CN109131307B - 复合功率分流混合动力系统模式切换的h∞鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法，包括发动机启动和发动机扭矩切换阶段。在发动机启动阶段，采用动态规划和H∞鲁棒控制方法，决策第一和第二电机的发动机拖转转矩以及第一制动器打开时的转矩变化，通过功率分流混合动力系统，在保证动力输出端转矩平稳连续变化的前提下使发动机输出轴产生加速度；当发动机转速达到怠速时，发动机电控单元发出喷油点火指令，发动机开始输出扭矩，完成发动机扭矩切换，进入功率分流混合动力模式。与现有技术相比，本发明可以抑制模式切换过程系统参数摄动和转矩波动所引起的转矩控制误差，并实现切换时间、模式切换过程的平顺性、车辆动力性和制动器滑摩功等综合性能最优。

Description

复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力车辆控制领域，尤其是涉及一种复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法。

背景技术

为了满足现阶段日益苛刻的油耗和排放法规，开发混合动力汽车已成为各大车企的必然选择，其中功率分流系统是深度和插电式混合动力汽车的主流方案之一。功率分流混合动力系统通过电机转矩的调节，可以使发动机一直工作在其最佳燃油消耗线上，以提高整车燃油经济性。但是在车辆运行过程中，为了适应不同的行驶工况，需要频繁切换工作模式，以满足系统动力性，并提升工作效率。功率分流混合动力系统的模式切换过程涉及到模式切换元件的开闭、发动机启动和多动力源转矩切换等，特别是从纯电动模式切换至混合动力模式时，由于发动机与传动系相连，其低速脉动阻力矩可通过传动系传至轮边，系统扭转振动极易使整车产生较大纵向冲击。所以，复合功率分流系统的纯电动至混合动力模式切换控制问题是其控制难点。

现代控制理论以线性最优控制为代表，往往要求建立控制对象的精确数学模型，但是由于车辆参数及路况变化、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到。H∞鲁棒理论正是为了适应工程实际需求而诞生的，在算法设计过程，便将系统参数摄动和模型误差考虑进来，弥补了最优控制理论的缺陷。

已有的专利大多采用基于模型的协调控制策略，控制精度受模型误差影响较大。然而，功率分流混合动力系统结构复杂，传动轴的弹性和阻尼等参数无法准确测量，加之模式切换瞬态过程也存在较强的转矩波动特性，难以建立十分精确的数学模型。因此，使用H∞鲁棒控制可以较好地解决功率分流混合动力系统的模式切换问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术中功率分流混合动力系统纯电动模式至功率分流混合动力模式切换中存在的平顺性和发动机启动的问题，而提供一种复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法，所述复合功率分流混合动力系统包括双行星排动力耦合装置、电机控制器、第一电机、第二电机、发动机、第一制动器和第二制动器，所述第一制动器和第二制动器分别连接行星架和前排太阳轮，所述第一电机和第二电机分别连接前排太阳轮和后排太阳轮；模式切换前，车辆运行在第二电机单独驱动的纯电动模式，第一制动器锁止发动机轴，第一电机空转，所述控制方法包括：

S1、所述第一制动器打开，发动机启动，以保证整车动力性为控制目标，计算得到第一电机和第二电机的驱动转矩，以发动机启动性和驾驶平顺性为控制目标，求出发动机最优拖转转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩曲线；

S2、采用H∞鲁棒控制算法，以所述发动机拖转最优转速曲线为参考，决策出第一电机和第二电机的拖转转矩，同时基于所述第一制动器打开时的最优制动转矩对第一制动器的制动转矩进行闭环控制；

S3、采用主动阻尼控制策略，计算得到第一电机和第二电机的补偿转矩；

S4、将第一电机和第二电机的驱动转矩、拖转转矩和补偿转矩叠加，输入电机控制器，并与第一制动器的制动转矩一起作用于功率分流混合动力系统，使发动机轴转速不断增加，同时动力输出端转速变化平稳；

S5、当发动机转速增加至怠速值时，发动机的电控单元发出喷油点火指令，发动机开始输出扭矩；

S6、根据发动机万有特性和车辆此刻的需求功率计算发动机扭矩的期望值，当发动机输出的扭矩到达期望值时，车辆进入复合功率分流混合动力模式，模式切换完成。

优选的，所述步骤S1具体包括：

S11、第一制动器打开，发动机启动；

S12、以保证整车动力性为控制目标，通过车速和油门踏板开度计算得到驾驶员需求转矩，输入至电机转矩决策模块，计算得到第一电机和第二电机的驱动转矩；

S13、以驾驶平顺性、发动机启动时间和制动器滑动摩擦功率为优化目标，采用动态规划算法，求出发动机最优拖转转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩曲线。

