一种信息物理系统架构的混合动力传动系统控制方法测试平台与流程

本发明涉及混合动力传动系统控制方法以及信息物理系统领域，具体涉及一种信息物理系统架构的混合动力传动系统控制方法测试平台。

背景技术：

0、技术背景

1、随着科学技术水平的不断发展，信息物理系统得到越来越广泛的应用，能够将仿真、实际、通信联系在一起，进行一体化设计，从而提高系统的可靠性以及更强的鲁棒性。传统混合动力汽车测试主要分为三个步骤：计算机模拟测试、台架试验测试、实际 道路测试；计算机模拟测试、台架试验测试和实际道路测试中，存在不同的短板，导致计算机仿真测试的结果与实际测试结果差别较大，不利于算法的修改与实际应用，台架测试可以把要测部件搭建在实验台上，实验台建设费用低，移植性好，可重复操作，能够很好的检验计算机仿真测试得到的混合动力参数匹配关系，但台架测试对于车辆整体性能测试较差，一般对于道路、天气等意外情况的测试不予考虑，实际可能又会产生差错，台架测试既有着必不可少的优点，又有相对局限性。实际测试结合实际路况，会涉及到许多不确定因素 ，对于控制方法调试极其不利，甚至浪费大量时间，实际控制效果却没有得到改善。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种信息物理系统架构的混合动力传动系统控制方法测试平台，包括：混合动力控制器、混合动力优化控制系统以及虚拟混合动力仿真系统，其中混合动力控制器作为算法运行的硬件载体，其中核心模块包括主算力供给的智能计算单元和负责通讯处理的协处理模块，分别用于智能控制算法的运行监控和与外界物理信息的编码解析，而其他外设模块主要负责算法部署、信息存储以及运行状态指示功能；混合动力优化控制系统包括智能算法工具包、控制策略实时运行引擎、多功能通讯接口以及运行日志多个模块组成，主要实现优化控制方法对电机、电池等动力源的功率分配的策略调度，从而实现系统能量控制策略的验证；虚拟混合动力仿真模块由cruise软件和usb-can通信服务模块组成，提供模拟多种类型混合动力运行过程，为控制方法提供一种客观的被控模型进行仿真验证；本发明将试验测试运行控制参数进行集中管理，为基于功率分流最优的混合动力系统控制方法实施至真实混合动力系统提供参考，提升混合动力车辆的性能与控制方法验证的快速性。同时，可以通过实现模拟负载的变化来实现混合动力车辆运行工况不同，验证控制算法能否满足在混合动力系统全工况下的实时运行优化控制，从而为加强算法在实际应用中的鲁棒性提供依据。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种信息物理系统架构的混合动力传动系统控制方法测试平台，其特征在于，包括：混合动力控制器、混合动力优化控制系统和虚拟混合动力仿真系统，所述的混合动力控制器，作为混合动力优化控制系统运行的硬件载体，对控制算法具有强实时性要求，主要对整个系统提供智能计算和通讯硬件环境；所述的混合动力优化控制系统，主要对混合动力优化控制方法提供用于实时运行并且长时间监控的控制系统，以检验算法在长时间运行中存在的异常信息；所述的虚拟混合动力仿真系统，主要为混合动力控制方法提供客观的被控对象，初步验证控制策略合理性与局限性，服务于控制方法的后期改进，并为真实混合动力系统寻找合理的调试验证流程。各单元相互协作，既包含车辆混合动力仿真，又包括实际控制策略的实施，通过can总线实现各单元数据传输。

3、第一方面，混合动力控制包括智能计算单元、以太网接口、sd数据存储模块、led指示灯模块、协处理单元以及can通讯模块，其硬件功能分别为：

4、智能计算单元：为混合动力优化控制系统提供必要运行环境，如python引擎；

5、以太网接口：为混合动力系统智能控制方法在线调试、部署提供访问接口；

6、sd数据存储模块：对每次实现运行数据进行存储的区域，以方便调用数据对控制方法进行对比修改；

7、协处理单元：通过spi为智能计算单元提供通讯服务，以json文本的格式进行数据交互，缓解主控制器的报文处理压力，并对外提供两种通讯方式：wifi和can，其中wifi模式协处理开启sta模式，并运用多功能通讯模块建立tcp服务端，提供无线监控接口，同时便于在整车实验时，进行无线通信、数据传输，提高该系统在实际应用的便利性；can模式负责混合动力系统各动力源的控制局域网通讯；并通过控制8颗led灯，实时指示控制器和真实混合动力系统运行状态。

