基于魯棒控制的超輕度混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略

王 謙，張伯俊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

基于魯棒控制的超輕度混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略

王 謙，張伯俊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

對(duì)金屬帶式無(wú)級(jí)變速CVT的工作原理進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出其動(dòng)力學(xué)方程，利用基于魯棒性的控制器對(duì)CVT中的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)進(jìn)行控制，并在Matlab下構(gòu)建控制模型，在硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：基于魯棒性的PID控制算法是有效的，可通過(guò)調(diào)節(jié)目標(biāo)系統(tǒng)夾緊力和實(shí)際系統(tǒng)夾緊力之間的差值，大幅度提升傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度，并且可以明顯改善整車的加速性能和縮短制動(dòng)時(shí)間。

混合動(dòng)力；無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)；魯棒性；硬件在環(huán)仿真

超輕度混合動(dòng)力汽車的研究是混合動(dòng)力車輛研究的一個(gè)新興問(wèn)題和熱點(diǎn)，它采用功率比現(xiàn)有的混合動(dòng)力汽車更小的小功率電機(jī)作為輔助動(dòng)力源，其傳動(dòng)系統(tǒng)是以新型的回流式無(wú)極變速系統(tǒng)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)具有超大的速比調(diào)節(jié)范圍，在性能方面，超輕度混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)除了具有發(fā)電、起動(dòng)一體化輕度混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)怠速起停和制動(dòng)能量回收的特性外，還可以在進(jìn)出車位以及交通阻塞等汽車爬行工況下使用電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)[1]。本文將利用基于魯棒性的PID控制器對(duì)其中的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等控制目標(biāo)進(jìn)行控制，研發(fā)更為實(shí)用的控制策略，以改善現(xiàn)有混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)特性。

1 工作模式的確定

回流式無(wú)級(jí)變速器裝置是由金屬帶無(wú)級(jí)調(diào)速裝置、定速比齒輪副、行星排、3組離合器、單項(xiàng)離合器和制動(dòng)器組成[1]。超輕度混合傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)特性分別如圖1和圖2所示。根據(jù)超輕度混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)的工作模式可分為起步工作模式以及驅(qū)動(dòng)工作模式[2]。起步工作模式包括怠速起停工況、傳統(tǒng)起步工況和爬行起步工況。驅(qū)動(dòng)工作模式包括超低速行駛工況、低速充電行駛工況和正常行駛工況、能量回收行駛工況以及倒車行駛工況[3]。表1為不同工況模式下其傳動(dòng)系統(tǒng)的操作特性。

圖1 防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

圖2 超輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)特性

表1 超輕度混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的操作特性

2 金屬帶式CVT原理和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

由圖1可知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行車速控制。同時(shí)利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)比電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)慢的特點(diǎn)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速的耦合控制[3]。金屬帶式CVT的狀態(tài)方程為：

式中：J為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，下標(biāo)m、g、e、分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)；δ為等效旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；TL為地面阻力矩；Te為飛輪轉(zhuǎn)矩；Tm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Tg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；k為變速箱傳動(dòng)比；rω為車輪靜力半徑；C為行星齒輪機(jī)構(gòu)特性參數(shù)，可采用式進(jìn)行計(jì)算；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)速度；m為整車質(zhì)量；V為車速。將方程等效成以下形式：

式中：

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；Aω為整車迎風(fēng)面積；α為道路坡度。

3 控制器的設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)具備魯棒特性時(shí)，其具有以下特性：①較低的靈敏度；②在參數(shù)的變化范圍內(nèi)是穩(wěn)定的；③在控制系統(tǒng)出現(xiàn)一組變化時(shí)，系統(tǒng)性能可以保持滿足指標(biāo)要求。魯棒性是對(duì)分析和設(shè)計(jì)階段未考慮到的影響因素，如擾動(dòng)、測(cè)量噪聲等，系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠克服這些不利影響，從而達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)的能力。圖3中虛線框表示基于魯棒性的PID控制器[4]。

圖3 PID控制器結(jié)構(gòu)

圖中，Vref∈R（2）為控制系統(tǒng)參考輸入向量（參考車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）；U（t）∈R（2）為控制系統(tǒng)輸入控制向量（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩）；y（t）∈R（2）為控制系統(tǒng)控制輸出向量（實(shí)際車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）[5]。