优选的，所述步骤S13中采用动态规划算法，求出发动机拖转最优转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩的过程具体包括：

对第一制动器的制动转矩、发动机转角和发动机转速划分网格，形成状态矩阵；对状态矩阵的点按照顺序编号，根据动态规划成本函数的表达式和系统动态模型，计算在不同电机转矩组合下各个状态之间迁移时需要花费的成本函数值；用动态规划算法，以总成本函数最小为目标，求出发动机拖转最优转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩曲线。

优选的，所述动态规划成本函数的表达式为：

其中，J表示成本函数值，

表示输出端角加速度，t_f表示拖转结束时间，T_B1表示第一制动器转矩，ω_CR表示行星架轴角速度，λ₁、λ₂和λ₃分别表示驾驶平顺性、发动机启动时间和制动器滑动摩擦功率三个指标的权重系数。

优选的，所述步骤S2中第一电机和第二电机的拖转转矩为：

u＝Kx

其中，

表示发动机转速，

表示发动机参考转速；K表示反馈矩阵：

K＝-B₂ ^TY^-1

其中，

I₁'和I₂'为根据系统动态方程计算出的等效系数，为常数；Y通过求解如下线性矩阵不等式得到：

其中，

E＝A，I_e'为根据系统动态方程计算出的等效系数，为常数，c_e为发动机轴旋转阻尼系数；λ表示任意大于0的数；

Q为可以调节的权重系数矩阵；

与现有技术相比，本发明方法保证了整个过程的动力性和发动机的可启动性，极大的降低了模式切换过程车辆纵向冲击和第一制动器的滑动摩擦功，并且对模型不准确和参数摄动产生的误差有很强的抑制作用。

附图说明

图1为实施例所用的复合功率分流混合动力系统构型图；

图2为实施例采用的功率分流混合动力系统模式切换鲁棒控制方法流程图。

图中标注：1、发动机，2、第一电机，3、第二电机，4、第一制动器，5、输出端，6、行星架，7、前排太阳轮，8、第二制动器，9、行星轮，10、齿圈，11、后排太阳轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本申请提出一种复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法。如图1所示，复合功率分流混合动力系统包括双行星排动力耦合装置、电机控制器、第一电机2、第二电机3、发动机1、第一制动器4和第二制动器8，第一制动器4和第二制动器分别连接行星架6和前排太阳轮7，第一电机2和第二电机3分别连接前排太阳轮7和后排太阳轮11。第二制动器的作用是在更高速的情况下锁止第一电机2，防止电功率回流。该系统可以实现第二电机3单独驱动纯电动模式、功率分流混合动力模式等多种模式。

本方法针对第二电机3单独驱动的纯电动模式向复合功率分流混合动力模式切换过程。其中，车辆运行在第二电机3单独驱动的纯电动模式时，第一制动器4锁止发动机轴，第一电机2空转，当接收到模式切换指令时，首先需要打开第一制动器4，并协调电机转矩将发动机1启动，然后发动机1经历扭矩切换阶段，输出所需扭矩，系统进入复合功率分流混合动力模式。

本方法将纯电动模式至功率分流混合动力模式的切换过程分为发动机启动和发动机扭矩切换两个阶段进行控制，流程示意图如图2所示。模式切换前，车辆运行在第二电机3单独驱动的纯电动模式，当车速和驾驶员需求转矩超过门限值时，控制器发出模式切换指令，从纯电动模式向功率分流混合动力模式切换开始。该功率分流混合动力系统模式切换过程的控制方法具体包括：

S1、第一制动器4打开，进入发动机启动阶段，本阶段的重点在于对第一电机2、第二电机3和第一制动器4进行转矩协调控制，根据整车动力性、发动机1启动性和驾驶平顺性三个控制目标将电机转矩分为驱动转矩、发动机拖转转矩和补偿转矩三个部分分开计算，具体包括：

S11、第一制动器4打开，发动机1启动；

S12、以保证整车动力性为控制目标，通过车速和油门踏板开度计算得到驾驶员需求转矩，输入至电机转矩决策模块，计算得到第一电机2和第二电机3的驱动转矩，其中，电机转矩决策模块的计算公式为：

其中，T₁和T₂分别表示第一电机2和第二电机3的转矩；T_e和T_L分别表示发动机1和输出端5的转矩；I₁、I₂和I_e分别表示第一电机2、第二电机3和发动机1的转动惯量；

