CN105610662A - 电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置 - Google Patents

电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电动汽车控制领域，具体为电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置，包括比较模块、控制器模块、周期调度模块、优先级调度模块和综合模块；比较模块与驾驶员指令装置、直连传感器连接，同时比较模块通过CAN网络与车辆的各个传感器连接；比较模块输出端分别与优先级调度模块、周期调度模块、控制器模块连接；优先级调度模块、周期调度模块、控制器模块的输出端分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆执行器连接；该控制装置采用基于车辆控制性能反馈的多参数综合动态调节，既实现抑制网络诱导延时对系统控制实时性能的影响，又同时降低网络数据传输量、改善网络传输优先权抢占问题，非常有利于系统扩展。

Description

电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置
技术领域
本发明属于电动汽车控制领域，具体为电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置。
背景技术
随着节能、环保需求的提升以及电驱动技术的进步，电动汽车近年来获得了快速发展，但其在续驶里程、轻量化、动力性能以及成本等方面的问题仍有待进一步改善。电动汽车最大的特点之一是采用了电机驱动技术代替了内燃机驱动技术，由于电机相比内燃机具有更快的响应速度和更高的控制精度，通过充分发挥电机驱动技术优势提升车辆综合性能及性价比的相关研究引起了人们的极大重视。在此研究背景下，诸多通过主动控制电机实现的动力和底盘集成控制技术及系统被相继推出，比如分布式四轮独立驱动系统和集中式电机-变速器集成驱动系统等，前者可将电机与车轮就近集成从而省去离合器、变速箱、差速装置及传动机构等，并可通过力矩动态分配实现更高效的四轮驱动和主动安全，从而降低车重，提高经济性和安全性；后者则通过将电机与变速箱集成可以进一步改善车辆动力性能、提高驱动效率，减小电机尺寸及高转速、大扭矩要求，提高电机可靠性、降低成本。基于电机主动控制的动力和底盘集成技术为电动汽车的技术完善及推广提供了支持，同时也带来了更多强实时性电子控制部件互连集成的需求。
由于CAN协议车载网络在传统汽车控制领域获得了极大地成功，当前电动汽车的底盘和动力控制系统通常也采用CAN网络互连集成。CAN网络的应用一方面为数量更加庞大的电动汽车电子控制部件集成提供了技术手段，但同时也为会控制系统增加额外的影响因素，如网络带宽受限、网络资源竞争，此类影响因素会给强实时性集成控制系统带来网络诱导延时变长、数据传输流量增大、网络传输优先权抢占问题，从而会造成系统控制性能下降，甚至导致系统失稳。Z.Xiao等在文献(Speedsynchronizationcontrolforintegratedautomotivemotor-transmissionpowertrainsystemwithrandomdelays,MechanicalSystemsandSignalProcessing,2015)中指出CAN网络诱导延时将会导致无离合式电机-变速器集成系统的电子同步控制性能严重降低甚至失稳，从而可能导致机械同步器磨损严重、换挡冲击以及换挡时间过长、动力中断过久带来的动力性和舒适性下降等问题。该文献提出了一种鲁棒控制和模式依赖控制相结合的方法，用于抑制网络诱导延时对同步控制性能的影响，一定程度上解决了控制系统的稳定性问题并适当降低了保守性即改善了系统的动态特性，但该方法不关注网络传输量降低问题，也不关注网络传输优先权抢占问题，因此对系统实时性的改善程度有限，且不利于系统中其他控制回路的实时性改善也不利于网络化系统扩展；同时该方案中模式依赖控制方法需要对信息传输的延时值进行在线实时检测并依据相应的系统模型计算延时导致的扰动，因此非常不利于在实际工程中应用采用。
在汽车控制领域现有可查的解决网络诱导延时影响问题的方法中，还有模型预测法和优先级动态调节法。其中模型预测法需要建立系统的精确模型和实现延时的在线检测，也不关注数据传输量与传输优先权抢占问题，因此很难在工程中应用，而优先级动态调度可以解决网络诱导延时和传输优先权抢占问题，但不关注数据传输流量问题。另外，其它应用领域中提到的发送周期动态调度方法可以有效降低数据传输量，但通常又不关注传输优先权抢占问题。
现有的方法都有一定的局限性，不能兼顾强实时性集成控制系统对实时性、网络传输量以及传输优先权抢占问题多方面改善的需求，无法满足电动汽车技术升级及工程实现的需要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种电动汽车用反馈式综合动态调度网络化控制装置，通过基于控制性能反馈的多参数综合动态调节，实现抑制网络诱导延时对系统控制实时性能的影响，同时降低网络数据传输量、改善网络传输优先权抢占问题。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置，包括比较模块、控制器模块、周期调度模块、优先级调度模块和综合模块；比较模块与驾驶员指令装置、直连传感器连接，同时比较模块通过CAN网络与车辆的各个传感器连接；比较模块输出端分别与优先级调度模块、周期调度模块、控制器模块连接；优先级调度模块、周期调度模块、控制器模块的输出端分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆执行器连接；
比较模块实现控制参数目标值与控制参数实际值的比较产生系统控制性能参数，提供给优先级调度模块、周期调度模块和控制器模块使用；
优先级调度模块、周期调度模块和控制器模块均基于系统控制性能参数依据相应的策略及算法分别产生动态调节的优先级命令、发送周期命令和控制命令；
优先级调度模块根据控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生优先级命令，优先级命令的配置原则为：系统控制性能越差，信息发送的优先级越高，进而抑制网络排队延时、提高信息传输的实时性，改善系统的控制性能，反之，控制性能较好时，可以适当降低信息发送的优先级，为其它实时应用提供网络传输优先权，改善网络资源竞争问题；
周期调度模块则根据控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生发送周期命令，发送周期命令的配置原则为：系统控制性能越差，信息发送的周期越小、频率越高，进而提高主动控制作用的调节频率，改善系统的控制性能，反之，控制性能较好时，可以适当提高信息发送的周期，降低网络数据传输量；
