混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)協(xié)調(diào)控制

溫博軒，王偉達(dá)，項(xiàng)昌樂，趙玉龍

(1．北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，100081北京; 2．車輛傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工大學(xué))，100081北京)

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混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)協(xié)調(diào)控制

溫博軒1，2，王偉達(dá)1，2，項(xiàng)昌樂1，2，趙玉龍1，2

(1．北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，100081北京; 2．車輛傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工大學(xué))，100081北京)

摘要:為改善混聯(lián)式混合動力汽車動態(tài)響應(yīng)過程中系統(tǒng)性能降低的問題，建立各個動力源系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)模型以及耦合機(jī)構(gòu)模型，提出采用多動力源協(xié)調(diào)控制策略．電機(jī)A采用專家PID控制，發(fā)動機(jī)采用虛擬速差控制，電機(jī)B采用基于模型的補(bǔ)償控制，利用系統(tǒng)特殊耦合關(guān)系，減小動態(tài)響應(yīng)過程中各狀態(tài)量相對于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化點(diǎn)的波動程度．仿真結(jié)果表明，提出的協(xié)調(diào)控制策略使動態(tài)響應(yīng)過程的時間縮短，發(fā)動機(jī)、電機(jī)以及輸出軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速波動減?。鄤恿υ磪f(xié)調(diào)控制策略顯著提高了動態(tài)響應(yīng)過程中的系統(tǒng)性能．關(guān)鍵詞:混聯(lián)式混合動力車輛;動態(tài)響應(yīng);協(xié)調(diào)控制;專家PID控制;轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制

混合動力系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)向另一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡的過程稱為動態(tài)響應(yīng)過程．動態(tài)響應(yīng)過程的協(xié)調(diào)控制策略是目前混合動力控制研究的熱點(diǎn)，清華大學(xué)針對沒有離合器、制動器狀態(tài)變化的模式切換過程中，轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)及平順性問題，提出了基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法［1］，還研究了針對并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的多動力源協(xié)調(diào)控制方法［2］．重慶大學(xué)［3－6］、上海交通大學(xué)［7］、吉林大學(xué)［8－9］等針對混合動力驅(qū)動模式切換過程或換擋過程研究了扭矩協(xié)調(diào)控制策略．還有研究者將混合動力模式切換系統(tǒng)歸類為混雜系統(tǒng)的切換問題，或通過建立發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測器及電動機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出補(bǔ)償方法等對工作模式切換過程的動力源協(xié)調(diào)控制開展了研究．有些研究者針對特定結(jié)構(gòu)的混合動力系統(tǒng)給出轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法［10－12］．

上述研究主要集中于解決模式切換過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩波動問題，對系統(tǒng)整體的動態(tài)響應(yīng)滯后性問題關(guān)注較少．Sajjad等［13－14］重點(diǎn)關(guān)注了混合動力系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程，將混合動力動態(tài)控制問題歸結(jié)為多變量控制問題，并采用魯棒控制方法加以解決．北京理工大學(xué)［15］提出了機(jī)電轉(zhuǎn)矩沖突問題，指出了機(jī)電轉(zhuǎn)矩不協(xié)調(diào)可能造成整個系統(tǒng)失穩(wěn)的嚴(yán)重后果，并且通過轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系數(shù)方法解決該問題．另外，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)問題也可以借鑒模式切換過程中協(xié)調(diào)控制的思想，即采用電機(jī)輔助控制，協(xié)助響應(yīng)性能較慢的發(fā)動機(jī)工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改善動態(tài)過程車輛性能的目的．

