混合动力汽车发动机启停控制方法与流程

本发明属于控制
技术领域：
。
背景技术：
：发动机启停系统就是在车辆行驶过程中临时停车(如遇到红灯或交通拥堵等情况)，发动机自动停止，当接收到驾驶员前进的指令时，发动机自动启动的系统。在严格的政府燃油经济性和排放法规下，启停系统由于其较低的成本和对原车改装比较小，受到了各大厂商的关注。相较于传统汽车，混合动力汽车发动机启停的次数更为频繁，因此发动机启停系统的控制性能也提出了更高的要求，即更快速平稳的启动。技术实现要素：本发明的目的是利用发动机实际和期望的转速差设计基于模型预测控制的误差反馈控制器，设计一个前馈加反馈结构的启停系统控制器，实现发动机平稳快速启动的混合动力汽车发动机启停控制方法。本发明的步骤是：①将bsg启停系统构建成拉格朗日方程的形式:t表示带传动机构的动能，由下式可得：其中ωi用来表示转速，ji表示转动惯量，i＝1表示发动机，i＝2表示bsg电机，p＝kb(r1θ1-r2θ2)2(3)其中p表示带传动机构的势能，r1表示发动机曲轴半径，r2表示bsg电机输出轴半径，kb表示皮带的等效刚度；d＝cb(r1ω1-r2ω2)2(4)其中d表示带传动机构的瑞利耗散函数，cb表示皮带的等效阻尼系数；w＝t1θ1+t2θ2(5)其中w表示带传动机构对外做的功，t1表示发动机启动阻力矩，t2表示bsg电机输出转矩；②整理可得bsg启停系统微分方程组如下：③由于研究对象是bsg皮带传动的发动机启停系统，假设皮带传动是理想传动：r1θ1＝r2θ2，r1ω1＝r2ω2(7)bsg启停系统微分方程组可以简化为：其中tind是发动机启动阻力矩，tm是发动机往复惯性力矩，tf是发动机摩擦扭矩；④由于启动时发动机不喷油，通过曲轴转角估计发动机缸内压力，从而估计由缸内压力变化引起的启动阻力矩，下式为单缸发动机启动阻力矩：其中是连杆曲柄比，l是连杆长度，r是曲轴半径；⑤在发动机工作过程中，从图3可以看出，相比较缸内气体压缩阻力矩，发动机启动过程的往复惯性力比较小，因此对发动机启动过程来看影响不是很大，而且往复惯性力矩是高度非线性的，所以在设计控制器时将其忽略不计：其中fin(θ1)表示发动机往复惯性力，通过下式计算可得：min表示往复运动零件(包括活塞，连杆，活塞销等)的等效质量，x表示缸内活塞的位移：⑥发动机摩擦力矩模型：tf＝k0+k1ω1+k2ω12(13)根据上述可得面向控制的发动机启停模型如下：⑦因为由bsg电机拖动发动机启动，所以将电机扭矩t2作为系统的控制输入，为了削弱由于柴油机高压缩比导致的启动过程中大的压缩扭矩波动，将bsg电机扭矩分为一个前馈项加反馈项即：t2＝tff+tfb(15)其中有：tff＝-φtind(16)当φ＝1，则有：由发动机缸内的工作过程可知：⑧因为启动过程完全是由电机拖动发动机到达怠速转速，不涉及到发动机喷油，所以假设发动机缸内是一个纯绝热过程，忽略热传递和热传导，即：qn＝0(19)则有发动机缸内压强可表示为：其中vivc表示进气阀关闭时发动机的体积pamb表示外界标准大气压，v(θ1)表示发动机的体积随曲轴转角的变化，如下式所示：其中vc表示发动机缸内的余隙容积(燃烧室容积)，cr表示发动机的压缩比：综合以上可得，发动机缸内压强公式为：⑨针对四缸柴油机，每个气缸相位相差π，根据气缸做功顺序：1-3-2-4可得四缸柴油发动机启动时由于缸内气体压缩引起的气动阻力矩为：tind＝tind1(θ1)+tind2(θ1+π)+tind3(θ1-π)+tind4(θ1-2π)(24)又有，简化后可得：⑩将模型用泰勒公式在期望发动机转速ω0处线性化之后，设计基于模型预测控制的反馈控制器，线性化之后的模型为：可以得到发动机启停控制系统的状态空间方程为：其中状态量x为发动机转速，控制变量u＝tfb为bsg电机力矩，令输出变量y＝x也是发动机的转速值；为了满足模型预测控制器设计的需要，利用欧拉方程对发动机启停控制系统的状态空间方程进行离散化，选取采样时间为t,得到离散之后增量形式的系统状态方程为：其中，c＝1,d＝0⑪最后根据化简和变换之后得到的系统状态方程，根据模型预测控制算法设计基于模型预测控制的启停系统控制器，以发动机实际转速与期望转速之间的转速差为优化目标，设计出的目标代价函数如下式所示：j＝||γy(y(k+1|k)-r(k+1))||2+||γuδu(k)||2(32)γu,γy是输入项和输出项的加权系数；nu是控制时域这里选定为5，np是预测时域同样选定为5，r(k+1)为发动机期望转速序列；扭矩优化中电机的最大力矩约束为：利用所设计的模型预测控制器计算出的电机扭矩,通过amesim和matlab/simulink联合仿真技术施加给bsg电机，实现发动机实际转速，跟踪上给定的期望转速，从而实现发动机的平稳启停。