控制器模块根据控制性能依据预置的策略和算法处理计算产生相应的控制命令，用于实时调节执行器动作；
综合模块则实现优先级命令、发送周期命令和控制命令多种命令的综合，并实现综合命令信息的发送。
优先级调度模块、周期调度模块和控制器模块三者均以系统控制性能为输入，并行地依据相应策略及算法处理产生各种命令；其中优先级调度策略可采用基于离线规划的静态调节方法或在线实时动态调节方法；发送周期调度策略也可采用基于离线规划的静态调节方法或在线实时动态调节方法。
电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置，基于系统控制性能反馈，通过并行地执行优先级、发送周期和控制命令多参数综合的动态调节，实现抑制网络诱导延时对系统控制实时性能的影响，同时降低网络数据传输量、改善网络传输优先权抢占问题。
本发明提供的电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置，采用基于车辆控制性能反馈的多参数综合动态调节，可以改善系统的综合性能、实现多目标优化：既实现抑制网络诱导延时对系统控制实时性能的影响，又同时降低网络数据传输量、改善网络传输优先权抢占问题，非常有利于系统扩展。该装置反馈信息仅基于容易获得的控制性能参数，不需要知道系统的精确模型，不需要额外地在线分析、监测、计算信息传输的延时以及系统状态预测信息，具有简单、实用及灵活的特点，非常有利于在工程实际中应用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为实施例的电动汽车动力系统机械结构图；
图3为实施例换档执行解析图；
图4为实施例电子同步控制结构图；
图5为实施例的网络执行解析图；
图6为实施例的综合动态调节管理执行图。
具体实施方式
结合附图说明本发明具体实施方式。
电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置简称车辆控制器。如图1所示，某电动汽车采用了无离合器式电机-变速器集成驱动系统，其控制系统包括电机角速度传感器、车速传感器、车辆控制器、换档电机、选档电机、驱动电机控制器、CAN网络以及驾驶员指令输入、直连传感器等。工程中常将驾驶员指令采集、换档电机、选档电机直接通过专线与车辆控制器连接，而车速传感器信息、电机角速度传感器信息和驱动电机控制命令则通过CAN总线与车辆控制器交互，如图2所示。车辆控制器可以采用16位微控制器芯片实现。车速传感器通常安装于变速箱输出轴上，电机角速度传感器通常安装在电机输出轴，通常由电机控制器实现采样发送处理。无离合式电机-变速器集成系统的机械结构简图如图2所示，包括驱动电机、变速齿轮箱、传动机构以及驱动车轮。为了保证换挡平顺性，变速箱中仍然采用机械同步器实现齿轮组的结合。
以从1档换到2档为例，如图2，无离合器式自动变速过程实现的基本原理为：接到换档信号—命令驱动电机力矩到零—命令换档电机分离齿轮组1—位于空档时，命令选档电机选档—命令驱动电机执行电子同步—命令换档电机移动机械同步器执行机械同步—命令换挡电机实现齿轮组2结合—依据踏板恢复驱动电机力矩，具体实现过程参见相关文件。
其中驱动电机执行电子同步是实现无离合换挡品质的关键，电子同步的目的是实现预结合档齿轮组中的主动齿轮转速和被动齿轮即变速器输出轴转速尽可能相同，以保证两齿轮结合时的顺利。如图2、图3所示，为了分析方便，这里假定传动系中的齿轮传动效率暂不考虑，电机转速定义为ωm，车辆传感器测量变速器输出轴转速定义为ωv，当车辆处于1档时，电机到1档主动齿轮的传动比定义为i1，则1档主动齿轮的转速ωD1＝ωm/i1＝ωv；当车辆从1档升到2档时，如果时间很短，由于车辆本身具有很大的质量惯性，车速在很短时间内的变化很小，可以假定车速ωv不变，电机到2档主动齿轮的传动比则定义为i2，且i2<i1，则2档主动齿轮的转速ωD2＝ωm/i2>ωm/i1＝ωv，此时2档主动齿轮的转速高于被动齿轮即变速器输出轴转速，为了实现2档齿轮组顺利结合。需要根据当前车速ωv和传动比i2主动调整驱动电机到目标转速当前电机转速与目标电机转速的差值为Δωm＝ωv(i1-i2)。
电子同步的控制结构如图4，目标转速由车速和预结合档的传动比决定，如前所述，考虑到车辆的惯性较大，车速在短时间内的变化较小，通常假定车速不变；同时电机转速传感器通常在电机控制器中自代，电机转速的采样和发送可由电机控制器处理。系统采用CAN网络互连集成，此时电子同步控制属于一类强实时性网络化控制系统，转速同步控制的快速性、稳定性和稳态误差范围等因素是影响换档品质的关键，此时需要严格限制网络化带来的影响。
图4为网络化控制执行解析图，电子同步控制从tk时刻起启动，至tk+150时刻退出，tk至tk+1之间的时间间隔为10ms，则电子同步过程历时为1500ms，此期间为了保证同步控制的性能设定对电机转速信息以10ms为周期采样，并采用最高优先级发送。具体地，在[tk,tk+50]即前500ms期间，由于系统控制参数的误差和误差变化量相对较大，则控制命令将被配置采用预设值中的最高优先级和最小发送周期，此时网络诱导延时大小为τk将被控制在最小，几乎可以忽略不计，控制作用施加的周期为Tk＝10ms，控制调节的作用实时性强、频率高，控制实时性可以得到保证；在[tk+51,tk+100]即第二个500ms期间，系统控制参数的误差、误差变化量相对较小，则控制命令发送的优先级可以降为采用次高优先级，发送周期则降为Tk+50＝50ms,此时系统的网络诱导延时为τk+50则仍然相对较小，系统的控制性能仍然可以保证，同时控制命令发送周期的降低则可以使其网络资源占用率降为10ms发送周期时的20％，节省了带宽；在[tk+100,tk+150]即后500ms期间，系统控制参数的误差、误差变化量均很小，此时机械同步器工作直至实现齿轮组结合，结合后控制参数误差、误差变化量变为零，此期间控制命令发送的可以采用更低的优先级，让出网络传输优先权供其他实时性控制系统使用，避免了对网络优先权的长期抢占；发送周期则降为Tk+100＝100ms，此时系统的网络诱导延时为τk+50，尽管此值比较大，但由于此时机械同步器在执行同步工作，控制性能参数误差、误差变化量将保持不断减小的趋势，控制性能依然获得了保证，同时控制命令发送周期的降低则可以使其网络资源占用率降为10ms发送周期时的10％，大幅度节省了带宽。
综上，通过采用基于系统控制性能反馈的综合动态调节方法，可以在保证电子同步控制实时性能的同时，大幅度地降低总的网络数据传输量、并改善了网络传输优先权抢占问题，从而进一步改善了整个网络化控制系统的实时性和扩展性。
为了实现基于控制性能反馈的优先级动态调节，可以采用基于经验的查表等方法实现，具体见相关文献。
类似地，为了实现基于控制性能反馈的发送周期动态调节，也可以采用基于经验的查表等方法实现，具体见相关文献。
基于控制性能参数反馈的优先级和发送周期动态调节执行原理具体如图6所示。

