一種基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方法，涉及汽車控制理論領域。該方法應用快速系統的模型預測控制策略，在建立混合動力汽車模式切換過程線性、非線性模型的基礎上，采集車輛模式切換過程中的系統運行狀態信號，通過模型預測控制確定本控制周期內的系統各部件控制命令，協調控制模式切換過程中發動機、電動機、離合器實時輸出轉矩沖突，保證模式間的平穩切換，以改善模式切換過程中車輛的動力性及乘客乘坐舒適性。該控制系統由于綜合考慮了未來車輛的需求信息和預測時域內的優化目標函數性能，可取得較好的控制效果。
【專利說明】
一種基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控 制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及車輛控制領域，尤其是指基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式 切換協調控制方法。
【背景技術】
[0002] 能源危機和環境污染對傳統汽車產業的發展提出了一些新的要求，混合動力汽車 由于能耗低、污染小、技術也相對成熟，成為目前解決這兩個問題最切實可行的方案?；旌?動力汽車具有兩個及兩個以上的驅動源，在驅動源的不同組合運行狀態下，車輛可以工作 在多種運行模式下，由于發動機和電動機的轉矩響應特性差異，在涉及發動機、電動機啟停 的模式切換中，動力源合成轉矩對目標轉矩可能會產生較大偏差，這將引起車輛的動力中 斷或者輸出轉矩大幅波動，導致車輛動力性以及乘客乘坐舒適性變差。因此，如何設計高效 的矩協調控制算法對于發揮混合動力汽車動力系統性能尤為關鍵。
[0003] 模型預測控制是在工業實踐過程中逐步發展起來的一種新興的計算機控制算法。 模型預測控制采用多步測試、在線滾動優化性能指標和反饋校正等控制策略，來克服受控 對象建模誤差和結構、參數與環境等不確定因素的影響，適用于控制不易建立精確數學模 型且比較復雜的工業生產過程，顯示出較高的魯棒性能和良好的應用效果，所以它一出現 就受到國內外工程界的重視，并已在石油、化工、電力、機電等工業部門的控制系統中得到 了成功的應用。
[0004] 混合動力系統的模式切換等瞬態過渡過程因為具有非線性、不確定性和時變等特 點，要建立其精確的解析模型非常困難，模型預測控制算法為解決這一問題提供了較好的 途徑。

【發明內容】

[0005] 針對混合動力汽車模式切換過程中的轉矩協調控制問題，本發明提出了基于模型 預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方法，其算法簡潔，易于實現，能達到較高 的轉矩控制精度和良好的動態響應特性。
[0006] 本發明實施例提供一種用于混合動力汽車模式切換過程的非線性模型預測控制 算法，包括:建立面向離合器的混合動力車輛系統模擬式切換過程的離散線性化模型;確定 系統的預測時域和控制時域，計算出預測時域內的系統狀態量和輸出量;設定優化目標，并 進行求解，得到控制時域內的控制序列；將所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的 控制輸入增量作用于系統。
[0007] 本發明可通過以下技術方案來實現：
[0008] -種基于模型預測控制的混合動力汽車模式切換協調控制發方法，其特征在于， 包括如下步驟：
[0009] 步驟一:對混合動力汽車系統的工作過程進行分析，確定系統的驅動模式；
[0010] 步驟二:根據混合動力車輛的驅動特性，建立面向離合器且利于模型預測控制器 設計的預測模型；
[0011] 步驟三:模型預測控制器的設計。包含模型預測控制的模式切換轉矩協調控制策 略制定；
[0012] 步驟四：面向控制的離散化模型推導。通過定義適當狀態量和控制量，被控模型可 化為如下形式+ 其中X為狀態量，A為系統狀態系數矩陣，B為系統控制 系數矩陣，Au為控制增量，為輸出量，C為輸出狀態系數矩陣，k為正整數。
