HEV模式切換的數據驅動預測控制器設計方法及系統與流程

本發明屬于混合動力汽車領域，尤其涉及一種HEV模式切換的數據驅動預測控制器設計方法及其系統。
背景技術：
：HEV的英文全稱為HybridElectricVehicle，中文名稱為：混合動力汽車。隨著能源短缺和環境污染問題的加劇，混合動力汽車(HybridElectricVehicle，HEV)既能大幅提高車輛的燃油經濟性和排放性能，又能保證足夠的續駛里程，是一種在近期內有效減少化石燃料消耗和碳排放的可行方案，已成為當今的研究熱點和主流方向。目前一些先進的理論，如：模糊自適應滑模方法、模型匹配控制、模型參考控制、切換控制、模型預測控制等方法，被應用到這一領域并取得了許多研究成果，但這些方法都是基于機理模型的，其控制效果嚴重依賴于建模的精確性。而HEV動力總成系統結構復雜，而且系統特性和各部件參數將隨HEV的長期老化和行駛條件的變化而改變(例如，軸的阻尼系數隨環境溫度的變化會有很大變化)，因此難以對其建立準確的機理模型。即使能建立描述HEV動力總成系統的全局精確數學模型，定呈高階非線性。高階非線性模型很難用基于機理模型的控制方法予以處理。即使能處理，也一定導致高階復雜的控制器，運算量相當龐大，不能滿足HEV的快速性和實時性要求。有鑒于此，現有研究在建模時都做了一定的簡化處理，但勢必存在諸多未建模動態，致使控制效果不佳。技術實現要素：為了解決現有技術的缺點，本發明的第一目的是提供一種HEV模式切換的數據驅動預測控制器設計方法。本發明的一種HEV模式切換的數據驅動預測控制器設計方法，包括：步驟1：在汽車仿真軟件中搭建整個混合動力汽車仿真模型；步驟2：根據混合動力汽車模式切換系統的動態特性，設計電機轉矩、發動機轉矩和離合器轉矩作為激勵數據，并將所設計的激勵數據作用于所搭建的混合動力汽車仿真模型；步驟3：基于采集的開環數據來構建混合動力汽車的輸入和輸出的數據塊Hankel矩陣，進而基于辨識模型構造出混合動力汽車模式切換系統的預測輸出方程；步驟4：定義混合動力汽車模式切換系統的輸入序列的增量、輸出序列和將來的輸入序列，以增量形式來表述預測輸出方程；步驟5：根據相應的輸入約束和輸出約束，構建純電動到混合動力模式切換期間的最優控制的成本函數，并基于增量形式表述的預測輸出方程來在線求解數據驅動預測控制器。所述混合動力汽車仿真模型包括發動機模塊、電機模塊、離合器模塊、變速箱模塊、電池模塊、輪胎模塊、差速器模塊以及車輛縱向動力學。本發明的混合動力汽車仿真模型為離合器使能單軸并聯HEV的整車模型，該HEV整車模型能夠很好地刻畫車輛的瞬態動力學特性，例如，發動機輸出力矩的延遲特性，離合器的扭轉震動，驅動軸的振動特性以及輪胎的滑移率特性等。該HEV包括停車、純電動、混合驅動、純發動機驅動、制動能量回饋、充電多種工作模式。其中，數據驅動預測控制器的數據驅動預測控制方法由子空間辨識和模型預測控制相結合構成的。本發明利用子空間辨識和模型預測控制相結合來實現數據驅動預測控制方法，省去了基于機理模型的方法中對狀態空間方程的求解，既減少了計算量，又避免了從數據辨識到狀態空間模型時引入的建模誤差問題。在所述步驟3中，根據混合動力汽車模式切換系統的預測輸出方程，利用子空間辨識方法來估計混合動力汽車模式切換系統的未來輸出值。該方法無需預先的模型參數化，使用簡單，能夠保證數值的魯棒性。