HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，包括在汽车仿真软件中搭建整个混合动力汽车仿真模型；设计电机转矩、发动机转矩和离合器转矩作为激励数据，并将所设计的激励数据作用于所搭建的混合动力汽车仿真模型；基于采集的开环数据来构建混合动力汽车的输入和输出的数据块Hankel矩阵，进而基于辨识模型构造出混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程；定义数据驱动预测控制器的输入序列的增量、输出序列和将来的输入序列，以增量形式来表述预测输出方程；再根据相应的输入约束和输出约束，在线求解数据驱动预测控制器。本发明专利技术既减少了计算量，又避免了从数据辨识到状态空间模型时引入的建模误差问题。

Data driven predictive controller design method and system for HEV mode switching

The invention discloses a HEV mode switching data driven predictive controller design method, including the setup of the hybrid electric vehicle simulation model in the vehicle simulation software; design of motor torque, engine torque and clutch torque as the excitation data and the number of incentives designed to build the model according to the simulation of hybrid electric vehicle; data block Hankel the open loop data acquisition matrix was constructed based on the hybrid vehicle of input and output, and to predict the output equation of mode switching system of hybrid electric vehicle identification model is constructed based on the definition; data driven predictive input sequence controller, the incremental output sequence and the input sequence, with incremental predictive output equation to express again; according to the input and output constraints accordingly, solving the on-line data driven predictive controller. The invention not only reduces the calculation amount, but also avoids the modeling error introduced from the data identification to the state space model.

【技术实现步骤摘要】
HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法及系统
本专利技术属于混合动力汽车领域，尤其涉及一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法及其系统。
技术介绍
HEV的英文全称为HybridElectricVehicle，中文名称为：混合动力汽车。随着能源短缺和环境污染问题的加剧，混合动力汽车(HybridElectricVehicle，HEV)既能大幅提高车辆的燃油经济性和排放性能，又能保证足够的续驶里程，是一种在近期内有效减少化石燃料消耗和碳排放的可行方案，已成为当今的研究热点和主流方向。目前一些先进的理论，如：模糊自适应滑模方法、模型匹配控制、模型参考控制、切换控制、模型预测控制等方法，被应用到这一领域并取得了许多研究成果，但这些方法都是基于机理模型的，其控制效果严重依赖于建模的精确性。而HEV动力总成系统结构复杂，而且系统特性和各部件参数将随HEV的长期老化和行驶条件的变化而改变(例如，轴的阻尼系数随环境温度的变化会有很大变化)，因此难以对其建立准确的机理模型。即使能建立描述HEV动力总成系统的全局精确数学模型，定呈高阶非线性。高阶非线性模型很难用基于机理模型的控制方法予以处理。即使能处理，也一定导致高阶复杂的控制器，运算量相当庞大，不能满足HEV的快速性和实时性要求。有鉴于此，现有研究在建模时都做了一定的简化处理，但势必存在诸多未建模动态，致使控制效果不佳。