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由于其特殊的多功率流耦合特性，在其動態(tài)響應(yīng)過程中，多功率流的交互作用與動態(tài)特性的影響更為顯著．例如車輛在混合驅(qū)動模式下，從15 km/h向25 km/h過渡的過程中，發(fā)動機(jī)、電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩值都應(yīng)該發(fā)生變化．以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為例，在車輛15 km/h車速時，發(fā)動機(jī)經(jīng)過優(yōu)化策略得到的轉(zhuǎn)速為1 382 r/min，在25 km/h車速時，發(fā)動機(jī)速度為1 676 r/min．發(fā)動機(jī)需要在這一過程中提高轉(zhuǎn)速，理想的調(diào)速狀態(tài)如圖1所示，車輛在40 s時開始速度變化，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在40 s時立即由1 382 r/min變?yōu)? 676 r/min．但實(shí)際的動態(tài)響應(yīng)過程并非如此，圖1為未加入?yún)f(xié)調(diào)控制時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)過程，從圖1中可以看出，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速要經(jīng)歷40 s左右的時間才能從1 382 r/min變?yōu)? 676 r/min，而且，這一過程中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相對1 676 r/min有很大的偏差，這樣的偏差直接導(dǎo)致了這40 s內(nèi)系統(tǒng)性能的惡化．本文的目的為縮短動態(tài)響應(yīng)時間，減小動態(tài)響應(yīng)過程中各狀態(tài)量相對于目標(biāo)狀態(tài)量的波動量．

圖1　發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速期望、實(shí)際動態(tài)響應(yīng)

本文針對混聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在當(dāng)前模式下對其運(yùn)行工況發(fā)生變化時系統(tǒng)各狀態(tài)量的變化進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，提出模式內(nèi)多動力協(xié)調(diào)控制算法．利用系統(tǒng)耦合關(guān)系，采用B電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑa(bǔ)償了電機(jī)A及發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制過程中的動力損失，提高了段內(nèi)狀態(tài)變化的速度，減小了動態(tài)響應(yīng)過程中狀態(tài)點(diǎn)相對穩(wěn)態(tài)優(yōu)化點(diǎn)的波動．通過仿真對該協(xié)調(diào)算法進(jìn)行了驗(yàn)證．

1　混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的行星機(jī)構(gòu)有行星架、齒圈、太陽輪3個自由端，分別連接混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、電動機(jī)(即圖2中電機(jī)B )、發(fā)電機(jī)(即圖2中電機(jī)A ) 3個功率部件，3個動力源輸出動力，經(jīng)行星機(jī)構(gòu)耦合，由輸出軸o輸出，驅(qū)動整車運(yùn)行．

相對于電機(jī)的快速響應(yīng)特性，發(fā)動機(jī)響應(yīng)較慢，調(diào)速較慢，制約了整個系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程中狀態(tài)變化的速度．如圖3所示，為了輔助發(fā)動機(jī)調(diào)速，需要減小發(fā)動機(jī)的負(fù)載，即減小第2個行星機(jī)構(gòu)上的內(nèi)部力矩．第1個行星機(jī)構(gòu)的行星架與第2個行星機(jī)構(gòu)的齒圈相連，因此，也需要減小第1個行星機(jī)構(gòu)的內(nèi)部力矩，可以通過減小電機(jī)A的轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)．兩個行星機(jī)構(gòu)的內(nèi)部力矩減小，導(dǎo)致兩個太陽輪上的力矩相應(yīng)減小，太陽輪與輸出軸相連，為了保證輸出軸上的力矩不變，可通過增大電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)．

圖2　混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耦合方案

圖3　某并聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)方案

在國內(nèi)代表性的協(xié)調(diào)控制［1－9］研究中，所針對的研究對象多為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，不具備在當(dāng)前模式下協(xié)調(diào)控制(主要指協(xié)同調(diào)速)的能力．以杜波的研究對象(圖3)為例［4］，在混合驅(qū)動模式下，欲輔助發(fā)動機(jī)調(diào)速，行星機(jī)構(gòu)的內(nèi)部力矩需減小，行星機(jī)構(gòu)的行星架與輸出軸相連，導(dǎo)致輸出軸力矩減小，沒有自由的動力源可以補(bǔ)充損失的力矩，因此，不能減小行星機(jī)構(gòu)的內(nèi)部力矩，即無法實(shí)現(xiàn)輔助發(fā)動機(jī)調(diào)速的功能，但其電機(jī)補(bǔ)償發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩保證輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的思想非常值得借鑒．