和

分别表示发动机1和输出端5的角加速度；ρ₁和ρ₂分别表示前后行星排的特征参数；η₁和η₂分别表示第一电机2和第二电机3的效率；

S13、以发动机1启动性能为主要目标，兼顾驾驶平顺性，对发动机1拖转过程进行控制：首先确定模式切换前的初始条件，包括第一制动器4制动转矩的初始值、发动机1启动的曲轴初始位置和切换前输出端5的转速和转矩；然后，以驾驶平顺性、发动机1启动时间和制动器滑动摩擦功率为优化目标，采用动态规划算法，离线求出发动机1拖转最优转速曲线和第一制动器4打开时的最优制动转矩曲线，其中，平顺性的评价指标采用VDV值表示，即输出端5加速度的四次方积分，发动机1启动时间使用拖转结束时间表示；

复合功率分流系统模式切换过程中，第一制动器4快速打开，在满足电机外特性的约束条件下，不同的第一电机2和第二电机3转矩组合作用于系统，消耗动力电池功率并克服等效输出端5阻力矩和发动机1拖转阻力矩，使发动机1和等效输出端5产生角加速度并开始运动，动态规划算法求解过程包括：

对第一制动器4的制动转矩、发动机1转角和发动机1转速划分网格，形成状态矩阵；对状态矩阵的点按照顺序编号，根据动态规划成本函数的表达式和系统动态模型，计算在不同电机转矩组合下各个状态之间迁移时需要花费的成本函数值；用动态规划算法，以总成本函数最小为目标，计算出发动机1拖转最优转速曲线和第一制动器4打开时的最优制动转矩曲线；

其中动态规划成本函数的表达式为：

式中，J表示成本函数值，t_f表示拖转结束时间，T_B1表示第一制动器4转矩，ω_CR表示行星架6轴角速度，λ₁、λ₂和λ₃分别表示驾驶平顺性、发动机1启动时间和制动器滑动摩擦功率三个指标的权重系数。

S2、基于第一制动器4打开时的最优制动转矩，采用PID控制方法对第一制动器4的制动转矩进行闭环控制；在第一制动器4打开的同时，第一电机2和第二电机3开始输出拖转转矩，对发动机1进行倒拖，考虑到复合功率分流混合动力系统存在刚度、阻尼等参数摄动以及转矩波动，使系统控制存在误差，采用H∞鲁棒控制算法，以得出的发动机1拖转最优转速曲线为参考，决策第一电机2和第二电机3的拖转转矩，具体过程如下：

首先，复合功率分流混合动力系统可以构建如下所示的系统方程：

式中，

表示发动机1转速，c_e为发动机1轴旋转阻尼系数，T_{1_crank}和T_{2_crank}分别为第一电机2和第二电机3的拖转转矩，T_e和T_L分别表示发动机1和输出端5的转矩，

表示输出端5转速，I_e'、I₁'和I₂'都为根据系统动态方程计算出的等效系数，为常数；

在公式(4)中，选取发动机1实际转速和发动机1实际转速与参考转速之差为状态变量，选取第一电机2和第二电机3的转矩为控制变量，分别表示为：

其中，

表示发动机参考转速；依据选取的状态变量和控制变量，将公式(4)整理成公式(5)所示的H∞鲁棒标准形式，并写出公式(6)所示的成本函数表达式：

式中，

ΔA＝E∑(t)F_a，E＝A；

假设发动机1轴旋转阻尼系数摄动最大值的绝对值为δ，则：

Q和R是可以调节的权重系数矩阵，Q代表了发动机参考转速的跟踪情况，R代表了输入值的能量；

根据H∞鲁棒控制理论，上述问题有解的条件是，存在任意λ＞0，使如下不等式成立：

A^TX+XA+X(B₁B₁ ^T+λ²EE^T-B₂B₂ ^T)X+C₁ ^TC₁+λ^-2F_a ^TF_a＜0 (7)

令Y＝X^-1，可以将上述不等式写成线性矩阵不等式形式如下：

使用MATLAB的LMI工具箱求解出Y，反馈矩阵K可以表示为：

K＝-B₂ ^TY^-1 (9)

基于公式(9)，第一电机2和第二电机3的拖转转矩可以求得：

u＝Kx (10)

S3、采用主动阻尼策略，进一步提高驾驶平顺性，减小输出端5转速波动：通过实时车速换算得到输出端5实际转速，经过滤波作为输出端5参考转速，将输出端5转速误差输入PID控制器，得出输出端5补偿转矩的期望值，然后输入电机转矩决策模块，计算第一电机2和第二电机3的补偿转矩。

