电动汽车换挡策略优化及精确跟踪控制方法与流程

本发明涉及电动汽车技术领域，具体而言，涉及一种电动汽车换挡策略优化及精确跟踪控制方法。

背景技术：

换挡控制策略是汽车控制的核心内容之一，对整车的动力性、经济性及换档平顺性有着决定性的影响。对于配置多档机械式变速器的纯电动汽车汽车而言，是由电动机将电能转化为机械能驱动汽车行驶，其换挡过程具有动力中断性。

目前汽车领域主要的控制策略有：

1)总结优秀驾驶员经验，建立模糊规则库，通过采集发动机转速、油门开度和当前档位信息判断驾驶员意图，通过模糊控制确定离合器的结合量。

2)考虑车辆冲击度和滑磨功，基于最小值和线性二次型最优控制理论，推导离合器最优结合轨迹。

3)当前挡位和油门踏板开度，确定一个目标发动机转速变化率，然后通过闭环控制发动机转速变化率保持在目标值附近，控制量为离合器位置。

4)通过油门开度和发动机转速，规划离合器转速差轨迹。

5)通过采集发动机实际转速和发动机目标转速之间的差值及其变化，或者是变速器输出转矩和目标转矩的差值及其变化，获取离合器控制压力的增量。

6)该策略仅适用于配备两档变速器的纯电动汽车，通过对变速器-离合器系统整体结构的优化，利用同步器和离合器的转矩平顺过渡，实现动力无中断换挡。

现有的换挡控制策略具有一些明显的缺点，主要在于：对于换挡过程没有确定的规划，仅通过采集的汽车行驶状态和驾驶员输出信号确定离合器的结合量，没有对换挡过程持续时间、换挡冲击度、滑磨功等目标进行综合考虑；由于发动机的输出转矩难以控制，控制策略仅仅针对离合器的结合控制制定；通过结构优化实现动力无中断的换挡策略仅适用于两个档位之间的来回切换，无法适用于多档位的换挡过程。

纯电动现有的控制策略与传统燃油汽车有很大的不同，驱动电机的转矩可以进行控制，换挡策略的重点在于驱动电机和离合器的协同控制，在保证换挡品质的同时还要完成电机转矩的恢复过程。

对于制定的换挡策略如何准确的实现是换挡过程的另一个难点，目前主要采用的pid、pid与模糊控制相结合的控制方式对制定的换挡策略进行跟踪，其鲁棒性较差，如果控制过程中存在外界干扰，会引起控制信号震荡，严重影响换挡品质，严重时甚至会造成损耗离合器寿命。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供电动汽车换挡策略优化及精确跟踪控制方法，以解决现有技术中汽车换挡控制策略不佳、中的问题。

为了实现上述目的，根据本发明电动汽车换挡策略优化及精确跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤一：针对具体对象，确定与电动汽车换挡过程的优化控制目标：

1)确定换挡过程目标冲击度限值；

2)确定换挡过程持续时间的目标范围；

3)保证整个过程传输转矩变化平稳；其中一个重要的衡量指标为换挡结束时刻，驱动电机转矩应该等于离合器摩擦力矩，保证转矩的平稳过渡

4)按照当前动力踏板的开度比0～1，确定电机需要恢复的目标转矩，其大小为to＝αtm_max，其中to为目标转矩，α为动力踏板开度，tm_max为电机最大输出转矩；

5)换挡结束时刻离合器主动部分和从动部分转速差为零；

步骤二：建立换挡过程物理模型：

通过实验、传感器测量和资料查询获得每个档位以下参数的具体取值：离合器主动部分等效转动惯量、离合器从动部分等效转动惯量、离合器输入轴转动惯量、驱动电机转动惯量、离合器输出轴转动惯量、车轮转动惯量、离合器主动部分等效阻尼系数、离合器从动部分等效阻尼系数、驱动电机转矩、离合器摩擦力矩、变速器速比、主减速器速比、车轮滚动半径、汽车质量、重力加速度、滚动摩擦系数、道路坡度、空气阻力系数、迎风面积，汽车车速、离合器主动部分转速、离合器从动部分转速、离合器转速差、行驶阻力矩，

