误差变化向量Δe，依据规则库得到输出变量值即发送周期T_c。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过在采样反馈通道采用周期性发送，同时在控制前向通道采用基于控制性能的可变周期的方式发送，与固定周期的发送方式相比，可降低网络传输量。

(2)将可变周期与可变优先级综合的方式发送控制命令，可以保证系统控制性能监测的实时性、提高系统响应的快速性同时又降低了总的网络数据传输量，相比非综合式动态方案更能满足电动汽车强实时性网络化控制系统的实际综合性需求。

(3)本发明基于系统控制性能反馈驱动周期调度模块或者周期与优先级串联式动态调度模块，不需要系统的精确模型，不需要在数据帧中增加额外的时间管理信息及数据包编号统计信息，简单、实用且缩减了数据包长度、节省了数据帧资源，非常有利于帧长度有限的CAN类实时性网络化控制系统的具体应用。

附图说明

图1为本实施例的系统结构图。

图2为本实例的电动汽车车轮防滑转控制执行解析图。

图3为本实施例的网络化控制执行解析图。

图4为本实施例的数据包结构。

图5为本实施例的发送周期分段式调节图。

图6为本实施例的速率单调优先级调节图。

图7为本实施例的发送周期与优先级串联综合动态调节图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明根据电动汽车的具体需求，采用双通道不对等式方案，基于系统控制性能驱动实现前向通道端变周期或者变周期与变优先级综合动态调节，同时保持反馈通道端采用固定周期调节，保证系统控制性能监测实时性、确定性，提高系统响应的快速同时降低总的网络数据传输量。

电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块，其中调度器模块又包含周期调度模块、优先级调度模块和调度综合模块；车辆的传感器通过CAN网络与比较模块连接，比较模块与控制器模块和周期调度模块连接，周期调度模块与优先级调度模块连接，周期调度模块、优先级调度模块还与调度综合模块连接，调度综合模块、控制器模块还分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆各执行器连接；

所述比较模块根据接收的传感器信息以及驾驶员命令产生控制性能参数；

所述控制器模块根据比较模块产生的控制性能参数产生控制命令；

所述周期调度模块根据控制性能参数，确定控制命令的发送周期，发送周期的配置原则为：控制性能参数表征的控制性能越差时，控制命令的发送周期越小；反之，控制命令的发送周期越大；

所述优先级调度模块采用固定优先级或变优先级的方式确定控制命令发送的优先级，其中固定优先级是指控制命令发送的优先级确定后一直保持不变；变优先级指的是基于周期调度模块产生的控制命令发送周期确定各个控制命令的优先级，其原则为：控制命令的发送周期越大,分配的优先级越低；反之发送周期越小，分配的优先级越高；

所述调度综合模块根据周期调度模块产生的发送周期和优先级调度模块产生的发送优先级，产生相应的调度命令；

所述综合模块根据调度综合模块产生的调度命令，将控制器模块产生的控制命令按照其对应的发送周期和优先级通过CAN网络发送至对应的执行器，由此实现车辆的网络化控制。

所述的周期调度模块采用静态分段式策略或者动态调节策略确定控制命令发送周期：

采用静态分段式策略确定控制命令发送周期：首先确定系统的控制性能综合评价指标的可能变化范围，将该变化范围分成N段，同时选取控制命令的可用的N种发送周期；然后将控制性能综合评价指标的各个分段与对控制命令的N种发送周期一一对应；其中，N为大于或等于2的整数；最后，通过在线计算当前系统的控制性能综合评价指标值，即得出对应的周期值，采用该周期值发送对应的控制命令。

采用动态调节策略确定发送周期：(1)首先根据采样周期对控制性能的影响规律，制定调度算法和策略，(2)基于控制性能误差、误差变化量参数，利用调度算法和策略实现实时在线产生新的发送周期值。

下面参照附图，对本发明的实施进行详细的说明。

如图1所示，某电动汽车预通过主动调节驱动电机的转矩输出实现车辆驱动和车轮防滑转控制，此处仅以单轮防滑转驱动为例，其网络化控制系统配置包括车速传感器、车轮转速传感器、车辆控制器、CAN网络和电机控制器等。同时电机驱动车轮的机械配置包括驱动电机系统、调速与传动系统和车轮，如2左图所示。电动汽车的驱动和防滑转控制原理为：车辆控制器通过接收车速、车轮转速传感器信息，根据公式(1)计算车轮滑转率S，并控制滑转率S处于安全状态、实现防滑转驱动，进而为车辆提供最大牵引力和侧向稳定性。而车轮滑转率S的实现具体通过主动控制电机输出转矩调节车轮转速实现，其力学执行原理如图2所示，电机输出转矩和车轮转速之间的力学关系可以根据公式(2)计算得到。系统中的车辆控制器可以采用16位MCU(微控制器)实现，车速传感器和车轮转速传感器既可以独立采用ECU(电子控制单元)处理，也可以由电机控制器或者车身控制器处理。

