機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛的模型預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛的模型預(yù)測(cè)控制方法，機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 節(jié)能、環(huán)保與安全是當(dāng)今汽車發(fā)展的三大主題。目前，全球汽車保有量已超過5 億輛，汽車已成為人們主要交通方式之一，但也給環(huán)境和能源帶來了極大壓力。傳統(tǒng)汽車 的動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)是以燃燒的方式產(chǎn)生動(dòng)力，要解決節(jié)能和環(huán)保問題，必須解決以能源消 耗為代價(jià)的動(dòng)力系統(tǒng)總效率問題。因此，如何提高能源利用效率、減少對(duì)環(huán)境的污染，已經(jīng) 成為汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制的首要課題。電動(dòng)汽車包括純電動(dòng)汽車（EV)、混合動(dòng)力汽車 (HEV)和燃料電池汽車（FCV)三種形式，但純電動(dòng)車由于受到技術(shù)問題的阻礙，發(fā)展受到了 限制。燃料電池汽車具有高能量效率和低排放的特點(diǎn)，但氫的生成、儲(chǔ)存和配置是當(dāng)前面臨 的最大挑戰(zhàn)，燃料電池車進(jìn)入市場(chǎng)仍然需要經(jīng)歷相當(dāng)長的過程。為此，混合動(dòng)力汽車成為目 前最具有產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化前景的車型。
[0003] 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)屬于混聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的一種型式，它通過多個(gè)電機(jī)和行星排機(jī) 構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與車輛車速和需求轉(zhuǎn)矩解耦，使得在滿足行駛需求的前提下，可以更 加靈活的調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，優(yōu)化車輛性能。而能量管理控制策略就是協(xié)調(diào)各動(dòng)力源功率 分配，是機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)。目前，企業(yè)界和學(xué)術(shù)界已對(duì)這些控制策略進(jìn)行了廣 泛的研宄，多數(shù)采用基于規(guī)則的控制策略，其雖易實(shí)現(xiàn)，但是控制策略簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)功率 分配的最優(yōu)控制。同時(shí)也有采用基于最優(yōu)化的控制策略，如動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制和等效燃油消耗 控制，然而動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制因其非因果性和過大的計(jì)算量而無法用于實(shí)時(shí)控制且嚴(yán)重依賴于 駕駛工況的選擇與識(shí)別，等效燃油消耗控制又因其短視而無法很好地提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛的模型預(yù)測(cè)控制方法，對(duì)機(jī)電復(fù)合 傳動(dòng)系統(tǒng)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，得到整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；通過自適應(yīng)遞歸預(yù)測(cè)算法預(yù) 測(cè)未來車輛需求轉(zhuǎn)矩。為了有效處理發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)性以及電池 SOC最小波動(dòng)范圍的 矛盾，將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和未來車輛需求轉(zhuǎn)矩算法等作為預(yù)測(cè)模型，根據(jù)模型預(yù)測(cè)控制理論 設(shè)計(jì)了機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛能量管理預(yù)測(cè)控制器，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)，通過預(yù)測(cè) 模型預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出量和控制量，采用"邊走邊優(yōu)化"的方式來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu) 化控制。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0006] -種機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛的模型預(yù)測(cè)控制方法，根據(jù)當(dāng)前采樣時(shí)刻的駕駛員踏板位 置，結(jié)合車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及電池荷電狀態(tài)SOC等車輛狀態(tài)信號(hào)以及來自于自適應(yīng)遞歸 預(yù)測(cè)算法的未來車輛需求轉(zhuǎn)矩信息，將系統(tǒng)模型和未來需求轉(zhuǎn)矩算法等作為預(yù)測(cè)模型，建 立機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛模型預(yù)測(cè)控制方法，通過模型預(yù)測(cè)控制確定本控制周期內(nèi)的系統(tǒng)各部 件控制命令。由于模型預(yù)測(cè)控制綜合考慮了預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)性能，能夠保證當(dāng) 前應(yīng)用于系統(tǒng)的優(yōu)化控制量不會(huì)對(duì)未來系統(tǒng)的行為產(chǎn)生不利的影響，可以取得更好的控制 效果。
[0007] 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制的控制流程，具體步驟如下：
[0008] (1)采樣獲得當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息，同時(shí)應(yīng)用遞歸預(yù)測(cè)算法獲得系統(tǒng)預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi) 的轉(zhuǎn)矩需求信息，并通過該轉(zhuǎn)矩信息計(jì)算得到預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的車速信息；
[0009] (2)在當(dāng)前采樣點(diǎn)處，應(yīng)用泰勒級(jí)數(shù)形式展開，將非線性機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn) 化為線性模型；
[0010] (3)在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成離散模型，離散步長為Ts= T P/NP;
[0011] ⑷應(yīng)用線性MPC方法，計(jì)算求解機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制問題；
[0012] (5)將獲得的優(yōu)化解，應(yīng)用于機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)控制；
[0013] (6)在下一個(gè)系統(tǒng)采樣時(shí)刻返回步驟（1)，重復(fù)以上步驟。