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点，本专利技术的第一目的是提供一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法。本专利技术的一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，包括：步骤1：在汽车仿真软件中搭建整个混合动力汽车仿真模型；步骤2：根据混合动力汽车模式切换系统的动态特性，设计电机转矩、发动机转矩和离合器转矩作为激励数据，并将所设计的激励数据作用于所搭建的混合动力汽车仿真模型；步骤3：基于采集的开环数据来构建混合动力汽车的输入和输出的数据块Hankel矩阵，进而基于辨识模型构造出混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程；步骤4：定义混合动力汽车模式切换系统的输入序列的增量、输出序列和将来的输入序列，以增量形式来表述预测输出方程；步骤5：根据相应的输入约束和输出约束，构建纯电动到混合动力模式切换期间的最优控制的成本函数，并基于增量形式表述的预测输出方程来在线求解数据驱动预测控制器。所述混合动力汽车仿真模型包括发动机模块、电机模块、离合器模块、变速箱模块、电池模块、轮胎模块、差速器模块以及车辆纵向动力学。本专利技术的混合动力汽车仿真模型为离合器使能单轴并联HEV的整车模型，该HEV整车模型能够很好地刻画车辆的瞬态动力学特性，例如，发动机输出力矩的延迟特性，离合器的扭转震动，驱动轴的振动特性以及轮胎的滑移率特性等。该HEV包括停车、纯电动、混合驱动、纯发动机驱动、制动能量回馈、充电多种工作模式。其中，数据驱动预测控制器的数据驱动预测控制方法由子空间辨识和模型预测控制相结合构成的。本专利技术利用子空间辨识和模型预测控制相结合来实现数据驱动预测控制方法，省去了基于机理模型的方法中对状态空间方程的求解，既减少了计算量，又避免了从数据辨识到状态空间模型时引入的建模误差问题。在所述步骤3中，根据混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程，利用子空间辨识方法来估计混合动力汽车模式切换系统的未来输出值。该方法无需预先的模型参数化，使用简单，能够保证数值的鲁棒性。成本函数由两部分构成，其中，成本函数的第一部分迫使离合器滑移速度收敛到0，从而实现快速地模式切换且减少离合器磨损；成本函数的第二部分控制发动机转矩、离合器转矩和电机转矩的变化率，用于保证模式切换的舒适性。本专利技术的第二目的是提供一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计系统。本专利技术的一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计系统，包括：混合动力汽车仿真模型搭建模块，其用于搭建整个混合动力汽车仿真模型；混合动力汽车模式切换系统搭建模块，其用于根据混合动力汽车模式切换系统的动态特性，设计电机转矩、发动机转矩和离合器转矩作为激励数据，并将所设计的激励数据作用于所搭建的混合动力汽车仿真模型；预测输出方程构造模块，其用于基于采集的开环数据来构建混合动力汽车的输入和输出的数据块Hankel矩阵，进而基于辨识模型构造出混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程；增量形式表述预测输出方程模块，其用于定义混合动力汽车模式切换系统的输入序列的增量、输出序列和将来的输入序列，以增量形式来表述预测输出方程；数据驱动预测控制器求解模块，其用于根据相应的输入约束和输出约束，构建纯电动到混合动力模式切换期间的最优控制的成本函数，并基于增量形式表述的预测输出方程来在线求解数据驱动预测控制器。所述混合动力汽车仿真模型包括发动机模块、电机模块、离合器模块、电池模块、轮胎模块、变速箱模块、差速器模块以及车辆纵向动力学。本专利技术的混合动力汽车仿真模型为离合器使能单轴并联HEV的整车模型，该HEV整车模型能够很好地刻画车辆的瞬态动力学特性，例如，发动机输出力矩的延迟特性，离合器的扭转震动，驱动轴的振动特性以及轮胎的滑移率特性等。该HEV包括停车、纯电动、混合驱动、纯发动机驱动、制动能量回馈、充电多种工作模式。在混合动力汽车模式切换系统搭建模块中，数据驱动预测控制器的数据驱动预测控制方法由子空间辨识和模型预测控制相结合构成的。本专利技术利用子空间辨识和模型预测控制相结合来实现数据驱动预测控制方法，省去了基于机理模型的方法中对状态空间方程的求解，既减少了计算量，又避免了从数据辨识到状态空间模型时引入的建模误差问题。在所述预测输出方程构造模块中，根据混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程，利用子空间辨识方法来估计混合动力汽车模式切换系统的未来输出值。该方法无需预先的模型参数化，使用简单，能够保证数值的鲁棒性。