[发明专利]汽车队列优化控制的方法及系统

权利要求书

1.一种汽车队列优化控制的方法，其特征在于，包括：

选取车间信息流拓扑结构，根据所述车间信息流拓扑结构构建车辆的离散动力学模型；

在满足间距约束、速度约束、加速度约束以及电机扭矩约束的条件下，通过所述离散动力学模型构建第一节能控制目标函数；

根据约束转化函数对所述间距约束和所述速度约束进行状态约束，再结合所述第一节能控制目标函数得到多目标函数，根据所述多目标函数得到第二节能控制目标函数；

通过所述第二节能控制目标函数构建预测模型，通过所述预测模型对汽车队列进行优化控制；

其中，所述车间信息流拓扑结构选取为前车-领航者跟随模式，将一辆领航车与j辆跟随车的合集定义为车辆队列，每辆车可以接收到领航车和相邻车辆的信息，则在时刻k车辆i的离散动力学模型包括：

其中，Δt表示离散时间间隔，s_i(k)、v_i(k)、a_i(k)分别代表车辆i的位置、速度、加速度，i，j都为正整数；则有车辆i的加速度a_i(k)表示为：

其中，m_i、δ_i分别表示车辆i的质量系数、旋转惯量系数，F_i表示车辆i的驱动力，F_i,r(k)表示车辆i的综合阻力，综合阻力F_i,r(k)包括车辆i的空气阻力、滚动阻力和坡度阻力，综合阻力F_i,r(k)表示为：

其中，g表示重力加速度，f表示滚动阻力系数，θ_i表示车辆i的道路坡度角，ρ表示空气密度，A_i表示车辆i的横截面积，C_d,i表示车辆i的空气阻力系数，v_i表示车辆i的速度，M_i表示车辆i的质量；

则由式(1)至式(3)可得到车辆i在时刻k的离散状态方程为：

x_i(k+1)＝x_i(k)+f_i(x_i(k),u_i(k)).Δt (4)；

其中，u_i(k)表示控制输入，在式(4)中u_i(k)＝a_i(k)、且

所述间距约束由车辆之间的间距范围d_i(k)表示，具体为：d_i,min≤d_i(k)≤d_i,max (6)，其中d_i,min和d_i,max分别表示车辆i与相邻车辆之间被允许的最小间距和最大间距；

所述速度约束表示为：v_i,min≤v_i(k)≤v_i,max (7)，

其中v_i,min和v_i,max分别表示车辆i被允许的最小车速和最大车速；

所述加速度约束表示为：a_i,min≤a_i(k)≤a_i,max (8)，

其中a_i,min和a_i,max分别表示车辆i被允许的最小加速度和最大加速度；

所述电机扭矩约束表示为：T_i,min≤T_i(k)≤T_i,max (9)，

其中T_i,min和T_i,max分别表示车辆i被允许的最小期望驱动转矩和最大期望驱动转矩；

在式(6)至式(9)表示的约束条件的前提下，可得到车辆i的第一节能控制目标函数则其中,u_i(:|k)＝[u_i(0|k),u_i(1|k),...,u_i(n|k),...,u_i(N_q-1|k)],u_i(:|k)表示控制输入，N_q表示车辆i从时刻k起所运行的所有离散时间段的总长度，fuel_i(n|k)表示车辆在第n个离散时间段中所消耗的能量；

所述约束转化函数BSF(z)表示为：其中α＞0，β≥1，N为正整数，z表示频带，且z_min和z_max分别表示频带下限和频带上限；

根据式(11)对所述间距约束和速度约束进行状态转化，得到：

其中，α_i,d,α_i,v＞0，β_i,d,β_i,v≥1，N_i,d,N_i,v都为正整数，ef_d、ef_v分别表示间距约束的正补偿因子、速度约束的正补偿因子；