构建系统状态微分方程，并其书写为状态空间方程的形式：

y(t)＝cx(t)

选择系统状态量：

x＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6]^τ＝[ωm,δω,tm-to,tc-to,to,tf]^τ；

选择系统控制量：

选择系统输出量：y＝[ωm,ωc,tm,tc]^τ；

ωm表示电机转速，ωc表示电机控制转速，tm表示电机输出转矩，tc表示电机控制转矩，表示驱动电机转矩对时间的导数，表示为离合器摩擦力矩对时间的导数，tf表示车辆行驶阻力矩；

步骤三：设计模型预测控制算法，提高系统鲁棒性，精确跟踪最优控制轨迹；

将系统状态空间方程离散化表示为如下形式

性能指标函数j惩罚预测被控输出与参考轨迹yref(k+j|k)之间的偏差，定义如下：

其中，n表示预测时域的长度，nc表示控制时域的长度，q(j)为状态量对称权重矩阵，用于对预测时域中y(k+j|k)-yref(k+j|k)的点进行惩罚，r(j)为控制量对称权重矩阵，用于对控制时域状态凉的变化进行惩罚，

根据系统的实际情况，确定控制时域、预测时域、模型预测控法算法的采样时间和权重矩阵的具体取值；

系统输出完全能控的充分必要条件是矩阵[cbcabca²b…ca^n-1b]的秩等于输出矩阵y的维数，按输出完全能控制矩阵对系统的输出能控性进行判断，

模型的预测状态量以矩阵的方式可以表示为：

模型预测控制器的约束为：

ωm∈[-nm_maxπ/30,nm_maxπ/30](rad/s)

ωc∈[-nm_maxπ/30,nm_maxπ/30](rad/s)

tm∈[-tm_max,tm_max](nm)

tc∈[-tm_max,tm_max](nm)

其中，nm_max为驱动电机最大转速。

模型预测控制器的输入为：

1)基于线性二次型最优控制理论所获得的驱动电机转矩、离合器摩擦力矩、离合器主动部分转速、离合器从动部分转速的最优控制轨迹；

2)系统所受到的外界扰动，包括可测扰动和不可测扰动，其可能的来源为地面不平整、传感器信号被干扰、换挡过程汽车阻力矩变化以及原因引起的状态量扰动的信号；

3)换挡系统的实际状态值，包括实际情况下的驱动电机转矩、离合器摩擦力矩、离合器主动部分转速、离合器从动部分转速；

模型预测控制器的输出为：模型预测控制器所解得的控制量的信号；

模型预测控制的每一步控制信号的获得为标准的二次规划问题求解，通过求解每一步性能函数的最小值，得到最优控制解vuopt(k)，根据上一步的控制信号u(k-1)，可以求取预测所得的每一步控制信号u(k)。

可见，本发明相对于现有的换挡控制策略能够实现对换挡过程持续时间、换挡冲击度、滑磨功等目标进行综合考虑，适用于多档位的换挡过程。能够实现驱动电机和离合器的协同控制，保证换挡品质的同时完成电机转矩的恢复过程。对制定的换挡策略进行跟踪的鲁棒性高，换挡品质稳定，延长了离合器寿命。

下面通过具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明中电动汽车中动力传动路径。

具体实施方式

本发明电动汽车换挡策略优化及精确跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤一：针对具体对象，确定与电动汽车换挡过程的优化控制目标：

1)确定换挡过程目标冲击度限值；

2)确定换挡过程持续时间的目标范围；

3)保证整个过程传输转矩变化平稳；其中一个重要的衡量指标为换挡结束时刻，驱动电机转矩应该等于离合器摩擦力矩，保证转矩的平稳过渡

4)按照当前动力踏板的开度比0～1，确定电机需要恢复的目标转矩，其大小为to＝αtm_max，其中to为目标转矩，α为动力踏板开度，tm_max为电机最大输出转矩；

