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博士论文液驱混合动力车辆控制系统研究 摘要 本文以一种基于定压网络液压马达控制系统的液驱混合动力车辆为研究对象，开 展了控制系统的研究。这些研究都是围绕样车的研制与控制系统的开发展开的： 一、研究了控制系统技术方案，并进行了系统分析。首先，针对液驱混合动力车 辆的两种实现技术方案，经过比较和分析，采用了后驱技术方案。该方案利用双向变 量马达驱动车辆后轴的方式，实现车辆驱动制动工况的一体化控制，动力源部分通 过发动机、变量泵和液压蓄能器的组合来实现；其次，在样车技术方案的基础上，探 讨了控制系统的体系结构。根据一体化集成控制、分布式处理的思想，将整个控制系 统分为物理器件控制层和决策层，并通过c a n 总线将它们有机地结合起来；最后， 对液驱混合动力车辆进行了系统分析。根据控制系统参数管理方案，分析了控制对象 及其参数，明确了各控制单元的具体任务。在此基础上，对样车开展了控制原理分析， 初步确定了车辆各部分的控制策略。 二、研究了液驱混合动力车辆的驱动n 动一体化控制策略。车辆的驱动和制动 工况都可通过双向变量马达的排量调节来实现。因此，结合车辆动力学特性和定压网 络调节技术形成了驱动制动一体化控制：将滑转率滑移率嵌入到一体化控制策略中， 利用滑转率滑移率控制限制马达的输出转矩，而速度控制满足驾驶员的期望车速命 令要求，并在此基础上提出了符合实际的制动力分配策略。 三、对整车的能量管理策略进行了探讨。将预测信息加入到决策过程中，利用液 压系统压力、车辆当前负载和预测负载信息作为能量管理策略的依据。其中，信息的 预测采用了基于t - s 模糊模型的自适应算法以及e l m a n 神经网络来实现。 四、进行了控制系统设计。控制系统硬件实现采用了“核心控制单元+ 外围电路” 的结构形式，软件设计则利用c 和汇编语言混合编程的方式实现了d s p 嵌入式软件 编程。 五、研制了基于c a n 总线的计算机监控系统。通过方案对比的方式，选用了基 于c a n 总线的监控系统方案作为液驱混合动力车辆控制系统的主要开发手段。在监 控系统的实现过程中，涉及到硬件和款件两大部分。其中，硬件部分由计算机、控制 单元以及c a n b u s 两路分析仪组成；软件部分包括d s p 嵌入式通信软件和基于 c + + b u i l d e r 的计算机监控软件。 六、研制了液驱混合动力车辆样车，并进行了控制系统的调试。将现代电子控制 系统的开发技术融入到控制系统的开发过程中。根据现有条件，控制系统的开发采用 了物理器件控制层控制单元实车空载调试、决策层主控单元处理器在环仿真调试以及 实车试验的开发方式。 根据上述研究和所开发的系统，进行了一系列调试和试验。结果验证了控制系统 摘要 博士论文 的正确性，并取得了令人满意的结果。 关键词：液驱混合动力车辆、一体化集成控制、嵌入式系统、c a n 总线、 仿真、试验 d i s s e r t a t i o n s t u d yo n t h ec o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i ch y b r i dv e h i c l e a b s t r a c t n es m d yo nt h ec o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i ch y b r i dv e h i c l e ( h h v ) b a s e do n h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nw a sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 h er e s e a r c hw a sp e r f o r m e di n t h ep r o c e s so fb u i l d i n gp r o t o t y p ev e h i c l eo fh h v 1 ，n l ec o n t r o ls y s t e ms c h e m ef o rh i - i vw a ss t u d i e da n da n a l y s i s e d f n s t l y r e a r a x l ed r i v e b r a k es c h e m ef o ri - i hw a sp i c k e do u ta f t e rs c h e m ec o m p a r s i o n ，i nw h i c h ，t h e h y d r a u l i cv a r i a b l em o t o r ( h v m ) c o n n e c t i n gr e a ra x l em a d eh h v h a st h ea b i l i t yt o i n t e g r a t ed r i v ea n db r a k i n g m e a n w h