CN110435635B - 一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法，该方法针对动力源不同动态特性之间耦合将会产生的较大冲击现象，并考虑模式切换过程中湿式离合器滑磨功的影响，在模式切换动力学分析的基础上，采用模型预测控制技术，结合分层控制及分段控制架构，对典型模式切换过程开发模式切换协调控制策略，保证了模式切换平稳及湿式离合器滑磨功较小，提高了车辆的模式切换品质。

Description

一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域，特别涉及一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法。

背景技术

目前，在能源和环境的压力日益加大的背景下，发展低碳环保的新能源汽车已经成为社会关注的焦点问题，其中行星式混联混合动力汽车由于其燃油经济性好、排放少成为新能源汽车的热门方向之一。然而，由于行星混联式混动系统三动力源拥有不同的动态响应特性，若对模式切换过程缺乏有效的控制，动力源不同动态特性之间的耦合将会导致车辆产生较大冲击。同时，多部件特异动态特性的叠加与离合器分段接合特性及变速箱分阶段的动力退出、介入相互影响，使得复杂混动系统模式切换过程异常繁杂，有效控制较为困难。车辆行驶过程中，各部件真实行驶条件下动态响应特性将对整车运行特性产生直接影响，因此，开发出有效合理的行星混动系统模式切换协调控制方法至关重要。

发明内容

本发明提供一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法，实现模式切换平稳无冲击的同时，湿式离合器滑磨功较小，模式切换品质得到有效保证。

为实现上述目的，根据本发明实施例的一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1，发动机转矩最优控制：根据行星齿轮机构内部的转速关系，合理设定模型预测控制器的控制目标及干扰量，并基于行星齿轮至驱动轮动力学模型，滚动优化输出满足控制目标的发动机转矩最优控制轨迹；

(1)由行星齿轮机构内部动力学关系，建立行星齿轮机构动力学模型：

上式中，T_r、T_e、T_g分别为齿圈转矩、发动机转矩、电机MG1转矩，Nm；T_c1、T_c2分别为离合器CL1、CL2转矩，Nm；I_r、I_c、I_s分别为齿圈、行星架、太阳轮转动惯量，kg·m²；I_e、I_g分别为发动机、电机MG1转动惯量，kg·m²；ω_r、ω_e、ω_g分别为齿圈转速、发动机转速、电机MG1转速，rad/s；R、S分别为齿圈、太阳轮半径，m；F表示行星排内部齿轮啮合力，N；k为行星齿轮机构的齿圈与太阳轮半径之比；

式(1)、(2)、(3)、(4)联立可得行星齿轮机构内部动力学关系式：

(2)以加速阻力矩、滚动阻力矩，以及逐渐减小的电机MG2转矩作为系统干扰量，发动机转速作为状态量，发动机转矩作为控制量，建立行星齿轮至驱动轮系统状态空间方程：

其中，x＝ω_e，u＝T_e，d＝T_mi_gi₀-δma-T_f，y＝ω_e，

A_c＝0，B_cu＝(I_c+I_e)^-1，C_c＝1，

T_m、T_f分别为变速箱输出转矩及整车行驶阻力矩，Nm；i_g、i₀分别为变速箱速比及主减器速比；δ为旋转质量换算系数；

(3)以T_s为系统采样时间，对上述连续系统进行离散化处理：

式中，

(4)为引入积分以消除稳态误差，将式(7)对应的模型改为增量模型：

其中，△x(k)＝x(k)-x(k-1)，△u(k)＝u(k)-u(k-1)，△d(k)＝d(k)-d(k-1)；

(5)根据待优化系统的输入及响应输出之间的关系，明确系统优化问题的数学描述，设定模式切换过程模型预测控制器优化目标为：

J＝||Q(Y_c(k+1|k)-R_e(k+1))||²+||R△U(k)||²······(10)

