王 卉,左言言,孫 瑞,臧九余
(江蘇大學(xué) 振動(dòng)噪聲研究所,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
混合動(dòng)力汽車配有兩個(gè)及以上的動(dòng)力源,根據(jù)行駛工況和需求功率的不同,各動(dòng)力源的組合方式發(fā)生相應(yīng)的變化[1]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)存在明顯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異,模式切換過程中存在動(dòng)力不足或輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過大的情況,由此引起的瞬態(tài)沖擊會(huì)對(duì)整車的行駛平順性和乘坐舒適性產(chǎn)生影響[2]。
近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混合動(dòng)力汽車模式切換過程的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制做了大量研究。文獻(xiàn)[3]針對(duì)離合器變速器換擋的情況,提出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開環(huán)+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)目刂扑惴w系。文獻(xiàn)[4]針對(duì)復(fù)合功率分流的混合動(dòng)力轎車模式切換過程中汽車平順性問題,提出了一種無擾動(dòng)模式切換控制策略,協(xié)調(diào)各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩,保證不同模式間的平順切換。文獻(xiàn)[5]針對(duì)模式切換時(shí)離合器結(jié)合過程,設(shè)計(jì)了基于H∞魯棒控制和基于L2增益魯棒控制的分層控制器,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了控制器的魯棒性和有效性。文獻(xiàn)[6]針對(duì)某種輕度混合動(dòng)力汽車建立了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器,可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,并利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩抵消發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈沖,改善了車輛的平順性。文獻(xiàn)[7]將模式切換控制問題簡(jiǎn)化為對(duì)離合器結(jié)合過程的控制,通過對(duì)離合器結(jié)合壓力的開環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)離合器轉(zhuǎn)矩的跟隨,可以減少模式切換的沖擊度和離合器滑磨功。文獻(xiàn)[8]從電機(jī)控制的角度制定模式切換控制策略,以降低模式切換時(shí)因沖擊過大引起的車輛振動(dòng)和噪聲。文獻(xiàn)[9]提出了基于車輪轉(zhuǎn)速差比例-積分-微分(proportion integration differentiation,PID)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制方法,解決了兩種動(dòng)力源間的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問題。文獻(xiàn)[10]分別基于μ綜合方法提出了發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)和電機(jī)側(cè)的魯棒控制器,該控制器考慮了離合器轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,并將前饋控制和反饋控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了兩動(dòng)力源端的解耦控制,提高了整車性能。
以上研究對(duì)象多為具有離合器、傳統(tǒng)變速器的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng),主要考慮離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性對(duì)切換控制的影響,而本文的研究對(duì)象是雙行星排式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng),該系統(tǒng)無離合器機(jī)構(gòu),因此動(dòng)態(tài)控制問題也有所差異。本文針對(duì)純電動(dòng)模式切換至混合驅(qū)動(dòng)模式中發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程,提出了基于模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control,MPC)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略,設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型預(yù)測(cè)控制器,減少模式切換中各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩不協(xié)調(diào)引起的瞬態(tài)沖擊,確保模式切換時(shí)車輛的平順性和舒適性。并通過仿真平臺(tái),驗(yàn)證了模式切換過程中整車沖擊度的改善情況。
圖1是研究的雙行星排式混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型圖,該系統(tǒng)包括前排動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)和后排電機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)。該動(dòng)力系統(tǒng)可以根據(jù)行駛需求,在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間進(jìn)行靈活地切換和組合,實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式和混合驅(qū)動(dòng)模式等多種工作模式。動(dòng)力系統(tǒng)的主要參數(shù)見文獻(xiàn)[11]。
為了更清楚地分析該混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞情況,采用隔離法分別對(duì)前行星排、后行星排和系統(tǒng)輸出3部分建立動(dòng)力學(xué)模型。圖2為動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力傳遞線框圖。