i l e ，e n g i n e ，h y d r a u l i cv a r i a b l ep u m pa n dh y d r a u l i c a c c u m u l a t o rc o m p o s e dp o w e rs o u r c eo fh h v s e c o n d l y ，t h es c h e m eo fc o n t r o ls y s t e m w a ss t u d i e d b a s e do nt h ei d e ao fi n t e g r a t ec o n t r o la n dd i s t r i b u a t e dp r o c e s s ，c o n t r o ls y s t e m s c h e m ew a sd e t e r m i n e d ，w h i c hi n c l u d e de x e c u t i o n - l e v e l ，p se l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) a n dd r i v e b r a k ee c u ，a n dd e c i s i o n l e v e l ，m a s t e re c u m o r e o v e r ，t l l e y c o m m u n c i a t e de a c ho t h e rb yc a nb u s t h i r d l y ，s y s t e ma n a l y s i sw a sc a r r i e do u tb a s e do n t h ec o n t r o ls y s t e mf o rh h v ，i n c l u d ea n a l y s i s i n gt h ep l a n ta n di t sp a r a m e t e r s ，i d e t i t i f i i n g t h et a s ko f e a c he c u ，a n dp e r f o r m i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n a l y s i s ，t oo b t a i nt h ei n i t i a lc o n t r o l s t r a t e g y 2 t h ed r i v e b r a k ei n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yw a ss t u d i e db a s e do nt h ef a c tt h a t h v mc o u l dp e r f o r md r i v ea n db r a k i n gb ya d j u s t i n gi td i s p l a c e m e n t b yc o m b i n i n gv e h i c l e l o n g i t u d i n a ld y n a m i c a la n dh v mc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ei n t e g r a t e ds t r a t e g y w a s e s t a b i l i s h e d ：t h es k i p s k i dc o n t r o l l e rw a st ol i m i t et h et o r q u ep r o d u c e db y h v m ，w h i l e s p e e dc o n t r o l l e rw a st om e e td r i v e r ss p e e dr e q u i r e m e n t h n a l l y ，am o r er e a l i s t i cb r a k i n g c o n t r o ls t r a t e g yw a sp r e s e n t e db a s e d0 1 1i t 3 1 h e e n e r g ym a n a g e m e n t ，u s i n gp r e d i c t i v ei n f o r m a t i o n ，w a ss t u d i e d b y c o m b i n i n gs y s t e mp r e s s u r eo fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ，v e h i c l el o a da n dp r e d i c t i v ev e h i c l e l o a d ，t h ee n e r g ym a n a g e m e n th a dt h ea b i l i t yt oa c h i e v eb e t t e rf u e lp e r f o