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原文传递混合动力商用车多目标协调控制方法研究

论文题名：	混合动力商用车多目标协调控制方法研究
关键词：	混合动力商用车;多目标协调控制;换挡频次;全局优化算法;不确定动态干扰
摘要：	不足汽车总量25%的商用车消耗汽车总油耗的50%以上，发展节能商用车已被纳入《中国制造2025》战略性规划，混合动力系统凭借多动力源协作与能量回收等途径可显著节能，在商用车领域逐渐成为行业趋势与热点。同时，随着我国商用车消费者群体结构的变化，驾乘舒适性日益成为年轻化市场用户的重要需求。为了兼顾“低碳环保、节能高效、驾驶平顺”的混合动力商用车的综合性能，功率分流混合动力系统具有显著的节能优势，还可实现电动无级自动变速功能，与商用车领域需求不谋而合。然而，其整车结构复杂，动力系统效率最优虽然可以改善工作点的高效区占比，但很容易引起挡位的频繁切换，极易诱发瞬态冲击问题，同时动力系统与制动、悬架系统在行驶过程中互相影响，使得整车控制难，多种控制子系统共存导致的系统间功能冗余冲突与干涉，严重影响整车综合性能。因此，为了解决上述问题，本文针对功率分流混合动力商用车（Power-Split Hybrid Commercial Vehicle，PSHCV）开展多系统耦合的经济性与舒适性的多目标协调控制研究。　　本文依托国家重点研发计划“高性价比商用车混合动力系统开发与整车集成”（编号2018YFB0105900）和国家自然科学基金面上项目“行星混联客车系统实时复合优化算法与动态协调控制”（编号51575221），以PSHCV为研究对象，在保证动力性的前提下，为改善整车层面经济性与舒适性，开展动力系统内节能与换挡频次优化控制，悬架与制动等系统耦合的多目标协调控制研究。全文的主要工作概括如下：　　（1）PSHCV建模及验证。首先，对EVT+2AMT结构的PSHCV的工作模式进行分析；其次，采用前向建模的仿真方法完成整车模型搭建；然后，针对发动机最优工作点对应的系统效率并非最优的问题，建立不同模式下的系统效率模型，设计基于系统效率最优的能量管理策略，并提取发动机工作点及换挡规则；最后，将所建立的模型以及所设计的控制算法进行仿真及实车测试验证，与发动机最优能量管理策略进行对比，验证模型及控制策略的有效性，为后续控制策略的研究奠定基础。　　（2）从动力系统角度，为了实现整体效率和换挡频次的平衡，设计一种PSHCV纵向分层协调控制策略。考虑到客车频繁加减速的工况特性，以效率为导向的PSHCV通常需要频繁换挡才能控制在高效区，换挡冲击势必会影响驾驶舒适性和燃油经济性。为了解决这一问题，本研究面向PSHCV提出一种基于速度预测的实时多目标优化的导向型模型预测控制策略（Real time Multi-objective optimization Guided-MPC strategy，RMGMPC）。首先，考虑驾驶员不同的驾驶习惯，结合多源数据融合技术，建立车速预测控制器；其次，基于全局优化算法设计了SOC参考发生器，在线实现预测车速的SOC引导；然后，为了实时协调燃油效率和换挡频率，提出一种基于直接多靶法和序列二次规划算法的RMGMPC求解算法；最后，为避免经验值不确定对MPC权重系数的影响，结合全局优化理论与层次分析法确定车辆性能指标的权重系数。通过标准工况以及实车数据验证了所提出的RMGMPC策略的优异性能。　　（3）为改善整车舒适性，提出一种考虑不确定动态干扰的半车主动悬架自适应控制策略，抑制车辆的俯仰运动以及执行器不连续输入引起的抖振问题。针对PSHCV行驶过程中，尤其是在城区行驶时，车辆会出现频繁加/减速，必然引起车身俯仰运动，影响主动悬架系统（Active Suspension control System，ASS）原有的控制性能。为解决悬架系统不确定动态干扰，提出一种自适应有限时间高阶滑模主动悬架控制系统（Adaptive Finite-time High-order SMC ASS，AFHASS）方法。首先，建立一种有限时间控制ASS方法，实现了系统的快速收敛，可以抑制干扰；其次，考虑执行器不连续输入引起的控制系统抖振问题，设计有限时间高阶滑模ASS，提高控制精度；然后，针对现有控制算法估计约束边界的问题，基于有限时间控制理论和滑模控制技术，结合在线自适应控制理论在未知干扰下的优势，提出AFHASS，并采用Lyapunov稳定性理论证明其稳定性；最后，以有限时间控制ASS方法为基准，验证AFHASS算法有效性，仿真结果表明其具有良好的鲁棒性，抑制了执行器输出抖振，并且可以兼顾悬架系统的能耗和舒适性。　　（4）为了改善PSHCV乘坐舒适性和能量回收效率，针对制动工况，提出考虑多系统耦合特性的多目标优化协调控制策略。首先，针对制动工况，分析功率分流混合动力车辆多系统耦合特性，建立整车多系统耦合模型，旨在准确揭示其耦合机理；其次，为进一步改善车辆的能量回收效率，结合ECE制动法规，设计基于耦合模型的模糊控制器对混合动力系统控制；然后，在耦合模型的基础上，结合考虑动态干扰的主动悬架系统控制算法和制动力模糊控制器，提出一种多系统耦合的经济性与舒适性协调优化控制算法，并采用不同制动工况对其仿真验证，验证模型的控制效果。　　（5）为验证所提出的RMGMPC、AFHASS以及多目标协调控制策略的实时性，基于dSPACE/Simulator以及快速原型控制器，搭建硬件在环（HIL，hardware-in-the-loop）试验平台进行验证。分别在CCBC工况，C级随机路面和复合制动工况下，验证所设计的控制策略的实时性。
作者：	杨东坡
专业：	车辆工程
导师：	宋大凤
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022