鐘 恒 李廣含 曾小華 楊向東 許 諾 王 銳

1.北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京,1008542.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春,130025

0 引言

多軸特種車輛在民用領(lǐng)域及國(guó)防軍事領(lǐng)域都扮演著重要角色。混合動(dòng)力技術(shù)[1]具有高機(jī)動(dòng)、高可靠、靜音行駛和節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到多軸特種底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多軸特種底盤的電驅(qū)化[2-3]。

多軸特種車輛的實(shí)際運(yùn)行工況較為復(fù)雜，系統(tǒng)動(dòng)力源發(fā)生故障甚至失效的可能性較大[4],而多軸特種混合動(dòng)力車輛往往配置多個(gè)動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且各動(dòng)力單元獨(dú)立可控，響應(yīng)快速準(zhǔn)確。當(dāng)外界未知干擾導(dǎo)致車輛一個(gè)或多個(gè)車輪發(fā)生部分或全部失效后，系統(tǒng)動(dòng)力源的冗余配置通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制策略，仍然能夠保障車輛具備一定的行駛能力，從而顯著提高了車輛運(yùn)行的可靠性[5]。

目前針對(duì)三軸獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力控制研究較多。范晶晶等[6-7]針對(duì)三軸獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建立了驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配的分層控制架構(gòu)，上層以動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，下層則以安全性為目標(biāo)進(jìn)行控制；韋克康等[8]針對(duì)串聯(lián)式三軸車輛，提出了驅(qū)動(dòng)力最優(yōu)化分配以及失效分配控制策略；褚文博等[9-11]則針對(duì)分布式電驅(qū)動(dòng)車輛實(shí)現(xiàn)了縱向驅(qū)動(dòng)能力和橫向穩(wěn)定性能的綜合控制。然而上述研究多集中于三軸車輛的控制，且控制過程未考慮多軸特種車輛復(fù)雜運(yùn)行工況的影響。

本文基于工況自適應(yīng)識(shí)別算法，以五軸電子驅(qū)動(dòng)橋式特種車輛為研究對(duì)象，建立工況自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制架構(gòu);基于簡(jiǎn)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)車輛行駛工況識(shí)別，為車輛驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配提供參考依據(jù)；結(jié)合車輛性能指標(biāo)提出驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配與失效分配控制策略,并通過仿真驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制策略的有效性。

1 多軸特種混合動(dòng)力車輛構(gòu)型

本文針對(duì)某多軸特種車輛設(shè)計(jì)出電子驅(qū)動(dòng)橋式串聯(lián)構(gòu)型，如圖1所示。該構(gòu)型取消了傳統(tǒng)車輛變速器及分動(dòng)箱，通過在各驅(qū)動(dòng)橋處增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖1 多軸特種混合動(dòng)力車輛構(gòu)型Fig.1 Configuration of multi-axis special hybrid vehicle

2 工況自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力控制策略架構(gòu)

為使該多軸特種車輛能夠更好地適應(yīng)各種道路工況，同時(shí)提高其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性的綜合性能，本文提出基于工況自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力分層協(xié)調(diào)分配控制策略(圖2):①基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工況識(shí)別算法，實(shí)時(shí)判斷車輛運(yùn)行工況，為車輛驅(qū)動(dòng)力分配控制提供依據(jù)；②基于工況識(shí)別結(jié)果，并根據(jù)車輛動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，提出驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配控制策略;③在預(yù)分配基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力失效分配，以保障車輛在故障狀態(tài)下仍然具備一定的驅(qū)動(dòng)能力。

圖2 驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制算法架構(gòu)Fig.2 Coordinated distribution control algorithm architecture of driving force

3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工況識(shí)別算法

3.1 工況分類標(biāo)準(zhǔn)劃分

依據(jù)車輛標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)工況C-WTVC/WUVSUB(圖3)，確定工況分類標(biāo)準(zhǔn)。

(1)將標(biāo)準(zhǔn)工況劃分為運(yùn)動(dòng)學(xué)片段，即劃分從一次怠速開始到下一次怠速開始的工況片段。

(2)計(jì)算每一運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的特征參數(shù)：平均車速、平均行駛車速及怠速時(shí)間百分比等。

(3)基于每一運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的特征參數(shù)，利用聚類分析方法對(duì)車輛運(yùn)行工況進(jìn)行分類：市區(qū)擁堵、市區(qū)暢通、近郊中低速、遠(yuǎn)郊中高速以及高速工況。

(a)C-WTVC工況

(b)WUVSUB工況圖3 標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)工況Fig.3 Standard drive-cycles