则由式(10)至式(13)可得到时刻k到时刻(k+N_q)的步长内的多目标函数为：

其中，γ_i、ξ_i、表示权重系数；

则根据所述多目标函数得到第二节能控制目标函数为：

其中，

则及T_i^p(n|k)都表示预测变量；表示车辆i消耗总能量的预测变量；表示假定变量。

2.一种汽车队列优化控制的系统，其特征在于，包括：

离散模型构建模块，选取车间信息流拓扑结构，根据所述车间信息流拓扑结构构建车辆的离散动力学模型；

第一控制函数构建模块，在满足间距约束、速度约束、加速度约束以及电机扭矩约束的条件下，通过所述离散动力学模型构建第一节能控制目标函数；

第二控制函数构建模块，根据约束转化函数对所述间距约束和所述速度约束进行状态约束，得到多目标函数，根据所述多目标函数得到第二节能控制目标函数；

预测控制模块，通过所述第二节能控制目标函数构建预测模型，通过所述预测模型对汽车队列进行优化控制；

其中，所述车间信息流拓扑结构选取为前车-领航者跟随模式，将一辆领航车与j辆跟随车的合集定义为车辆队列，每辆车可以接收到领航车和相邻车辆的信息，则在时刻k车辆i的离散动力学模型包括：

其中，Δt表示离散时间间隔，s_i(k)、v_i(k)、a_i(k)分别代表车辆i的位置、速度、加速度，i，j都为正整数；则有车辆i的加速度a_i(k)表示为：

其中，m_i、δ_i分别表示车辆i的质量系数、旋转惯量系数，F_i表示车辆i的驱动力，F_i,r(k)表示车辆i的综合阻力，综合阻力F_i,r(k)包括车辆i的空气阻力、滚动阻力和坡度阻力，综合阻力F_i,r(k)表示为：

其中，g表示重力加速度，f表示滚动阻力系数，θ_i表示车辆i的道路坡度角，ρ表示空气密度，A_i表示车辆i的横截面积，C_d,i表示车辆i的空气阻力系数，v_i表示车辆i的速度，M_i表示车辆i的质量；

则由式(1)至式(3)可得到车辆i在时刻k的离散状态方程为：

x_i(k+1)＝x_i(k)+f_i(x_i(k),u_i(k)).Δt (4)；

其中，u_i(k)表示控制输入，在式(4)中u_i(k)＝a_i(k)、且

所述间距约束由车辆之间的间距范围d_i(k)表示，具体为：d_i,min≤d_i(k)≤d_i,max (6)，其中d_i,min和d_i,max分别表示车辆i与相邻车辆之间被允许的最小间距和最大间距；

所述速度约束表示为：v_i,min≤v_i(k)≤v_i,max (7)，

其中v_i,min和v_i,max分别表示车辆i被允许的最小车速和最大车速；

所述加速度约束表示为：a_i,min≤a_i(k)≤a_i,max (8)，

其中a_i,min和a_i,max分别表示车辆i被允许的最小加速度和最大加速度；

所述电机扭矩约束表示为：T_i,min≤T_i(k)≤T_i,max (9)，

其中T_i,min和T_i,max分别表示车辆i被允许的最小期望驱动转矩和最大期望驱动转矩；

在式(6)至式(9)表示的约束条件的前提下，可得到车辆i的第一节能控制目标函数则其中，u_i(:|k)＝[u_i(0|k),u_i(1|k),...,u_i(n|k),...,u_i(N_q-1|k)],u_i(:|k)表示控制输入，N_q表示车辆i从时刻k起所运行的所有离散时间段的总长度，fuel_i(n|k)表示车辆在第n个离散时间段中所消耗的能量；

所述约束转化函数BSF(z)表示为：其中α＞0，β≥1，N为正整数，z表示频带，且z_min和z_max分别表示频带下限和频带上限；

根据式(11)对所述间距约束和速度约束进行状态转化，得到：

其中，α_i,d,α_i,v＞0，β_i,d,β_i,v≥1，N_i,d,N_i,v都为正整数，ef_d、ef_v分别表示间距约束的正补偿因子、速度约束的正补偿因子；

则由式(10)至式(13)可得到时刻k到时刻的步长内的多目标函数为：

其中，γ_i、ξ_i、表示权重系数；

则根据所述多目标函数得到第二节能控制目标函数为：

其中，

则及T_i^p(n|k)都表示预测变量；表示车辆i消耗总能量的预测变量；表示假定变量。