混合動(dòng)力汽車電子差速控制系統(tǒng)的研究

1 引言

面臨能源緊缺和環(huán)境污染的壓力，世界各圍十分重視電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)。綜合了純電動(dòng)汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力汽車自然得到了廣泛的發(fā)展，成為清潔汽車陣營(yíng)中不可忽視的力量。傳統(tǒng)汽車是依靠行星輪的自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)左、右車輪差速，在汽車轉(zhuǎn)彎行駛或其他行駛情況下，都n，以借行星齒輪以相應(yīng)轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車以不I叫轉(zhuǎn)速在地面j：滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。對(duì)于采用混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪之間同樣存在轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制的問(wèn)題。電動(dòng)輪電子差速技術(shù)已經(jīng)成為混合動(dòng)力整車控制系統(tǒng)必須解決的問(wèn)題。

本文所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車采用輪轂驅(qū)動(dòng)技術(shù)，根據(jù)輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的技術(shù)特點(diǎn)，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)的控制方法．實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車的電子差速控制。

2 現(xiàn)有的電子差速技術(shù)

當(dāng)汽車低速運(yùn)行時(shí)，由ACKERMANN和JEANTAND提出的模型廣泛應(yīng)用于汽車的電子差速控制。如圖1所示。


圖1 ACKERMANN和JEANTAND模型

假設(shè)Uin，Uout分別為前內(nèi)輪轉(zhuǎn)速和前外輪轉(zhuǎn)速，U3，U4分別為后內(nèi)輪轉(zhuǎn)速和后外輪轉(zhuǎn)速，U為當(dāng)前車速。

由上述模型可得


由此可見兩后輪轉(zhuǎn)速U3、U4是關(guān)于當(dāng)前車速U和車輪轉(zhuǎn)角δ的函數(shù)。因此可由加速踏板指令獲得u，轉(zhuǎn)角傳感器獲得δ，經(jīng)計(jì)箅得到Ut和U4，然而上述模型只適用可靜態(tài)分析，是在假設(shè)車輪為純滾動(dòng)的條件下建立的，沒(méi)有考慮車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力和向心力。忽略了輪胎的影響。下面采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)的方法對(duì)差速模犁進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)電子差速控制

3．1模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模犁參考自適應(yīng)控制(MRAC)特點(diǎn)足用一個(gè)給定的參考模型(一般為性能良好的低階系統(tǒng))來(lái)產(chǎn)生所要求的閉環(huán)系統(tǒng)輸出Ym，控制的目的是使系統(tǒng)的實(shí)際輸出跟蹤Ym。MRAC適用于線性系統(tǒng)，當(dāng)被控對(duì)象具有未知的非線性特性時(shí)，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制方案．其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNI為在線辨識(shí)器，用于辨識(shí)被控對(duì)象的模型；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNC為控制器，通過(guò)訓(xùn)練可使閉環(huán)系統(tǒng)的輸出Y跟蹤參考模型的輸出Ym，從而使e=Ym-Y→0。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模刑參考自適應(yīng)控制的結(jié)構(gòu)有兩種：直接型和間接型。間接方式比直接方式多采用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器NNI。其余部分完全相同。其中，神經(jīng)控制器NNC的作用足通過(guò)訓(xùn)練，使受控對(duì)象輸出與參考模型之差盡量小。


圖2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考A適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)a)直接型 b)問(wèn)接型

3．2模型參考自適應(yīng)電子差速模剄的建立

本文采用直接型模型參考自適應(yīng)控制方法，選擇非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。針對(duì)前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，利用Ackermann模型計(jì)算基本輪速，根據(jù)車輛橫向動(dòng)力學(xué)方程建立的整車動(dòng)力學(xué)模型作為參考模捌。指令輸入施加到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中，控制器的輸出作為對(duì)象的輸入，使對(duì)象的輸出與參考模型的輸出按最小二乘匹配。，由整車動(dòng)力學(xué)模型得到的輪速與Ackermann模型計(jì)箅的基本輪速之籌作為誤差信號(hào)，反饋給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不斷訓(xùn)練，修改權(quán)值，使誤差達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。控制原理圖如圖3所示。


圖3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)電子差速控制

對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，本文采用離線學(xué)習(xí)的方法。離線學(xué)習(xí)就是將網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程與控制過(guò)程分開，將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的一螳輸入／輸出對(duì)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本空間，以此對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練結(jié)束后再將其加進(jìn)控制系統(tǒng)中去。多層感知器型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最常用的訓(xùn)練算法為BP算法。其訓(xùn)練步驟如下：

①隨機(jī)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始狀態(tài)r，令t=t0

②根據(jù)BP算法產(chǎn)生r的下一候選狀態(tài)r

③令r為訓(xùn)練樣本的誤差平方和函數(shù)

④若e<= 0，則令r=r；否則以概率exp(-e／kgt）接受r=r

⑤重復(fù)②～④n次

⑥修正權(quán)值

⑦重復(fù)②一⑥直到誤差已達(dá)到精度要求

4 電子差速控制系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

4．1仿真數(shù)據(jù)的選取和處理

本文是在Matlab／Simulink的仿真環(huán)境下進(jìn)行建模與仿真。仿真研究中車輛模型各相關(guān)參數(shù)取值為：m=1200kg，a=1．32m，b=1．22m，L=2．54m，B=1．41m，h=0．6m，J2=450kg*m2，前輪側(cè)偏剛度和Cf=21000N／rad，后輪側(cè)偏剛度和Cr=24000N／rad。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的數(shù)據(jù)均進(jìn)行歸一化處理。

4．2仿真結(jié)果及分析

圖4足控制模型訓(xùn)練過(guò)程中誤差函數(shù)的變化曲線。圖巾橫坐標(biāo)為訓(xùn)練次數(shù)，縱坐標(biāo)為誤差變化率。可見，當(dāng)訓(xùn)練300次之后，模犁的訓(xùn)練性能誤差可達(dá)1．41971。系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了要求的誤差范同之內(nèi)。


圖4電子差速模型的性能曲線


圖5兩后輪輪心速度

本文對(duì)差速模犁進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，汽車原始速度為10m／s勻速運(yùn)行，第0秒時(shí)，轉(zhuǎn)向角δ變?yōu)?00，圖5為仿真結(jié)果。圖中橫牮標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為車輪輪速。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角之后，內(nèi)側(cè)后輪速度減小，外側(cè)后輪速度增大，兩后輪之間有一定的速度差。差速的產(chǎn)生使得汽車能夠乎穩(wěn)轉(zhuǎn)向。

圖6為u=10m／s和u=20m／s時(shí)，δ由0變?yōu)?0°的仿真結(jié)果。仿真時(shí)長(zhǎng)為30s。


U=10m／s


U=20m／s
圖6不同車速時(shí)輪速隨轉(zhuǎn)向角的變化

根據(jù)上述仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于一個(gè)車體，轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪速度減小，外側(cè)車輪速度增大，轉(zhuǎn)向角度越大，兩驅(qū)動(dòng)輪之間差速越大；當(dāng)前車速越大，兩驅(qū)動(dòng)輪問(wèn)差速越大。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)建立的電子差速控制模型誤差小，能夠達(dá)到很好的差速效果。

5 結(jié)論

本文針對(duì)混合動(dòng)力汽車的特性，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)的控制方法建立兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的差速模瓔，在Matlab／Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，準(zhǔn)確地反應(yīng)了控制系統(tǒng)的非線性特性，減低了系統(tǒng)的誤差。達(dá)到了很好的控制效果。