CN111963580A - 基于模型预测的离合器接合控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

基于模型预测的离合器接合控制方法、系统及存储介质 Download PDF

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CN111963580A CN202010745097.4A CN202010745097A CN111963580A CN 111963580 A CN111963580 A CN 111963580A CN 202010745097 A CN202010745097 A CN 202010745097A CN 111963580 A CN111963580 A CN 111963580A
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Abstract

本发明公开一种基于模型预测的离合器接合控制方法、系统及计算机可读存储介质，属于离合器接合控制技术领域。一种基于模型预测的离合器接合控制方法，包括以下步骤：获取离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式；建立增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，根据预测方程值设置目标函数；获取目标函数的最优序列，获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，将其输出至被控对象，在设定采样步长内，重复求取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，直至离合器主、从动盘转速差小于设定阈值，完成离合器接合。本发明所述方法在减小冲击度、滑磨功的同时兼顾了接合时间。

Description

基于模型预测的离合器接合控制方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及离合器接合控制技术领域，尤其是涉及一种基于模型预测的离合器接合控制方法、系统及计算机可读存储介质。
背景技术
采用电机布置在离合器和机械式自动变速器(AMT)之间的混合动力系统，换挡过程协调控制有分离离合器换挡和不分离离合器换挡两种换挡控制方法，不分离离合器换挡控制虽然省去了离合器控制，但是需要系统负载降低到0才进入摘空挡，由于没有转矩反馈，卸载过程中将发动机和电机动力都要减小到0的控制是很难实现的，所以采用分离离合器的方式换挡控制更加可靠，但是分离离合器的方式必须解决离合器结合带来的冲击问题。分离离合器换挡过程包括转矩卸载、离合器分离、摘挡、电机调速、选档、离合器接合、转矩恢复，其中离合器的结合过程控制好坏对系统冲击有较大的影响。离合器接合阶段有三个指标:接合时间、滑磨功、冲击度，三个指标互相影响，接合时间过短则会导致冲击度过大，影响乘坐舒适性甚至会损坏传动系统，接合时间过长则会增加滑磨功，延长动力中断时间，还会影响离合器寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于模型预测的离合器接合控制方法、系统及计算机可读存储介质，以解决现有技术中离合器接合时间、冲击度及滑磨功不能兼顾的技术问题。
一方面，本发明提供了一种基于模型预测的离合器接合控制方法，包括以下步骤：
S1、获取离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式；
S2、根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，根据所述预测方程值设置目标函数；
S3、获取目标函数的最优序列，根据所述目标函数的最优序列获取离合器传递转矩，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，将离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩输出至被控对象；
S4、在设定采样步长内，重复执行S1-S3，直至离合器主、从动盘转速差小于设定阈值，完成离合器接合。
进一步地，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式，具体包括，以离合器主、从动盘转速差作为状态量和输出量，以离合器传递转矩作为控制输入量，以发动机转矩及变速器输出端阻力矩作为干扰量，建立离合器接合的状态空间表达式
Figure BDA0002608093630000021
y＝Cx
其中，Ac为状态量系数，Bcu为控制量系数，Bcd为干扰量系数，C为输出量系数。
进一步地，根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，具体包括，根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式
Δx(k+1)＝AΔx(k)+BuΔu(k)+BdΔd(k)
y(k)＝CΔx(k)+y(k-1)
其中，Δx(k)＝x(k)-x(k-1)，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，Δd(k)＝d(k)-d(k-1)，Δx(k)为状态增量，Δu(k)为控制增量，Δd(k)为干扰增量。
进一步地，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，具体包括，对所述增量形式的状态空间表达式进行迭代，得到离合器接合的预测方程
Y(k+1)＝SxΔx(k)+y(k)+SdΔd(k)+SuΔu(k)
其中，Sx为状态量预测系数，Sd为干扰量预测系数，Su为控制量预测系数，Y(k+1)为离合器主、从动盘转速差的下一时刻的预测值。
进一步地，根据所述预测方程值设置目标函数，具体包括，设置目标函数
J＝||Q(Y(k+1)-R(k+1))||2+||OΔu(k)||2
其中，R(k+1)为输出参考量，Q为输出量加权系数，O为控制增量加权系数。
进一步地，获取目标函数的最优序列，具体包括，根据二次规划公式
Figure BDA0002608093630000022