[0013] 步驟五:確定系統的預測時域和控制時域，計算輸出預測時域內的系統狀態量；
[0014] 步驟六:設定優化目標，將模式切換協調控制問題轉化成二次規劃問題并進行求 解，得到控制時域內的控制序列；
[0015]步驟七:將上一步所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增量作 用于系統，即：
[0016] //(〇 =--u(r-\)\Au,
[0017] 系統執行這一控制量直到下一時刻。在新的時刻，系統根據狀態信息重新預測下 一段時域的輸出，通過優化過程得到一個新的控制增量序列。
[0018] 本發明具有以下技術效果:本發明提出了基于模型預測控制算法的混合動力汽車 模式切換協調控制方法，其算法簡潔，易于實現，能達到較高的轉矩控制精度和良好的動態 響應特性。
[0019] 1)混合動力車輛模式切換過程多依靠離合器的通斷來實現，所以模式切換過程勢 必關聯離合器接合過程的動態特性，而此過程可能會出現摩擦轉矩的顯著波動，將會影響 駕駛性能并對離合器造成過度的滑磨損耗，因此將離合器作為優化控制對象，建立基于離 合器的預測控制模型，用以具體表征模式切換過程的動態特性。
[0020] 2)基于模型參考控制思想提出模式切換中的轉矩協調控制策略，其中以參考模型 的瞬態輸出作為HEV驅動系統的目標輸出，即模型預測控制算法的設定點信號?？刂颇繕耸?離合器主動側的轉速ω e和從動側的轉速能夠跟蹤參考模型的輸出。這不僅能保證離合 器主動側的轉速等于離合器從動側的轉速，從而減少離合器滑摩階段的損耗，而且能夠保 證車輛好像始終運行在純電動模式一樣，從而降低車輛的縱向沖擊度，保證駕乘舒適性。
[0021] 3)由于系統的控制增量未知，需設定合適的優化目標并進行求解，得到控制時域 內的控制系列?？紤]要保證系統快速且穩定響應，加入對系統控制量和控制量偏差的優化。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明所用基于模型預測控制的混合動力汽車模式切換協調控制方案。
[0023] 圖2是本發明所用基于模型預測控制的混合動力汽車模式切換協調控制流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合實施例具體描述本發明的實施方式，本部分所選實施例僅用于解釋和說 明本發明，并不限定本發明。
[0025] 步驟一:對混合動力汽車系統的工作過程進行分析，確定系統的驅動模式；
[0026] 1.系統的驅動模式車輛工作模式分為純電動模式、發動機單獨驅動、聯合驅動、行 車充電、再生制動等。
[0027] 2.選用并聯式混合動力汽車從純電動驅動到聯合驅動這一模式切換過程作為具 體實施例來說明本發明的實施，該并聯式混合動力車輛驅動系統包括一個傳統的發動機、 ISG和一驅動電機，以離合器為界，驅動系統被分為兩部分:第一部分包括發動機和ISG，第 二部分包括牽引電機和傳動系的剩余部分。車輛低速行駛時（小于20km/h)，驅動系統工作 在純電動模式，此時離合器不動作。車速高于一定值時(大于20km/h)，車輛工作在聯合驅動 模式，此時離合器結合，完成模式間的切換，但這一過程也同時造成了動力輸出的波動，給 驅動系統帶來了顯著的沖擊。針對該模式切換問題，應用本發明所提出的基于模型預測控 制的模式切換協調控制方案(如圖1)，按圖2所示的流程具體實施；
[0028] 步驟二:根據混合動力車輛的驅動特性，建立面向離合器且利于模型預測控制器 設計的預測模型；
[0029] 1.混合動力車輛模式切換過程多依靠離合器的通斷來實現，所以模式切換過程勢 必關聯離合器接合過程的動態特性，而此過程可能會出現摩擦轉矩的顯著波動，將會影響 駕駛性能并對離合器造成過度的滑磨損耗，因此將離合器作為優化控制對象，建立基于離 合器的預測控制模型，用以具體表征模式切換過程的動態特性。預測模型具有如下形式，亦 即離合器滑磨階段狀態方程，式中，Jv、Tlciad分別為等效的整車轉動慣量 \J/0c^Tc-TE 和整車負載轉矩，為發動機轉動慣量，ω m是牽引電機轉速，!"是驅動電機輸出轉矩，Te為 發動機起動阻力矩，T。是離合器傳遞轉矩，ω e是發動機轉速。