[0014] 仿真過程中，模型預(yù)測(cè)控制用到的主要調(diào)整參數(shù)包括：目標(biāo)函數(shù)中各項(xiàng)的權(quán)重系 數(shù)、預(yù)測(cè)時(shí)域P以及控制時(shí)域m等。通過分析仿真結(jié)果，根據(jù)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需求對(duì)優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以有效的改善控制策略的性能。
[0015] 由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí)效率較高，當(dāng)系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩比較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減 小發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的權(quán)重系數(shù)，同時(shí)增加電池 SOC的權(quán)重系數(shù)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)更加傾向于工作在 功率較高的區(qū)域，從而提高機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的效率；當(dāng)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾?發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的權(quán)重系數(shù)，利用電池來平衡系統(tǒng)的功率需求；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)處于制 動(dòng)模式，應(yīng)選取較小的SOC權(quán)重系數(shù)，使得制動(dòng)的能量可以得到有效的回收。
[0016] 該發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過基于模型預(yù)測(cè)控制的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛能量 管理策略，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)，將系統(tǒng)模型和未來需求轉(zhuǎn)矩算法等作為預(yù)測(cè)模 型，通過預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出量和控制量，采用"邊走邊優(yōu)化"的方式 來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。建立了機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)模型，以提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性 為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了具有實(shí)時(shí)控制潛質(zhì)的模型預(yù)測(cè)控制器，通過機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛模型預(yù)測(cè)控 制的建模與仿真揭示了模型預(yù)測(cè)控制理論和方法對(duì)于混聯(lián)式機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)車輛能量管理 控制策略的可行性和有效性。仿真結(jié)果顯示該模型預(yù)測(cè)控制策略一定程度上可以提升機(jī)電 復(fù)合傳動(dòng)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。為進(jìn)一步實(shí)時(shí)能量管理控制策略的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供了理論基 礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中所使用機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中所使用機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)模型預(yù)測(cè)控制的控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便更好的理解本發(fā) 明。
[0020] 實(shí)施例
[0021] 本實(shí)施例中的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。機(jī)電復(fù)合傳 動(dòng)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制策略的任務(wù)是，根據(jù)當(dāng)前采樣時(shí)刻的駕駛員踏板位置（系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需 求），結(jié)合車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及電池荷電狀態(tài)SOC等車輛狀態(tài)信號(hào)以及來自于自適應(yīng)遞歸 預(yù)測(cè)算法的未來車輛需求轉(zhuǎn)矩信息，通過計(jì)算確定本控制周期內(nèi)的系統(tǒng)各部件控制命令。 由于模型預(yù)測(cè)控制綜合考慮了預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)性能，能夠保證當(dāng)前應(yīng)用于系統(tǒng) 的優(yōu)化控制量不會(huì)對(duì)未來系統(tǒng)的行為產(chǎn)生不利的影響，可以取得更好的控制效果。
[0022] 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制的控制流程，如圖2所示。其具體步驟如下：
[0023] (1)采樣獲得當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息，同時(shí)應(yīng)用遞歸預(yù)測(cè)算法獲得系統(tǒng)預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi) 的轉(zhuǎn)矩需求信息，并通過該轉(zhuǎn)矩信息計(jì)算得到預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的車速信息。
[0024]系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)模型，由遞歸預(yù)測(cè)模型獲得
[0025]
[0026] 其中，Θ2,,(々）= [?"(々).$⑷.....Uu ,(AO. b"{k). bt{k)...../),,丨(幻]'為第 k 步采樣時(shí) 的ARX模型回歸向量，其定義為：
[0027]
[0028] 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)能量管理控制策略的任務(wù)是，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的駕駛員踏板位置 (系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需求），結(jié)合車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及電池荷電狀態(tài)SOC等車輛狀態(tài)信號(hào)，通過計(jì)算 確定本控制周期內(nèi)的系統(tǒng)各部件控制命令。由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需求的動(dòng)態(tài)特性，因此該控制問 題是一個(gè)動(dòng)態(tài)決策問題。根據(jù)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的特性需求，在滿足系統(tǒng)約束的條件下，能 量管理