过驱动系统控制分配方案详解

为了方便后文对控制器的设计，这里对系统的变量进行规范化的定义和处理。选取状态量为 x1 （t）=ω1（t），x2 （t）=ω2（t）；输入量为 T1 （t）=u1（t），T2（t）=u2 （t），TCL （t）=u3（t）；输出量为 y1 （t）=x1（t），y2 （t）=x2（t）；负载扰动量为 d1 （t）=Tf1（t），d2 （t）=Tf2（t）。这里需要注意，由于系统输出量可直接由控制量得到，中间并没有经过状态量，而在采用模型预测控制算法过程中控制量又是由优化输出量反馈得到，由于计算的时序性，为了避免在线优化过程中出现死锁现象和代数环问题，分别在离合器主、被动端引入参数b1和b2作为轴1和轴2的阻尼系数。阻尼系数b1和b2非常小，相比于路面负载转矩对轴1和轴2的影响可忽略不计，因此，模式切换过程中离合器滑摩阶段的状态空间表达式为

式中，x=[x1 （t） x2（t）]T，u=[u1 （t） u2 （t） u3（t）]T，y=[y1（t） y2（t）]T，

控制量约束为

由于控制输入u的维数严格大于输出y的维数，因此滚动时域控制形式是一个控制受限且存在控制冗余的过驱动系统。针对过驱动系统的控制问题，目前多采用基于控制分配的模块化分层设计思路，将控制器与控制分配分离设计，如图7.3所示。将过驱动控制系统设计过程模块化，分为上层控制器输出虚拟控制指令、中层控制量分配和下层执行器控制输出。控制分配的优势在于在不改变上层控制算法的基础上，通过考虑当前时刻的约束来实现控制重构，同时不改变闭环系统的性能。

图7.3　基于控制分配的过驱动系统模块化分层设计

根据控制分配的思想，这里引入虚拟控制指令 v=[v1v2]T，v1，v2分别表示作用在轴1和轴2的虚拟转矩，因此实际控制量和虚拟控制指令之间的关系为(www.xing528.com)

式中，，因此控制矩阵B可分解为

式中，，则离合器滑摩阶段的状态空间表达式所对应的等价状态空间描述为

式中 vmin=[u1min－u3min u2min ＋u3min]T，vmax=[u1max－u3max u2max ＋u3max]T。针对本书模式切换过程中存在的过驱动问题，过驱动控制器的设计可基于模型预测控制算法协调控制转矩，降低离合器摩擦转矩不连续对系统所造成的冲击，保证模式切换过程的平稳过渡；基于最优虚拟控制指令，控制分配方法可调整控制转矩的权重关系，实现机电复合传动系统在动力性能方面和离合器滑摩功方面折中的效果。

基于模型预测和控制分配的模式切换转矩协调控制策略如图7.4所示。首先模型预测控制器根据参考转速 ωref和实际转速 ωact求解出最优虚拟控制指令v；然后控制分配针对最优虚拟控制指令v进行分配，求解得到的实际控制转矩u与外界扰动d共同作用于车辆，保证车辆的正常行驶。

图7.4　基于模型预测和控制分配的模式切换转矩协调控制策略