通過(guò)計(jì)算，得到相應(yīng)的ei（i=0，1，2）。將線性反饋定義為相應(yīng)的函數(shù)，將位于誤差原點(diǎn)附近的反饋設(shè)計(jì)成線性的，以解決線性組合導(dǎo)致的過(guò)渡速度與超調(diào)之間的矛盾。

根據(jù)控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，找出魯棒性較好的一組參數(shù)[6-7]。最后取ao=a1=0.5，a2=1.5，a3=5。

在式（2）中，A、B為滿秩矩陣，不考慮車速的影響，對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行線性化處理，通過(guò)相應(yīng)的控制方法，可得出線性反饋控制律為：

將上式和圖3相結(jié)合，便構(gòu)成了基于魯棒性控制的PID控制器結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 基于魯棒性的金屬帶式CVT的PID控制框圖

其中，基于魯棒性的PID組合為：

4 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)及結(jié)論

硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)是將實(shí)際物理模型與計(jì)算機(jī)虛擬模型相結(jié)合的半物理仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其包括CVT實(shí)物、主機(jī)、工控機(jī)、控制柜，信號(hào)采集卡及其接口板等組成。仿真時(shí)，主機(jī)上建立的仿真模型輸?shù)焦た貦C(jī)上，由工控機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行仿真。具體仿真參數(shù)為：整車質(zhì)量2 100 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.723 kg·m2，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.441kg·m2，空氣阻力系數(shù)為0.6，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)1.06，行星排特性參數(shù)2.5。在模型中，控制輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、參考輸入車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等；系統(tǒng)輸出為實(shí)際車速和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。仿真條件為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩和檔位確定的條件下，參考轉(zhuǎn)速?gòu)? 900 r/min左右開(kāi)始，經(jīng)過(guò)6 s達(dá)到1 300 r/min左右，持續(xù)12 s后，變?yōu)? 500 r/min左右，參考車速?gòu)?0 km/h開(kāi)始，持續(xù)6 s后，變?yōu)?1 km/h左右，圖5為基于魯棒性的PID與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速圖。

從以上結(jié)果得出下列結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)PID控制方法相比，基于魯棒性的控制方法的響應(yīng)速度有了較大提升（提升了2～3 s），并且當(dāng)車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，基于魯棒性控制的適應(yīng)性更強(qiáng)，響應(yīng)速度加快，從而能盡快與目標(biāo)轉(zhuǎn)速或車速相吻合，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，而傳統(tǒng)PID適應(yīng)性較差，響應(yīng)時(shí)間改善不明顯。

（2）2種控制方法經(jīng)過(guò)一定過(guò)渡后都會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，但是基于魯棒控制方法的車速穩(wěn)定在11～12 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500～1 600 r/min，而傳統(tǒng)的PID控制方法則在13km/h、1800r/min左右達(dá)到穩(wěn)定。可見(jiàn)，基于魯棒性的PID控制策略更好地消除了靜態(tài)誤差。

圖5 基于魯棒的PID與傳統(tǒng)PID控制比較

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)超輕度混合動(dòng)力車輛傳動(dòng)系統(tǒng)工作模式的分析，推導(dǎo)出了傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而建立了金屬帶式CVT的PID控制器模型。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的PID控制器相比，基于魯棒性的PID控制策略可將響應(yīng)速度提升2～3 s，并具有較好的抗擾動(dòng)性和適應(yīng)性，在經(jīng)歷了相應(yīng)的擾動(dòng)后，可將車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一個(gè)更貼近目標(biāo)值的較低狀態(tài)，即基于魯棒性的PID控制策略可以更好地消除傳動(dòng)過(guò)程中的靜態(tài)誤差。

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Control strategy of super mild hybrid electric vehicle drive system based on robust control

WANG Qian,ZHANG Bo-jun
（School of Auomotive and Tansportation,Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

The principle of the metal belt type continuously variable CVT is analyzed to derive the kinetic equation of it. The vehicle speed and engine speed are used as target by a robust controller for the CVT controlling and the control model in the Matlab is established to realize the simulation in the hardware in the loop test bench.The simulation results show that the robust PID control algorithm is effective，which can greatly improve the system stability，response speed，dynamic characteristics and so on，and can also improve the accelerated performance significantly and reduce the braking time.

hybrid；CVT；robust；simulation of hardware in the loop

U469.7

A

2095－0926（2015）01－0018－03

2014-12-16

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（14JCTPJC00519）.

王 謙（1989—），男，碩士研究生；張伯?。?956—），男，教授，博士，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)及控制.