成本函数由两部分构成，其中，成本函数的第一部分迫使离合器滑移速度收敛到0，从而实现快速地模式切换且减少离合器磨损；成本函数的第二部分控制发动机转矩、离合器转矩和电机转矩的变化率，用于保证模式切换的舒适性。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术涉及的一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，其中，数据驱动预测控制器的控制方法，采用基于数据的预测方法替代传统的基于机理模型的控制方法，克服了对于HEV动力总成这样的复杂系统中所存在的机理建模的准确性和控制的实时性之间的矛盾。与传统的模型预测控制方法相比，本专利技术所采用的设计方法设计出的数据驱动预测控制器的模式切换质量更高，这有助于提高HEV的驾乘舒适性，同时延长离合器的使用寿命。(2)采用先进的数据驱动预测控制方法用于HEV工作模式切换过程中的转矩协调控制中，直接基于离线采集的输入输出数据来设计控制器，有效避免了HEV动力总成这样的复杂系统中所存在的机理建模难的问题，省去了基于机理模型的方法中对状态空间方程的求解，既减少了计算量，又避免了从数据辨识到状态空间模型时引入的建模误差问题。(3)本专利技术所述的控制算法只需要做一些离线仿真实验以获取输入输出数据不需要任何经验及标定试验，开发成本低。随着时间的推移，系统特性和部件参数可能随动力总成部件的老化而逐渐发生变化，只需重新收集算法中所需的车辆运行数据，而无需对算法做任何改动，即可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，其特征在于，包括：步骤1：在汽车仿真软件中搭建整个混合动力汽车仿真模型；步骤2：根据混合动力汽车模式切换系统的动态特性，设计电机转矩、发动机转矩和离合器转矩作为激励数据，并将所设计的激励数据作用于所搭建的混合动力汽车仿真模型；步骤3：基于采集的开环数据来构建混合动力汽车的输入和输出的数据块Hankel矩阵，进而基于辨识模型构造出混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程；步骤4：定义混合动力汽车模式切换系统的输入序列的增量、输出序列和将来的输入序列，以增量形式来表述预测输出方程；步骤5：根据相应的输入约束和输出约束，构建纯电动到混合动力模式切换期间的最优控制的成本函数，并基于增量形式表述的预测输出方程来在线求解数据驱动预测控制器。

【技术特征摘要】
1.一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，其特征在于，包括：步骤1：在汽车仿真软件中搭建整个混合动力汽车仿真模型；步骤2：根据混合动力汽车模式切换系统的动态特性，设计电机转矩、发动机转矩和离合器转矩作为激励数据，并将所设计的激励数据作用于所搭建的混合动力汽车仿真模型；步骤3：基于采集的开环数据来构建混合动力汽车的输入和输出的数据块Hankel矩阵，进而基于辨识模型构造出混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程；步骤4：定义混合动力汽车模式切换系统的输入序列的增量、输出序列和将来的输入序列，以增量形式来表述预测输出方程；步骤5：根据相应的输入约束和输出约束，构建纯电动到混合动力模式切换期间的最优控制的成本函数，并基于增量形式表述的预测输出方程来在线求解数据驱动预测控制器。2.如权利要求1所述的一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，其特征在于，所述混合动力汽车仿真模型包括发动机模块、电机模块、离合器模块、变速箱模块、电池模块、轮胎模块、差速器模块以及车辆纵向动力学。3.如权利要求1所述的一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，其特征在于，数据驱动预测控制器的数据驱动预测控制方法由子空间辨识和模型预测控制相结合构成的。4.如权利要求1所述的一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，其特征在于，在所述步骤3中，根据混合动力汽车模式切换系统的预测输出方程，利用子空间辨识方法来估计混合动力汽车模式切换系统的未来输出值。5.如权利要求1所述的一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计方法，其特征在于，成本函数由两部分构成，其中，成本函数的第一部分迫使离合器滑移速度收敛到0，从而实现快速地模式切换且减少离合器磨损；成本函数的第二部分控制发动机转矩、离合器转矩和电机转矩的变化率，用于保证模式切换的舒适性。6.一种HEV模式切换的数据驱动预测控制器设计系统，其特征在于，包括：混合动力汽车仿真...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，邢国靖，张承慧，王殿涛，
申请(专利权)人：山东工商学院，山东大学，烟台东方威思顿电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37