5)换挡结束时刻离合器主动部分和从动部分转速差为零；

步骤二：建立换挡过程物理模型：

通过实验、传感器测量和资料查询获得每个档位以下参数的具体取值：离合器主动部分等效转动惯量、离合器从动部分等效转动惯量、离合器输入轴转动惯量、驱动电机转动惯量、离合器输出轴转动惯量、车轮转动惯量、离合器主动部分等效阻尼系数、离合器从动部分等效阻尼系数、驱动电机转矩、离合器摩擦力矩、变速器速比、主减速器速比、车轮滚动半径、汽车质量、重力加速度、滚动摩擦系数、道路坡度、空气阻力系数、迎风面积，汽车车速、离合器主动部分转速、离合器从动部分转速、离合器转速差、行驶阻力矩，

如图1所示，电动汽车中动力传动路径为：驱动电机1-离合器2-amt变速器3-主减速器4-车轮5；

构建系统状态微分方程，并其书写为状态空间方程的形式：

y(t)＝cx(t)

选择系统状态量：

x＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6]^τ＝[ωm,δω,tm-to,tc-to,to,tf]^τ；

选择系统控制量：

选择系统输出量：y＝[ωm,ωc,tm,tc]^τ；

ωm表示电机转速，ωc表示电机控制转速，tm表示电机输出转矩，tc表示电机控制转矩，表示驱动电机转矩对时间的导数，表示为离合器摩擦力矩对时间的导数，tf表示车辆行驶阻力矩；

步骤三：设计模型预测控制算法，提高系统鲁棒性，精确跟踪最优控制轨迹；

将系统状态空间方程离散化表示为如下形式

性能指标函数j惩罚预测被控输出与参考轨迹yref(k+j|k)之间的偏差，定义如下：

其中，n表示预测时域的长度，nc表示控制时域的长度，q(j)为状态量对称权重矩阵，用于对预测时域中y(k+j|k)-yref(k+j|k)的点进行惩罚，r(j)为控制量对称权重矩阵，用于对控制时域状态凉的变化进行惩罚，

根据系统的实际情况，确定控制时域、预测时域、模型预测控法算法的采样时间和权重矩阵的具体取值；

系统输出完全能控的充分必要条件是矩阵[cbcabca²b…ca^n-1b]的秩等于输出矩阵y的维数，按输出完全能控制矩阵对系统的输出能控性进行判断，

模型的预测状态量以矩阵的方式可以表示为：

模型预测控制器的约束为：

ωm∈[-nm_maxπ/30,nm_maxπ/30](rad/s)

ωc∈[-nm_maxπ/30,nm_maxπ/30](rad/s)

tm∈[-tm_max,tm_max](nm)

tc∈[-tm_max,tm_max](nm)

其中，nm_max为驱动电机最大转速。

模型预测控制器的输入为：

1)基于线性二次型最优控制理论所获得的驱动电机转矩、离合器摩擦力矩、离合器主动部分转速、离合器从动部分转速的最优控制轨迹；

2)系统所受到的外界扰动，包括可测扰动和不可测扰动，其可能的来源为地面不平整、传感器信号被干扰、换挡过程汽车阻力矩变化以及原因引起的状态量扰动的信号；

3)换挡系统的实际状态值，包括实际情况下的驱动电机转矩、离合器摩擦力矩、离合器主动部分转速、离合器从动部分转速；

模型预测控制器的输出为：模型预测控制器所解得的控制量的信号；

模型预测控制的每一步控制信号的获得为标准的二次规划问题求解，通过求解每一步性能函数的最小值，得到最优控制解vuopt(k)，根据上一步的控制信号u(k-1)，可以求取预测所得的每一步控制信号u(k)。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。