基于有限时间状态扩张观测器与时滞补偿控制器的混合动力汽车模式切换协调控制方法
阅读说明：本技术 基于有限时间状态扩张观测器与时滞补偿控制器的混合动力汽车模式切换协调控制方法 (Mode switching coordination control method of hybrid electric vehicle based on finite time state extended observer and time-lag compensation controller ) 是由 汪少华 储堃 施德华 殷春芳 俞鹏飞 张启睿 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于有限时间状态扩张观测器与时滞补偿控制器的混合动力汽车模式切换协调控制方法,该控制系统包含模式判别模块、复合控制模块以及转矩控制分配模块。模式判别模块判断车辆工作模式,并由有限时间状态扩张观测器与时滞补偿控制器构成的复合控制模块获取切换过程的控制律,转矩控制分配模块进一步根据复合控制模块的输出量进行不同动力源输出转矩的分配。从而显著削弱纯电动模式到混合驱动模式的切换过程中由整车质量变化等参数不确定性及路面附着系数、道路坡度变化等外部干扰和车辆信号网络传输过程存在的时延对系统稳定性的影响,提高车辆在模式切换过程中的精确控制性能和暂态抗干扰性能。(The invention discloses a hybrid electric vehicle mode switching coordination control method based on a finite time state expansion observer and a time-lag compensation controller. The mode judging module judges the working mode of the vehicle, a composite control module consisting of a finite time state expansion observer and a time-lag compensation controller acquires a control law of a switching process, and the torque control distribution module further distributes output torques of different power sources according to the output quantity of the composite control module. Therefore, the influence of parameter uncertainty such as vehicle mass change, external interference such as road adhesion coefficient and road gradient change and time delay existing in the vehicle signal network transmission process on the system stability in the switching process from the pure electric mode to the hybrid driving mode is obviously weakened, and the accurate control performance and the transient anti-interference performance of the vehicle in the mode switching process are improved.)
技术领域
本发明属于混合动力汽车动态控制领域，特别涉及一种功率分流式混合动力汽车模式切换协调控制方法。
背景技术
混合动力汽车具有发动机和电动机两种动力源系统，通过选择不同的驱动模式不仅可以提高车辆燃油经济性、降低尾气排放，还能实现良好的动力性。车辆在纯电动模式到混合驱动模式的切换过程中涉及离合器的结合、发动机的快速启动、发动机和电机转速响应。由于发动机和电动机响应特性的差异以及离合器的非连续性，车辆在模式切换时会产生较大的冲击，降低乘坐舒适性。为了减小冲击，必须对动力源进行动态协调控制。当前混合动力汽车动态协调控制研究中，很少考虑系统内部参数摄动、外界干扰和系统时滞对模式切换过程协调控制的影响，车辆复杂的大范围道路行驶条件下，协调控制策略必须做出相应的修改。
发明内容
为克服以上技术缺陷，本发明针对一种双行星排结构的功率分流式混合动力汽车模式切换过程进行协调控制，引入有限时间状态扩张观测器和时滞补偿控制器来提高系统的稳定性，其具体技术方案如下：
