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2023-11-04
控制策略有效性分析：方法与应用
【摘要】：表8.1给出了在Rule-based Control和Proposed Control两种控制策略下模式切换品质评价指标的对比结果。表8.1模式切换品质评价指标对比综上所述，在切换系统概念描述下的机电复合传动系统模式切换过程中，针对离合器接合阶段和制动器分离阶段，分别采用基于模型预测与控制分配的转矩协调控制策略和基于电机转矩的动态补偿控制策
驾驶意图一般通过油门踏板来反映，驾驶员通过油门踏板来实现车辆加速的过程。车辆加速度是车速的导数，因此，车速是驾驶意图的一种直接反映。所以，本节的仿真分析将在某一段加速轨迹下进行，以反映驾驶员通过踩油门踏板实现车辆加速的典型过程，同时涵盖了机电复合传动系统从EVT1模式到EVT2模式的切换过程。由于模式切换过程时间非常短，仿真中设定模型预测控制器的采样时间间隔为0.002 s，这样既可以保证模式切换动态过程中的稳定控制，又可以满足较大的控制计算量。经过大量的试验与调试，设置预测时域 N=4，控制时域 M=8，虚拟控制量的权重矩阵 Rv=diag （2，3），实际控制量的加权矩阵
，离合器接合速差的阈值为
=300 r/min，制动器分离速差的阈值为
=10 r/min。
这里采用上文基于规则的模式切换控制策略（Rule-based Control）为基准，与本章所提的模式切换控制策略（Proposed Control）进行对比，模式切换动态特性对比结果如图8.10所示。针对模式切换过程的切换品质，这里以模式切换持续时间、输出转矩的波动范围、车辆加速度的波动范围、车辆纵向冲击度的绝对值和离合器的滑摩功为评价指标。
如图8.10（a）所示，模式切换过程被划分为四个阶段，切换信号1，2，3，4分别对应EVT1模式、离合器接合阶段、制动器分离阶段和EVT2模式。图8.10（a）中，以虚线对Rule-based Control各个阶段进行了划分，以实线对Proposed Control各个阶段进行了划分。经简单计算可得，Proposed Control和Rule-based Control的模式切换持续时间分别为0.551 s和0.606 s，也就是说，采用Proposed Control后，机电复合传动系统的模式切换响应速度提高了9%，其中离合器接合阶段减少了0.034 s，制动器分离阶段减少了0.021 s。
图8.10 机电复合传动系统模式切换控制策略仿真结果对比
（a）切换信号；（b）发动机转矩；（c）电机A转矩；（d）电机B转矩；（e）离合器转矩；（f）离合器转速；（g）车速；（h）输出转矩
图8.10 机电复合传动系统模式切换控制策略仿真结果对比（续）
（i）车辆纵向加速度；（j）冲击度；（k）离合器滑摩功
从系统部件层的角度出发，图8.10（b）、（c）、（d）、（e）表明针对离合器接合阶段，Proposed Control通过协调发动机转矩、电机A和电机B转矩，可以有效地补偿离合器转矩的变化。同时我们注意到，由于发动机转矩响应速度慢，而电机A又作为发动机的负载，因此在设置加权矩阵参数时，应尽量降低发动机转矩和电机A转矩的权重比例。另一方面，通过增加电机B转矩的权重比例可以在保证响应速度快的前提下，改进对离合器的转矩补偿效果。针对制动器分离阶段，Proposed Control能够协调电机B产生控制转矩，以补偿输出转矩的瞬态波动量。
图8.10（g）、（h）、（i）、（j）所示分别为车速、输出转矩、加速度和冲击度的变化曲线。可以看出，在模式切换过程中Rule-based Control的输出转矩、加速度和冲击度存在较大的波动，输出转矩波动量达到4 603 N ·m，加速度波动量出现负值现象，离合器接合瞬间冲击度绝对值达到13.87 m/s3；相比之下，采用Proposed Control减小了车速的波动范围，车速变化更加平稳，输出转矩波动范围降低到2 815 N ·m，加速度波动和车辆纵向冲击度波动更小，同时避免了加速度波动负值的出现，离合器接合瞬间无明显冲击，离合器接合阶段冲击度绝对值为3.79 m/s3。通过定量的比较，模式切换过程中采用Proposed Control得到输出转矩、加速度和冲击度变化范围比Rule-based Control分别降低了39%，43%和74%。
采用Rule-based control时输出转矩、加速度和冲击度产生较大波动的原因在于，针对离合器接合阶段，快速充油的方式虽然能迅速接合离合器的主、被动端，但会造成较大的瞬时冲击；针对制动器分离阶段，基于上文理论分析可知发动机和两个电机惯性转矩的动态特性差异，导致输出转矩不可避免地产生一定波动量；相比之下，Proposed Control通过协调发动机和两个电机转矩，可有效地补偿离合器转矩，以适应被控系统中的各种非线性变化，同时保证离合器转矩的连续性，避免切换瞬间的冲击；另外，电机B的控制转矩补偿了输出转矩的瞬态分量，进而有效地抑制了输出转矩的 波动。
由图8.10（k）可以看出，针对离合器接合阶段，Proposed Control产生的滑摩功为3 035 J，Rule-based Control产生的滑摩功则为1 435 J。根据之前的理论分析可知，离合器滑摩功与离合器主、被动端的速差、摩擦转矩和滑摩时间三个因素有关，图8.10（a）、（e）、（f）仿真结果表明，采用Proposed Control后，以上三个因素的仿真结果均小于Rule-based Control。因此，滑摩功降低了53%。
表8.1给出了在Rule-based Control和Proposed Control两种控制策略下模式切换品质评价指标的对比结果。
表8.1 模式切换品质评价指标对比
综上所述，在切换系统概念描述下的机电复合传动系统模式切换过程中，针对离合器接合阶段和制动器分离阶段，分别采用基于模型预测与控制分配的转矩协调控制策略和基于电机转矩的动态补偿控制策略，在保证模式切换响应速度快和车速稳步上升的前提下，能够有效地降低输出转矩和加速度的波动范围，同时减小车辆的冲击度和离合器的滑摩功，因此显著地改善了模式切换过程的切换品质，保证了机电复合传动系统的驾驶性能。
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