本发明首先将非线性系统进行了简化，同时，所采用的控制方法对模型的精度要求不需要太高，同时所设计的控制器考虑了执行器部分的硬性约束条件。同时所采用的控制器可以很好克服启动过程中由于发动机缸内气体压缩引起的大的扭矩波动，从而实现发动机平稳快速的启动。附图说明图1是实施本发明所述的基于前馈加反馈控制方法的发动机启停系统控制框图；图2是本发明所述的发动机启停系统中发动机与bsg电机连接结构示意图；图3是本发明所述的启停系统中发动机的缸内压缩阻力矩与往复惯性力矩对比曲线，其中虚线表示发动机往复惯性力矩，实往复惯性力矩发动机的缸内压缩阻力矩，单位均为nm，横坐标为曲柄角，单位为度图4是本发明所述的启停控制系统前馈补偿控制器结构图；图5是本发明所述的发动机怠速值设定为700rpm时，经过启停控制器作用后期望发动机转速与实际发动机转速的对比曲线，其中虚线表示期望发动机转速，实线表示实际发动机转速，单位为rpm,横坐标为时间,单位为s；图6是本发明所述的发动机怠速值设定为750rpm时，经过启停控制器作用后期望发动机转速与实际发动机转速的对比曲线，其中虚线表示期望发动机转速，实线表示实际发动机转速，单位为rpm,横坐标为时间,单位为s；图7是本发明所述的发动机怠速值设定为800rpm时，经过启停控制器作用后期望发动机转速与实际发动机转速的对比曲线，其中虚线表示期望发动机转速，实线表示实际发动机转速，单位为rpm，横坐标为时间，单位为s。具体实施方式本发明主要作用就是基于测量得到发动机曲轴转角信息估计启停系统由缸压产生的阻力矩从而设计前馈补偿控制器。本发明涉及一种基于前馈补偿加误差反馈控制的发动机启停系统控制方法，更具体地说，本发明基于发动机曲轴转角估计启动过程中由缸压产生阻力矩，设计前馈补偿控制器，利用发动机实际和期望的转速差设计基于模型预测控制的误差反馈控制器，设计一个前馈加反馈结构的启停系统控制器，实现发动机平稳快速启动。本发明针对混合动力汽车发动机启停系统的发动机平稳启动的控制问题，根据拉格朗日方程建立启停系统模型，利用得到的模型经过简化设计一个前馈加反馈结构的发动机启停控制器，可以有效解决发动机频繁启动过程中启动不平稳的问题。本发明所述的研究方法在功能上包括以下两个部分内容：混合动力汽车发动机启停系统仿真模型和启停控制器。本发明所述的基于前馈加反馈控制的混合动力汽车发动机启停控制是通过amesim软件和matlab/simulink软件联合仿真实现。应用复杂系统建模与仿真平台软件amesim模拟真实混合动力汽车发动机启停系统，可以设置发动机不同的启动工况，来模拟实际发动机启动过程中克服的启动阻力矩；matlab/simulink用于设计启停系统控制器仿真模型的搭建，控制器包括前馈补偿控制器和基于模型预测控制的反馈控制器两部分组成。前馈补偿控制器是基于发动机曲轴转角估计的发动机缸内气体压缩阻力矩，用以补偿发动机启动过程克服缸内压力波动的力矩；反馈控制器是利用从仿真模型中获得的发动机实际转速与期望转速之间的差值，利用简化的机理模型设计控制器，通过优化运算得到电机输出力矩，作用于仿真模型实现发动机的实际转速跟踪期望转速。本发明的基于前馈+反馈控制的混合动力汽车发动机启停控制方法实施的整体原理框图如图1所示，由图可以看出整个系统包含两个部分：被控系统模型和控制器模型。由于被控对象的模型采用amesim中的模型，因此本发明不做详细介绍，只给出主要的模型参数如表一所示。表一启停系统发动机参数表参数数值连杆长度143.6mm发动机冲程94.4mm发动机压缩比16.2气缸缸径82mm曲轴半径47.2mm参考压力101300pa参考温度293k只考虑皮带的轴向形变，将皮带等效成一个弹簧阻尼系统，同时假设皮带的质量相对于滑轮可以忽略不计而且不存在弯曲刚度，此外假设两个带轮是同步传动，即皮带和滑轮之间没有滑动，发动机与bsg电机连接结构示意图如图2所示。根据能量守恒可以将bsg启停系统构建成拉格朗日方程的形式:t表示带传动机构的动能，由下式计算可得：其中ωi用来表示转速，ji表示转动惯量，i＝1表示发动机，i＝2表示bsg电机，p＝kb(r1θ1-r2θ2)2(3)其中p表示带传动机构的势能，r1表示发动机曲轴半径，r2表示bsg电机输出轴半径，kb表示皮带的等效刚度。