本文針對車輛動態(tài)響應(yīng)過程中，各動力源響應(yīng)滯后性問題，應(yīng)用電機(jī)A轉(zhuǎn)矩控制，并采用專家PID算法設(shè)計其控制器(簡稱電機(jī)A專家PID控制)，輔助發(fā)動機(jī)動態(tài)調(diào)速;由此導(dǎo)致發(fā)動機(jī)控制器本身的控制輸出作用降低的問題，采用發(fā)動機(jī)虛擬速差控制，抵消了自身控制輸出作用降低的問題;電機(jī)A、發(fā)動機(jī)的協(xié)調(diào)控制又導(dǎo)致了系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)矩波動的問題，采用電機(jī)B基于模型的補(bǔ)償控制降低了輸出軸的轉(zhuǎn)矩波動;結(jié)合3個動力源的協(xié)調(diào)控制，提出動態(tài)響應(yīng)過程中的多動力協(xié)調(diào)控制的策略．

2　系統(tǒng)動力學(xué)模型建立

2．1發(fā)動機(jī)模型

協(xié)調(diào)控制發(fā)生在發(fā)動機(jī)狀態(tài)動態(tài)變化的過程中．對電機(jī)參與協(xié)調(diào)情況下的發(fā)動機(jī)調(diào)速過程進(jìn)行仿真，需要建立發(fā)動機(jī)的動態(tài)模型．發(fā)動機(jī)是一個高度非線性系統(tǒng)，運(yùn)行機(jī)理非常復(fù)雜，難以用理論模型來準(zhǔn)確描述其運(yùn)動狀態(tài)，可以參考杜波［5］模式切換轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制中發(fā)動機(jī)的模型進(jìn)行建模．在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上(如圖4所示)，采用多項(xiàng)式擬合的方法建立發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，并用一階慣性環(huán)節(jié)對發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正，以表征其動態(tài)特性，進(jìn)而獲得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩值．本文所使用發(fā)動機(jī)為轉(zhuǎn)速控制發(fā)動機(jī)，建立發(fā)動機(jī)模型中，輸入為實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的差值，輸出為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩:

式中: Te為發(fā)動機(jī)動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，τe為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的時間常數(shù)，ne為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，Δne為發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差，f為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速約束的條件下與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速偏差之間的函數(shù)關(guān)系．

圖4　發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩數(shù)值模型

2．2電機(jī)模型

與發(fā)動機(jī)建模過程類似，電機(jī)依舊需要建立動態(tài)模型．電機(jī)A、電機(jī)B和轉(zhuǎn)向電機(jī)的建模方法相同，這里以電機(jī)A為例進(jìn)行介紹．電機(jī)模型包括機(jī)械和電氣兩部分，其中機(jī)械部分與發(fā)動機(jī)的建模方法類似．電機(jī)可以分別在4個象限工作，需要利用其發(fā)電和電動狀態(tài)下的外特性對其目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制;本文電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很快，可以利用時間常數(shù)較小的一階慣性環(huán)節(jié)來近似表示其動態(tài)特性．

式中: TA_act為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩，τA為電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間常數(shù)，TA_com為電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩．

電機(jī)的電氣部分可以等效為可控電流源，這里利用SimpowerSystem模塊來建立其電氣模型．由于電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的效率計算方法不同，因此先根據(jù)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積來判斷其工作狀態(tài)，再計算其需求功率或者發(fā)電功率，最后由實(shí)際功率值除以母線電壓即可得到電流源的電流．

2．3耦合機(jī)構(gòu)模型

耦合機(jī)構(gòu)由行星機(jī)構(gòu)、離合器、制動器組成，利用Simdriveline的現(xiàn)有模塊進(jìn)行建模，并對其具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置．其中增加了若干組轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，用于檢測操縱元件的工作狀態(tài)，便于仿真分析．離合器和制動器采用油壓控制，其工作狀態(tài)由控制策略決定．

電機(jī)B協(xié)調(diào)控制算法中會用到系統(tǒng)的動態(tài)模型，根據(jù)行星機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系、等效轉(zhuǎn)動慣量關(guān)系以及行星機(jī)構(gòu)耦合關(guān)系，可以得到系統(tǒng)的動態(tài)模型:

式中:

3　混合動力汽車段內(nèi)協(xié)調(diào)控制策略

如第一節(jié)所述，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需要升高時，可以通過降低電機(jī)A轉(zhuǎn)矩，增大電機(jī)B轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)．同理，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需要減小時，可以通過增大電機(jī)A轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)B轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)．但是，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化也會對發(fā)動機(jī)自身轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)制產(chǎn)生影響，為了抵消這一影響，采用發(fā)動機(jī)虛擬速差控制彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)自身轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的損失．電機(jī)A和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩變動，會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩波動，為了減少這一波動，采用基于模型的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制調(diào)節(jié)電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)減小輸出轉(zhuǎn)矩波動的目的．電機(jī)A、B以及發(fā)動機(jī)三者的控制作用相互影響，依據(jù)各自的控制目標(biāo)，協(xié)調(diào)三者之間的矛盾關(guān)系，制定多動力源協(xié)調(diào)控制策略．協(xié)調(diào)控制算法的流程圖如圖5所示．

圖5　段內(nèi)協(xié)調(diào)控制流程圖

3．1電機(jī)A協(xié)調(diào)控制算法

為了縮短發(fā)動機(jī)和電機(jī)向其目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化過程，并保持兩者經(jīng)過系統(tǒng)合成后的輸出轉(zhuǎn)矩波動盡可能?。梢岳秒姍C(jī)動態(tài)響應(yīng)快的特性來彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)對其轉(zhuǎn)矩控制指令響應(yīng)慢的不足．

通過功率耦合機(jī)構(gòu)耦合特性分析，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)各功率部件轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速滿足一定的穩(wěn)態(tài)約束關(guān)系，即

式中: nA為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速; nB為電動機(jī)轉(zhuǎn)速; ni為功率耦合機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)速，等于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速; no為功率耦合機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速; k為行星排特性參數(shù)．

電機(jī)A協(xié)調(diào)目的為減小自身轉(zhuǎn)矩值，輔助發(fā)動機(jī)調(diào)速．由式(2)第4行可知，電機(jī)A的轉(zhuǎn)矩對輸出軸上的轉(zhuǎn)矩影響不大，在電機(jī)B不超出自身限制時(圖6)，可以由電機(jī)B來補(bǔ)充損失．由式(3)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩方向相同時，可以促進(jìn)發(fā)動機(jī)調(diào)速，但是，在低速模式下，電機(jī)A處于發(fā)電狀態(tài)，出于對母線電流沖擊的影響，電機(jī)A的轉(zhuǎn)矩盡量不要反向．

電機(jī)A轉(zhuǎn)矩的控制策略:采用專家PID控制算法，對電機(jī)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)值進(jìn)行修正，可以克服PID控制參數(shù)單一的缺點(diǎn)，基于協(xié)調(diào)過程中的各狀態(tài)的變化規(guī)律，分區(qū)段、分結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制整個系統(tǒng)．

圖6　電機(jī)B額定特性

令e(k)表示當(dāng)前采樣時刻的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速誤差值，e(k－1)、e(k－2)分別表示前1個和前兩個采樣時刻的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速誤差值，則有

根據(jù)誤差及其變化，分5種情況設(shè)計控制器．

1)當(dāng)| e(k) |＞300 r/min時，說明誤差的絕對值已經(jīng)很大．不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)采用控制器最大輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減?。藭r相當(dāng)于開環(huán)控制，輸出為

2)當(dāng)e(k)Δe(k)≥0時，說明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化，或誤差為常數(shù)值，未發(fā)生變化．此時，如果| e(k) |＞200 r/min，說明誤差也較大，可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值，輸出為

3)當(dāng)e(k)Δe(k)＜0，Δe(k)Δe(k－1)＞0或者e=0時，說明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)．此時，可考慮變?yōu)殡姍C(jī)A目標(biāo)轉(zhuǎn)矩．輸出為

4)當(dāng)e(k)Δe(k)＜0，Δe(k)Δe(k－1)＜0時，說明誤差處于極值狀態(tài)．如果此時誤差的絕對值較大，即| e(k) |≥200 r/min，可考慮實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，輸出為