8、led指示灯模块由8颗led灯组成，能够设定不同的led灯序列、数目、颜色、来指示系统运行状况，并在运行日志模块记录，包括故障信息显示红色、数据传输以及系统运行信息显示为绿色；其中，故障信息又分为自检故障、通信故障（智能单元与协处理单元通讯故障，can通讯故障）、控制方法下载失败故障、sd卡存储故障、算法运行异常状态、实际系统如电机异常等。系统运行信息指示又分为控制方法下载完成指示灯、系统第单次循环执行完毕提示等；

9、当系统开始运行之前，自动检测硬件、软件设备情况，检测出故障时，led灯其中一盏显示红色，并闪烁，在运行日志模块显示报警信息，禁止启动系统，直到排除故障。在系统启动后，将已有的控制方法通过以太网接口下载到智能计算单元中，下载完成时，led指示灯，可以设定某一个led灯显示为绿色，提示已经完成下载；智能单元与协处理单元通信出现故障时，根据spi通信中的错误帧，设置错误提示，某两个led灯红色闪烁，直至恢复通信。

10、第二方面，混合动力优化控制系统用于实现优化控制算法对电机控制单元的功率分配的策略调度，从而实现系统能量控制策略的验证 ；包括智能算法工具包、控制策略实时运行引擎、变量监控模块、运行日志模块以及多功能通讯接口模块；其各个部分对应的具体功能如下：

11、智能算法工具包：提供多种混合动力系统模型、神经网络和数字滤波模块为控制方法设计、实现与验证、结果分析提供便捷途径；

12、控制策略实时运行引擎：加载智能算法工具包，引导智能计算单元对控制策略组进行顺序运行，同时考虑各种混合动力系统控制策略处理不同路况的效果不同，采用以定时器触发线程控制任务的思想设计能够支持多组实时控制策略协同调度的运行引擎，此外该模式下能够获取所开发混合动力控制策略单步运行时间，测试算法实时性能；

13、变量监控模块：为控制策略的参数变量提供修改与检测的可视化访问接口，以列表形式提供参数修改与查看的可视化窗口，同时提供状态实时曲线，显示如燃油消耗、实时工况、设定变量、实时扭矩、转速等信息；

14、运行日志模块：以控制器运行的开始时间为文件名，以时间为报文开头，记录控制策略自定义异常信息，如触发控制策略门限值、控制失步现象以及控制器通讯异常、系统警告等信息，并通过协处理单元发出报警指示信息；

15、多功能通讯接口模块：通过协处理单元将智能控制单元的控制与采集信息，信道与通讯协议的转换，包括整车的can通讯以及wifi自定义协议的解析与传输。

16、通过该控制系统，可以实现不同的控制策略在不同工况、载荷等的控制实验实时调整，分析与对比。

17、第三方面，控制策略实时运行引擎的实施主要内容包括：控制策略实时运行引擎其中涉及的变量，包括：基本计数器（counter）、最大运行帧周期（maxheart）、硬件定时器最小步长（escapingtime）、控制方法k的运行周期（ctrlkheart）、传感器周期（senheart）；

18、最大运行帧周期（maxheart）在本发明中可以看成传感器&控制器周期的公倍数，即在一个最大运行帧周期内，包含多个控制策略周期和多个传感器采集周期，一般来说，传感器与控制方法的执行周期可能存在不一致；一般来说，控制周期可能快于传感器采样周期，考虑多速率控制方法使能系统获得更多的动态性能。硬件定时器最小步长可以根据不同的执行任务来调整大小，提高控制策略引擎的灵活性。

19、控制策略实时运行引擎的实施步骤，包括：

20、在控制策略引擎执行开始时，调用基定时器，并且重置基本计数器，此时在最大运行帧周期的范围内，控制策略引擎以硬件定时器最小步长周期触发线程控制任务，执行在线控制表，并当基本计数器为传感器采样周期整数倍时，即达到传感器采集时刻，激活传感器进行数据采集，并准备将实时数据传输至变量共享空间作准备。同时，延迟一个硬件定时器步长，继续触发执行线程控制任务，直至达到最大运行帧周期，重置基本计数器，继续执行。执行在线控制表多组控制策略时，可根据混合动力系统控制策略设定的执行顺序运行，在以硬件定时器步长运行时，如先到达控制方法k的运行周期时，执行控制策略k，到达下一步控制方法m的运行周期时，再执行控制策略m，以此类推，且传感器采集周期不受控制策略运行的周期影响，保持采集数据，从而实现多组控制策略执行。