上式中，R_e(k+1)＝[r(k+1) r(k+2) … r(k+p)]^T为系统参考输入序列，即模式切换完成时发动机目标转速；采用数值求解的方法，将上述约束优化问题变为二次规划问题求解，并将求解得到的最优序列的第一分量作为发动机转矩命令，在下一时刻以重新得到的系统输出值更新系统状态，滚动优化，直至模式切换过程结束；

步骤2，太阳轮转矩协调控制：根据行星齿轮机构内部动力学关系式，计算与模型预测控制器输出发动机最优转矩序列相适应的太阳轮转矩(T_g+T_c2)，使得各部件之间的转矩变化速率相适应，以实现模式切换冲击度较小的性能目标；

(1)根据行星齿轮机构内部动力学关系式(5)，得到行星齿轮机构状态空间表达式：

其中，x＝ω_e，u₂＝(T_g+T_c2)，A_c2＝0，

(2)以T_s为系统采样时间，采用离散化方法得到与式(12)对应的离散系统，并推导其增量方程：

△x(k+1)＝A₂△x(k)+B_u2△u₂(k)+B_d2△d₂(k)·······(13)

上式中，

(3)将模型预测控制器求得发动机最优控制序列△u_opt代入式(8)，得优化发动机目标转矩对应的系统状态一步预测结果，记为△x(k+1)_opt；将其代入式(13)，并考虑△d₂＝0的冲击度优化目标，即可得到与发动机目标转矩协调变化的太阳轮转矩增量：

步骤3，依据离合器滑磨功较小的模式切换性能指标，将太阳轮转矩合理分配至非独立变量——电机MG1转矩与离合器CL2转矩，使二者转矩和等于协调控制太阳轮目标转矩，同时协调控制电机MG1转矩与离合器CL2占空比，实现所有部件的完整控制。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1.本发明所述的一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法，针对行星混动系统模式切换过程，提出分层控制架构，基于模型预测框架，协调控制动力源转矩及离合器接合状态，保证模式切换平稳及滑磨功较小。

2.本发明所述的一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法，针对行星混动系统模式切换过程，根据换挡原理，分段控制换挡过程，实现模式切换平稳无冲击的同时，兼顾换挡时间，模式切换品质得到有效保证。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明所述的带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制分层架构；

图2为本发明所述的模式切换协调控制方法中发动机转矩最优控制流程图；

图3为本发明所述的行星齿轮机构自由体图；

图4为本发明所述的模式切换协调控制方法中太阳轮转矩协调控制流程图；

图5为本发明所述的模式切换协调控制方法中的太阳轮转矩分配示意图；

图6为本发明一个实施例所适用的带湿式离合器的行星混联式两挡AMT汽车动力系统构型简图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的物理量或具有相同或类似意义的物理量。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述根据本发明实施例的一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示方法，为适用于图6所示的一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法。该方法包括：

步骤1，发动机转矩最优控制，其具体实现流程参阅图2：根据行星齿轮机构内部的转速关系，合理设定模型预测控制器的控制目标及干扰量，并基于行星齿轮至驱动轮动力学模型，滚动优化输出满足控制目标的发动机转矩最优控制轨迹；

(1)参阅图3，由行星齿轮机构内部动力学关系，建立行星齿轮机构动力学模型：

上式中，T_r、T_e、T_g分别为齿圈转矩、发动机转矩、电机MG1转矩，Nm；T_c1、T_c2分别为离合器CL1、CL2转矩，Nm；I_r、I_c、I_s分别为齿圈、行星架、太阳轮转动惯量，kg·m²；I_e、I_g分别为发动机、电机MG1转动惯量，kg·m²；ω_r、ω_e、ω_g分别为齿圈转速、发动机转速、电机MG1转速，rad/s；R、S分别为齿圈、太阳轮半径，m；F表示行星排内部齿轮啮合力，N；k为行星齿轮机构的齿圈与太阳轮半径之比；

