电机-变速器集成驱动系统网络时滞混杂动力学建模与优化控制研究

Integrated Motor-Transmission (IMT) powertrain system is well suited for electric vehicles, which can improve the vehicle’s power and economic performance while maintain the concise structure of the e-drive system by direct coupling between the motor and gearbox. However, the dynamic analysis and control is quite a challenging job due to the hybrid properties of both motor and transmission in the gear shift process. Network-induced time-varying delays that caused by bandwidth limitation will further lead to instability of the shift control system. In order to ensure the effectiveness and reliability of the IMT powertrain system, optimal shifting controller design is proposed for IMT system under vehicular network. This research will mainly focus on the following aspects: 1) hybrid automata of shift process for IMT system; 2) on-line shift schedule optimization for IMT; 3) coordinated control of shift process considering network-induced delays. The research work is a multi-disciplinary of complex mechatronics, hybrid system theory and networked control system, which has great theoretical significance. The methodology developed in this research will be a key enabler to analysis the transient dynamic of gear shift process, and provide guidance to the optimal gear shift control.

电机-变速器集成驱动系统将驱动电机和变速器直接耦合，在利用多档变速器提高车辆动力性、经济性的同时能保持电驱动系统动力传递的简洁性，具有很好的应用前景。但电机-变速器集成驱动系统的混杂特性给系统的动态特性分析与换挡过程控制带来了挑战。车载网络带宽限制诱发的网络时滞进一步增加了换挡控制的不稳定性。为了保证电机-变速器集成驱动系统在纯电动车上应用的有效性和可靠性，项目拟在车载网络环境下展开换挡过程的优化控制研究。重点研究：1）电机-变速器集成驱动系统换挡过程混杂动力学建模；2） 电机-变速器集成驱动系统换挡规律在线优化方法；3）非理想网络环境下电机-变速器集成驱动系统换挡过程协调控制。项目的研究交叉了复杂机电系统动力学、混杂系统理论以及网络化控制三个研究领域，具有很好的理论研究意义。项目的研究成果将有助于深入揭示电机-变速器集成驱动系统换挡过程的瞬态动力学特性，并为系统换挡优化控制提供指导。

电驱动系统是目前新能源汽车研究的热点，课题围绕电机-变速器集成驱动系统动力学建模、控制及估计展开了系统研究，取得了以下成果：（1）建立了电机-变速器集成驱动系统机-电-网耦合动力学模型，能综合反映驱动电机电气特性、变速器轴弹性和齿隙等机械特性、以及通信时滞等网络特性对系统动态性能的影响。（2）制定了电机-变速器集成驱动系统换挡控制策略和方法，搭建了联合仿真模型以及硬件在环实验平台，完成系统换挡控制测试。（3）提出了基于云平台的电机-变速器集成驱动系统驱动轴扭矩远程观测方案，并设计了时滞依赖鲁棒全阶状态观测器，以降低无线信号传输延迟以及测量噪声对扭矩观测的不良影响。（4）提出只使用电机转速信号的电机-变速器集成驱动系统驱动轴扭矩观测方法，利用鲁棒T-S模糊观测器设计实现轮速和扭矩同时估计。（5）提出了基于能量-峰值性能的电机-变速器集成驱动系统扭振抑制方法，以降低网络时滞和控制器采样率变化对系统扭的不良影响，进一步考虑齿隙设计了滑模控制器，通过切换使用鲁棒控制器与滑模控制器实现电机-变速器集成驱动系统扭振抑制性能优化。