基于有限时间稳定的功率分流式混合动力汽车时滞切换控制研究

The multiple degree-of-freedom (DOF) coupling behavior of the power split hybrid electric vehicle (HEV) which is integrated with multi-clutches switches rapidly during the mode switching process. Due to the time-delay, the stability of the control system deteriorates. Aiming at the shortcomings of the traditional asymptotic stability theory in dealing with high-frequency dynamic switching behaviors of the HEV, this program introduces finite-time stability theory to analyze and synthesize the coordinated control of power split HEV during the switching process with time-delay. The dynamics coupling behaviors and state transition laws during the mode switching process are studied. The dynamic model which describes the mode switching features is further established. Then, the system time-delay behavior and its influence on the mode switching performance are analyzed. The extended state observer with finite-time convergence performance is constructed to observe the system comprehensive disturbances. The switched time-delay control system which combines the robust composite control and dynamic control allocation is presented. Based on the finite-time stability theory, the robust synthesis and analysis of the finite-time boundedness performance of the switched time-delay control system are conducted to obtain the optimal pseudo control laws with finite-time H∞ index and establish the mapping of the pseudo control laws to the actual control commands of different actuators. Finally, bench tests are conducted to verify the feasibility and superiority of the proposed control system. Research results can improve the mode switching quality of the power split HEV obviously, and provide new idea and method to the coordinated control for the power split HEV.

集成多离合器的功率分流式混合动力汽车(HEV)模式切换过程多自由度耦合行为快速切换，受到时滞的影响，控制系统稳定性下降。针对传统渐近稳定理论在处理HEV高频动态切换行为方面的不足，本项目引入有限时间稳定理论进行功率分流式HEV时滞切换过程动态协调控制的分析与综合。研究系统模式切换过程的动力学耦合行为和状态迁移规律，建立描述模式切换特征的动态模型；分析系统时滞行为及其对模式切换性能的影响特性，构造有限时间收敛的扩张状态观测器进行综合扰动的观测；构建包含鲁棒复合控制及动态控制分配的时滞切换控制系统，基于有限时间稳定理论实现时滞切换控制系统的有限时间有界性分析与鲁棒综合，获取具有有限时间H∞性能指标的最优伪控制律，并建立伪控制律到执行机构真实控制指令的映射；最后通过台架试验进行验证。研究成果将显著提高功率分流式HEV的模式切换品质，为功率分流式HEV的动态协调控制提供新的思路与方法。

集成多离合器的功率分流式混合动力汽车(HEV)模式切换过程多自由度耦合行为快速切换，系统时滞及干扰不仅易导致整车模式切换舒适性下降，甚至影响切换安全性。随着车辆复杂作业环境及极端行驶工况对模式切换控制要求的不断提高，控制系统在各快速、短时间切换阶段内的精确控制性能和暂态抗干扰性能得到了更多的关注。因此，本项目面向集成多离合器的功率分流式HEV高品质模式切换需求，提出在掌握系统模式切换动力学行为特征的基础上，引入有限时间稳定理论进行时滞切换过程动态协调控制的分析与综合。.首先，研究了行星排齿轮正常啮合和轮齿磨损下的系统非线性振动响应行为，针对涉及双离合器协同的瞬态模式切换过程，构建了双离合器协同作用模型，揭示了不同离合器滑摩时序和滑摩时长对模式切换动力学行为和状态迁移规律的影响特征，系统研究了时滞分布、时滞大小以及时滞和干扰共同作用对瞬态模式切换动力学的影响。.其次，针对忽略时滞和考虑时滞等不同条件对发动机转矩、负载转矩以及外部不可测干扰的快速、准确观测需求，分析了时滞对发动机和负载转矩等干扰转矩估计精度的影响特性，在此基础上构建了不同形式的扩张状态观测器，并提出了基于有限时间稳定的扩张状态观测器综合方法。.然后，分析了双离合器协同的功率分流式HEV模式切换冲击机理，提出了各切换阶段不同动力源转矩分配策略，构建了基于干扰前馈补偿和H∞状态反馈控制的鲁棒复合协调控制器，基于有限时间控制理论完成了瞬态模式切换控制律的综合，并提出了基于有限时间终端滑模控制和最小二乘法的功率分流式HEV分层协调策略，实现了系统冗余切换阶段虚拟控制律的求解及真实控制律的优化分配。.最后，搭建了控制器硬件在环测试平台和台架试验平台，通过硬件在环测试和台架测试完成了控制策略性能的测试评价以及样机的系统功能测试、模式切换控制策略的标定，验证了项目所提出的控制策略的有效性和优越性，有效地提高了大范围道路行驶条件下功率分流式HEV的模式切换品质。