[0030] 2.離合器的連動過程很大程度上影響了模式間的切換品質，著眼于離合器結合控 制問題，將離合器結合過程劃分為:空行程階段、離合器滑磨階段、轉速同步階段和完全鎖 止階段。在離合器兩側的速度差低于一定的閾值時，離合器進入滑磨階段，這也是車輛從純 電動到聯合驅動過渡的重要階段。建立包含離合器的預測模型為: J、是電機、離合器、變速箱和傳動系等效到電機軸上的轉動慣量，1^是牽引電機摩擦系數， b e是發動機摩擦系數，J ' e是發動機和I S G的總轉動慣量。Τ 1。a d可寫成：
，式中m和g為整車質量和重力加速度，Cr和Θ分別代 表滾動阻力系數和道路坡道角，CD、Pd及A分別為空氣阻力系數、空氣密度及迎風面積， 分別為車速及車輪半徑，ig和if分別為變速箱速比和主減速器速比。
[0031] 步驟三:模型預測控制器的設計。包含模型預測控制的模式切換轉矩協調控制策 略制定；
[0032] 1.基于模型參考控制思想提出模式切換中的轉矩協調控制策略，其中以參考模型 的瞬態輸出作為HEV驅動系統的目標輸出，即模型預測控制算法的設定點信號。控制目標是 離合器主動側的轉速ω e和從動側的轉速能夠跟蹤參考模型的輸出。這不僅能保證離合 器主動側的轉速等于離合器從動側的轉速，從而減少離合器滑摩階段的損耗，而且能夠保 證車輛好像始終運行在純電動模式一樣，從而降低車輛的縱向沖擊度，保證駕乘舒適性。
[0033] 2.由于在車輛完成模式切換后離合器完全鎖止，兩軸轉速同步，因此將電機按照 駕駛員需求轉矩單獨拖動驅動系統時的模型作為參考模型(離合器鎖止），其轉速作為實際 系統的轉速規劃值，參考模型為：
[0034] (/* + ^%〇ad
[0035] Tde?是等效到變速箱輸入側的駕駛員期望轉矩，core3f是參考模型的輸出，離散化則 有：
L〇〇37J coref(k)即coref在k個米樣時刻的值，用γ (k) = L?ref(k)coref(k)]T作為模型預測 控制器中電機轉速C〇m(k)和發動機轉速COe(k)的參考信號（即設定點信號），控制目標是離 合器主動側的轉速和從動側的轉速能夠跟蹤參考模型的輸出，保證離合器主動側的轉速等 于離合器從動側的轉速，從而減少離合器滑摩階段的損耗，而且能夠保證車輛好像始終運 行在純電動模式一樣，從而降低車輛的縱向沖擊度，保證駕乘舒適性。以ε代表離合器兩側 的轉速差，當ε大于閾值5時，車輛工作于純電動模式；當ε大于閾值5rad/s時，離合器開始結 合，此時由模型預測控制器來決定發動機轉矩、離合器轉矩和電機轉矩；當ε為〇時，離合器 完全鎖止，車輛工作在聯合驅動模式下，此時由能量管理策略來決定發動機轉矩和牽引電 機轉矩，離合器轉矩不再可控。
[0038] 步驟四：面向控制的離散化模型推導；
[0039] 1.通過定義適當狀態量和控制量，被控模型可化為如下形式 其中X為狀態量，A為系統狀態系數矩陣，B為系統控制系數矩陣，Au為控制增量，為輸出量， C為輸出狀態系數矩陣，k為正整數；
[0040] 2.對上述步驟二中的預測模型以Ts為采樣周期進行離散化處理：
[0042]寫成矩陣形式：
[0044] 3.令xd(k) = [ 0m(k) c0e(k)]T,定義狀態增量為：Axd(k)=xd(k)-xd(k_l)，定義控 制增量為：Δ u(k)=u(k)-u(k-l)，選擇新狀態矢量:x(k) = [ Δ Xd(k)Txd(k)T]T,可得如下增 廣模型： ? χ(Λ -f- 1) - Ax(k) + BAu(k)
[0045] .廠，"、 L y=Cx(k)
[0046] 其中，
[0047] 步驟五:確定系統的預測時域和控制時域，計算輸出預測時域內的系統狀態量。
[0048] 1.定義系統的預測時域為^，控制時域為Nc，則預測時域內的狀態量和系統輸出量 可通過如下迭代過程計算得到：
[0049] x(t + Np \t) = A'1'x{t\t) + AN1, 'Β???{?\?)