求解出目标函数的最优序列，其中，Δu(k)为控制增量，H、G′为中间量。
进一步地，所述基于模型预测的离合器接合控制方法，还包括，根据所述目标函数的最优序列获取离合器转矩，具体包括，选取所述最优序列的第一个量
Figure BDA0002608093630000031
作为控制增量，代入公式
Figure BDA0002608093630000032
获取离合器传递转矩。
进一步地，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，具体包括，根据所述离合器传递转矩模型公式，求得离合器推力轴承位移xto，将离合器传递转矩代入状态空间表达式，获得下一时刻发动机目标转矩。
另一方面，本发明还提供了一种基于模型预测的离合器接合控制系统，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述任一技术方案所述的基于模型预测的离合器接合控制方法。
另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上述任一技术方案所述的基于模型预测的离合器接合控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过获取离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式；根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，根据所述预测方程值设置目标函数；获取目标函数的最优序列，根据所述目标函数的最优序列获取离合器传递转矩，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，将离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩输出至被控对象；在设定采样步长内，重复求取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，直至离合器主、从动盘转速差小于设定阈值，完成离合器接合；在减小冲击度、滑磨功的同时兼顾了接合时间。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的基于模型预测的离合器接合控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1所述的离合器结构示意图；
图3为本发明实施例1所述的离合器接合阶段动力学模型图；
图4为本发明实施例1所述的混合动力汽车传动系统布置图；
图5为本发明实施例1所述的MPC控制方法与PID控制方法的冲击度曲线图；
图6为本发明实施例1所述的MPC控制方法与PID控制方法的滑磨力曲线图。
附图标记：1-飞轮；2-离合器盖；3膜片弹簧；4-轴；5-压盘；6-从动盘；7-离合器；8-车轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供了一种基于模型预测的离合器接合控制方法，其流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1、获取离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式；
S2、根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，根据所述预测方程值设置目标函数；
S3、获取目标函数的最优序列，根据所述目标函数的最优序列获取离合器传递转矩，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，将离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩输出至被控对象(换挡系统)；
S4、在设定采样步长内，重复执行S1-S3，直至离合器主、从动盘转速差小于设定阈值，完成离合器接合。
一个具体实施例中，离合器结构示意图，如图2所示，根据离合器的结构，对离合器的传递转矩建模，建立的离合器传递转矩模型公式为
Figure BDA0002608093630000041
其中，μd为动摩擦系数，R1为主动盘等效半径，R2为从动盘等效半径，xto为安装在膜片弹簧端子上推板即推力轴承位移，
Figure BDA0002608093630000042
为离合器从动盘和飞轮开始接触时即离合器开始滑磨时轴承位移，
Figure BDA0002608093630000043
为膜片弹簧完全压缩即离合器闭合时的轴承位移，Fc_max为离合器最大接合力；
离合器接合阶段动力学模型图，如图3所示，混合动力汽车传动系统布置图，如图4所示，在离合器接合阶段，根据电机是否参与驱动，分为电机与发动机混合驱动、发动机单独驱动两种模式；电机与发动机混合驱动时，离合器开始接合时，离合器主、从动盘处于滑摩状态，其动力学方程为
Figure BDA0002608093630000051
Figure BDA0002608093630000052
待离合器接合后，其动力学方程为
Figure BDA0002608093630000053
其中，Je为发动机和离合器主动盘在发动机端的等效转动惯量，Tm为电机转矩，We为发动机转速，Te为发动机转矩，动机转速，Te为发动机转矩，Wcl为离合器从动盘转速，Tcl为离合器接合时离合器转矩，Jm为离合器从动盘和电机在电机端的等效转动惯量，Wm为电机转速，Jc为变速器输入轴等效转动惯量，Wc为变速器输入转速，ig为变速器传动比，eff为变速器传动效率，Jv为变速器输出轴后端的等效转动惯量，Wv为变速器输出转速；
由车速和离合器转速的关系
Figure BDA0002608093630000054
式中i0为减速器的减速比，r为车轮半径，V为车速，由于换挡时间非常短，而整车的惯量非常大，所以可视为Tv和Tm基本保持不变，则其变化率可忽略，视为0，而发动机单独驱动时，发动机单独驱动时，电机处于空转模式，电机无转矩输出，Tm＝0，可得冲击度最终表达式
Figure BDA0002608093630000055
可见在离合器接合阶段，冲击度的大小主要由离合器推力轴承位移，的变化率决定，此时，根据传动系统状态通过对离合器推力轴承位移的直接控制，继而间接控制离合器摩擦转矩使离合器能快速平顺接合，避免传动系大幅度的扭转振动，从而使动力传输过程平稳过渡；
