[发明专利]一种行星多挡混合动力系统模式切换控制方法

权利要求书

1.一种行星多挡混合动力系统模式切换控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先，针对第一类模式切换过程进行阶段划分，并根据每个阶段的传动系统特征进行动力学建模；

混合驱动模式下，离合器CL1与CL2均分离，发动机进行动力输出，电机MG1发电，电机MG2电动；发动机直驱模式下，离合器CL1分离，离合器CL2锁止，发动机工作在驱动状态，电机MG1和电机MG2均停机，发动机单独输出动力；为减少车辆的纵向冲击，应在两工作模式之间增设一过渡模式，以期实现模式的平稳切换；

该模式切换的过渡过程包含如何通过离合器的滑磨将MG1电机锁止，MG2电机与发动机各异响应特性下的协调变化，以及离合器结合后发动机如何实现单独平稳驱动等关键问题，因此，需要制定合理的模式切换协调控制策略，减少动力系统输出转矩的不平稳以及车辆的纵向冲击，从而实现由混合驱动模式到发动机直驱模式的“无缝”衔接；

基于模式划分，建立Simulink模型；

然后，结合工程中常用协调控制策略的特点，探究模式切换参数影响规律，形成了行星多挡混合动力系统模式切换过程的分层控制问题描述；

一是建立的普通模式切换协调控制策略，根据动力系统不同时刻的MG1电机转速变化特征，将模式切换过程划分为三个子阶段：阶段I，“MG1电机快速同步”；阶段II，“MG1电机转速维持”；阶段III，“离合器单独调控MG1转速”；

每一阶段下的基本动作控制目标为：

阶段I：接收到模式切换指令后，发动机转速在PID控制器作用下进行调速，MG1电机转速，即太阳轮处转速逐渐减少，为减少离合器的作动时间与滑磨功，此过程离合器不工作，MG2电机动力退出，发动机转矩用于维持驱动需求；

阶段II：在MG1电机转速降低至阈值转速1时，考虑到离合器动态过程以及离合器转矩与MG1转矩的协调控制难度，为保证行星齿轮机构的稳定状态，使MG1电机转速维持，重点关注离合器转矩的建立与MG1电机转矩的平稳变化；

阶段III：离合器转矩建立且MG1电机转矩完全退出后，由离合器单独调节MG1电机转速；当MG1电机转速接近为零时，离合器完全结合，可认为混合动力系统“混合驱动→发动机直驱”模式切换过程完成且动力系统协调控制结束，进入到发动机直驱模式；

基于以上模式切换协调控制思想，利用Simulink平台搭建控制策略模型，并以此对行星多挡混合动力系统进行集成仿真，验证建立模型的准确性；

基于此，探究模式切换参数影响规律，对该系统模式切换过程的控制问题描述，主要包括：转速PID调节参数，转速阈值以及比例电磁阀占空比等参数；

最后，基于模式切换问题分析，提出一种一种行星多挡混合动力系统模式切换控制算法；

在行星多挡混合动力系统由混合驱动模式切换至发动机直驱模式的动态过程中，参数摄动以及不确定性干扰问题会影响优化控制的准确性，严重时甚至使控制失效，探究具有良好实时应用效果的高效鲁棒性控制器是解决模式切换难题的关键途径；

本发明最终的控制思想为：以滑模控制为核心控制算法，外环以发动机直驱模式的发动机转速作为参考目标，结合行星排齿圈到驱动轮的动力学方程，求解发动机转矩最优控制序列；内环以发动机实际转矩为已知量，协调控制太阳轮处转矩，并完成太阳轮转矩的分配；内环与外环控制相结合，共同保证模式切换过程平稳过渡；

一是，外环发动机转矩控制；

在进行外环发动机转矩控制时，可将系统建模误差与外部扰动，例如路面干扰，MG2电机转矩归入统一干扰项d₁，且d₁有界；将发动机转速ω_e作为状态量，发动机转矩T_e作为控制量，因此，外环行星齿轮机构至驱动轮的动力学方程可修改为：