[0050] )..(? + Λ，ρ = + 十…+ + % |?)
[0051 ]以矩陣形式表示系統未來時刻的輸出：
[0052] Y(t) = ?tx(t|t)+0tAU(t)
[0053] 式中： 「 ： Γ π Γ CB' 0 0 0 CA. GAB CB Ο Ο yU-2 |r) CA:
[0054] nv)= ，φ,=，A邱）=M? +丄10 ，0,= m Γ/?'-'S … CB B 沖 +物 〇' - CA、B Cn.' CAB · "* _Ai/(/+.A' |z) , - . '(' + -、、U)_ CA 1 _ _d C4'-…C4'-'
[0055] 2.以NP、N。分別代表預測時域和控制時域，為了便于說明模型預測控制的一般迭代 過程，選取N p = 3，Nc = 1對上述步驟四中的增廣模型進行迭代計算有：
[0056] x(k+l |k)=Ax(k)+BAu(k),
[0057] x(k+2|k)=A2x(k)+ABAu(k),
[0058] x(k+3 I k) =A3x(k)+A2B Δ u(k).
[0059] 由此可得預測輸出為：
[0060] y(k+l I k) =CAx(k)+CB Δ u(k),
[0061 ] y(k+2 | k) =CA2x(k)+CAB Δ u(k),
[0062] y(k+3 | k) =CA3x(k)+CA2B Δ u(k). y\k + \\k) Mm(k)
[0063] 令 F=)你+ 2|/f)，Δ{7 = Δη(/〇= Δ?；?/〇 ,則 Υ=φχ(1〇+Θ AU，其中 -j(/f+3|/〇」 1_ΔΙ：(/〇_ "C41 Γ CB "
[0064] Φ= C42，@= C乂δ。 CA}\ [CAZB
[0065] 在第k個采樣時刻，模型預測控制的目標是使預測輸出〇^仏+1|1〇(1 = 1，2,3)和 〇^(1^+;[|10(1 = 1，2,3)盡可能跟隨上述步驟三中所述規劃值丫（10 = [01^(1001^(10]1'。
[0066] 步驟六:設定優化目標，將模式切換協調控制問題轉化成二次規劃問題并進行求 解，得到控制時域內的控制序列；
[0067] 1.所述步驟六中，考慮要保證系統快速且穩定響應，加入對系統控制量和控制量 偏差的優化，設定如下形式的優化目標函數：
[0068] J{k) = ^|] tj(t + i 11) - (i+/'| /) |j^, + 乞J 十 i:|〇 ||士 +pe^ /=1
[0069] 式中，Q和R為權重矩陣，p為權重系數，ε為松弛因子。同時，設定系統狀態量及控制 量的一些約束條件：
[0070] 控制量約束：
[0071 ] Umin(t+k)^u(t+k)^Umax(t+k) ,k = 0,1 , ··· ,NC-1
[0072] 控制增量約束：
[0073] Δ Umin(t+kX Δ u(t+k)< Δ umax(t+k)，k = 0,1，…，NC_1
[0074] 輸出約束：
[0075] ymin(t+k)^y(t+k)^ymax(t+k) ,k = 0,1, ··· ,NC-1
[0076] 對于以上形式的優化目標，一般將其轉化為二次規劃(Quadratic Programming, QP)問題處理，常用解法為有效集法和內點法。
[0077] 2.由于系統的控制增量未知，需設定合適的優化目標并進行求解，得到控制時域 內的控制系列。考慮要保證系統快速且穩定響應，加入對系統控制量和控制量偏差的優化。 一般轉化為如下形式的二次規劃問題： J =藝[(~"〔)_+* | +(e0rcJ {k)-coc{k + /1/f))"]
[0078] ./=1 + [α,(ΔΓ)(^))" +α?(ΔΓ,(?:))'· +a^fit,Tr(k：)y]
[0079] 其中，第一項反映了系統對參考模型的跟隨能力，第二項反映了對控制量平穩變 化的要求，&1、 &2和83為權重系數，為正的常數。針對該系統，還需滿足系統狀態量和控制量 的一些約束，如下：