1.發(fā)動(dòng)機(jī);2.扭轉(zhuǎn)減振器;3.電機(jī)MG1;4a.前行星排PG1;4b.后行星排PG2;5.電機(jī)MG2;6.復(fù)合齒圈;7.主減速器齒輪;8.驅(qū)動(dòng)橋。
圖1 雙行星排式混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型圖
圖2 動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力傳遞線框圖
對(duì)于前行星排機(jī)構(gòu)PG1,發(fā)動(dòng)機(jī)和前排行星架相連,電機(jī)MG1和太陽輪相連,系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩由前排齒圈輸出。忽略摩擦損失和黏滯損失,根據(jù)歐拉定律、行星齒輪機(jī)構(gòu)和動(dòng)力源的連接關(guān)系,得到前行星排的輸入輸出關(guān)系:
(1)
其中:I、R、T、ω分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、半徑、轉(zhuǎn)矩和角速度;下標(biāo)s1、c1、r1分別代表前行星排的太陽輪、行星架和齒圈;下標(biāo)e、g分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)MG1;F1為前行星輪的內(nèi)力。
對(duì)于后行星排機(jī)構(gòu)PG2,后排行星架與殼體固定,電機(jī)MG2與后排太陽輪相連,其轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速增扭后由復(fù)合齒圈輸出。同樣地,得到后行星排輸出轉(zhuǎn)矩Tr2與輸入轉(zhuǎn)矩Tm的關(guān)系:
(2)
其中:下標(biāo)m、s2和r2分別表示電機(jī)MG2、后排太陽輪和后排齒圈。
對(duì)于系統(tǒng)輸出部分,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩由復(fù)合齒圈輸入到主減速器輸入端,驅(qū)動(dòng)車輛行駛,故系統(tǒng)輸出部分的動(dòng)力學(xué)關(guān)系如下所示:
(3)
其中:nt、It、Rt分別為車輪數(shù)、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和車輪半徑;a為車輛縱向的加速度;v為車速;i0為主減速器傳動(dòng)比;Tf為車輛行駛過程中受到的阻力矩;Tf0為車輛總的制動(dòng)力矩;fr為滾阻因數(shù);ρ為空氣密度;A為迎風(fēng)面積;CD為空阻系數(shù)。
至此,由式(1)~式(3)便可以描述出該混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞情況。
以車輛縱向沖擊度J作為模式切換效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[12]:
(4)
基于上文的動(dòng)力學(xué)模型,即式(1)~式(3),可推導(dǎo)出三動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)輸出軸角速度的關(guān)系,對(duì)其進(jìn)一步改寫,得到各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩變化與系統(tǒng)縱向沖擊度之間的關(guān)系:
(5)
本文針對(duì)模式切換中發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)引起系統(tǒng)沖擊的問題,基于MPC方法設(shè)計(jì)了兩者兼顧的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略,在保證發(fā)動(dòng)機(jī)能快速啟動(dòng)的前提下,實(shí)現(xiàn)3個(gè)動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào),從而實(shí)現(xiàn)不同模式間的平順切換。MPC是一種在線滾動(dòng)優(yōu)化控制算法,具有適用性廣、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),可用來解決當(dāng)前時(shí)刻的控制命令與未來時(shí)刻系統(tǒng)響應(yīng)不協(xié)調(diào)的問題[13-14]。其基本原理的介紹請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[15-16]。
基于上文的分析,電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)的控制目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng),并且盡可能減少由電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩變化引起的系統(tǒng)負(fù)向沖擊。
由前文系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(見式(1))以及行星齒輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速關(guān)系[17],得到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程系統(tǒng)的狀態(tài)方程:
(6)
以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)狀態(tài)變量x,電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)矩為系統(tǒng)控制輸入量u1,未來時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)控制輸出量y,建立發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的狀態(tài)空間表達(dá)式:
(7)
參考現(xiàn)代控制理論,以采樣周期Ts對(duì)式(7)進(jìn)行離散化處理,得到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程系統(tǒng)狀態(tài)空間的離散化模型:
(8)
為了減少穩(wěn)態(tài)誤差,對(duì)式(8)采用差分運(yùn)算并改寫成增量模型:
(9)
其中:△x(k)=x(k)-x(k-1);△u1(k)=u1(k)-u1(k-1);△d1(k)=d1(k)-d1(k-1)。
此外,根據(jù)模型預(yù)測(cè)控制的基本原理,定義本文系統(tǒng)的控制時(shí)域Nc小于預(yù)測(cè)時(shí)域Np,且假設(shè)系統(tǒng)干擾△d1在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)保持不變,即:
△d1(k+i)=0,i=1,2,…,Np-1。
(10)
則系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型可由式(9)遞推得到:
Yc(k+i|k)=Sx△x(k)+Icy(k)+Su△U1(k+j|k)+Sd△d1(k),