r m a n c ef o rh h v ， i nw h i c h ，p r e d i c t i v ei n f o r m a t i o nc o u l do b t a i nb yu s i n gt - sf u z z ya d a p t i v ea l g o r i t h ma n d e l m a nn e u r a ln e t w o r k 4 ，n l ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ei d e ao f c o m b i n i n gc o r eu n i ta n dp e r i p h e r a lc i r c u i tt oi m p l e m e n t ee c uh a r d w a r e ，w h i l et h e s o f t w a r ew a sa c c o m p l i s h e db yu s i n gca n da s s e m b l el a n g u a g e 5 n ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h em o n i t o rs y s t e mb a s e do nt h ec a n - b u s b y c o m p a r i n gt h r e es c h e m e s 。m o n i t o rs y s t e mu s i n gc a n b u sw a sp i c k e do u t , w h i c hh a d h a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o m p u t e ra n dc a n - b u sa n a l y s i si n s t r u m e n tc o m p o s e dt h e m a b s t r a c t d i s s e r t a t i o n h a r d w a r e ，w h i l et h es o f t w a r ei n c l u d e dd s pe m b e d d e ds o f t w a r ea n dm o n i t o rs o f t w a r e b a s e do nt h ec - h - b u i l d e r 6 t h ep r o t o t y p ev e h i c l ew a sb u i l tu p a n ds o m ec o n t r o ls y s t e mt e s t sw e r ea r r i e do u t m o d e m t e c h n o l o g y o i lt h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m , s u c h a s h a r d w a r e i n - t h e q o o p ，w a sa d o p t e dt oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e mf 0 r h h v k e yw o r d s ：h y d r a u l i ch y b r i dv e h i c l e ，i n t e g r a t e dc o n t r o l ，e m b e d d e d s y s t e m ，c a nb u s ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t 博士论文液驱混合动力车辆控制系统研究 符号表 车辆迎风面积，矿 车辆风阻系数 电机电枢反电动势y 滚动阻力系数 前轴轮胎地面滚动阻力， 后轴轮胎地面滚动阻力， 车辆行驶阻力 前轴垂直载荷， 后轴受到的垂直载荷， 前轴轮胎地面附着力 后轴轮胎地面附着力 车辆受到的风聊 车辆质心高度，n l 电机电枢电流i a 节气门减速机构减速比 后轴主减速器减速比 电机转动惯量姆m 2 发动机曲轴等效转动惯量妇，1 2 前轴转动惯量，幻m 2 马达输出轴等效转动惯量七g m 2 后轴转动惯量，幻m 2 库伦摩擦常数n m 电机转矩系数m a - 1 电机反电动势系数i v s t a d 1 粘性摩擦系数m s t a d - 1 马达变量调节机构增益系数 节气门回位弹簧刚度n m t a d 1 电机电枢回路电感，日 车辆质心到前轴的水平距离i m 车辆质心到后轴的水平距离i m 车辆质量，妇 前轴的车辆制动，驱动力矩，j v m 后轴的车辆制动，驱动力矩，n m 气体多变指数 发动机转速，m i n 1 液压蓄能器充气压力肘p 缸 系统的压力膨p 口 马达排量i m l 变量泵流量变化率l j - 1 马达流量变化率i l s 1 电机电枢电阻值q 前轴轮胎滑转率滑移率 后轴轮胎滑转率滑移率 电机输出力矩m 节气门回位弹簧力矩m 节气门库伦摩擦力矩n m 节气门粘性摩擦力矩n m 车辆速度，枷h 以 电机电枢电压y 液压蓄能器充气压力下气体体积，l 液压蓄能器内气体体积，l 液压蓄能器气体体积变化率l s 一 路面坡度，o 车辆旋转质量等效系数 节气门开度r o d 马达控制油缸阻尼系数 o吩以以 昂q龟如o瓦0乙吃口磊 红易易乓勖et o如厶llk瓯kk b k 符号表 博士论文 9 地面附着系数 电机旋转角速度枷s 一1 心发动机曲轴角速度，脚s 一1 吁 前轴轮胎角速度刎j 一1 喀 前轴轮胎角加速_ 度，脚$ - 2 x 绲 马达控制油缸固有频率，r 口d s 一1 鳞后轴轮胎角速度，刎s 。