其中，ω_r表示车轮实际转速，ω_v表示由车速计算的转速，V_x表示车辆纵向速度，R_r表示车轮滚动半径，具体见图2。

其中，I_ω表示车轮转动惯量，T_d为驱动车轮的扭矩，F_z为车轮垂向受力，f为车轮滚动摩擦系数，T_m为电机输出转矩，i为电机输出轴到车轮之间的总的传动系数，μ为传送系统效率系数。

图3为电动汽车双通道不对等式动态调节网络化控制执行解析图。其中采样时刻用t_k+i表示，i＝0,1,2,3,...；前向通道网络诱导延时用τ_k+i表示，i＝0,1,2,3,...。前向通道网络诱导延时τ_k+i的计算详见CAN的延时计算文献。前向通道网络诱导延时τ_k+i与信息发送时网络数据传输量和信息优先级有关：网络数据传输量越大，优先级越低，则网络诱导延时越大；网络数据传输量越小，优先级越高，则网络诱导延时越小。

由于存在多个传感器信息，为了实现多个传感器信息的同步，车辆传感器和车辆控制器采用定时周期处理模式，车辆传感器和车辆控制器的处理周期需要根据控制性能合理设置，具体见相关文献。车辆控制器控制命令的发送周期及优先级则由基于控制性能驱动的调度模块管理，如图3，在[t_k,t_k+3]期间，传感器按照采样周期T周期性采样发送，而车辆控制器基于控制性能较优则采用3T周期发送控制命令数据，此时数据传输量较小，控制命令的发送优先级设置相对较低，则前向通道的滞后延时为τ_k；而在[t_k+3,t_k+5]期间，传感器采样及发送周期不变，车辆控制器基于控制性能变差则采用2T周期发送控制命令数据，此时数据传输流量有所提高，但此时控制命令的发送优先级大于等于3T周期发送时期，则前向通道的滞后延时为τ_k+3且τ_k+3≤τ_k，同时由于控制命令发送周期较小，总体网络诱导延时较小即T_k+3+τ_k+3＜T_k+τ_k，控制性能会有所改善；在[t_k+5,t_k+6]期间，传感器采样及发送周期仍不变，车辆控制器基于控制性能最差则采用T周期发送控制命令数据，此时数据传输流量再次提高，但此时控制命令的发送优先级大于等于2T周期发送时期，则前向通道的滞后延时为τ_k+5且τ_k+5≤τ_k+3，同时由于控制命令发送周期较小，总体网络诱导延时再次缩小即T_k+5+τ_k+5＜T_k+3+τ_k+3，控制性能将会进一步改善；而在[t_k+6,t_k+7]期间，控制器基于控制性能最差采用T周期发送控制命令数据，同时假设控制命令的优先级被调节到最高，则前向通道的滞后延时为τ_k+6且此延时非常小，甚至可以忽略不计，则总体网络诱导延时T_k+6+τ_k+6将最小且T_k+6+τ_k+6≈T，此状态下网络化控制系统的响应受网络诱导延时影响最小，而此状态下的系统控制动态性能及稳定性则可以容易地根据时滞系统理论设计获得保证，具体详见时滞系统理论。

图4为电动汽车用网络化控制系统数据包结构图。该数据根据CAN协议，主要分为ID域，数据域和校验域。其中ID域又分为优先级域，用于前向通道中优先级的动态调节，ID识别区则用于保证ID域的值在网络中唯一，以保证CAN网络系统的正常运行。对于反馈通道中的信息ID域中的优先级域部分只要设定固定值即可。数据域则用于装载电机控制命令或者传感器采样信心，校验域用于数据包错误检测，由硬件自动生成。

图5为发送周期静态分段式调节图。首先定义系统控制性能综合评价指标：

Qc＝k₁e+k₂Δe (3)；

其中e为控制性能参数目标值与实际值间的误差向量；Δe为控制性能参数误差变化向量，k1和k2分别为权重系统。

采用如下的周期分段式策略及算法：

其中，T_ci代表预先设定的发送周期，P_i代表控制性能评价综合评价指标参数值，i＝1,2,3...，如图5所示，一个设置i的最大值为3的策略结果。两者的对应关系需要通过测试分析事先获得，且T_ci＞T_ci+1，P_i＜P_i+1。

图6为速率单调优先级调节图。在获得信息发送周期后，可以采用固定优先级方法或者速率单调方法进行优先级调节，用户根据需要选择一种优先级确定方式，其中速率单调方法具体实现如图6所示，以初始设定优先级和发送周期为输入，发送周期每增大一个单位，优先级将降低一个单位，反之发送周期每减少一个单位，优先级将提高一个单位，同过将新的优先级变化量和初始优先级相综合，则就得到新的优先级。新优先级将和发送周期一起提供给调度综合模块进行后期处理。