基于有限时间状态扩张观测器与时滞补偿控制器的混合动力汽车模式切换协调控制方法，包括依次相连的模式判别模块、复合控制模块以及转矩控制分配模块；所述模式判别模块根据制动器、离合器状态、车速信号和发动机转速判断车辆运行模式，并将求得的模式信号传递给复合控制模块和转矩控制分配模块；复合控制模块由前馈补偿和反馈控制构成，其中前馈补偿是采用有限时间状态扩张观测器对由传感器噪声、路面附着系数变化和系统内部参数的摄动等干扰进行实时观测估计补偿，反馈控制是构建时滞补偿控制器对系统时滞进行预估补偿；转矩控制分配模块进一步根据复合控制模块求得的不同部件转矩以及模式判别模块确定的车辆工作模式信号求解其他部件的输出转矩。
进一步，所述模式判别模块包括以下过程：
步骤1，混合动力汽车初始状态以纯电动模式行驶，此时离合器CR1、CR2分离，制动器CB1、CB2锁止，发动机和电机MG1关闭，车辆仅由电机MG2提供动力驱动车辆行驶；车辆控制器VCU根据实时车速和已设定的切换车速阈值v1判断是否进行模式切换；
步骤2，当车速v≥v1时，混合动力汽车满足切换条件，进行模式切换，车辆由纯电动模式进入发动机启动模式，此阶段电机MG1需要在短时间内拖转发动机直至怠速转速widle；
步骤3，当发动机转速we≥widle时，此时车辆进入制动器CB1分离阶段，VCU控制制动器CB1迅速断开，同时发动机开始点火；
步骤4，当制动器CB1完全分离时，此时离合器CR1进入滑摩阶段，使得离合器两端转速差︱win－wout︱逐渐减小至设定阈值ε，实现离合器的完全结合，其中win为离合器输入盘转速，wout为离合器输出盘转速；
步骤5，当︱win－wout︱≤ε时，此时离合器两端转速差足够小，认为离合器完全结合，车辆进入混合驱动模式，整车由发动机、电机MG1和电机MG2共同驱动，且通过电机调节发动机于最优转速，模式切换结束。
进一步，所述复合控制模块执行以下过程：
步骤1，将系统内部参数的摄动和传感器噪声、路面附着系数等外部干扰作为综合扰动，建立含有未知总扰动的动力学模型：
其中，x(t)和y(t)分别表示系统的状态向量和输出向量，A、B1和B2为系统的系数矩阵，φ(t)为系统的综合扰动，u(t)为系统的控制输入向量；
步骤2，根据动力学模型设计有限时间状态扩张观测器，其结构如下所示：
其中，B为系统的常系数矩阵，z1为状态向量x(t)的实时估计值，z2为综合干扰φ(t)的实时估计值，λ、L1、L2、m1和m2为观测器参数；
步骤3，设计控制律对系统进行干扰补偿，形式如下：
其中，ks为比例增益的大小，α为分数指数幂；
步骤4，基于有限时间控制理论，确定各个参数的范围，使混合动力汽车控制系统全局有限时间稳定；
步骤5，建立具有输入时滞的系统动力学模型：
其中，x(t)表示系统的状态向量，A、B1和B2为系统的系数矩阵，φ(t)为系统的综合扰动，u(t-τ)为系统含有时滞的控制输入向量，τ为系统的时滞；
步骤6，设计时滞补偿控制器：
输入时滞系统中，补偿向量f1(t)为：
在没有外界干扰时，φ(t)＝0，在输入时滞范围内系统的补偿向量f2(t)为：
由此设计时滞补偿控制器为：
u(t)＝Kf2(t) (7)
其中：K为状态反馈增益矩阵，u(t)为系统的控制输入向量。
进一步，所述转矩控制分配模块包括以下步骤：
步骤1，建立车辆各个模式下发动机、电机以及需求转矩的稳态转速、转矩耦合方程；
步骤2，转矩控制分配模块根据复合控制模块的输出信号以及上一步骤所建立的系统稳态转矩耦合方程确定各部件的输出转矩。
本发明的有益效果为：本发明采用有限时间状态扩张观测器对系统综合扰动进行快速准确的估计，考虑系统时滞，建立时滞补偿控制器抑制时滞对系统控制性能的影响，设计前馈和反馈相结合的复合控制器，借助有限时间稳定性分析与综合方法，确定控制器参数与控制律，最终改善功率分流式混合动力汽车模式切换过程的暂态鲁棒性能和模式切换品质。
附图说明
图1为本发明所述混合动力动力系统结构简图；
图2为本发明所述混合动力汽车模式切换流程图；
图3为本发明所述混合动力汽车模式切换协调控制策略总体方案图；
图4为本发明所述的有限时间扩张状态观测器的结构图；
图5为本发明所述的时滞补偿控制器的结构图。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明研究的混合动力汽车动力系统结构简图如图1所示，由发动机、电机MG1、电机MG2、离合器CR1、离合器CR2、制动器CB1、制动器CB2和两个行星排组成。其中发动机与前行星排的齿圈相连，电机MG1与前行星排的太阳轮相连，电机MG2与后行星排的太阳轮相连，前后行星排的行星架通过离合器CR1相连，前行星排的太阳轮与后行星排的齿圈通过离合器CR2相连，前行星排的行星架和后行星排的齿圈分别与制动器CB1、CB2相连，系统的动力由后行星排的行星架输出。
通过调节离合器和制动器，将纯电动模式到混合驱动模式的切换过程划分为五个阶段，各部件状态如表1所示：