1 电 后轴轮胎角加速度m d s - 2 ，节气门角速度脚s 一1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：羽悯易1 年il 月1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：塑：型丑 护- 7 年ff 月f 日 博士论文液驱混合动力车辆控制系统研究 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着国民经济的高速增长，我国汽车工业不断发展壮大，汽车产量和保有量都快 速增长。目前，我国已成为世界第三大汽车生产国，汽车年产量超过7 2 8 万辆，民用 汽车保有量超过2 7 0 0 万辆i l j 。预计2 0 2 0 年，保有量将增长5 倍，突破亿万大关，超 过1 亿4 千万辆【2 】。同时，人们对环保节能问题的关注也越来越多。2 0 0 5 年1 2 月， 国家六部委联合发布了关于鼓励发展节能环保型小排量汽车的意见的通知，并制 定了鼓励节能环保型小排量汽车发展的产业政策【3 】。此外，国家环保总局还颁布了五 项汽车排放标准，其中，轻型汽车号排放标准自2 0 0 7 年7 月1 日起实施，号 排放标准自2 0 1 0 年7 月1 日起实施。若按计划实施标准，从2 0 0 8 年到2 0 1 2 年，仅 道路车辆就将减少氮氧化合物排放量1 8 0 万吨、碳氢化合物2 2 0 万吨、一氧化碳1 6 0 0 万吨，将给社会带来巨大的环境效益 4 1 。因此，如果不能开发新的技术、进一步推动 技术升级，现有的车辆技术将无法满足越来越高的节能环保要求。 节约能源和寻找新的替代能源是解决这一问题的关键所在。以长远的观点看，车 辆所使用的能源必须更换，找到新的替代能源将是最终延续车辆发展的最佳方案；但 根据现阶段实际情况，节约能源、采用技术上现实可行、经济上合理和环境与社会上 都可接受的技术手段来有效利用能源的方案才是目前工作的重点。因此，低能耗与新 能源车辆技术成为了现阶段的研究重点【5 】，其主要内容包括：研究开发混合动力车辆、 替代燃料车辆和燃料电池车辆的整车设计、集成和制造技术；动力系统集成与控制技 术；车辆计算平台技术；高效低排放内燃机、燃料电池发动机、动力蓄电池、驱动电 机等关键部件技术；新能源车辆试验测试及基础设施技术等。 液驱混合动力车辆控制系统研究( s t u d yo nt h ec o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i c h y b r i dv e h i c l e ) 是江苏省六大人才高峰资助项目“电控液驱车辆的关键技术研究、 南京理工大学“2 11 一建设项目“液驱混合动力车辆系统实验装置 以及与相关企业 合作科研项目的重要组成部分。该课题的研究对象是基于定压网络液压马达控制系统 的液驱混合动力车辆及其控制系统：其采用定压网络液压马达控制系统作为底盘的支 撑技术。动力源部分接入了液压蓄能器，使车辆的动力传动与以往的系统有很大的不 同。它摒弃了传统的机械传动方案，采用全液压驱动，使车辆结构紧凑、底盘降低， 减小了机械传动振动和噪声；可简便地实现四轮驱动，充分利用地面附着力，提高车 辆的驱动和制动性能；能实现制动能的回收利用，并可l 由液压蓄能器提供瞬时峰值功 率，降低安装发动机的容量，降低燃油消耗，减少排放，对节约能源和环境保护都具 l 第l 章绪论 博士论文 有现实意义：环保节能车辆大多采用电子控制、电能驱动，而液驱混合动力车辆则结 合了电子控制与定压网络技术的优点，是节能环保车辆的一种尝试；集成化、智能化 控制将是液驱混合动力车辆的实现目标。将几个小系统( 如a b s 、t c s 等) 集成一 个大系统，几个具有不同功能的系统集成为一个新系统。系统集成的设计方法将各种 电子和液压实现的功能模块集成到一个系统中，通过公共数据总线( 如c a n 总线) 使各个子系统相互协调、互通互连、相互作用，从而使车辆达到集成化、智能化控制 的目的。因此，液驱混合动力车辆控制系统的研究将具有实际的应用价值。 目前，国内外研究主要集中在电动混合动力车辆的研制上，而液驱混合动力车辆 与其相比，在节能机理上有相似之处，在性能、主要元器件的技术成熟程度以及制造 成本等方面却有着较强的竞争力，因此值得深入研究。 1 2 国内外研究现状及其发展趋势 车辆百年的发展历程也是车辆动力和传动系统技术的发展史。