21、该控制策略运行引擎既能够在智能算法工具包的的加载下，引导智能计算单元对在线控制表的控制策略进行顺序执行，同时，考虑到混合动力系统不同工况下控制效果不同，支持多组实时控制策略协调运行，又能够获取所开发混合动力控制策略单步运行时间，测试算法实时性能。

22、第四方面，虚拟混合动力仿真系统用于模拟混合动力运行过程，主要实现控制策略理想环境的仿真验证 ；包括usb-can通讯服务模块和avl-cruise混合动力模型；avl-cruise混合动力模型能够提供虚拟的混合动力车辆模型和虚拟的运行工况；usb-can通讯服务模块能够进行avl-cruise混合动力模型和can总线的通信服务；

23、其中usb-can通讯服务模块主要实现仿真模型与真实控制器的物理信号对接，即avl-cruise混合动力模型中能量功率转换、电机与发动机扭矩与转速输出、行星齿轮组的摩擦、转矩和转速状态量放置在有usb-can通讯服务模块建立的变量共享空间，通讯服务模块将通过can总线与控制进行交互。

24、usb-can通讯服务模块主要包括avl cruise变量更新客户端和usb-can通讯服务端；首先，通过usb-can服务端创建变量共享空间，根据混合动力系统各设备（如电机、发动机、行星排变速箱以及动力电池）的控制量与检测量，利用变量管理模块以设备id（devid）、变量id（varid）、变量值（value）、变量只读/只写权限（token）、变量存储的基地址（baseaddr）的形式创建变量信息，并以表格的形式动态显示变量更新状态，同时为后期算法复现便捷，以json的格式保存新建的共享变量表；

25、在usb-can通讯服务端通过can总线向控制器发送指令期间，将遍历共享变量表，并以设备id为can通信节点，分别发送控制指令和数据采样指令。

26、此时，其他节点均处于接收状态，其他节点会根据报文格式，在本发明中即根据设备id判断指令是否发送给本节点，当接受节点正确接收后，发送节点会进行回读，确认被正确接收，节点检测到11位连续隐性位后，认为总线空闲，为继续下一次通信做准备。

27、控制指令可以使用标准数据帧，首先需要获取目标设备id，访问该设备id下对应所有变量访问权限，即变量只读/只写权限是否为只读权限，读取对应设备id变量后，输送变量共享空间的数值到实际混合动力系统，完成控制指令的传输。

28、数据采样指令可以用远程帧实现， 远程帧可以用来请求其他节点发送相应的数据信息，如某一信号不是按照周期发送，想查询直到某一时刻某一变量的数值，就会发送含有该变量对应的信号id的远程帧到总线上，对应的节点就会将该时刻的变量数值通过数据帧发送回相应节点。请求节点获取变量数据帧后，获取该数据帧的设备id后，查询变量共享区域对应变量，并根据变量只读/只写权限判断是否能够对变量共享区域的变量值进行更新。考虑能量管理控制执行周期，usb-can通讯服务端设置100ms定时器，基本可以保证实时性。

29、第五方面， 此发明是一种信息物理系统架构的混合动力传动系统控制方法测试平台，其具体运行步骤为：

30、步骤1：在给定实际混合动力车辆基本信息的情况下，使用avl-cruise完成对该车辆仿真模型建立，根据目标车型各项要求，选择需要的组成元件，输入基础部件参数，并且根据仿真要求，准备相应的计算任务，通过选取不同路段下的路谱信息，计算满载下坡、轻载上坡循环工况下，燃油总的消耗情况；

31、步骤2：基于控制系统中提供的控制器模板，根据所设计的控制策略，编写算法代码块，包括控制器执行、采样间隔，计算周期，控制器参数定义与单步控制任务等代码块，实现在理想情况下，完成相应的计算任务，达到理想情况下的要求；

32、步骤3：在avl-crusie虚拟仿真满足实际要求的情况下，将控制算法下载到智能计算单元，并运行真实的混合动力系统，利用can总线，将变量实时值传输至变量共享空间，实时反馈出传动系统的换挡过程、换挡时机、转速、扭矩变化、燃油消耗、电池实时电量等工作状态；

33、步骤4：根据得到的数据判断是否符合实际要求，若不符合，使用智能算法工具包优化调整控制参数，再次进行验证；若符合目标要求，则结束验证，证明此控制策略有一定的实际效果。

34、本发明的有益效果是：能够将avl-cruise 计算机仿真与实际控制器相结合，将理想情况下的控制策略算法应用到实际传动模型，按照实际传动模型产生的实验结果，对试验测试运行控制参数进行集中管理，使控制算法的实际适用性得到提高，可为基于效率最优的整车控制策略提供基础数据，提升混合动力车辆的性能，对于科研工作者有着极大的便利性。