如果此時誤差的絕對值較小，即| e(k) |＜200 r/min，考慮實(shí)施較弱的控制作用，輸出為

在各種情況下電機(jī)A的控制轉(zhuǎn)矩為

式中:λ(k)為電機(jī)協(xié)調(diào)控制器中當(dāng)前采樣時刻電機(jī)A轉(zhuǎn)矩的修整系數(shù)，λ(k－1)、λ(k－2)分別表示前1個和前兩個采樣時刻的電機(jī)A轉(zhuǎn)矩的修整系數(shù);為系數(shù)輸出的調(diào)節(jié)系數(shù); kp、ki、kd為修整系數(shù)控制的PID系數(shù)，經(jīng)過反復(fù)方陣調(diào)整，其值為，kp=0．002 0，ki=0．002 1，kd=0．000 5; em(k)為誤差的第k個極值; TA_穩(wěn)為電機(jī)A的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)值，TA(k)為當(dāng)前采樣時刻電機(jī)A的控制量．

在上述策略上再加上限制，可構(gòu)成電機(jī)A協(xié)調(diào)控制算法:

當(dāng)λ(k)＞1時，取λ(k)=1．

車輛從15～25 km/h運(yùn)行的過程中，電機(jī)A的修整系數(shù)λ的取值如圖7所示．圖中車輛從40 s開始進(jìn)入動態(tài)響應(yīng)的狀態(tài)變化階段．

圖7　電機(jī)A修整系數(shù)

3．2發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制算法

通常發(fā)動機(jī)控制器只采集發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，不采集電機(jī)轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過發(fā)動機(jī)控制器，得出發(fā)動機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩值，通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的增大或減小，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的．這里存在如下問題:發(fā)動機(jī)控制器并不接收負(fù)載(電機(jī)轉(zhuǎn)矩)信號，電機(jī)為了協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，會通過改變自身轉(zhuǎn)矩的大小來調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輔助調(diào)速的目的，電機(jī)調(diào)節(jié)對發(fā)動機(jī)調(diào)速有促進(jìn)的作用，發(fā)動機(jī)通過轉(zhuǎn)速偏差的變化來解讀這一促進(jìn)作用，會在一定程度上降低發(fā)動機(jī)控制器本身的控制輸出作用．為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)．本文采用發(fā)動機(jī)虛擬速差控制來解決這一問題．虛擬速差是指對發(fā)動機(jī)控制器要接受的速差進(jìn)行處理，乘以相應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)，得到虛擬轉(zhuǎn)速偏差，發(fā)送給發(fā)動機(jī)控制器，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)自身的調(diào)節(jié)作用．

發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢，對于轉(zhuǎn)速的突然變化，發(fā)動機(jī)很難快速給出快速的響應(yīng)．同時，大的轉(zhuǎn)速差將導(dǎo)致大的轉(zhuǎn)矩輸出，在下一時刻轉(zhuǎn)速偏差變小時，控制轉(zhuǎn)矩依舊很大，造成超調(diào)的不良影響．因此，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制中，對發(fā)動機(jī)接收的虛擬轉(zhuǎn)速差進(jìn)行處理時，應(yīng)當(dāng)保證其盡量復(fù)現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速差的變化，不應(yīng)該引入額外的沖擊．可采用基于規(guī)則的平滑的速差修整系數(shù)對實(shí)際速差進(jìn)行修整，得到虛擬速差，發(fā)送給發(fā)動機(jī)控制器．

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差修整系數(shù)采用理查德S形函數(shù)曲線，如圖8所示，取值為

式中μ(k)表示當(dāng)前采樣時刻的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差修整系數(shù)．發(fā)動機(jī)控制器實(shí)際接受的速差為

圖8　發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差修整系數(shù)曲線

3．3電機(jī)B協(xié)調(diào)控制算法

上述電機(jī)A、發(fā)動機(jī)的協(xié)調(diào)控制會導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)過程中輸出軸上的轉(zhuǎn)矩波動，需要協(xié)調(diào)控制電機(jī)B來解決這一問題．