从最初的单一动力 车辆系统到今天的混合动力车辆系统，动力和传动系统技术已经发生了质的飞跃。目 前，很多研究机构和企业投入了相当大的物力和人力对混合动力车辆进行研究1 6 ，这 些研究主要集中在电动混合动力车辆，包括电子控制系统的开发以及整车能量管理策 略等方面。 随着“+ 五 电动车重大项目的圆满结束，我国电动混合动力车辆技术已经达到 了较高的水平。清华大学阴【8 1 1 9 1 、北京理工大学 1 0 1 11 】【1 2 】、上海交通大学 1 3 】【1 4 】、同济大 学【1 6 1 、北京交通大学1 7 1 1 1 8 1 1 9 1 、重庆大学圆】【2 l 】、吉林大学2 2 1 一湖南大掣矧以及合肥 工业大学四】等高校和研究单位为我国的电动混合动力车辆发展做出了较大的贡献。其 中，清华大学结合多能源动力总成，运用控制系统的快速开发手段设计了控制系统； 北京理工大学针对混合动力车辆进行了多目标控制、能量管理等控制策略的研究，并 开发出了控制系统；上海交通大学研究了并联混合动力车辆的控制策略，并对各种控 制策略进行了比较；同济大学对混合动力车辆的基本控制策略和实时控制策略进行了 比较；北京交通大学进行了控制系统的快速开发；重庆大学对i s g 控制技术进行了研 究；吉林大学研制了控制器硬件在环仿真平台；此外，湖南大学和合肥工业大学采用 模糊控制逻辑对电动混合动力车辆进行了深入的研究。 液驱混合动力车辆( h ：h v ，h y d r a u l i ch y b r i dv e h i c l e ) 是混合动力车辆的另一种 形式。从节能原理上分析，混合动力车辆( h v ，h y b r i dv e h i c l e ) 节能环保方面的优 异性能取决于两个方面：通过应用储能元件来实现发动机工况与实际车辆负载的解 耦，使发动机工作于经济性较好的工况；通过能量可逆转换元件来回收制动能量。液 驱混合动力车辆采用了定压网络液压马达控制系统，其储能元件和能量可逆转换元件 2 博士论文液驱混合动力车辆控制系统研究 分别为液压蓄能器和双向变量马达。因此，它与电动混合动力车辆具有类似的节能原 理，并结合了电子控制与定压网络的静液能存储与再利用、二次调节等优点，是节能 环保车辆的一种尝试。 上世纪九十年代开始，很多研究机构进行了液驱混合动力车辆的研究。1 9 9 7 年， 美国威斯康星大学的j o h nh e n r yl u r n k e s 将定压网络液压马达控制系统技术应用于车 辆并对其进行了相关研究【2 习。国外的研究在不断的发展，并且在生产实际中不断地扩 大应用的范围，特别是近些年，针对液驱混合动力车辆的研究达到了一个高潮。密歇 根大掣2 6 】、美国军方1 2 7 、西南研究院冽、威斯康星大学瞵1 、福特公司2 8 】、伊顿公司 【溯【彻和英国r i c a r d o 公司1 3 1 等研究机构进行了大量的研究与开发。其中，r i c a r d o 公 司在2 0 0 4 年的一次国际会议上，发表了其针对液驱混合动力车辆和串、并联电动混 合动力车辆节能效果比较的研究报告，报告显示：三种车辆比常规车辆在多种循环工 况下的平均节能效果分别为3 9 、3 1 和3 4 。当年8 月，美国环保署( e p a ) 宣布： 由其资助并联合多家研究单位共同开发的液驱混合动力s u v 研制成功，其燃油经济 性能可提高5 5 。2 0 0 6 年6 月，e p a 又展示了新的液驱混合动力车辆美国联邦 快递( u p s ) 送货车。该车在城市工况下能节省7 0 燃油、减少4 0 温室气体排放， 即使在高速公路工况下也能够达到5 0 的节油效果。 一液驱混合动力车辆常见的布置形式有并联和串联两种形式，其中串联形式具有更 好的燃油经济性能，能够达到6 0 8 0 的节油效果，而并联则为2 0 一4 0 。如果采 用更高效率的发动机，燃油经济性将会提高1 0 0 一1 2 0 3 2 1 。 一在国内，液驱混合动力车辆技术的研究主要集中在定压网络液压马达控制系统的 控制规律以及能量回收等方面。其中，哈尔滨工业大学3 3 1 - 3 8 1 、上海交通大学口9 1 、华 南理工大学删、北京理工大学【4 2 1 和南京理工大掣4 3 h 矧等研究机构和单位做出了较 大贡献。比如，哈尔滨工业大学对定压网络液压马达控制系统及其控制规律进行了深 入的探讨，分析了影响城市公交车辆制动能量回收效率的因素：上海交通大学开展了 以车辆静液驱动系统为对象的智能控制研究；北京理工大学探讨了城市公交车辆的制 动能量回收，并对制动能量回收的液压系统进行了分析；南京理工大学是国内较早从 事液驱混合动力车辆研究的高校之二，其研究内容包括液驱混合动力车辆技术方案、 整车动力性及燃油经济性仿真分析、驱动及制动关键技术、液压系统的特性分析、发 动机控制技术等方面，并在试验室研究的基础上，进行了基于实车平台的液驱混合动 力车辆技术的应用研究。 1 2 1 液驱混合动力车辆关键f a i r 这些研究主要涉及四个方面内容：动力源部分关键技术研究，即探讨液压蓄能器 3 第l 章绪论博士论文 的充、放能特性以及与车辆动力系统的匹配；驱动n 动部分关键技术研究，即研究 定压网络马达控制系统调节技术与车辆特性的结合；整车能量管理策略研究，即协调 多个动力源的动力输出以提高发动机燃油经济性能；电子控制系统的开发技术，即在 保证正确性和可靠性的前提下，应用各种快速开发方法和手段，缩短控制系统开发周 期。 