[0080] comin(k+iX ω (k+i |k)< t〇max(k+i)
[0081] ATmin^AT(k+i|k)^ATmax
[0082] Tmin^T(k+i|k)^Tmax
[0083] 以上就形成了一個完整的優化目標表達式。通過求解這個帶約束條件的優化目 標，就能得到未來一段時間內的控制序列。
[0084] 步驟七:將上一步所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增量作 用于系統，系統執行這一控制量直到下一時刻，在新的時刻，系統根據狀態信息重新預測下 一段時域的輸出，通過優化過程得到一個新的控制增量序列。
[0085] 1.所述步驟七中，通過求解步驟六中所述帶約束條件的優化目標，能得到控制時 域內的一系列控制輸入增量：
[0086] Δ?；,* ，…，
[0087] 將該控制序列中第一個元素作為實際的控制輸入增量作用于系統，BP:
[0088] a(;i) = M(#-l)+Au*
[0089] 進入下一控制周期后，重復上述過程，如此循環實現了對車輛的預測控制。
[0090] 2.在本實施例中每個控制周期對優化目標進行求解，得到了控制時域內的一系列 控制控制輸入增量：
[0091 ] Δ?/( =： \Mt, &uM,..., An, κν _, ]r
[0092] 根據模型預測的基本原理，將該控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增 量，本實例中控制時域N。取1，所以只將優化求解結果直接作用于系統，及：
[0093] u(t) =u(t~l)+ Δ ut
[0094] 系統執行這一控制量直到下一時刻，系統根據狀態信息重新預測下一時域的輸 出，通過優化過程得到一個新的控制增量序列。如此循環往復，直到系統完成控制過程。
[0095] 在本說明書的描述中，參考術語"一個實施例"、"一些實施例"、"示意性實施例"、 "示例"、"具體示例"、或"一些示例"等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結 構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的 示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特 點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0096]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不 脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
【主權項】
1. 一種基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方法，其特征在于， 包括如下步驟： 步驟一:對混合動力汽車系統的工作過程進行分析，確定系統的驅動模式； 步驟二：根據混合動力車輛的驅動特性，建立面向離合器且利于模型預測控制器設計 的預測模型； 步驟Ξ:模型預測控制器的設計，包含模型預測控制的模式切換轉矩協調控制策略制 定； 步驟四：面向控制的離散化模型推導:通過定義適當狀態量和控制量，被控模型可化為 如下形式：I其中X為狀態量，A為系統狀態系數矩陣，B為系統控制系數 矩陣，A U為控制增量，為輸出量，C為輸出狀態系數矩陣，k為正整數； 步驟五:確定系統的預測時域和控制時域，計算輸出預測時域內的系統狀態量； 步驟六:設定優化目標，將模式切換協調控制問題轉化成二次規劃問題并進行求解，得 到控制時域內的控制序列； 步驟屯:將上一步所求得的控制序列中的第一個元素作為實際的控制輸入增量，并將 運一控制輸入增量作用于系統，系統執行運一控制量直到下一時刻，在新的時刻，系統根據 狀態信息重新預測下一段時域的輸出，通過優化過程得到一個新的控制增量序列。