分布式驱动电动汽车多电机的协调控制与优化分配方法

With the rapid development of integrated power plants such as the in-wheel motor, the novel distributed-driven style becomes the preferred mode for pure electric vehicles in the next generation on accout of its flexible control, rapid response and high efficiency. The rules of the interconnected coupling effect of the multi-motors on the vehicle performance are firstly analysed and revealed as well as the decoupled model for the total vehicle dynamics is derived. With the model-decomposition-based subspace identification method, the actuators' nonlinear dynamics are accordingly predicted in a state-space form. Meanwhile, under the hierarchical structure the robust motion controller in upper layer is designed to obtain the total forces/moment, and the nonlinear dynamic control allocation with actuator constraints in lower layer is also designed to optimally distribute thoses to 4 in-wheel motors. Moreover, the control allocation problem with muti-objectives is solved by the hybrid intelligent optimization method based on the modified Electromagnetism-like Mechanism algorithm. The electric vehicle can perform well in a more safely, more efficient and more smoothly way even in complex operating modes. Through the intensive study on the hierarchical control strategy, the project will result a economic control scheme, which can overcom the key technical difficulty of the coordinated control and optimal distribution on the multi-motors, and greatly improve the vehicle's handling stability, safety and energy efficiency. Furthermore, the project possesses momentous scientific significance and substantial value on promoting the popularization and application of electric vehicles in China.

随着轮毂电机等集成动力装置不断成熟，新型分布式驱动以其控制灵活、响应快速、效率高等优点成为下一代纯电动汽车的首选驱动方式。项目以分布式驱动电动汽车为研究对象，分析多电机间耦合效应对车辆性能的影响规律，构建新型驱动方式下的整车动力学解耦模型；研究基于模型分解的子空间辨识方法，建立执行器动力学的非线性时变模型；设计分层控制策略，采用非线性鲁棒技术设计上层控制器实现整车鲁棒运动控制，综合考虑执行器动态和回馈能量等限制，构建多目标、有约束、非线性动态控制分配模型，并采用基于仿电磁机制算法的混合智能优化方法进行驱动/制动力矩和转向角的最优分配，实现复杂工况下电动汽车的安全稳定行驶和高效节能运行。通过对两层控制策略的深入研究，解决多电机系统协调控制和最优分配关键技术难题，取得耦合动力学建模与控制力动态分配创新性成果，能极大提高电动汽车的操纵稳定性、安全性和能量利用率，促进我国电动汽车的推广应用。

（1）建立了分布式驱动电动汽车多电机的动力学模型，初步开发了分布式驱动增程式电动汽车仿真平台。以人—车闭环系统为主体，将分布式驱动电动汽车分为：驾驶员子系统、车辆动力学子系统、车轮子系统、轮胎子系统、控制子系统及能源子系统。（2）采用引入横摆角后的积分两自由度控制模型来计算期望横摆力矩，引入虚拟控制量τ完成多执行器的优化分配。研究发现，由于车辆横摆运动和侧偏运动间的耦合关系，控制质心侧偏角β和横摆角速度γ两变量所需的横摆力矩往往相反, 因此, 我们首次提出了引入积分模型和虚拟控制量的控制模型，通过设置γ→τ的直流增益为零，能简单、可靠的完成横摆与侧偏运动解耦，两控制量可以独立设计，在不影响横摆角速度跟踪的情况下，放宽对质心侧偏角的约束。研究结果表明，该方法能有效的改善稳态跟踪误差，在执行器故障等极限工况下，能优先保证横摆角速度的稳定性控制，切实提高极限工况下的车辆稳定性。研究还验证了层次化车辆稳定性控制系统和现代控制技术在DDEV上应用的可行性和有效性。（3）提出了一种改进的主动集优化算法，采用模型预测算法完成了车轮转矩的多约束、多目标优化。建立执行器动力学的线性一阶动态模型，构建三目标、有约束的动态控制分配模型，并利用改进的主动集算法进行驱动/制动力矩和转向角的最优分配，实现复杂工况下电动汽车的安全稳定行驶和高效节能运行。（4）结合课题组合作单位自主研发的一款增程式电动汽车，针对动力部件选型、动力系统配置、系统协调控制与效率优化等关键技术问题进行了分析研究。完成了整车动力学与驱动系统的集成控制，并进行了考虑制动能量回馈的协调控制性能的试验验证。