1 2 1 1 动力源部分 车用储能元件的基本要求为：较高的能量密度和比能量；较高的功率密度和比功 率；在能量储存、传递过程中要有较高的效率；此外，还有可靠性、寿命及安全性等 方面的要求。因此，需要探讨液压蓄能器特性，以确定其是否满足车辆的要求。 通过分析液压蓄能器的工作过程、探讨液压蓄能器热力学和液压两方面的影响因 素，发现液压蓄能器的比能量为1 9 4 - 7 8 w h 妇，能量密度为1 3 0 。3 0 0 w h l - 1 ， 比功率为9 0 0 w 妇一，效率在9 7 以上，并可通过以下方法提高液压蓄能器的工作 性能【4 3 】：首先，降低液压蓄能器的质量( 容器、油液和气体密度) ，提高比能量，如 采用碳纤维或复合材料等轻质材料。碳纤维材料的密度为1 8 9 伽- 3 ，不到钢的四分 之一，而强度却提高到1 0 0 0 4 0 0 0 m p a 【5 5 1 1 5 6 ；其次，提高最高工作压力。当工作压 力由3 0 m p a 提高到3 5 m p a 时，比能量可提高1 9 4 6 3 ；再次，合理选用连接阀件和 管径，可明显提高工作效率，降低阻力损失。直径由l o 毫米增大为2 0 毫米时，阻力 损失降低8 5 ；最后，采用一定隔热措施，减少热损失，改善液压蓄能器的储能密度 和效率西7 1 。 合理的动力源配置能够充分发挥液驱混合动力车辆的优势。液压蓄能器容量要根 据车辆制动惯性能大小、系统允许的压力变化范围以及车辆允许的安装空间来选定。 此外，在系统回收及释放惯性能时，回收同样数值的车辆惯性能，液压蓄能器充气压 力越高或容量越大，则系统工作压力的变化幅度就越小【3 3 。针对液驱混合动力车辆动 力源部分主要元件特性，可得出匹配原则 4 4 1 4 5 1 ：液压泵直接影响发动机的工作效率。 为提高发动机的经济性，液压泵应具有恒转矩特性；液压蓄能器不仅影响系统回收能 量的能力，同时还影响车辆重量、费用和性能。因此，为达到与车辆动力系统匹配合 理、增加回收制动能量和减轻车辆重量的目的，选用结构形式合理、容积合适以及较 高充气压力的液压蓄能器是最有效的方法。 1 2 1 2 驱动，制动部分 定压网络液压马达控制系统是近年发展起来的节能系统。它是工作于恒压网络的 压力耦联系统，能在四个象限内工作，回收与重新利用系统的制动动能和重物势能； 4 博士论文液驱混合动力车辆控制系统研究 而且能够无损耗地从恒压网络获取能量，因而大大提高了系统效率；此外，系统还可 并联多个负载，而且对各个负载可采用不同的控制规律进行控制。驱动制动部分关 键技术基于这些特性及控制规律，并融入了车辆系统特性，形成了驱动制动控制和 能量回收等一系列控制策略。 1 )定压网络液压马达控制系统的控制方式 研究人员采用了大量的控制策略对该系统进行研究，并且取得了较好的结果。控 制策略包括智能p ) d 控制例、模糊控匍 t 3 9 j 等控制策略。虽然它们所采用的控制理论 和参数( 位置、转速、转矩或功率) 不同，但执行元件却相同，都通过控制变量油缸 来调节双向变量马达的斜盘倾角。因此，可根据所控制的参数将它们分为转速控制、 排量控制、转矩控制和功率控制【3 习。 2 )车辆驱动制动控制 在车辆系统中应用定压网络系统，首先需调节定压网络系统，以满足车辆和驾驶 员的要求。结合定压网络的控制方式，智能p i d 翎、专家p i d 4 s 及模糊控制4 9 】【5 0 】 等控制策略被应用于车辆的驱动制动控制。其中，文献【5 1 】分别采用p i d 、智能p i d 以及模糊p i d 控制策略对液驱混合动力车辆驱动制动部分进行了控制，结果表明： 在十五工况循环中，模糊p i d 控制表现出较快的响应以及较小的超调量等特点。 - 3 )制动能量回收一 液驱混合动力车辆可回收制动能量的特点，使其具有比常规车辆更好的燃油经济 性。因此，在制动过程中，回收更多的制动能量将使车辆具备更好的经济性能。 制动能量回收研究常与储能元件( 液压蓄能器) 的参数匹配问题一起开展。在不 考虑地面与轮胎相互作用的情况下，装备不同液压蓄能器的液驱混合动力车辆能够回 收2 8 3 6 j 4 2 5 刁以上的制动能量。 而采用恒转矩、恒功率以及转速三种控制方式对城市公交液驱混合动力车辆进行 制动控制，并比较其结果，可得出以下结论3 刀【3 8 】：恒转矩控制制动可使能量回收效 率最大，制动时间最短，因而是一种较理想的制动方法；恒功率制动虽然能量回收效 率小于恒转矩控制的回收效率，但在高速时制动平稳性较好；转速控制制动能量回收 效率较低，但可用于回收系统势能，实现恒速工况下的势能回收。 4 )发展趋势 结合车辆动力学开展研究。利用定压网络控制技术调节车辆驱动和制动的过程 中，车辆动力学特性对控制目标的实现有一定的影响。如考虑地面和轮胎的相互作用， 则在驱动制动过程中，需对变量马达输出转矩进行限制，防止车轮滑转，滑移，以最 大限度地利用回收车辆能量。 驱动制动一体化控制。