单轴ISG混合动力汽车转矩分配控制策略的研究

【摘要】：单轴ISG混合动力汽车控制策略设计是整车及其各子系统控制器设计中的重要一环，是实现单轴ISG混合动力汽车节能减排的基础。本文以国家“十一五”863节能与江南网页版登录入口官网下载 重大专项ISG混合动力汽车项目及其整车控制策略设计子课题为背景，研究了驱动工况下转矩分配控制策略、制动力矩动态分配控制策略、再生制动系统与ABS动态协调控制策略以及制动稳定性控制策略，并基于dSPACE实时系统进行了转矩分配控制策略的快速控制原型仿真试验。本文完成的主要工作和结论总结如下： 基于试验数据，建立了发动机、ISG电机、镍氢电池的半经验仿真模型和基于魔术公式的全工况轮胎经验模型，并基于理论建模的方法建立了传动系模型、液压制动系统模型、七自由度整车动力学模型和驾驶员模型，为单轴ISG混合动力汽车转矩分配控制策略的研究提供了仿真和验证的基础。 建立了ISG混合动力系统燃油经济性和排放性能的数值函数，以整车燃油经济性和排放性能最佳为目标函数，采用求解多元函数极值的方法求出在任一转速下的发动机和ISG电机的最佳转矩分配值，作为ISG混合动力系统的最佳工作点。将求解的最佳工作点作为ANFIS系统的先验知识，建立了ANFIS转矩分配系统，用于驱动工况下整车的转矩分配控制。仿真结果表明：与Insight电动辅助控制策略相比，在ANFIS转矩分配控制策略下，ISG混合动力汽车实现了更好的燃油经济性和排放性能。 提出了一种制动路面最佳滑移率的实时估计方法。通过将制动过程中前后轮利用附着系数与各种典型路面的峰值附着系数进行对比来判断为制动路面。根据路面附着系数与滑移率的函数关系，采用黄金分割法对附着系数极大值进行直接搜寻，获得路面的最佳滑移率。根据求得的路面最佳滑移率，设计了基于滑移率控制的制动力矩动态分配控制策略。仿真结果表明：基于滑移率控制的制动力矩动态分配控制策略能够有效的协调再生制动力矩和液压制动力矩，在轻中度制动工况下能高比率的回收制动能量；紧急制动时，在高、中、低以及突变附着路面上均能够通过对制动力矩的动态调整，保证车轮不出现抱死拖滑，在保证制动效能和制动安全的前提下有效的回收制动能量。 针对制动过程中路况的不确定性，将滑移率最优控制问题归结为极值漂移的实时动态寻优问题，提出了基于滑移率自寻优的再生制动系统与ABS动态协调控制策略。设计了滑移率模糊自寻优控制器，并采用遗传算法在线优化模糊控制规则。在高低附着路面、突变路面和分离路面上紧急制动的仿真结果表明：所提出的控制策略不仅能快速自动搜寻并控制车轮滑移率在最佳值附近，实现再生制动系统与ABS的动态协调，保证制动效能和制动稳定性，而且能够在紧急制动情况下回收到可观的制动能量。 为了保证在转向制动工况下的制动横向稳定性，提出了制动稳定性分层协调控制策略。基于模糊控制理论，对制动过程中需求的校正横摆力矩进行估计，将校正横摆力矩的补偿对制动力矩的需求转化为对再生制动力矩和车轮滑移率的调节。设计了滑移率模糊控制器，控制车轮滑移率在判定的目标值。通过对目标滑移率的实时确定，实现上层横摆力矩控制与下层滑移率及再生制动力矩控制的统一调节，保证了车轮不出现抱死。分别进行了转向情况下高低附着路面轻度制动和紧急制动的仿真分析，其结果表明：所提出的制动稳定性分层协调控制策略，在保持制动效能的基础上，实现了比单独实施滑移率控制更好的制动横向稳定性。 最后，进行了单轴ISG混合动力汽车转矩分配控制策略的快速控制原型仿真试验，验证了转矩分配控制策略及算法的基本控制性能，使经离线仿真验证的控制策略及算法进一步的得到完善和验证。 【关键词】：转矩分配 最佳工作点 再生制动 最佳滑移率控制 制动稳定性
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 致谢12-20
• 第一章 绪论20-30
• 1.1 ISG 混合动力汽车特点、工作模式及国内外开发动态20-22
• 1.1.1 ISG 电机功能20-21
• 1.1.2 ISG 混合动力汽车特点及主要工作模式21
• 1.1.3 ISG 混合动力汽车国内外开发动态21-22
• 1.2 ISG 混合动力汽车转矩分配控制策略的研究现状22-26
• 1.2.1 驱动工况下转矩分配控制策略的研究现状23-24
• 1.2.2 制动力矩分配控制策略研究现状24-25
• 1.2.3 再生制动系统与 ABS 协调控制策略的研究现状25-26
• 1.2.4 转向制动工况下制动横向稳定性控制策略的研究现状26
• 1.3 课题主要研究内容26-30
• 第二章 单轴 ISG 混合动力汽车部件建模30-52
• 2.1 单轴 ISG 混合动力汽车驱动及制动系统结构30-31
• 2.1.1 驱动系统结构30-31
• 2.1.2 制动系统结构31
• 2.1.3 电池充放电系统结构31
• 2.2 动力传动系统建模31-39
• 2.2.1 发动机建模31-33
• 2.2.2 ISG 电机及其控制系统建模33-35
• 2.2.3 镍氢电池及其控制系统建模35-37
• 2.2.4 传动系建模37-39