S4、将上述步骤得到的第一电机2和第二电机3的驱动转矩、拖转转矩和补偿转矩叠加，输入电机控制器，并与第一制动器4的制动转矩一起作用于功率分流混合动力系统，使发动机1轴转速不断增加，同时动力输出端5转速变化平稳。

S5、根据发动机1水温查表得出发动机1怠速值，当发动机1转速增加至怠速值时，发动机1的电控单元发出喷油点火指令，发动机1开始输出扭矩。

S6、根据发动机1万有特性和车辆此刻的需求功率计算发动机1扭矩的期望值，当发动机1输出的扭矩到达期望值时，车辆进入复合功率分流混合动力模式，模式切换完成。

Claims (5)

1.一种复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法，所述复合功率分流混合动力系统包括双行星排动力耦合装置、电机控制器、第一电机、第二电机、发动机、第一制动器和第二制动器，所述第一制动器和第二制动器分别连接行星架和前排太阳轮，所述第一电机和第二电机分别连接前排太阳轮和后排太阳轮；模式切换前，车辆运行在第二电机单独驱动的纯电动模式，第一制动器锁止发动机轴，第一电机空转，其特征在于，所述控制方法包括：

S1、所述第一制动器打开，发动机启动，以保证整车动力性为控制目标，计算得到第一电机和第二电机的驱动转矩，以发动机启动性和驾驶平顺性为控制目标，求出发动机最优拖转转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩曲线；

S2、采用H∞鲁棒控制算法，以所述发动机拖转最优转速曲线为参考，决策出第一电机和第二电机的拖转转矩，同时基于所述第一制动器打开时的最优制动转矩对第一制动器的制动转矩进行闭环控制；

S3、采用主动阻尼控制策略，计算得到第一电机和第二电机的补偿转矩；

S4、将第一电机和第二电机的驱动转矩、拖转转矩和补偿转矩叠加，输入电机控制器，并与第一制动器的制动转矩一起作用于功率分流混合动力系统，使发动机轴转速不断增加，同时动力输出端转速变化平稳；

S5、当发动机转速增加至怠速值时，发动机的电控单元发出喷油点火指令，发动机开始输出扭矩；

S6、根据发动机万有特性和车辆此刻的需求功率计算发动机扭矩的期望值，当发动机输出的扭矩到达期望值时，车辆进入复合功率分流混合动力模式，模式切换完成。

2.根据权利要求1所述的复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法，其特征在于，所述S1具体包括：

S11、第一制动器打开，发动机启动；

S12、以保证整车动力性为控制目标，通过车速和油门踏板开度计算得到驾驶员需求转矩，输入至电机转矩决策模块，计算得到第一电机和第二电机的驱动转矩；

S13、以驾驶平顺性、发动机启动时间和制动器滑动摩擦功率为优化目标，采用动态规划算法，求出发动机最优拖转转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩曲线。

3.根据权利要求2所述的复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法，其特征在于，所述S13中采用动态规划算法，求出发动机拖转最优转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩的过程具体包括：

对第一制动器的制动转矩、发动机转角和发动机转速划分网格，形成状态矩阵；对状态矩阵的点按照顺序编号，根据动态规划成本函数的表达式和系统动态模型，计算在不同电机转矩组合下各个状态之间迁移时需要花费的成本函数值；用动态规划算法，以总成本函数最小为目标，求出发动机拖转最优转速曲线和第一制动器打开时的最优制动转矩曲线。

4.根据权利要求3所述的复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法，其特征在于，所述动态规划成本函数的表达式为：

其中，J表示成本函数值，

表示输出端角加速度，t_f表示拖转结束时间，T_B1表示第一制动器转矩，ω_CR表示行星架轴角速度，λ₁、λ₂和λ₃分别表示驾驶平顺性、发动机启动时间和制动器滑动摩擦功率三个指标的权重系数。

5.根据权利要求1所述的复合功率分流混合动力系统模式切换的H∞鲁棒控制方法，其特征在于，所述S2中第一电机和第二电机的拖转转矩为：

u＝Kx

其中，

表示发动机转速，

表示发动机参考转速；K表示反馈矩阵：

K＝-B₂ ^TY^-1

其中，

I₁'和I₂'为根据系统动态方程计算出的等效系数，为常数；Y通过求解如下线性矩阵不等式得到：

其中，

E＝A，I_e'为根据系统动态方程计算出的等效系数，为常数，c_e为发动机轴旋转阻尼系数；λ表示任意大于0的数；

Q为可以调节的权重系数矩阵；

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