考虑轮胎和地面的相互作用，则不能简单地利用定压网 络的控制规律对车辆实施控制，需要分别考虑驱动和制动工况下的车辆动力学特性和 5 第1 章绪论 博士论文 驾驶员的命令要求。其中，驱动控制可利用轮胎滑转率对马达输出转矩进行限制；制 动控制则既要满足驾驶员的制动意图和车辆动力学的要求，还需要最大限度地回收制 动能量；在综合考虑车辆驱动和制动工况特性的基础上，一体化控制可通过控制的集 成实现两者的结合。 1 2 1 - 3 整车能量管理策略 整车的能量管理策略已经由针对系统能量状态等参数的规则控制发展到多模式 控制、信息预测型控制等智能化的控制策略。 1 ) 规则控制 基于规则的能量管理策略已经发展的比较成熟，并且成功地应用于商用混合动力 车辆1 5 引。利用混合动力车辆运行过程中的参数信息，并通过规则控制来协调各个动力 源的运彳亍【l o 】- 【1 5 】。其中，参数信息包括储能元件的能量状态、车速以及驾驶员信息等。 针对这些信息，可采用逻辑门限、功率跟随、实用规则等规则控制策略进行控制。 2 )多模式控制 在离线状态下，对典型多工况循环进行分析，获得包括路况及驾驶员模式在内的 各种状态模式，并将其嵌入到规则控制中，从而形成了多模式控制策略。在车辆实际 运行过程中，它对车辆的运行状态进行实时分析，获得路况和驾驶员模式等信息，并 结合车辆当前状态信息对混合动力车辆中各个动力源进行协调。其优点在于能够实现 各种不同路况的自适应控制，改变了以往只针对单一多工况循环进行优化控制。 文献 5 9 】综合利用动态规划和序列二次规划、模糊控制以及基于规则的稳态控制 策略，分四个步骤设计了能量管理策略：步骤1 ，建立混合动力车辆数学模型；步骤 2 ，利用动态规划和序列二次规划方法对车辆的能量系统进行仿真；步骤3 ，利用上 一步骤获得的数学统计特性总结出经验规则，并结合模糊逻辑和基于规则的稳态控制 策略建立能量管理策略；步骤4 ，利用遗传算法对能量管理策略进行优化，获得优化 后的模糊逻辑隶属函数、权重、规则库等参数。通过以上步骤，可优化控制策略中的 参数，使控制策略适应各种典型工况。 文献 6 0 6 1 6 2 】对循环工况模式信息的处理和在线识别包括驾驶状态识别 ( d r i v i n gs i t u a t i o ni d e n t i f i e r ，d s i i ) 和驾驶信息抽取( d r i v i n g i n f o r m a t i o ne x t r a c t o r ， d i e ) 。在d s i i 中，最关键的部分是道路模式识别( r o a d w a yt y p ei d e n t i f i e r ，r t i ) 。 它通过选取九种典型的多工况循环，并将多工况序列化后，输入到神经网络中进行训 练，最终获得集合了各种不同道路模式的模型；而d i e 则在车辆运行过程中实时地 对路况信息进行序列化，并通过r t i 获得道路模式，然后针对道路模式选用相应的控 制规则和参数，即可获得最优的控制效果。 6 博士论文 液驱混合动力车辆控制系统研究 3 )信息预测型控制 信息预测型能量管理策略的重点在于如何利用当前和预测的车辆信息来协调多 个动力源的工作以及如何产生能够反映驾驶员和路况变化趋势的预测信息。其中，前 者常采用预测信息与当前信息差值的形式来表现预测信息的作用，然后利用规则控制 等控制策略实现多个动力源的能量管理；而预测信息主要通过计算平均方差的方法来 获取嘲。 此外，神经网络等智能算法具有较强的能力，因此可利用它们进行信息预测。 1 2 2 控制系统现代开发技术 随着汽车电子技术的不断发展，车辆的运行越来越依赖于电子控制系统。而电子 控制系统的开发是一个繁琐的过程，需要进行理论研究、台架试验、整车试验等一系 列试验和研究，周期长、成本高且极易发生危险情况。为了应对电子控制系统功能不 断增强而开发周期却不断缩短的要求，各种控制系统的快速开发方法和手段应运而 生，其中典型的方法有两种：基于m a t l a b 的控制系统快速开发畔】以及基于 l a b v i e w 的控制系统快速开发方澍j 。 1 2 2 1 基于m a t l a b 的控制系统快速开发 1 )“v 模式开发流程 该方法的具体流程如图1 一l 所示。它大量地采用各种软件、控 制器仿真以及台架试验等仿真和 试验来加快电子控制系统的开发 6 6 1 _ 7 2 1 ，包括离线建模及仿真、快 速控制原型开发、自动代码生成、 在环仿真以及台架及实车实验五 个阶段。 图1 - 1 v 模式开发流程 ( 1 ) 离线建模及仿真 该阶段的主要任务是验证控制原理与算法的可行性。使用m a 蚴s i m u l i n k 软 件可实现系统建模和控制算法的验证。此外，随着各种专业仿真软件以及软件接口标 准的不断完善，可采用m a t l a b 和其它专业软件( 如a m e s e t 、a d a m s 等) 联合 仿真的方式来简化系统建模和仿真的复杂度，缩短控制系统的开发周期。 ( 2 )快速控制原型开发 利用计算机和集成控制系统可模拟真实的电子控制单元和被控对象，实现实时系 7 第1 章绪论博士论文 统仿真。