表1功率分流式混合动力汽车工作模式划分
工作模式
发动机
MG1
MG2
CR1
CR2
CB1
CB2
纯电动
关
关
开
分离
分离
锁止
锁止
发动机启动
关
开
开
分离
分离
锁止
锁止
CB1分离
开
开
开
分离
分离
分离
锁止
CR1结合
开
开
开
结合
分离
分离
锁止
混合驱动
开
开
开
结合
分离
分离
锁止
整车模式切换流程如图2所示，混合动力汽车初始状态以纯电动模式行驶，此时离合器CR1、CR2分离，制动器CB1、CB2锁止，发动机和电机MG1关闭，车辆仅由电机MG2提供动力驱动车辆行驶；车辆控制器VCU根据实时车速和已设定的切换车速阈值v1(本发明设定为5m/s)判断是否进行模式切换；
当车速v≥v1时，混合动力汽车满足切换条件，进行模式切换，车辆由纯电动模式进入发动机启动模式；此阶段电机MG1需要在短时间内拖转发动机直至怠速转速widle(900r/min)；
当发动机转速we≥widle时，此时车辆进入制动器CB1分离阶段，VCU控制制动器CB1迅速断开，同时发动机开始点火；
当制动器CB1完全分离时，此时离合器CR1进入滑摩阶段，使得离合器两端转速差︱win－wout︱逐渐减小至设定阈值ε(本发明设定为15r/min)，实现离合器的完全结合，其中win为离合器输入盘转速，wout为离合器输出盘转速；
当︱win－wout︱≤ε时，此时离合器两端转速差足够小，认为离合器完全结合，车辆进入混合驱动模式，整车由发动机、电机MG1和电机MG2共同驱动，且通过电机调节发动机于最优转速，模式切换结束；
整个切换过程协调控制的总体控制方案如图3所示。模式判别模块根据制动器、离合器状态、车速信号和发动机转速判断车辆运行模式，并将求得的模式信号传递给复合控制模块和转矩控制分配模块；复合控制模块由前馈补偿和反馈控制构成，其中前馈补偿是采用有限时间状态扩张观测器对由传感器噪声、路面附着系数变化和系统内部参数的摄动等干扰进行实时观测估计补偿，反馈控制是构建时滞补偿控制器对系统时滞进行预估补偿；转矩控制分配模块进一步根据复合控制模块求得的不同部件转矩以及模式判别模块确定的车辆工作模式信号求解其他部件的输出转矩。
1.构建有限时间状态扩张观测器
功率分流式混合动力汽车在大范围道路行驶条件下存在整车质量变化等参数不确定性及路面附着系数、道路坡度变化等外部干扰的作用，会导致控制系统稳定性下降，本发明中利用有限时间状态扩张观测器对干扰进行实时观测，并进行相应的补偿，其结构如图4所示。
将系统内部参数的摄动和传感器噪声、路面附着系数等外部干扰作为综合扰动，建立含有未知总扰动的动力学模型：
其中，x(t)和y(t)分别表示系统的状态向量和输出向量，A、B1和B2为系统的系数矩阵，φ(t)为系统的综合扰动，u(t)为系统的控制输入向量；
根据动力学模型设计有限时间状态扩张观测器。其结构如下所示：
其中，B为系统的常系数矩阵，z1为状态向量x(t)的实时估计值，z2为综合干扰φ(t)的实时估计值，λ、L1、L2、m1和m2为观测器参数；
设计控制律对系统进行干扰补偿，形式如下：
其中，ks为比例增益的大小，α为分数指数幂；
基于有限时间控制理论，选取Lyapunov函数，确定各个参数的范围，使混合动力汽车控制系统全局有限时间稳定。
2.构建时滞补偿控制器
由于车辆信号网络传输过程存在时延，可能会导致系统控制效率降低，甚至导致系统失稳发散，本发明中利用时滞补偿控制器对系统时滞进行补偿，保证系统的稳定，其结构如图5所示。
建立具有输入时滞的系统动力学模型：
其中，x(t)表示系统的状态向量，A、B1和B2为系统的系数矩阵，φ(t)为系统的综合扰动，u(t-τ)为系统含有时滞的控制输入向量，τ为系统的时滞；
设计时滞补偿控制器：
输入时滞系统中，补偿向量f1(t)为：
在没有外界干扰时，φ(t)＝0，在输入时滞范围内系统的补偿向量f2(t)为：
由此设计时滞补偿控制器为：
u(t)＝Kf2(t) (7)
其中：K为状态反馈增益矩阵，u(t)为系统的控制输入向量。
3.建立车辆各个模式下发动机、电机以及需求转矩的稳态转速、转矩耦合方程。
纯电动模式：
其中：k2为后行星排的特征参数；TM、ωM和IM分别为电机MG2的实际转矩、转速和惯量；Tout、ωout和Iout分别为输出轴的转矩、转速和惯量。
发动机启动模式：
其中：k1为前行星排的特征参数；TE、ωE和IE分别为发动机的实际转矩、转速和惯量；TG、ωG和IG分别为电机MG1的实际转矩、转速和惯量。
制动器CB1分离阶段：
其中：TC1和IC1分别为CB1的输出转矩和惯量。
离合器CR1滑摩阶段：
其中：TC2和IC2分别为CR1的输出转矩和惯量。
混合驱动模式：
转矩控制分配模块根据复合控制模块的输出信号以及上一步骤所建立的系统稳态转矩耦合方程确定各部件的输出转矩。
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