(4)利用平均值法提取劃分為5類工況的特征參數(shù)，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)工況劃分與特征值

圖4～圖6所示分別為所劃分5類工況的平均車速、平均行駛車速及怠速時(shí)間百分比的變化情況，其中，工況1～工況5分別表示市區(qū)擁堵、市區(qū)暢通、近郊中低速、遠(yuǎn)郊中高速和高速。由圖4～圖6可以看出，各工況特征參數(shù)的差別較為明顯，可作為工況識(shí)別的主要依據(jù)。

圖4 平均車速Fig.4 Average speed

圖5 平均行駛車速Fig.5 Average cruise speed

圖6 怠速時(shí)間百分比Fig.6 Idle time percentage

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工況識(shí)別算法

在工況劃分的基礎(chǔ)上，本文采用簡(jiǎn)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(圖7)對(duì)車輛當(dāng)前運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，即在傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，保留競(jìng)爭(zhēng)算法，并保持權(quán)值的相對(duì)穩(wěn)定[12]。

圖7 簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Simplified neural network

競(jìng)爭(zhēng)層輸入

(1)

競(jìng)爭(zhēng)層輸出

Oi=ui-θi

(2)

網(wǎng)絡(luò)輸出

yl=f(Oi)l=1,2,…，L

(3)

針對(duì)性能指標(biāo)函數(shù)E(k)，按照梯度下降法確定網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)為

(4)

式中，θi為輸出層神經(jīng)元的閾值；M為輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)(即輸入的個(gè)數(shù))；Q為競(jìng)爭(zhēng)層神經(jīng)元個(gè)數(shù)；pj為網(wǎng)絡(luò)輸入；wij為輸入節(jié)點(diǎn)的權(quán)重(根據(jù)大量的調(diào)試來進(jìn)行選取與確認(rèn))；yl為輸出層的輸出；L為輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)(與競(jìng)爭(zhēng)層神經(jīng)元個(gè)數(shù)相同)；f(·)為線性輸出函數(shù)；Δt為采樣時(shí)間；k為仿真運(yùn)行時(shí)間。

4 工況自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制策略

4.1 工況自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配控制策略

驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配即在工況識(shí)別的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)(踏板與車速信息)，實(shí)現(xiàn)平均分配、動(dòng)力性分配及經(jīng)濟(jì)性分配。

整車控制器根據(jù)踏板與車速信息進(jìn)行判斷:當(dāng)車輛處于起步狀態(tài)時(shí)采取驅(qū)動(dòng)力平均分配，以保證車輛順利起步；當(dāng)加速踏板高于設(shè)定閾值時(shí)，則控制器判定當(dāng)前駕駛員需求的動(dòng)力性較高，采取動(dòng)力性分配,否則，按照工況識(shí)別結(jié)果進(jìn)行分配,當(dāng)工況識(shí)別結(jié)果為市區(qū)擁堵、市區(qū)暢通及近郊中低速工況時(shí)采取經(jīng)濟(jì)性分配,當(dāng)工況識(shí)別結(jié)果為遠(yuǎn)郊中高速以及高速工況時(shí)采取動(dòng)力性分配。

4.1.1平均分配

平均分配是將整車驅(qū)動(dòng)力需求平均分配至車輛各驅(qū)動(dòng)軸，其表達(dá)式如下：

Fi=Treq/(5r)

(5)

式中，F(xiàn)i為分配至各軸的驅(qū)動(dòng)力，N，i(i=1,2,…，5)為各驅(qū)動(dòng)軸編號(hào)；Treq為整車驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；r為車輪滾動(dòng)半徑，m。

4.1.2動(dòng)力性分配

動(dòng)力性分配采用基于軸荷比例進(jìn)行分配的方法，可以有效地提高各車輪處的附著力利用率，其表達(dá)式如下：

Fi=Treqδi/r

(6)

其中，δi為各軸的軸荷分配比例。該多軸車的軸荷分配比例見表2。

表2 車輛軸荷分配比例

4.1.3經(jīng)濟(jì)性分配

經(jīng)濟(jì)性分配基于整車驅(qū)動(dòng)效率最優(yōu)進(jìn)行計(jì)算。系統(tǒng)在某一確定工作點(diǎn)下，需求的電機(jī)機(jī)械功率

Pmech=Treqn/9 549

(7)

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

需求的電機(jī)電功率

(8)

式中，Ti為各軸的驅(qū)動(dòng)力矩；ηi為當(dāng)前工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率。

當(dāng)前工作點(diǎn)下整車驅(qū)動(dòng)效率

(9)