成本函數由兩部分構成，其中，成本函數的第一部分迫使離合器滑移速度收斂到0，從而實現快速地模式切換且減少離合器磨損；成本函數的第二部分控制發動機轉矩、離合器轉矩和電機轉矩的變化率，用于保證模式切換的舒適性。本發明的第二目的是提供一種HEV模式切換的數據驅動預測控制器設計系統。本發明的一種HEV模式切換的數據驅動預測控制器設計系統，包括：混合動力汽車仿真模型搭建模塊，其用于搭建整個混合動力汽車仿真模型；混合動力汽車模式切換系統搭建模塊，其用于根據混合動力汽車模式切換系統的動態特性，設計電機轉矩、發動機轉矩和離合器轉矩作為激勵數據，并將所設計的激勵數據作用于所搭建的混合動力汽車仿真模型；預測輸出方程構造模塊，其用于基于采集的開環數據來構建混合動力汽車的輸入和輸出的數據塊Hankel矩陣，進而基于辨識模型構造出混合動力汽車模式切換系統的預測輸出方程；增量形式表述預測輸出方程模塊，其用于定義混合動力汽車模式切換系統的輸入序列的增量、輸出序列和將來的輸入序列，以增量形式來表述預測輸出方程；數據驅動預測控制器求解模塊，其用于根據相應的輸入約束和輸出約束，構建純電動到混合動力模式切換期間的最優控制的成本函數，并基于增量形式表述的預測輸出方程來在線求解數據驅動預測控制器。所述混合動力汽車仿真模型包括發動機模塊、電機模塊、離合器模塊、電池模塊、輪胎模塊、變速箱模塊、差速器模塊以及車輛縱向動力學。本發明的混合動力汽車仿真模型為離合器使能單軸并聯HEV的整車模型，該HEV整車模型能夠很好地刻畫車輛的瞬態動力學特性，例如，發動機輸出力矩的延遲特性，離合器的扭轉震動，驅動軸的振動特性以及輪胎的滑移率特性等。該HEV包括停車、純電動、混合驅動、純發動機驅動、制動能量回饋、充電多種工作模式。在混合動力汽車模式切換系統搭建模塊中，數據驅動預測控制器的數據驅動預測控制方法由子空間辨識和模型預測控制相結合構成的。本發明利用子空間辨識和模型預測控制相結合來實現數據驅動預測控制方法，省去了基于機理模型的方法中對狀態空間方程的求解，既減少了計算量，又避免了從數據辨識到狀態空間模型時引入的建模誤差問題。在所述預測輸出方程構造模塊中，根據混合動力汽車模式切換系統的預測輸出方程，利用子空間辨識方法來估計混合動力汽車模式切換系統的未來輸出值。該方法無需預先的模型參數化，使用簡單，能夠保證數值的魯棒性。成本函數由兩部分構成，其中，成本函數的第一部分迫使離合器滑移速度收斂到0，從而實現快速地模式切換且減少離合器磨損；成本函數的第二部分控制發動機轉矩、離合器轉矩和電機轉矩的變化率，用于保證模式切換的舒適性。本發明的有益效果為：(1)本發明涉及的一種HEV模式切換的數據驅動預測控制器設計方法，其中，數據驅動預測控制器的控制方法，采用基于數據的預測方法替代傳統的基于機理模型的控制方法，克服了對于HEV動力總成這樣的復雜系統中所存在的機理建模的準確性和控制的實時性之間的矛盾。與傳統的模型預測控制方法相比，本發明所采用的設計方法設計出的數據驅動預測控制器的模式切換質量更高，這有助于提高HEV的駕乘舒適性，同時延長離合器的使用壽命。(2)采用先進的數據驅動預測控制方法用于HEV工作模式切換過程中的轉矩協調控制中，直接基于離線采集的輸入輸出數據來設計控制器，有效避免了HEV動力總成這樣的復雜系統中所存在的機理建模難的問題，省去了基于機理模型的方法中對狀態空間方程的求解，既減少了計算量，又避免了從數據辨識到狀態空間模型時引入的建模誤差問題。