由于离线建模及仿真阶段采用传统的仿真技术，因此在控制系统中无法验证 控制单元的实时性能。这里，可利用m a t l a b 的r t w 和x p c 等工具箱实现实时仿 真系统，并验证控制算法的可行性和实时性。 ( 3 )自动代码生成 该阶段是快速开发过程中由计算机模拟向实际电子控制单元转变过程中最为关 键的一步，它将m a t l a b s i m u l i n k 中的控制算法转变为可被电子控制单元利用的嵌 入式c 代码，可利用专用工具( 如t a r g e t l i n k ) 将可视化算法直接转化为c 代码。此 外，由手需解决代码可移植性等问题，故往往需要手工修改。 ( 4 )在环仿真 在环仿真主要包括硬件在环和处理器在环仿真。前者利用计算机代替真实控制器 对传感器、执行器以及被控对象等外部硬件进行调试，完成参数标定及修改等工作， 进而验证自动生成的c 代码；后者主要使c 代码进一步与目标芯片匹配，保证其可 移植性。 硬件在环仿真主要利用m 棚a b 、d s p a c e 、w i n d r i v e r 公司的m p c 5 5 5 和o s e k 开发套件等开发工具。通过d s p a c e 和m a t l a b 之间的无缝接口，可将 m a t l a b s i m u l i n k 程序下载到d s p a c e 硬件系统中，并实现对被控系统的控制，通 过反复的试验来修改和标定控制参数。 处理器在环仿真用以验证c 代码的可移植性。不同厂商的编译器和芯片各具特 色，直接将c 代码下载到控制单元会产生兼容性问题，因此需对代码进行修改，甚 至嵌入较多的手工代码。其仿真步骤为：通过外围硬件电路和计算机上建立的仿真模 型来模拟真实的被控系统；将代码下载到控制单元中并进行仿真；分析控制单元和被 控系统的交互数据，就可实现对可移植性的验证。 ( 5 )台架及实车实验 通过以上各个阶段，控制系统已经具备了实际应用的能力。因此，可利用台架及 实车实验来最终验证控制系统，并对控制软件进行微调。 以上控制系统快速开发步骤并不是绝对的，可根据具体的控制系统和实际开发条 件进行调整，即通过对软件在环技术、处理器在环技术以及硬件在环技术的应用和理 解，可演绎出各种不同的开发方法。 利用上述控制系统开发流程，多家研究机构和高校开展了电子控制系统的现代化 开发。清华大学忉【8 】【9 】、北京理工大学n 2 1 1 6 6 、上海交通大学 6 7 1 、北京交通大学1 8 】【1 9 】、 重庆大掣2 0 1 、吉林大学 2 2 1 1 6 8 等高校和研究单位利用基于l v l a , t l a b 的控制系统快速开 发技术进行了电子控制系统的开发。 。 在控制系统硬件开发过程中，硬件在环等技术被用来缩短控制系统的开发周期 【8 l ；文献 6 6 】利用m a t l a b 研究了用于电子控制系统开发的单缸模型，并结合d s p a c e 博士论文 液驱混合动力车辆控制系统研究 进行了硬件在环仿真实验，形成了电控单元( e c u ) 开发和测试的有力工具；文献 6 7 】 利用两块控制单元实现了柴油机高压共轨系统的硬件在环仿真。供油系统、e c u 、仿 真单元( s i m u l a t i o nu n i t , s m u ) 和计算机系统组成整个仿真系统，利用s m u 来实现 计算机和e c u 之间的监测和控制功能。该方法利用c a n 总线实现了三者间的通信， 达到控制系统快速开发和验证的目的；文献 1 8 1 利用m a t l a b 建立了并联电动混合 动力车辆模型，结合d s p a c e 建立了硬件在环仿真试验平台；以i s g 型混合动力长 安轿车为对象，重庆大学进行了基于制动能量分配控制策略的整车制动动力学建模 与离线仿真，并在该系统上进行了基于d s p a c e 的硬件在环仿真试验；文献 6 8 1 采用 了三个步骤进行了控制系统的开发：方案设计、基于m a t l a b 控制原型的控制系统 开发和基于目标e c u 的电控系统开发。其中，后两个步骤都包括了软件在环、处理 器在环和硬件在环仿真调试。 国外多家研究机构和高校也进行了该方面的研究。文献 6 9 1 结合控制系统快速开 发方法，用三个步骤实现了d s p 算法：利用m a t l a b 开发符合系统要求的数字信号 处理程序，并通过了软件在环验证；利用m a t l a b 转换工具箱得到标准c 代码，将 其导入d e s i g n - t r o t t e r 工具软件。该软件能对c 代码的内存用量、程序死角( 永远不 能运行的代码) 、并行机制等特性进行分析；利用d k - s u i t e 软件将c 代码转化并用 f p g a 硬件实现。为对电源系统进行评价，文献 7 0 】进行了如下图所示的两种控制系 统开发研究，两种评价系统在试验过程中都表现良好。 图1 2 针对两种不同芯片的m a t l a b 控制系统开发流程 2 )高层次的开发技术 经过多年的发展，基于m a t l a b 的控制系统开发技术已经发展到比较高的层次， 其主要体现在以下两个方面： ( 1 )多语言的协同