式(1)、(2)、(3)、(4)联立可得行星齿轮机构内部动力学关系式：

(2)以加速阻力矩、滚动阻力矩，以及逐渐减小的电机MG2转矩作为系统干扰量，发动机转速作为状态量，发动机转矩作为控制量，建立行星齿轮至驱动轮系统状态空间方程：

其中，x＝ω_e，u＝T_e，d＝T_mi_gi₀-δma-T_f，y＝ω_e，

A_c＝0，B_cu＝(I_c+I_e)^-1，C_c＝1，

T_m、T_f分别为变速箱输出转矩及整车行驶阻力矩，Nm；i_g、i₀分别为变速箱速比及主减器速比；δ为旋转质量换算系数；

(3)以T_s为系统采样时间，对上述连续系统进行离散化处理：

式中，

(4)为引入积分以消除稳态误差，将式(7)对应的模型改为增量模型：

其中，△x(k)＝x(k)-x(k-1)，△u(k)＝u(k)-u(k-1)，△d(k)＝d(k)-d(k-1)；

(5)根据待优化系统的输入及响应输出之间的关系，明确系统优化问题的数学描述，设定模式切换过程模型预测控制器优化目标为：

J＝||Q(Y_c(k+1|k)-R_e(k+1))||²+||R△U(k)||²·······(10)

上式中，R_e(k+1)＝[r(k+1) r(k+2) … r(k+p)]^T为系统参考输入序列，即模式切换完成时发动机目标转速；采用数值求解的方法，将上述约束优化问题变为二次规划问题求解，并将求解得到的最优序列的第一分量作为发动机转矩命令，在下一时刻以重新得到的系统输出值更新系统状态，滚动优化，直至模式切换过程结束；

步骤2，太阳轮转矩协调控制，其具体实现流程参阅图4：根据行星齿轮机构内部动力学关系式，计算与模型预测控制器输出发动机最优转矩序列相适应的太阳轮转矩(T_g+T_c2)，使得各部件之间的转矩变化速率相适应，以实现模式切换冲击度较小的性能目标；

(1)根据行星齿轮机构内部动力学关系式(5)，得到行星齿轮机构状态空间表达式：

其中，x＝ω_e，u₂＝(T_g+T_c2)，A_c2＝0，

(2)以T_s为系统采样时间，采用离散化方法得到与式(12)对应的离散系统，并推导其增量方程：

△x(k+1)＝A₂△x(k)+B_u2△u₂(k)+B_d2△d₂(k)······(13)

上式中，

(3)将模型预测控制器求得发动机最优控制序列△u_opt代入式(8)，得优化发动机目标转矩对应的系统状态一步预测结果，记为△x(k+1)_opt；将其代入式(13)，并考虑△d₂＝0的冲击度优化目标，即可得到与发动机目标转矩协调变化的太阳轮转矩增量：

步骤3，依据离合器滑磨功较小的模式切换性能指标，将太阳轮转矩合理分配至非独立变量——电机MG1转矩与离合器CL2转矩，使二者转矩和等于协调控制太阳轮目标转矩，同时协调控制电机MG1转矩与离合器CL2占空比，实现所有部件的完整控制。太阳轮转矩、MG1转矩及离合器CL2转矩之间的关系参阅图5，其中t₁为MG1转速到达转速阈值的时刻。以协调控制所得太阳轮转矩，减去离合器CL2转矩，即为电机MG1目标转矩。

本发明针对带湿式离合器的行星混动车辆典型模式切换过程，借鉴模型预测控制方法，采用分层控制架构开展模式切换协调控制研究。基于所研究构型的特点，在模式切换平顺性评价指标，即整车冲击度的基础上，增加湿式离合器滑磨功，共同构成模式切换品质评价体系。针对车辆模式切换过程，提出分层控制架构，基于模型预测框架，协调控制动力源转矩及离合器接合状态，保证模式切换平稳及滑磨功较小，提高了模式切换品质。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种带湿式离合器的行星混动系统模式切换协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，发动机转矩最优控制：根据行星齿轮机构内部的转速关系，合理设定模型预测控制器的控制目标及干扰量，并基于行星齿轮至驱动轮动力学模型，滚动优化输出满足控制目标的发动机转矩最优控制轨迹；