(3)本發明所述的控制算法只需要做一些離線仿真實驗以獲取輸入輸出數據不需要任何經驗及標定試驗，開發成本低。隨著時間的推移，系統特性和部件參數可能隨動力總成部件的老化而逐漸發生變化，只需重新收集算法中所需的車輛運行數據，而無需對算法做任何改動，即可持續保證所提方法的優良控制性能。附圖說明圖1是整個混合動力汽車仿真模型總體框圖；圖2是數據驅動預測控制算法框圖；圖3(a)是用于辨識預測模型的219個采樣點的輸入和輸出數據——發動機轉矩Te；圖3(b)是用于辨識預測模型的219個采樣點的輸入和輸出數據——離合器轉矩Tc；圖3(c)是用于辨識預測模型的219個采樣點的輸入和輸出數據——電機轉矩Tm；圖3(d)是用于辨識預測模型的219個采樣點的輸入和輸出數據——離合器兩側的速度差Δω；圖3(e)是用于辨識預測模型的219個采樣點的輸入和輸出數據——發動機轉速ωe；圖3(f)是用于辨識預測模型的219個采樣點的輸入和輸出數據——電機轉速ωm；圖4(a)是用于驗證的輸入數據—發動機轉矩Te；圖4(b)是用于驗證的輸入數據——離合器轉矩Tc；圖4(c)是用于驗證的輸入數據——電機轉矩Tm；圖4(d)是輸出Δω的辨識結果；圖4(e)是約束輸出ωe的辨識結果；圖4(f)是約束輸出ωm的辨識結果；圖5是實現基于數據驅動預測控制方法的轉矩協調控制策略的Simulink塊圖；圖6(a)是UDC工況的車速；圖6(b)是采用基于數據驅動預測控制方法的轉矩協調控制的車輛沖擊度；圖6(c)是采用基于數據驅動預測控制方法的轉矩協調控制的離合器兩側的速度差；圖6(d)是采用基于數據驅動預測控制方法的轉矩協調控制的發動機轉矩；圖6(e)是采用基于數據驅動預測控制方法的轉矩協調控制的離合器轉矩；圖6(f)是采用基于數據驅動預測控制方法的轉矩協調控制的電機轉矩；圖7(a)是數據驅動預測控制方法與模型預測控制方法的比較——離合器兩側的速度差；圖7(b)是圖7(a)的局部放大；圖7(c)是數據驅動預測控制方法與模型預測控制方法的比較——沖擊度；圖7(d)是數據驅動預測控制方法與模型預測控制方法的比較——電機轉速和發動機轉速；圖7(e)是圖7(d)的局部放大。具體實施方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明：(1)圖1是本發明的整個混合動力汽車仿真模型總體框圖。在專業汽車仿真軟件Cruise中搭建的某離合器使能單軸并聯HEV的整車模型。整個混合動力汽車仿真模型主要包括發動機模塊、電機模塊、離合器模塊、電池模塊、輪胎模塊、變速箱模塊、差速器模塊以及車輛縱向動力學，整車模型參數如表1。表1混合動力汽車參數表所構建的HEV整車模型能夠很好地刻畫車輛的瞬態動力學特性，例如，發動機輸出力矩的延遲特性，離合器的扭轉震動，驅動軸的振動特性以及輪胎的滑移率特性等。發動機功率通過離合器的摩擦轉矩傳遞到驅動系。管理層控制器采用的是基于規則的能量管理策略。為了改進燃油經濟性、減少排放，該HEV包括停車、純電動、混合驅動、純發動機驅動、制動能量回饋、充電等多種工作模式。(2)本發明中的HEV工作模式切換用轉矩協調控制算法采用的是數據驅動預測控制方法，是由子空間辨識和模型預測控制相結合構成的，其構成示意圖如圖2所示。