(11)
考慮系統(tǒng)的控制要求和各部件的性能約束,建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)。主要控制目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng),并且在模式切換過程中整車沖擊度盡可能?。?/p>
(12)
其中:Re(k)為發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速;Q和R均為正加權(quán)矩陣;ρ為權(quán)重系數(shù);ε(ε>0)為松弛因子;ωe min、ωe max分別為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度的最小限值和最大限值;△Tg min、△Tg max分別為電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩變化量的最小限值和最大限值;Tg min、Tg max分別為電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩的最小限值和最大限值。優(yōu)化目標(biāo)中的第1項(xiàng)考察發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的跟蹤能力,第2項(xiàng)控制電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)變化,末項(xiàng)保證目標(biāo)函數(shù)在任意時(shí)刻均有可行解。
利用二次規(guī)劃方法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,得到滿足上述要求的最優(yōu)控制序列,序列中的第1個(gè)值就是當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)的控制輸入量,即電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)矩變化量。
由沖擊度的分析可知,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中,電機(jī)MG1帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)將輸出正向轉(zhuǎn)矩,從而引起系統(tǒng)負(fù)方向的沖擊。因此,對(duì)于電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩控制要求是,在滿足整車需求轉(zhuǎn)矩的同時(shí),對(duì)電機(jī)MG1引起的轉(zhuǎn)矩脈沖進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償,進(jìn)一步降低系統(tǒng)沖擊。
結(jié)合式(2)和式(3),得到電機(jī)MG2與系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系:
(13)
以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)狀態(tài)變量x,電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩為系統(tǒng)控制輸入量u2,系統(tǒng)的狀態(tài)方程可表示為:
(14)
同樣地,以采樣周期Ts對(duì)式(14)進(jìn)行離散化處理并采用增量式控制,得到系統(tǒng)增量方程:
△x(k+1)=A2△x(k)+Bu2△u2(k)+Bd2△d2(k),
(15)
基于式(12)的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果可以確定電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)矩增量△u1(k),將其帶入式(9)可以得到系統(tǒng)下一時(shí)刻的狀態(tài)變量△x(k+1)obt,再結(jié)合式(15)即可求得滿足上文優(yōu)化目標(biāo)要求的電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩增量△u2(k)obt:
(16)
由該方法得到的電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩增量不僅可以滿足整車需求轉(zhuǎn)矩的要求,還可以有效地減少發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中系統(tǒng)狀態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的影響,很好地補(bǔ)償電機(jī)MG1輸出正向轉(zhuǎn)矩引起的系統(tǒng)負(fù)向沖擊,實(shí)現(xiàn)良好的補(bǔ)償作用。
基于模型預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器,圖3為MPC控制器的結(jié)構(gòu)圖。將MPC控制器放置在車輛控制策略模塊中,車輛以純電動(dòng)模式行駛時(shí),各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩分配由穩(wěn)態(tài)能量管理策略決定,當(dāng)檢測(cè)到模式切換請(qǐng)求且需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),動(dòng)態(tài)控制策略的開始標(biāo)識(shí)符置1,MPC控制器開始作用,進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的瞬態(tài)控制模式。MPC控制器根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)被控系統(tǒng)的未來狀態(tài),控制器通過求解優(yōu)化問題獲得最優(yōu)控制量,即電機(jī)MG1和電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩變化值,將最優(yōu)控制序列的第1個(gè)元素作用于控制系統(tǒng)中,下一時(shí)刻重復(fù)執(zhí)行上述操作,實(shí)現(xiàn)在線滾動(dòng)優(yōu)化。
圖3 MPC控制器的結(jié)構(gòu)圖
對(duì)車輛由純電動(dòng)模式向混合驅(qū)動(dòng)模式切換的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行仿真驗(yàn)證,將MPC控制方法的仿真結(jié)果與PID控制法、無協(xié)調(diào)控制的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