优选的，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式，具体包括，以离合器主、从动盘转速差作为状态量和输出量，以离合器传递转矩作为控制输入量，以发动机转矩及变速器输出端阻力矩作为干扰量，建立离合器接合的状态空间表达式
Figure BDA0002608093630000061
y＝Cx
其中，Ac为状态量系数，Bcu为控制量系数，Bcd为干扰量系数，C为输出量系数。
一个具体实施例中，以离合器主从动盘转速差ΔW＝We-Wcl作为系统状态量x和输出量y，离合器摩擦转矩(离合器传递转矩)Tcl为系统控制输入量u，系统干扰量d为发动机转矩Te和变速器输出端阻力矩Tv，建立离合器接合的状态空间表达式
Figure BDA0002608093630000062
y＝Cx
其中，
Figure BDA0002608093630000063
Figure BDA0002608093630000064
上式中，Ac,Bcu,Bcd,C分别为状态量系数、控制量系数、干扰量系数及输出量系数；对上述状态空间表达式离散化处理
x(k+1)＝Ax(k)+Buu(k)+Bdd(k)
y(k)＝Cx(k)
其中，
Figure BDA0002608093630000065
Figure BDA0002608093630000066
其中，Ts＝0.01s，为系统采样时间，A,Bu,Bd,C分别为状态量参数、控制量参数、干扰量参数、输出量参数；
优选的，根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，具体包括，根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式
Δx(k+1)＝AΔx(k)+BuΔu(k)+BdΔd(k)
y(k)＝CΔx(k)+y(k-1)
其中，Δx(k)＝x(k)-x(k-1)，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，Δd(k)＝d(k)-d(k-1)，Δx(k)为状态增量，Δu(k)为控制增量，Δd(k)为干扰增量；
一个具体实施例中，将状态空间表达式离散化处理后的表达式改写为增量形式，由于干扰量Tv的变化在整个转矩恢复阶段不大，可忽略，所以设置Δd(k+i)＝ΔTe(k+i-1)，i＝1，2，...，Np-1，Np为预测时域；通过对增量形式的状态空间方程进行迭代，可以得到离合器接合的预测方程；
优选的，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，具体包括，对所述增量形式的状态空间表达式进行迭代，得到离合器接合的预测方程
Y(k+1)＝SxΔx(k)+y(k)+SdΔd(k)+SuΔu(k)
其中，Sx为状态量预测系数，Sd为干扰量预测系数，Su为控制量预测系数，Y(k+1)为离合器主、从动盘转速差的下一时刻的预测值；
一个具体实施例中，
Figure BDA0002608093630000071
Figure BDA0002608093630000072
Figure BDA0002608093630000073
优选的，根据所述预测方程值设置目标函数，具体包括，设置目标函数
J＝||Q(Y(k+1)-R(k+1))||2+||OΔu(k)||2
其中，R(k+1)为输出参考量，Q为输出量加权系数，O为控制增量加权系数；
需要说明的是，目标函数中，第一项控制离合器接合时间，第二项限制冲击度大小；
Figure BDA0002608093630000074
在离合器接合过程中，希望主从动盘转速差尽快将至0，所以设置参考转速差R为0r/min，此外设离合器摩擦转矩Tcl≥o，离合器主、从动盘转速差大于或等于0，设冲击力合理范围为[jmin，jmax]，可由如下约束式
Figure BDA0002608093630000081
0≤u(k)
0≤x(k)
优选的，获取目标函数的最优序列，具体包括，根据二次规划公式
Figure BDA0002608093630000082
求解出目标函数的最优序列，其中，Δu(k)为控制增量，H、G′为中间量；
一个具体实施例中，将目标函数式转化为二次规划(QP)问题并求出最优解，QP问题的约束同上述约束式，求解出目标函数的最优序列Δu*(k)
Figure BDA0002608093630000083
优选的，所述基于模型预测的离合器接合控制方法还包括，根据所述目标函数的最优序列获取离合器转矩，具体包括，选取所述最优序列的第一个量
Figure BDA0002608093630000084
作为控制增量，代入公式
Figure BDA0002608093630000085
获取离合器传递转矩Tcl＝u(k+1)；
优选的，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，具体包括，根据所述离合器传递转矩模型公式，求得离合器推力轴承位移xto，将离合器传递转矩代入状态空间表达式，获得下一时刻发动机目标转矩T′e；
一个具体实施例中，完成控制量和状态量的更新，将离合器推力轴承位移和发动机目标转矩命令输出至被控对象，在设定采样步长内，重复求取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，直到离合器主动盘和从动盘转速差小于设定阈值(例如10rad/s)，则离合器完成结合，进行后续的转矩恢复；
另一个具体实施例中，通过本发明所述基于模型预测的离合器接合控制方法(MPC控制方法)与现有PID控制方法的进行试验对比，得到MPC控制方法与PID控制方法的冲击度曲线图，如图5所示，得到MPC控制方法与PID控制方法的滑磨力曲线图，如图6所示；可知本发明所述方法可以满足换挡时的离合器接合阶段控制要求，实现了离合器尽快接合和冲击度尽可能小这两个控制目标，克服了传统离合器接合控制中，接合时间、滑磨功和冲击度三个指标相互冲突的问题。
实施例2
本发明实施例提供了一种基于模型预测的离合器接合控制系统，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如实施例1所述的基于模型预测的离合器接合控制方法。