具體的實施方式如下：①開環數據采集：設計能夠達到持續充分激勵發動機、離合器、電機、驅動軸和輪胎的振動特性的輸入Te、Tc、Tm，如圖3(a)-3(c)輸入數據所示，將其作用于所搭建的HEV整車動力學模型上，得到系統控制輸出Δω和受約束的輸出ωe、ωm，如圖3(d)-3(f)所示。本發明中采樣時間Ts＝0.01s，i＝20,j＝180,因此共采集從純電動到混合動力模式切換動態過程中2i+j-1＝219個采樣時刻的開環數據。開環數據包括：離合器兩側的速度差、發動機轉速和電機轉速。②基于圖3(a)-3(f)所示的采樣數據，構建u(k)和y(k)的數據塊Hankel矩陣Up、Uf、Yp、Yf、矩陣的下標p和f分別表示過去和未來。③通過輸入輸出Hankel矩陣Up、Uf、Yp、Yf、構造出系統的預測輸出方程為：其中是通過子空間辨識方法估計的系統未來輸出值，應用最小二乘方法，求解優化問題(3)，獲得預測方程中的兩個子空間矩陣Lw,Lu同理可求得④用第220個采樣時刻到第599個采樣時刻的輸入輸出數據來驗證辨識得到的預測方程。所構建的完全激勵輸入數據Te、Tc、Tm如圖4(a)-4(c)所示，具體的辨識預測效果如圖4(d)-4(f)。如圖4(d)-4(f)所示，當離合器兩側的速度差不為0的時候，預測得到的輸出與真實的輸出可以很好地吻合；預測誤差出現在離合器兩側速度差為0附近，因為辨識預測模型時的采樣數據不包括速度差為0的情況。本發明研究的是離合器的滑摩階段，此階段中離合器兩側速度差是不為0的，因此不影響數據驅動預測控制器的設計。⑤定義待優化的k時刻的控制輸入序列的增量為：其中，定義預測控制輸出序列和將來的輸入序列uf(k)如下：Np和Nu分別代表預測時域和控制時域。為了使預測輸出盡可能地接近給定參考輸出，通常將成本函數定義為二次形式，為了懲罰控制量的劇烈變化，引入對控制量的懲罰項，因此，考慮到輸入約束和受約束的輸出約束，純電動到混合動力模式切換期間的最優控制問題可描述如下：s.t.umin(k+q)≤u(k+q)≤umax(k+q),q＝0,1,...,Nu-1(5.2)Δumin(k+q)≤Δu(k+q)≤Δumax(k+q),q＝0,1,...,Nu-1(5.3)ybmin(k+q)≤yb(k+q)≤ybmax(k+q),q＝0,1,...,Np(5.4)其中成本函數J的第一部分迫使離合器滑移速度收斂到0，從而實現快速的模式切換且減少離合器磨損；成本函數的第二部分控制發動機轉矩、離合器轉矩和電機轉矩的變化率，保證模式切換的舒適性。Re(k+1)是在預測時域中Δω的參考序列，其中α∈(0,1)是一個可調節的參數。因為y(k)表示當前時刻k時的離合器主從動側的速度差，是逐漸趨近于0的，所以α越小，則y(k+i)的參考值r(k+i),i＝1,2,…,Np越小，從而實現離合器主從動側的速度差盡快達到0，從而越快完成離合器的結合。⑥為了求解最優問題(5.1)，基于數據驅動方法和預測控制方法推導預測輸出方程。為了使系統輸出能夠以零穩態誤差跟蹤參考輸入，將子空間預測方程表達為如下的增量形式：其中預測得到的控制輸出增量序列可表示為：其中Δyp＝[Δy(k-i+1)Δy(k-i+2)…Δy(k)]T，Δup＝[Δu(k-i)Δu(k-i+1)…Δu(k-1)]T。可得未來輸出的最優預測如下其中是Npm×Nul動態矩陣。