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原文传递基于时滞预估和干扰补偿的功率分流式混合动力汽车协调控制研究

论文题名：	基于时滞预估和干扰补偿的功率分流式混合动力汽车协调控制研究
关键词：	混合动力汽车;功率分流机构;模式切换;时变时滞;外界干扰;协调控制
摘要：	混合动力汽车（HybridElectricVehicle,HEV）具有发动机和电动机两个动力源系统，通过合理设计整车能量管理策略，可有效降低燃油消耗，减少尾气污染物排放，实现15%~50%的节油率。其中，功率分流式HEV通过行星排式功率分流装置不仅可以解耦发动机转矩转速，还具有电子无级变速功能，是极具发展潜力的机电复合传动系统结构，也是专家学者争相探索的HEV构型。　　多动力源的协调控制是功率分流式HEV模式切换过程不可避免的控制难题，会严重影响整车动力性和行驶平顺性。为改善HEV模式切换品质，维持多动力平稳传递，本文以一种双行星排式HEV为研究对象，深入分析了其典型模式切换过程中时变时滞和外界干扰的耦合作用特征，进一步基于马尔可夫链时滞预估模型，设计了改进型时滞扩张状态观测器，力图针对系统时滞和外界干扰的双重作用，通过对协调控制器的多模块融合设计，实现整车模式切换的高效稳定和干扰抑制，为功率分流式HEV控制器的优化设计提供新的思路，奠定坚实基础。　　首先，分析了双行星排动力耦合结构的转速转矩特性、功率分流特性及传动效率特性，结合各动力源工作状态，揭示了功率分流式HEV八种工作模式的原理及模式切换关系。基于前向建模理论，搭建了包含HEV关键部件动态模型、驾驶员模型、各模式转矩分配模型、行驶阻力矩模型等子模型的HEV整车瞬态模式切换仿真模型，为后续多动力源控制策略设计奠定了理论基础。　　随后，探究了功率分流式HEV典型模式切换行为，设计了时滞补偿协调控制策略。根据HEV多模式工作特点和模式切换特征，描述了瞬态模式切换过程中易恶化整车动力学性能的多动力源协调控制问题，提出了基础电机补偿协调控制方法，揭示了HEV时变时滞对基础电机补偿协调控制效果的影响规律，提取了关键时滞因子，设计了包含BP-Smith自适应补偿模块、转矩限制模块和基础电机补偿模块构成的时滞补偿协调控制策略。研究结果表明，相比于传统Smith预估控制和仅采用BP-Smith自适应补偿控制策略，时滞补偿协调控制策略进一步降低了模式切换冲击和目标车速跟踪误差，加速了冲击度收敛至零及发动机转速调整至经济转速的速度。　　然后，明晰了由发动机惯性转矩、气体压力波动转矩、建模误差等构成的发动机转矩干扰和由车辆行驶工况变化引起的输出端等效负载干扰是直接影响HEV模式切换响应的关键因素。为准确估计上述两种干扰并加快观测器误差系统的收敛速度，基于参考偏差控制原理设计了改进型扩张状态观测器在线估计方法，提出了用于干扰补偿的协调控制策略。仿真分析了不同干扰影响下改进型扩张状态观测器估计的精确性和干扰补偿转矩再分配算法的正确性，验证了所设计策略对发动机转矩干扰和行驶工况干扰的高效抑制和在大范围道路行驶条件下的优异适应性。　　最后，研究了系统时滞和干扰耦合作用下HEV模式切换的响应特性，对比分析了时滞和干扰单独存在时的影响规律，结果表明，系统时滞和干扰的耦合作用会严重恶化整车动力学和行驶平顺性。为准确估计时滞影响下的系统干扰，构建了两种融合马尔可夫链时滞预测模型的非常规扩张状态观测器，并通过实用性、可达带宽和观测精度三方面对比得到了本文干扰观测的主要工具。针对时滞和干扰耦合作用引起的HEV性能恶化问题，提出了包含时滞预估模块、BP-Smith预估控制模块及干扰补偿模块的HEV复合切换控制策略，使得整车在随机时变时滞和外界干扰影响下仍能有效维持系统模式切换稳定性和平顺性。此外，搭建了动力耦合样机测试台架和基于D2P快速控制原型和NI实时仿真器的硬件在环试验平台，开展了功率分流式HEV整车模型验证和协调控制策略的HIL试验研究，试验结果验证了本文提出的HEV协调控制策略的可行性、有效性和实用性。
作者：	汪佳佳
专业：	车辆工程
导师：	陈龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021