• 2.3 液压制动系统建模39-41
• 2.3.1 ABS 液压调节器39
• 2.3.2 ABS 液压系统模型39-40
• 2.3.3 制动器模型40-41
• 2.4 车辆系统动力学模型41-48
• 2.4.1 整车动力学模型41-42
• 2.4.2 滚动阻力及空气阻力模型42-43
• 2.4.3 轮胎模型43-46
• 2.4.4 轮胎模型与整车动力学模型的联结46-48
• 2.5 驾驶员模型48
• 2.6 单轴 ISG 混合动力汽车主要参数48-51
• 2.7 本章小结51-52
• 第三章 驱动工况下 ANFIS 转矩分配控制策略的研究52-72
• 3.1 ISG 混合动力系统最佳工作点的确定方法52-56
• 3.1.1 ISG 混合动力系统性能数值模型52-54
• 3.1.2 最佳工作点的确定方法54-56
• 3.2 ANFIS 转矩分配系统设计56-61
• 3.2.1 基于 Takagi-Sugeno 模型的 ANFIS 系统结构56-57
• 3.2.2 混合学习算法57
• 3.2.3 ANFIS 转矩分配模型结构57-58
• 3.2.4 ANFIS 转矩分配模型的基础数据58
• 3.2.5 ANFIS 转矩分配模型初始化58-59
• 3.2.6 模型训练和检验59-60
• 3.2.7 模型输入输出关系曲面60-61
• 3.2.8 模型拟合精度61
• 3.3 整车仿真结果及分析61-71
• 3.3.1 仿真模型61-62
• 3.3.2 仿真结果及分析62-71
• 3.4 本章小结71-72
• 第四章 基于滑移率控制的制动力矩动态分配控制策略的研究72-94
• 4.1 滑移率的实时计算72-74
• 4.1.1 车速的实时估计72-74
• 4.1.2 滑移率的实时计算74
• 4.2 基于路面附着系数-滑移率函数的最佳滑移率实时估计74-77
• 4.2.1 最佳滑移率估计的意义74-75
• 4.2.2 路面最佳滑移率的实时估计75-77
• 4.3 制动力矩动态分配控制策略77-85
• 4.3.1 制动模式判断及制动强度划分77-79
• 4.3.2 制动力矩动态分配控制策略逻辑79-80
• 4.3.3 制动力矩动态分配值的实时计算80-81
• 4.3.4 制动力矩动态调整值的实时计算81-85
• 4.4 仿真结果及分析85-92
• 4.4.1 仿真模型的建立85-86
• 4.4.2 车轮无滑移情况下的制动仿真分析(轻、中度制动)86-88
• 4.4.3 NEDC 循环工况下制动仿真分析88
• 4.4.4 车轮滑移情况下的制动仿真分析(紧急制动)88-92
• 4.5 本章小结92-94
• 第五章 基于滑移率自寻优的再生制动系统与 ABS 动态协调控制策略的研究94-106
• 5.1 滑移率模糊自寻优控制器设计94-99
• 5.1.1 滑移率实时动态自寻优问题94
• 5.1.2 滑移率实时动态寻优目标函数94-95
• 5.1.3 滑移率模糊自寻优控制器设计95-97
• 5.1.4 遗传算法在线优化模糊控制规则97-99
• 5.2 制动力矩增量的动态分配99-100
• 5.3 仿真结果及分析100-105
• 5.3.1 仿真模型的建立100-101
• 5.3.2 高附着路面紧急制动过程101-102
• 5.3.3 低附着路面紧急制动过程102-103
• 5.3.4 突变路面紧急制动过程103-104
• 5.3.5 分离路面紧急制动过程104-105
• 5.4 本章小结105-106
• 第六章 转向制动工况下制动稳定性分层协调控制策略的研究106-120
• 6.1 汽车制动横向稳定性控制问题106-107
• 6.2 制动稳定性分层协调控制策略107-113
• 6.2.1 制动稳定性分层协调控制逻辑107
• 6.2.2 校正横摆力矩的模糊估计107-109
• 6.2.3 校正横摆力矩的补偿109-111
• 6.2.4 目标滑移率的实时确定111-112
• 6.2.5 滑移率模糊控制器的设计112-113
• 6.3 仿真结果与分析113-119
• 6.4 本章小结119-120
• 第七章 转矩分配控制策略的快速控制原型仿真试验120-130
• 7.1 电控系统 V 型开发流程120-121
• 7.2 整车离线仿真模型121-122
• 7.3 转矩分配控制策略的快速控制原型仿真试验122-128
• 7.3.1 快速控制原型试验系统方案122-123
• 7.3.2 快速控制原型仿真试验控制模型123-124
• 7.3.3 试验结果与分析124-128
• 7.4 本章小结128-130
• 第八章 全文总结与展望130-134
• 8.1 全文总结130-131
• 8.2 论文创新点131-132
• 8.3 研究展望132-134
• 参考文献134-142
• 攻读博士学位期间参与的项目与发表的论文142

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