(1)由行星齿轮机构内部动力学关系，建立行星齿轮机构动力学模型：

上式中，T_r、T_e、T_g分别为齿圈转矩、发动机转矩、电机MG1转矩，Nm；T_c1、T_c2分别为离合器CL1、CL2转矩，Nm；I_r、I_c、I_s分别为齿圈、行星架、太阳轮转动惯量，kg·m²；I_e、I_g分别为发动机、电机MG1转动惯量，kg·m²；ω_r、ω_e、ω_g分别为齿圈转速、发动机转速、电机MG1转速，rad/s；R、S分别为齿圈、太阳轮半径，m；F表示行星排内部齿轮啮合力，N；k为行星齿轮机构的齿圈与太阳轮半径之比；

式(1)、(2)、(3)、(4)联立可得行星齿轮机构内部动力学关系式：

(2)以加速阻力矩、滚动阻力矩，以及逐渐减小的电机MG2转矩作为系统干扰量，发动机转速作为状态量，发动机转矩作为控制量，建立行星齿轮至驱动轮系统状态空间方程：

其中，x＝ω_e，u＝T_e，d＝T_mi_gi₀-δma-T_f，y＝ω_e，

A_c＝0，B_cu＝(I_c+I_e)^-1，C_c＝1，

T_m、T_f分别为变速箱输出转矩及整车行驶阻力矩，Nm；i_g、i₀分别为变速箱速比及主减器速比；δ为旋转质量换算系数；

(3)以T_s为系统采样时间，对上述连续系统进行离散化处理：

式中，

(4)为引入积分以消除稳态误差，将式(7)对应的模型改为增量模型：

其中，△x(k)＝x(k)-x(k-1)，△u(k)＝u(k)-u(k-1)，△d(k)＝d(k)-d(k-1)；

(5)根据待优化系统的输入及响应输出之间的关系，明确系统优化问题的数学描述，设定模式切换过程模型预测控制器优化目标为：

J＝||Q(Y_c(k+1|k)-R_e(k+1))||²+||R△U(k)||²····(10)

上式中，R_e(k+1)＝[r(k+1) r(k+2) … r(k+p)]^T为系统参考输入序列，即模式切换完成时发动机目标转速；采用数值求解的方法，将上述约束优化问题变为二次规划问题求解，并将求解得到的最优序列的第一分量作为发动机转矩命令，在下一时刻以重新得到的系统输出值更新系统状态，滚动优化，直至模式切换过程结束；

步骤2，太阳轮转矩协调控制：根据行星齿轮机构内部动力学关系式，计算与模型预测控制器输出发动机最优转矩序列相适应的太阳轮转矩(T_g+T_c2)，使得各部件之间的转矩变化速率相适应，以实现模式切换冲击度较小的性能目标；

(1)根据行星齿轮机构内部动力学关系式(5)，得到行星齿轮机构状态空间表达式：

其中，x＝ω_e，u₂＝(T_g+T_c2)，A_c2＝0，

(2)以T_s为系统采样时间，采用离散化方法得到与式(12)对应的离散系统，并推导其增量方程：

△x(k+1)＝A₂△x(k)+B_u2△u₂(k)+B_d2△d₂(k)······(13)

上式中，

(3)将模型预测控制器求得发动机最优控制序列△u_opt代入式(8)，得到优化发动机目标转矩对应的系统状态一步预测结果，记为△x(k+1)_opt；将其代入式(13)，并考虑△d₂＝0的冲击度优化目标，即可得到与发动机目标转矩协调变化的太阳轮转矩增量：

步骤3，依据离合器滑磨功较小的模式切换性能指标，将太阳轮转矩合理分配至非独立变量——电机MG1转矩与离合器CL2转矩，使二者转矩和等于协调控制太阳轮目标转矩，同时协调控制电机MG1转矩与离合器CL2占空比，实现所有部件的完整控制。

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