d＝cb(r1ω1-r2ω2)2(4)其中d表示带传动机构的瑞利耗散函数，cb表示皮带的等效阻尼系数w＝t1θ1+t2θ2(5)其中w表示带传动机构对外做的功，t1表示发动机启动阻力矩，t2表示bsg电机输出转矩。整理可得bsg启停系统微分方程组如下：由于研究对象是bsg皮带传动的发动机启停系统，假设皮带传动是理想传动：r1θ1＝r2θ2，r1ω1＝r2ω2(7)bsg启停系统微分方程组可以简化为：其中tind是发动机启动阻力矩，tm是发动机往复惯性力矩，tf是发动机摩擦扭矩。由于启动时发动机不喷油，通过曲轴转角估计发动机缸内压力，从而估计由缸内压力变化引起的启动阻力矩，下式为单缸发动机启动阻力矩：其中是连杆曲柄比，l是连杆长度，r是曲轴半径。在发动机工作过程中，从图3可以看出，相比较缸内气体压缩阻力矩，发动机启动过程的往复惯性力比较小，因此对发动机启动过程来看影响不是很大，而且往复惯性力矩是高度非线性的，所以在设计控制器时将其忽略不计：其中fin(θ1)表示发动机往复惯性力，通过下式计算可得：min表示往复运动零件(包括活塞，连杆，活塞销等)的等效质量，x表示缸内活塞的位移：发动机摩擦力矩模型：tf＝k0+k1ω1+k2ω12(13)根据上述可得面向控制的发动机启停模型如下：因为由bsg电机拖动发动机启动，所以将电机扭矩t2作为系统的控制输入，为了削弱由于柴油机高压缩比导致的启动过程中大的压缩扭矩波动，将bsg电机扭矩分为一个前馈项加反馈项即：t2＝tff+tfb(15)其中有：tff＝-φtind(16)当φ＝1，则有：由发动机缸内的工作过程可知：因为启动过程完全是由电机拖动发动机到达怠速转速，不涉及到发动机喷油，所以假设发动机缸内是一个纯绝热过程，忽略热传递和热传导，即：qn＝0(19)则有发动机缸内压强可表示为：其中vivc表示进气阀关闭时发动机的体积pamb表示外界标准大气压，v(θ1)表示发动机的体积随曲轴转角的变化，如下式所示：其中vc表示发动机缸内的余隙容积(燃烧室容积)，cr表示发动机的压缩比：综合以上可得，发动机缸内压强公式为：针对四缸柴油机，每个气缸相位相差π，根据气缸做功顺序：1-3-2-4可得四缸柴油发动机启动时由于缸内气体压缩引起的气动阻力矩为：tind＝tind1(θ1)+tind2(θ1+π)+tind3(θ1-π)+tind4(θ1-2π)(24)又有，简化后可得：将模型用泰勒公式在期望发动机转速ω0处线性化之后，设计基于模型预测控制的反馈控制器，线性化之后的模型为：可以得到发动机启停控制系统的状态空间方程为：其中状态量x为发动机转速，控制变量u＝tfb为bsg电机力矩，令输出变量y＝x也是发动机的转速值。为了满足模型预测控制器设计的需要，利用欧拉方程对发动机启停控制系统的状态空间方程进行离散化，选取采样时间为t,得到离散之后增量形式的系统状态方程为：其中，c＝1,d＝0(31)最后根据化简和变换之后得到的系统状态方程，根据模型预测控制算法设计基于模型预测控制的启停系统控制器，以发动机实际转速与期望转速之间的转速差为优化目标，设计出的目标代价函数如下式所示：j＝||γy(y(k+1|k)-r(k+1))||2+||γuδu(k)||2(32)γu,γy是输入项和输出项的加权系数。nu是控制时域这里选定为5，np是预测时域同样选定为5，r(k+1)为发动机期望转速序列。扭矩优化中电机的最大力矩约束为：利用所设计的模型预测控制器计算出的电机扭矩,通过amesim和matlab/simulink联合仿真技术施加给bsg电机，实现发动机实际转速，跟踪上给定的期望转速，从而实现发动机的平稳启停。实验验证为了进一步验证发动机启停系统控制器的控制性能，在启停系统模型中改变发动机期望怠速转速的大小而其他参数不变对启停系统控制器进行了性能验证。根据不同型号的发动机怠速值可能会有所不同，本发明选定700rpm，750rpm，800rpm三组怠速值，同时设定电机最大扭矩范围是-118～118nm，到的仿真结果如图5，6，7所示。由仿真结果图可知，经过启停控制器的作用，发动机可以实现在0.3s左右快速达到发动机怠速转速，并稳定怠速转速附近，同时针对发动机怠速值不同的情况，本发明所设计的启停控制器具有良好的稳定性，都可以实现发动机的快速平稳启动。当前第1页12