实施例3
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如实施例1所述的基于模型预测的离合器接合控制方法。
本发明公开了一种基于模型预测的离合器接合控制方法、系统及计算机可读存储介质，通过获取离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式；根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，根据所述预测方程值设置目标函数；获取目标函数的最优序列，根据所述目标函数的最优序列获取离合器传递转矩，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，将离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩输出至被控对象；在设定采样步长内，重复求取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，直至离合器主、从动盘转速差小于设定阈值，完成离合器接合；在减小冲击度、滑磨功的同时兼顾了接合时间；
本发明所述技术方案，针对电机布置在离合器和AMT变速器之间的混合动力汽车，无论以何种方式驱动，本发明所述技术方案都可以满足换挡时的离合器接合阶段控制要求，实现了离合器尽快接合和冲击度尽可能小这两个控制目标；克服了传统离合器接合控制中，接合时间、滑磨功和冲击度三个指标相互冲突的问题，将离合器接合时间控制在了可接受的范围内，并使滑磨功和冲击度不同程度的减少，其中冲击度的减少尤为明显。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式；
S2、根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，根据所述预测方程值设置目标函数；
S3、获取目标函数的最优序列，根据所述目标函数的最优序列获取离合器传递转矩，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，将离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩输出至被控对象；
S4、在设定采样步长内，重复执行S1-S3，直至离合器主、从动盘转速差小于设定阈值，完成离合器接合。
2.根据权利要求1所述的基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，根据所述离合器传递转矩、发动机转矩及变速器输出端阻力矩，建立离合器接合的状态空间表达式，具体包括，以离合器主、从动盘转速差作为状态量和输出量，以离合器传递转矩作为控制输入量，以发动机转矩及变速器输出端阻力矩作为干扰量，建立离合器接合的状态空间表达式
Figure FDA0002608093620000011
y＝Cx
其中，Ac为状态量系数，Bcu为控制量系数，Bcd为干扰量系数，C为输出量系数。
3.根据权利要求2所述的基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式，具体包括，根据所述离合器接合的状态空间表达式，建立增量形式的状态空间表达式
Δx(k+1)＝AΔx(k)+BuΔu(k)+BdΔd(k)
y(k)＝CΔx(k)+y(k-1)
其中，Δx(k)＝x(k)-x(k-1)，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，Δd(k)＝d(k)-d(k-1)，Δx(k)为状态增量，Δu(k)为控制增量，Δd(k)为干扰增量。
4.根据权利要求1所述的基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，根据所述增量形式的状态空间表达式，得到离合器接合的预测方程，具体包括，对所述增量形式的状态空间表达式进行迭代，得到离合器接合的预测方程
Y(k+1)＝SxΔx(k)+y(k)+SdΔd(k)+SuΔu(k)
其中，Sx为状态量预测系数，Sd为干扰量预测系数，Su为控制量预测系数，Y(k+1)为离合器主、从动盘转速差的下一时刻的预测值。
5.根据权利要求4所述的基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，根据所述预测方程值设置目标函数，具体包括，设置目标函数
J＝||Q(Y(k+1)-R(k+1))||2+||OΔu(k)||2
其中，R(k+1)为输出参考量，Q为输出量加权系数，O为控制增量加权系数。
6.根据权利要求1所述的基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，获取目标函数的最优序列，具体包括，根据二次规划公式
Figure FDA0002608093620000021
求解出目标函数的最优序列，其中，Δu(k)为控制增量，H、G′为中间量。
7.根据权利要求2所述的基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，还包括，根据所述目标函数的最优序列获取离合器转矩，具体包括，选取所述最优序列的第一个量
Figure FDA0002608093620000022
作为控制增量，代入公式
Figure FDA0002608093620000023
获取离合器传递转矩。
8.根据权利要求2所述的基于模型预测的离合器接合控制方法，其特征在于，根据所述离合器转矩获取离合器推力轴承位移及下一时刻发动机目标转矩，具体包括，根据所述离合器传递转矩模型公式，求得离合器推力轴承位移xto，将离合器传递转矩代入状态空间表达式，获得下一时刻发动机目标转矩。
9.一种基于模型预测的离合器接合控制系统，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-8任一所述的基于模型预测的离合器接合控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-8任一所述的基于模型预测的离合器接合控制方法。
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