其中，d₁＝T_mi_gi₀-δma-T_f；

由于模式切换过程的控制目标实际上是对于发动机参考转速的跟踪问题，因此滑模控制器的跟踪误差定义为实际发动机转速与参考发动机转速之差，即

e₁＝ω_e-ω_ed

对于滑模控制系统，首先需要设计超平面，以保证系统在超平面上的运动是稳定的；根据动力学方程可知，系统的相对阶为1，由此，设计滑模面函数为：

其次，需要构造合理的控制律，使滑模面以外的运动点在有限时间内快速到达滑模面上；对于理想的滑动模态，系统进入滑模状态后等效控制输入应满足如下条件：

将上式带入到下式中，可得：

进一步推导：

由此，滑模控制的等价控制律u_eq1为：

从式中可以看出，外部干扰d₁的存在，导致实际系统无法单纯依靠等效控制稳定在滑模面；为克服不确定性影响，引入如下切换控制律u_sw1：

u_sw1＝-η₁sgn(s₁)

在实际控制中，滑模控制器存在的高频抖振问题主要是由符号函数sgn(s₁)的不连续性引起；为解决该问题，本文采用双曲正切函数代替传统的符号函数，则到达控制律可修改为：

u_sw1＝-η₁tanh(s₁)

综上，将等效控制律与到达控制律合并，可得到模式切换过程协调控制律可以表示为：

为使切换面在有限时间内趋于0，需要满足可达条件，即即当滑模面s₁＜0时，通过来增加s₁；反之，当滑模面s₁＞0时，通过来减小s₁，由此来满足可达条件；

定义模式切换过程的Lyapunov函数为：

对式11求导，则有：

将控制律带入，最终得到：

当s₁＝0时，当s₁≠0时，因此，所设计滑模控制器满足滑模面可达性，系统在有限时间内能够保证渐进稳定；

从控制律可以看出，滑模控制器的鲁棒性由增益系数η₁保证；为防止外部干扰较大导致系统轨迹在边界层内外来回穿越，传统方法多通过增大增益系数的方法对干扰进行包络；然而，过大的固定增益系数会降低输出量的反馈效应，造成跟踪效果不佳的问题；此外，外部干扰具有时变性且很难预测，加大了增益系数的选取难度；模糊控制可用于表达难以精确定量表达的规则，在描述难以精确建模的变量上具有独特优势；基于以上分析，本节模糊滑模控制器的设计过程如下：

设定模糊输入量为滑模面及其导数的乘积输出量为Δη₁；输入模糊子集与输出子集均定义为{NB,NS,ZO,PS,PB}，其中，NB,NS,ZO,PS,PB分别代表负大，负小，零，正小与正大；

模糊控制规则设计为：

输入与输出的隶属度函数采用常用的三角型函数，模糊推理方法采用Mandani法，最后通过重心法对输出进行反模糊化；模糊控制虽然通过柔化增益系数，实现减弱抖振的目的，但其模糊规则及隶属度函数的制定仍是人为反复试凑得到；因此，为进一步提高模糊滑模控制器的控制精度，拟采用智能优化算法对隶属度函数进行优化；模拟退火算法在处理此类问题时具有良好的鲁棒性，应用此算法优化隶属度函数，可提升系统状态趋近滑模面过程的动态品质；

对于本发明的三角型隶属度函数，最常见的优化变量为隶属度函数对应的顶点位置；去除掉首尾两顶点位置，利用遗传算法对L₂、L₃和L₄进行优化；即以等腰三角型的中心顶点作为初始种群进行编码，随后，评估求解种群中个体的适应度值，即目标函数；然后，执行迭代选择、交叉和变异操作，直到满足特定的终止条件，得到满足性能要求的最优参数后停止迭代；其中，适应度函数用于准确描述控制器的趋紧跟踪效果，本发明以发动机转速跟踪误差绝对值的平方积分作为性能指标，具体表示为：

二是、内环太阳轮转矩控制；

在进行内环发动机转矩控制时，可将系统建模误差与外部扰动(离合器参数时变等)归入统一干扰项d₂；将发动机转速ω_e作为状态量，MG1电机和离合器CL2转矩之和T_g+T_c2作为控制量，因此，内环行星齿轮机构的动力学方程可修改为：

定义内环的跟踪误差为e₂＝ω_e-ω_ed；构造滑模面函数为：

同样，计算等效控制律时需要满足条件：

带入到跟踪误差，

进一步推导：

由此，可以得到此阶段滑模控制的等效控制律u_eq2为：

同样，设置到达控制律：u_sw2＝-η₂tanh(s₂)

综上，将等效控制律与到达控制律合并，可得到模式切换过程协调控制律可以表示为：

为了提升内环滑模控制器的控制效果，采用与外环滑模控制相同的改进方法，利用遗传算法对模糊控制的隶属度函数进行优化，从而达到自适应滑模控制规则的目的。