圖4為模式切換過程中3種控制方法下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化情況。由圖4a可知:無協(xié)調(diào)控制時(shí),在接收到模式切換命令后,電機(jī)MG1緩慢輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng);而在閉環(huán)PID控制方法下,當(dāng)接收到模式切換指令時(shí),電機(jī)MG1迅速增大轉(zhuǎn)矩后維持恒轉(zhuǎn)矩輸出;相比之下,MPC控制方法控制電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩的變化比較平穩(wěn)。由圖4b可知:無協(xié)調(diào)控制時(shí),電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩突降以響應(yīng)自身需求轉(zhuǎn)矩的要求;PID控制方法下,由于PID控制未能準(zhǔn)確估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩輸出情況,受系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩的影響,電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大波動(dòng);而MPC控制方法下,電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩由MPC控制器根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)得到,呈現(xiàn)先平穩(wěn)上升后緩慢下降的趨勢(shì)。
圖5為模式切換過程中3種控制方法下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化情況。由圖5a可知:PID控制方法下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)最快,經(jīng)0.3 s便能達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速,而無協(xié)調(diào)控制時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)最慢,大約需要0.7 s。與PID控制方法相比,MPC控制方法下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間有所增加,約0.4 s,但該時(shí)間仍滿足實(shí)際需求。由圖5b可知:相比于其他兩種方法,MPC控制方法下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化最平穩(wěn)。
(a) 電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)矩變化
(b) 電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩變化
圖4 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化
(a) 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化
(b) 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化
對(duì)比3種控制方法下整車沖擊度的變化和車速跟隨情況,分別如圖6和圖7所示。由圖6可知:模式切換初始時(shí)刻,PID控制方法下出現(xiàn)了較大的負(fù)向沖擊;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速并開始響應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩時(shí),由于PID控制未能準(zhǔn)確估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值,兩動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩不協(xié)調(diào),系統(tǒng)縱向出現(xiàn)較大的正沖擊,系統(tǒng)平順性有待提高。無協(xié)調(diào)控制時(shí),電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩迅速下降至目標(biāo)轉(zhuǎn)矩附近,車輛在模式切換時(shí)刻出現(xiàn)負(fù)方向的沖擊。相比之下,MPC控制方法使電機(jī)MG2與電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)矩相適應(yīng),利用電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償電機(jī)MG1輸出的正向轉(zhuǎn)矩,減少了模式切換時(shí)刻系統(tǒng)的負(fù)向沖擊。同樣地,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速并有轉(zhuǎn)矩輸出時(shí),電機(jī)MG2能有效協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化,主動(dòng)調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)矩的輸出,減少了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的系統(tǒng)縱向的沖擊。此外,由圖7可知:無協(xié)調(diào)控制時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程較長(zhǎng),系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩不足,車速在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無法滿足駕駛需求;而PID控制方法和MPC控制方法能保證實(shí)際車速與目標(biāo)車速具有較好的一致性,且MPC控制方法的車速偏差更小。3種控制方法下,整車沖擊度絕對(duì)值的最大值對(duì)比以及車速跟隨情況的對(duì)比如表1所示。
圖6 沖擊度對(duì)比
圖7 車速跟隨情況對(duì)比
表1 3種控制方法結(jié)果對(duì)比
由表1可知:相比于PID控制和無協(xié)調(diào)控制,本文設(shè)計(jì)的MPC控制器在模式切換過程中可以有效地降低模式切換引起的系統(tǒng)縱向沖擊,將其沖擊度峰值控制在3 m/s3左右,符合汽車行業(yè)中沖擊度的推薦值[18]?;贛PC算法的控制方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)需求車速的良好跟蹤,在提升車輛平順性的同時(shí)也滿足了車輛動(dòng)力性的要求。
本文提出的模式切換協(xié)調(diào)控制方法,能保證系統(tǒng)各部件在切換過程中相互配合、協(xié)調(diào)運(yùn)作。相比于傳統(tǒng)的PID控制和無協(xié)調(diào)控制,基于模型預(yù)測(cè)控制的方法在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)要求的前提下,有效減小了模式切換時(shí)車輛最大沖擊度,且整個(gè)模式切換過程車速跟隨情況良好,保證了模式切換過程中車輛的平順性和動(dòng)力性。