式中，αi為各軸驅(qū)動(dòng)力分配系數(shù)。

該多軸車輛各軸分配系數(shù)應(yīng)滿足如下約束條件：各軸分配系數(shù)均處于0～1之間，各軸分配系數(shù)之和為1，且按照多軸車輛驅(qū)動(dòng)力盡量往后軸分配的原則，即車輛第1軸至第5軸的分配系數(shù)逐漸增大，以保證車輛的操縱穩(wěn)定性，同時(shí)各軸處驅(qū)動(dòng)力分配不能超過當(dāng)前電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)能力，即

(10)

依據(jù)式(9)和式(10)，利用復(fù)合形法進(jìn)行迭代計(jì)算求解[13-14]，得到經(jīng)濟(jì)性分配系數(shù)下對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)綜合效率MAP，如圖8所示。

圖8 經(jīng)濟(jì)性分配系數(shù)下系統(tǒng)最優(yōu)效率Fig.8 Optimal efficiency at economydistribution coefficient

4.2 驅(qū)動(dòng)力失效分配控制策略

基于該多軸車輛動(dòng)力源冗余布置的特點(diǎn)，本文針對(duì)車輛運(yùn)行過程中電機(jī)的失效問題提出驅(qū)動(dòng)力失效分配控制策略，以提高車輛運(yùn)行的可靠性。整車控制器根據(jù)電機(jī)故障診斷信息，判斷各軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)，并劃分驅(qū)動(dòng)力失效分配模式如下：

(1)無失效模式。所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于正常狀態(tài)，整車控制器直接將驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配結(jié)果作為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求。

(2)電機(jī)失效模式。當(dāng)控制器檢測(cè)到存在單個(gè)甚至多個(gè)電機(jī)處于失效狀態(tài)時(shí)，控制器會(huì)將整車驅(qū)動(dòng)力需求在剩余正常電機(jī)之間進(jìn)行平均分配，在此狀態(tài)下，車輛的動(dòng)力性降低。

(3)全部失效。當(dāng)控制器檢測(cè)到電機(jī)全部處于失效狀態(tài)時(shí)則強(qiáng)制進(jìn)入停車模式，并進(jìn)行故障預(yù)警。

5 仿真分析

5.1 整車參數(shù)

該多軸特種車輛整車參數(shù)見表3。

表3 整車參數(shù)

5.2 工況自適應(yīng)識(shí)別驅(qū)動(dòng)力分配控制仿真

5.2.1 C-WTVC高速段工況仿真

圖9 C-WTVC工況仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results under condition of C-WTVC

C-WTVC高速段工況下的仿真結(jié)果見圖9，可以看出，在該高速工況下，車輛實(shí)際仿真車速能夠很好地跟隨循環(huán)工況的車速(期望車速)；在預(yù)分配模式曲線中，其中10表示動(dòng)力性分配，20表示經(jīng)濟(jì)性分配，30表示平均分配。根據(jù)仿真結(jié)果可知，預(yù)分配模式切換合理：在車輛起步等少數(shù)情況下(如仿真初始時(shí)刻、第100 s附近以及250～300 s附近)，驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配結(jié)果為平均分配；在其他情況下，由于高速工況的動(dòng)力性需求較高，驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配結(jié)果均為動(dòng)力性分配。

5.2.2 WUVSUB工況仿真

WUVSUB工況的仿真結(jié)果見圖10，可以看出，在該工況下，車輛實(shí)際仿真車速仍然能夠很好地跟隨循環(huán)工況的車速，同時(shí)預(yù)分配模式切換合理：WUVSUB工況需求的平均車速較低，驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配的結(jié)果多為平均分配和經(jīng)濟(jì)性分配。

圖10 WUVSUB工況仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results under condition of WUVSUB

5.2.3仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)比2種工況下分別采用本文提出的工況自適應(yīng)識(shí)別(簡(jiǎn)稱自適應(yīng))驅(qū)動(dòng)力分配算法和平均分配策略得到的系統(tǒng)綜合效率和整車百公里燃油消耗，見表4。由表4可以看出，在2種工況下，采用自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力分配算法的整車百公里油耗分別降低了4.78%和5.08%。

表4 自適應(yīng)算法仿真結(jié)果對(duì)比

5.3 驅(qū)動(dòng)力失效分配控制仿真

5.3.1車輛失效工況模擬

本文通過在控制策略中設(shè)定各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的失效狀態(tài)來模擬車輛動(dòng)力源失效的工況，見圖11，其中MG1～MG5分別代表第1軸至第5軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，1表示電機(jī)正常狀態(tài)，0表示電機(jī)失效狀態(tài)。由圖11可以看出，在第50 s時(shí)刻，第1軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效；第100 s時(shí)刻，第2軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效；第200 s時(shí)刻，第3軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效；第300 s時(shí)刻，第4軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效；第400 s時(shí)刻，第5軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效(即此時(shí)系統(tǒng)處于驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部失效的狀態(tài))，直到第450 s之后，所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖11 電機(jī)失效狀態(tài)模擬Fig.11 Simulation of motor failure state