電機(jī)B協(xié)調(diào)控制的作用是保證系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，借鑒模式切換過程中電機(jī)補(bǔ)償發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩缺失的思想［4］，耦合機(jī)構(gòu)輸出軸上的需求轉(zhuǎn)矩減去發(fā)動機(jī)、電機(jī)傳遞過來的轉(zhuǎn)矩即為電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩值．但是，耦合機(jī)構(gòu)輸出軸上由發(fā)動機(jī)和電機(jī)B傳遞的轉(zhuǎn)矩值無法采集，需要在線對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)A轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測，然后通過系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推算出輸出軸上二者傳遞而來的轉(zhuǎn)矩值．由式(2)第4行可得電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩控制量為:

式中: TB(k)為電機(jī)B在當(dāng)前采樣時刻的控制量; To(k)為當(dāng)前采樣時刻的系統(tǒng)需求輸出轉(zhuǎn)矩值，由加速踏板位置、當(dāng)前車速、系統(tǒng)最大輸出功率共同決定; Te(k)為當(dāng)前采樣時刻發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩值，由式(1)發(fā)動機(jī)的動態(tài)模型得到; Tf為整車負(fù)載轉(zhuǎn)矩等效到耦合機(jī)構(gòu)輸出軸上的阻力矩，其值大小在路面坡度平穩(wěn)、車速緩慢的情況下視為常值．

電機(jī)B的協(xié)調(diào)控制方法如圖9所示．

圖9　電機(jī)B協(xié)調(diào)控制方法示意

4　仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本文所建立的控制策略，根據(jù)傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型，在MATLAB/Simulink中建立混合動力汽車的動力學(xué)仿真模型，進(jìn)行仿真分析．車輛動態(tài)響應(yīng)過程的時間較長，為了比較清晰地描述模式內(nèi)動態(tài)響應(yīng)，本文仿真過程描述車速從15～25 km/h過程中系統(tǒng)內(nèi)部的變化．

圖10(a)、(b)分別為不采用協(xié)調(diào)控制策略和采用協(xié)調(diào)控制策略兩種情況下，車輛行駛工況變化時各個動力源的轉(zhuǎn)速狀態(tài)．

圖10　動力源轉(zhuǎn)速狀態(tài)

圖10(a)中，車輛在40 s時開始狀態(tài)變化，發(fā)動機(jī)、電機(jī)有了新目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，經(jīng)過40 s左右的時間，發(fā)動機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速都到達(dá)了目標(biāo)的轉(zhuǎn)速值．在變化的過程中，電機(jī)A、B的轉(zhuǎn)速發(fā)生了大范圍的變化，偏離給定的狀態(tài)點(diǎn)很遠(yuǎn)，會造成經(jīng)優(yōu)化得到的性能指標(biāo)大幅變差的不良影響．如果車輛不經(jīng)常處于狀態(tài)變換的工況，那么系統(tǒng)動力源的轉(zhuǎn)速只有在相對較短的狀態(tài)變換過程時偏離給定點(diǎn)，這樣造成的優(yōu)化目標(biāo)惡化的程度有限．如果車輛的狀態(tài)變換頻繁，系統(tǒng)不斷地處于狀態(tài)變換的工況，各動力源的轉(zhuǎn)速會一直處于偏離給定目標(biāo)值較大的狀態(tài)，將會對系統(tǒng)需要優(yōu)化的性能產(chǎn)生較大程度的不良影響．由于系統(tǒng)自身響應(yīng)特性的限制，狀態(tài)變換只能是一個過程，不可能瞬間完成，因此狀態(tài)變換引起的性能指標(biāo)惡化必不可少，尤其是在工況變換頻繁的環(huán)境里．如果狀態(tài)變換的過程可以縮短，而且該過程中各個狀態(tài)量與目標(biāo)值的偏差又不是很大，則可以有效地降低工況變換過程中的性能指標(biāo)損失．相對于圖(a)，加入?yún)f(xié)調(diào)控制的圖(b)中狀態(tài)變換時間短了46．19%，相對于無協(xié)調(diào)控制，有協(xié)調(diào)控制情況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速偏差減少54．48%，電機(jī)A轉(zhuǎn)速偏差減少59．57%，電機(jī)B轉(zhuǎn)速偏差增加7．28% (計算方法為二者累積的偏差的平方和之差除以未加入?yún)f(xié)調(diào)控制的累積偏差和)．協(xié)調(diào)控制的效果明顯優(yōu)于無協(xié)調(diào)控制的效果．