y(k)＝[y(k)y(k)…y(k)]T(10)根據(9)-(12)，同理可推得與有關的⑦將考慮約束的轉矩協調控制問題(5.1)轉化為下列二次規劃問題，從而在線求解數據驅動預測控制器。s.t.CuΔuf(k)≤b其中按照預測控制的滾動時域控制原理，僅將Δu(k)的第一個元素作用于HEV驅動系統，在每個時刻重復上述計算。因此，在第k個采樣時刻的控制律如下：在Matlab/Simulink中實現上述數據驅動預測控制算法，如圖5所示。(3)為了驗證轉矩協調數據驅動預測控制器的控制性能，在如圖6(a)所示的市區駕駛工況UDC(urbandrivingcycle)下，將在Simulink中實現的轉矩協調數據驅動預測控制器與Cruise中搭建的HEV整車動力學模型，通過API接口方式實現聯合仿真。在運行Cruise仿真模型時，Simulink仿真模型也在同時進行計算和求解，仿真過程中兩者之間不斷進行數據的交換。Cruise仿真步長為0.01秒。發動機、離合器、電機的最大扭矩如表1所示。Np＝20，Nu＝5，ε＝30rad/s，ωemin＝720r/min，ωmmin＝0r/min，α＝0.8，τy,1＝τy,2＝…＝τy,20＝0.8，為了提高離合器接合的平順性以提高駕駛舒適性，將控制增量的變化范圍設置為：-50Nm/s≤ΔTe≤50Nm/s，-50Nm/s≤ΔTc≤50Nm/s，-100Nm/s≤ΔTm≤100Nm/s。首先，驗證了轉矩協調數據驅動預測控制器本身的控制性能。仿真結果如圖6(b)-6(f)所示。第60.44秒開始車速超過27km/h，發動機以60Nm的恒轉矩起動，第61.22秒時發動機轉速升至接近電機轉速(與電機轉速相差30rad/s)，離合器開始進入滑動摩擦階段，第61.49秒時離合器兩側的速度差為0，按照離合器特性，使離合器轉矩以一種預定義的方式增加，以保證其可靠鎖止。由仿真結果可見，所提策略的模式切換品質良好，此從純電動到混合動力的模式切換過程共需1.05秒，可以很好地滿足駕駛員的切換需求，車輛沖擊度幅值為9.96m/s3，避免了乘客在模式切換過程中的不適，離合器滑摩時間僅為0.27秒，總的離合器滑摩功僅為8.59J，這有助于延長離合器使用壽命。其次，將轉矩協調數據驅動預測控制器的控制性能與傳統的模型預測控制方法進行了比較。仿真結果如圖7(a)-7(e)所示。為了更直觀地對兩種方法進行比較，表2列出了能夠表征模式切換質量的幾個重要仿真結果，可見，在相同的仿真條件下，基于數據驅動預測控制方法的模式切換過程的沖擊度更小，模式切換持續時間更短，離合器滑摩時間越短，離合器滑摩損耗越小。表2數據驅動預測控制方法與模型預測控制方法的仿真結果比較數據驅動預測控制方法模型預測控制方法沖擊度波動范圍-9.96～6.76m/s3-82.47～87.92m/s3模式切換持續時間1.05s1.3s離合器滑摩時間0.27s0.5s離合器滑摩損耗8.59J19.3J本發明涉及一種HEV工作模式切換用轉矩協調控制方法，采用基于數據的預測方法替代傳統的基于機理模型的控制方法，克服了對于HEV動力總成這樣的復雜系統中所存在的機理建模的準確性和控制的實時性之間的矛盾。與傳統的模型預測控制方法相比，本發明所采用的方法模式切換質量更高，這有助于提高HEV的駕乘舒適性，同時延長離合器的使用壽命。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。當前第1頁1 2 3