5.3.2失效模式仿真驗(yàn)證

依據(jù)圖11設(shè)定的電機(jī)狀態(tài)，分別對(duì)C-WTVC高速段循環(huán)工況、70 km/h等速巡航工況、最高車速工況以及17 km/h@7%坡道(車輛以17 km/h的速度在坡度為7%的坡道上行駛)的常速工況進(jìn)行仿真。

在C-WTVC循環(huán)工況下，電機(jī)失效的仿真結(jié)果見圖12，其中，失效分配模式的數(shù)值即為當(dāng)前出現(xiàn)失效的電機(jī)數(shù)量。由圖12可以看出，在出現(xiàn)3個(gè)電機(jī)失效的情況之前，整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然可以滿足C-WTVC工況的動(dòng)力性需求，實(shí)際仿真車速與期望車速吻合良好；在300～500 s時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)電機(jī)或全部電機(jī)失效的情況時(shí)，車輛實(shí)際車速無法有效跟隨工況循環(huán)車速，車輛動(dòng)力性能顯著降低。

圖12 C-WTVC工況失效模式仿真Fig.12 Failure mode simulation at C-WTVC drive-cycle

在C-WTVC循環(huán)工況下，各電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩見圖13，可以看出，當(dāng)出現(xiàn)有電機(jī)失效的情況時(shí)，剩余電機(jī)可以有效輸出不足的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的失效協(xié)調(diào)分配控制；當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)及以上電機(jī)失效的情況時(shí)，剩余電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足以維持整車動(dòng)力性需求，因此出現(xiàn)了實(shí)際車速跟隨不上需求車速的情況。

圖13 C-WTVC工況失效模式下各電機(jī)力矩Fig.13 Each motor torque of failure mode simulation at C-WTVC drive-cycle

圖14 70 km/h等速巡航工況失效模式仿真Fig.14 Failure mode simulation at 70 km/h constant speed cruise drive-cycle

圖15 最高車速工況失效模式仿真Fig.15 Failure mode simulation at maximum speed

圖16 17 km/h@7%坡道工況失效模式仿真Fig.16 Failure mode simulation at 17km/h@7% ramp drive-cycle

圖14～圖16所示分別為70 km/h等速巡航工況、最高車速工況以及17 km/h@7%坡道的常速工況的仿真結(jié)果。由圖14可以看出，在70 km/h等速巡航工況下，只有當(dāng)全部電機(jī)失效時(shí)(400～500 s時(shí)間段內(nèi))車輛實(shí)際仿真車速才無法有效跟隨目標(biāo)車速；由圖15可以看出，車輛最高車速工況運(yùn)行需要2個(gè)以上的電機(jī)維持動(dòng)力，否則無法滿足動(dòng)力性需求；由圖16可以看出，在出現(xiàn)3個(gè)電機(jī)失效的情況之前，車輛仍然可以滿足常速爬坡的動(dòng)力性需求。由此可知，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力失效分配控制策略，在全部電機(jī)失效之前，整車控制器可以調(diào)整剩余正常電機(jī)輸出補(bǔ)償力矩，使系統(tǒng)仍然具備一定動(dòng)力性能；當(dāng)剩余正常電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足以維持整車需求時(shí)，車輛實(shí)際仿真車速就無法有效跟隨工況的目標(biāo)車速，從而使得車輛的動(dòng)力性能降低。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)多軸電子驅(qū)動(dòng)橋式特種混合動(dòng)力汽車，提出的基于簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工況自適應(yīng)識(shí)別算法，該算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行工況的在線識(shí)別。

(2)所提工況自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力分配控制策略能夠根據(jù)車輛當(dāng)前工況識(shí)別結(jié)果及車輛運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)合理的整車驅(qū)動(dòng)力預(yù)分配；進(jìn)一步根據(jù)車輛動(dòng)力源的失效狀態(tài)實(shí)現(xiàn)失效模式分配，可以有效協(xié)調(diào)剩余動(dòng)力源輸出補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，以保證車輛失效狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)能力。

(3)所提驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配控制算法尚未考慮驅(qū)動(dòng)輪防滑控制以及各驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的差異性補(bǔ)償問題，基于上述問題，建立完善的失效控制機(jī)制仍然是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。