圖11(a)、(b)分別為不采用協(xié)調(diào)控制策略和采用協(xié)調(diào)控制策略兩種情況下車輛行駛工況變化時，各個動力源的轉(zhuǎn)矩狀態(tài)．圖11(a)中電機(jī)A的轉(zhuǎn)矩快速到達(dá)目標(biāo)值，發(fā)動機(jī)、電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩經(jīng)歷了較長的時間以及較大的波動才到達(dá)目標(biāo)值，如上所述，會對優(yōu)化性能造成較大的不利影響．其中，相對于圖11 (a)，圖11 (b)中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩波動減小47．86%，電機(jī)A轉(zhuǎn)矩波動減小42．02%，電機(jī)B轉(zhuǎn)矩波動增加18．14%．電機(jī)B因?yàn)橐a(bǔ)償發(fā)動機(jī)和電機(jī)A協(xié)調(diào)控制的損失，轉(zhuǎn)矩波動有所增加，但增加的幅度遠(yuǎn)比發(fā)動機(jī)和電機(jī)A減小的幅度?。C明了電機(jī)B在其轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)可以完成對輸出轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償作用．

圖11　動力源轉(zhuǎn)矩狀態(tài)

圖12(a)、(b)分別為采用協(xié)調(diào)控制策略和不采用協(xié)調(diào)控制策略兩種情況下車輛行駛工況變化時，車輛的沖擊度變化狀態(tài)．對比兩圖可以看出，圖12(a)中的沖擊度相對于圖12(b)有一定的改善，但改善程度有限．主要原因有二，一是車輛突然加速時必然存在沖擊度的出現(xiàn)，而且駕駛員模型的非智能操作也對此產(chǎn)生的一定的影響．二是考慮到建模與實(shí)際系統(tǒng)的差距，本文用于控制器設(shè)計的數(shù)學(xué)模型與用于仿真的simulink模型存在刻意的不一致．這樣，經(jīng)過傳動效率以及延遲的影響，B電機(jī)協(xié)調(diào)控制算法得出的轉(zhuǎn)矩并不能精確的等于需要補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩，所以對車輛沖擊度的改善不明顯．解決的辦法是準(zhǔn)確估計輸出軸上的轉(zhuǎn)矩，由實(shí)際需求轉(zhuǎn)矩減去輸出軸轉(zhuǎn)矩即為B電機(jī)應(yīng)該額外補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩．相對于圖12(a)，圖12(b)中的沖擊度下降21．86%．

圖12　車輛沖擊度狀態(tài)

圖13為只加入電機(jī)協(xié)調(diào)控制的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，對比圖10、11，此時的控制效果介于二者之間，說明發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制對控制需要的結(jié)果可以產(chǎn)生有利的影響．

圖13　只加入電機(jī)協(xié)調(diào)控制的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩狀態(tài)

5　結(jié)　論

1)電機(jī)A采用專家PID協(xié)調(diào)控制，一定程度上克服了PID控制參數(shù)單一性的缺點(diǎn)，根據(jù)不同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差協(xié)調(diào)控制電機(jī)A的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了輔助發(fā)動機(jī)調(diào)速的目的．

2)發(fā)動機(jī)采用虛擬速差協(xié)調(diào)控制，增大發(fā)動機(jī)控制器接收的速差反饋信號，加強(qiáng)了發(fā)動機(jī)自身的調(diào)速效果，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)自身主動快速調(diào)速的目的．

3)電機(jī)B采用基于模型的輸出轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制，在電機(jī)A輔助發(fā)動機(jī)調(diào)速的同時，補(bǔ)償電機(jī)A以及發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，保證輸出轉(zhuǎn)矩的需求量，在一定程度上降低了系統(tǒng)的沖擊度．

參考文獻(xiàn)

［1］李孟海，羅禹貢，楊殿閣，等．基于模型匹配控制的PHEV動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法［J］．汽車工程，2007，29 (3) : 203－207．

［2］童毅．并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題的研究［D］．北京:清華大學(xué)，2004．

［3］杜波，秦大同，段志輝，等．新型并聯(lián)式混合動力汽車模式切換協(xié)調(diào)控制［J］．中國機(jī)械工程，2011，23(6) : 739－744．