图7为发送周期与优先级串联综合的动态调节图。为了实现控制性能驱动的周期动态调节及速率单调优先级调节，以基于模糊推理方法为例设计了基于控制性能的发送周期调节广义控制器，该广义控制器以控制性能参数误差e、误差变化Δe为输入变量，输入变量模糊化定义见公式(5)；以控制命令发送周T_c期为输出变量，输出变量模糊化定义见公式(6)；规则库则根据测试经验等建立,其具体规则库实现采用公式(7),具体实现时，模糊推理机将以输入变量为参考依据规则库实现在线计算产生输出变量值即具体的发送周期T_c；接着采用以发送周期T_c和初始设定优先级为输入，采用速率单调调节方法，计算产生新的优先级q；新产生的发送周期和新优先级信息将通过调度综合模块与控制命令相综合。

以模糊推理方法为例实现发送周期动态调节策略的具体公式为：

输入变量模糊化定义：

根据误差e和误差变化量Δe数值分段定义模糊化输入变量分别为：

e∈{负大，负中，负小，0，正小，正中，正大} （5）

Δe∈{负大，负中，负小，0，正小，正中，正大 }

根据所选发送周期T_c定义模糊化输出变量为：

T_c∈{T_c1，T_c2，..T_ci} 公式(6)

其中i＝1,2,...，且T_ci＜T_ci+1。本例中选i＝3。

依据模糊化输入、输出变量制定的模糊规则库实现表达公式为:

ife＝负大∩Δe＝负大then T_c＝T_c1

ife＝负小∩Δe＝负中then T_c＝T_c2公式(7)

···

ife＝正大∩Δe＝正大then T_c＝T_c1

具体规则表见表1：

表1.变周期动态调节规则

最后，基于输入变量误差向量e和误差变化向量Δe，依据规则库得到输出变量值即发送周期T_c。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，其特征在于，包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块，其中调度器模块又包含周期调度模块、优先级调度模块和调度综合模块；车辆的传感器通过CAN网络与比较模块连接，比较模块与控制器模块和周期调度模块连接，周期调度模块与优先级调度模块连接，周期调度模块、优先级调度模块还与调度综合模块连接，调度综合模块、控制器模块还分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆各执行器连接；

所述比较模块根据接收的传感器信息以及驾驶员命令产生控制性能参数；

所述控制器模块根据比较模块产生的控制性能参数产生控制命令；

所述周期调度模块根据控制性能参数，确定控制命令的发送周期，发送周期的配置原则为：控制性能参数表征的控制性能越差时，控制命令的发送周期越小；反之，控制命令的发送周期越大；

所述优先级调度模块采用固定优先级或变优先级的方式确定控制命令发送的优先级，其中固定优先级是指控制命令的发送优先级确定后一直保持不变；变优先级指的是基于周期调度模块产生的控制命令发送周期确定各个控制命令的优先级，其原则为：控制命令的发送周期越大,分配的优先级越低；反之发送周期越小，分配的优先级越高；

所述调度综合模块根据周期调度模块产生的发送周期和优先级调度模块产生的发送优先级，产生相应的调度命令；

所述综合模块根据调度综合模块产生的调度命令，将控制器模块产生的控制命令按照其对应的发送周期和优先级通过CAN网络发送至对应的执行器，由此实现车辆的网络化控制。

2.如权利1所述的电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，其特征在于：所述的周期调度模块采用静态分段式策略确定控制命令发送周期：

首先确定系统控制性能综合评价指标的可能变化范围，将该变化范围分成N段，同时选取控制命令可用的N种发送周期；

然后将控制性能综合评价指标的各个分段与对控制命令的N种发送周期一一对应；其中，N为大于或等于2的整数；

最后，通过在线计算当前系统的控制性能综合评价指标值即可得出对应的周期值，采用该周期值发送对应的控制命令。

3.如权利要求2所述的电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，其特征在于：车辆控制性能综合评价指标为：

Q_c＝k₁e+k₂Δe；

其中，e为所述比较模块获得的控制性能参数目标值与实际值间的误差向量；Δe为所述比较模块获得的控制性能参数误差变化向量，k1和k2分别为权重系数。

4.如权利1所述的电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，其特征在于：所述周期调度模块采用动态调节策略确定所述发送周期：(1)首先根据采样周期对控制性能的影响规律，制定调度算法和策略，(2)基于控制性能误差、误差变化量参数，利用调度算法和策略实现实时在线产生新的发送周期值。

5.如权利1所述的电动汽车的不对等式变周期动态调节网络化控制装置，其特征在于：所述周期调度模块采用动态调节策略确定所述发送周期，具体为：

将比较模块产生的控制性能参数中的误差向量e和误差变化向量Δe作为输入变量，两个该输入变量按照如下公式模糊化：

e∈{负大，负中，负小，0，正小，正中，正大}

Δe∈{负大，负中，负小，0，正小，正中，正大}

以控制命令发送周期T_c为输出变量，对输出变量按照如下公式模糊化：

T_c＝{T_c1,T_c2,T_c3}

其中T_c1＜T_c2＜T_c3；

输入变量和输出变量之间的规则库如下表：

最后，基于输入变量误差向量e和误差变化向量Δe，依据规则库得到输出变量值即发送周期T_c。