Claims (2)

1.电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置，其特征在于：包括比较模块、控制器模块、周期调度模块、优先级调度模块和综合模块；比较模块与驾驶员指令装置、直连传感器连接，同时比较模块通过CAN网络与车辆的各个传感器连接；比较模块输出端分别与优先级调度模块、周期调度模块、控制器模块连接；优先级调度模块、周期调度模块、控制器模块的输出端分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆执行器连接；
比较模块，实现控制参数目标值与控制参数实际值的比较产生系统控制性能参数，提供给优先级调度模块、周期调度模块和控制器模块使用；
优先级调度模块、周期调度模块和控制器模块均基于系统控制性能参数依据相应的策略及算法分别产生动态调节的优先级命令、发送周期命令和控制命令；
优先级调度模块，根据控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生优先级命令，优先级命令的配置原则为：系统控制性能越差，信息发送的优先级越高，进而抑制网络排队延时、提高信息传输的实时性，改善系统的控制性能，反之，控制性能较好时，可以适当降低信息发送的优先级，为其它实时应用提供网络传输优先权，改善网络资源竞争问题；
周期调度模块，则根据控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生发送周期命令，发送周期命令的配置原则为：系统控制性能越差，信息发送的周期越小、频率越高，进而提高主动控制作用的调节频率，改善系统的控制性能，反之，控制性能较好时，可以适当提高信息发送的周期，降低网络数据传输量；
控制器模块，根据控制性能依据预置的策略和算法处理计算产生相应的控制命令，用于实时调节执行器动作；
综合模块，实现优先级命令、发送周期命令和控制命令多种命令的综合，并实现综合命令信息的发送。
2.根据权利要求1所述的电动汽车的反馈式综合动态调度网络化控制装置，其特征在于：优先级调度模块、周期调度模块和控制器模块三者均以系统控制性能为输入，并行地依据相应策略及算法处理产生各种命令；其中优先级调度策略可采用基于离线规划的静态调节方法或在线实时动态调节方法；发送周期调度策略采用基于离线规划的静态调节方法或在线实时动态调节方法。
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