［4］杜波，秦大同，段志輝，等．新型混合動力汽車動力切換動態(tài)過程分析［J］．汽車工程，2011，33(12) : 1018－1023．

［5］杜波，秦大同，段志輝．HEV多領(lǐng)域物理建模與模式切換控制仿真系統(tǒng)［J］．仿真學(xué)報，2013，25(7) : 1668－1674．

［6］WEI Hanbing，QIN Datong，CHEN Shujiang．Multipleobjective stochastic optimal control strategy for the fuel consumption and emissions of full hybrid electric vehicle ［J］．Automotive Engineering，2014，36(8) : 923－928．

［7］WANG Lei，ZHANG Yong，SHU Jie，et al．Coordinated control for a series-parallel hybrid electric bus during EV/ HEV mode transition［J］．WSEAS Transactions on Circuit and Systems，2012，6(11) : 198－209．

［8］冀爾聰．并聯(lián)式混合動力汽車模式切換中的協(xié)調(diào)控制問題研究［D］．長春:吉林大學(xué)，2006．

［9］PENG Silun，YAN Yunbing．Steady-state model research of nine degrees of freedom for electric vehicle with motorized wheels［C］/ /International Conference on Digital Manufacturing＆Automation．Changsha: ICDMA，2010: 415－418．

［10］KOPRUBAIS K，WESTERVELT E，RIZZONI G．Toward the systematic design of controllers for smooth hybrid electric vehicle mode change［C］/ /Proceedings of the 2007 American Control Conference．New York: AACC，2007: 2985－2990．

［11］ROY I，ROBERT D．Engine torque ripple cancellation with an integrated starter alternator in a hybrid electric vehicle: implementation and control［J］．IEEE Transactions on Industry Application，2003，96(6) : 1765－1774．

［12］AKIHIRO K，TETSUYA A，SHOICHI S．Driving force control of a parallel-series hybrid system［J］．JSAE Review，1999 (20) : 337－341．

［13］SAIJAD F，F(xiàn)RANCIS A．The role and use of robust multivariable control in hybrid electric vehicle energy management-Part I: an overview［C］/ /IEEE International Conference on Control Applications．Dubrovnik: CCA，2012: 303－309．

［14］SAIJAD F，F(xiàn)RANCIS A．The role and use of robust multivariable control in hybrid electric vehicle energy management-part II: application［C］/ /IEEE International Conference on Control Applications．Dubrovnik: CCA，2012: 317－322．

［15］WANG Weida，HAN Lijin，XIANG Changle，et al．Synthetical efficiency-based optimization for the power distribution of power-split hybrid electric vehicles［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2014，27(1) : 58－68．

(編輯楊波)

Torque coordinated control for the multi power in parallel-series HEV

WEN Boxuan1，2，WANG Weida1，2，XIANG Changle1，2，ZHAO Yulong1，2
(1．School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，100081 Beijing，China; 2．National Key Lab of Vehicular Transmission，(Beijing Institute of technology)，100081 Beijing，China )

Abstract:The relative slow responding speed of system Electro-mechanical system，which is caused by the inertia and response lag of the engine and motors，results that the target points optimized through the upper control strategy cannot be tracked quickly and precisely．A coordinate strategy for electro-mechanical system based on dynamic response models of power sources and the mechanical system is present．The expert PID control and Model compensation control are used on Motor A and Motor B respectively，besides the engine adapts the virtual speed difference control．Furthermore，the dynamic response of state parameters can follow the optimized-state points well．The simulation results indicate that the desired control characteristic of coordinate control strategy is validated and the torque and rotation speed fluctuations of the motors and engine decrease significantly．

Keywords:parallel-series HEV; dynamic response; coordinated control; expert PID control; torque compensation control

通信作者:王偉達(dá)，wangwd0430@ 163．com．

作者簡介:溫博軒(1987—)，男，博士研究生;項(xiàng)昌樂(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師．

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51005017)．

收稿日期:2014－10－15．

doi:10．11918/j．issn．0367-6234．2016．01．011

中圖分類號:U469．72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367－6234(2016) 01－0072－08