2. 根據權利要求1所述的基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方 法，其特征在于，所述步驟一中，系統的驅動模式分為純電動模式、發動機單獨驅動、聯合驅 動、行車充電、再生制動。3. 根據權利要求1所述的基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方 法，其特征在于，所述步驟二中，將離合器作為優化控制對象，建立基于離合器的預測控制 模型，用W表征模式切換過程的動態特性;預測模型具有如下形式巧 中，Jv、TlD3d分別為等效的整車轉動慣量和整車負載轉矩，Je為發動機轉動慣量，com是牽引 電機轉速，Tm是驅動電機輸出轉矩，Te為發動機起動阻力矩，Tc是離合器傳遞轉矩，We是發 動機轉速。4. 根據權利要求1所述的基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方 法，其特征在于，所述步驟Ξ中模型預測控制器的設計過稱為:基于模型參考控制思想提出 模式切換中的轉矩協調控制策略，其中W參考模型的瞬態輸出作為皿V驅動系統的目標輸 出，即模型預測控制算法的設定點信號;控制目標是離合器主動側的轉速ω e和從動側的轉 速ω m能夠跟蹤參考模型的輸出。5. 根據權利要求1所述的基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方 法，其特征在于，所述步驟四中面向控制的離散化模型推導過程為:通過對步驟二所述預測 模型WTs為采樣時間進行離散化處理，選取兩個狀態量[ω?；￤e(k)]T，^個控制量[Tm (k) Tc(；k) Te(k)]T，再令xd(k) = [Wm(k) We(k)]T,定義狀態增量為：Axd(k) = xd(；k)-Xd (k-1)，定義控制增量為：Au化）=u(k)-u化-1)，選擇新狀態矢量:x化）= [Axd(k)T Xd(k )τ]τ，可得如下增廣模型： 其中X為狀態量，A為系統狀態系數矩陣，B為系統控制系開 數矩陣，Au為控制增量，為輸出量，C為輸出狀態系數矩陣，k為正整數。6. 根據權利要求1所述的基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方 法，其特征在于，所述步驟五中，定義系統的預測時域為Np，控制時域為Nc，則預測時域內的 狀態量和系統輸出量可通過如下迭代過程計算得到：W矩陣形式表示系統未來時刻的輸出： Y(t) =巫 tx(t|t) + 0tAU(t) 式中：7. 根據權利要求1所述的基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方 法，其特征在于，所述步驟六中將模式切換協調控制問題轉化為二次規劃問題并進行求解 過程為:考慮要保證系統快速且穩定響應，加入對系統控制量和控制量偏差的優化，設定如 下形式的優化目標函數：式中，Q和R為權重矩陣，P為權重系數，ε為松弛因子。同時，設定系統狀態量及控制量的 一些約束條件： 控制量約束：對于W上形式的優化目標，一般將其轉化為二次規劃（Qua化atic P;rogramming，QP)問 題處理，常用解法為有效集法和內點法。8. 根據權利要求1所述的基于模型預測控制算法的混合動力汽車模式切換協調控制方 法，其特征在于，所述步驟屯的具體過程為中：通過求解步驟六中所述帶約束條件的優化目 標，能得到控制時域內的一系列控制輸入增量：將該控制序列中第一個元素作為實際的控制輸入增量作用于系統，即：進入下一控制周期后，重復上述過程，如此循環實現了對車輛的預測控制。
【文檔編號】B60W20/40GK106080584SQ201610455201
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】汪少華, 賀春榮, 施德華, 姚勇, 何建強
【申請人】江蘇大學