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技术领域

本发明涉及电动汽车的分层式动态调节网络化控制装置，属于汽车控制领域。

背景技术

节能、环保与安全是汽车可持续发展面临的三大挑战，为了解决三大挑战问 题，实现动力和底盘系统的集成控制成为汽车控制技术发展的主流趋势。近年来， 在传统汽车领域，将发动机、变速器、差速器、制动系统、转向系统以及悬架系 统综合起来实现集成控制的相关研究成为热点，诸如发动机+变速器+驱动防滑+ 制动防抱死集成控制技术、制定防抱死+驱动防滑+车辆稳定性控制集成控制技 术以及更加综合的动力系统+制动系统+转向系统+悬架系统集成的车辆动力学 集成控制技术等相继被推出，其中部分已经获得了商业化、大规模推广，如ESP (电子稳定陈程序)和VDC(车辆动力学控制系统)等。值得注意的是，在多 数文献中都特别指出：在汽车动力和底盘控制系统的集成中，各系统的功能干涉 问题需要被合理解决，诸如车轮打滑和车辆侧向失稳通常会同时发生，驱动防滑 和电子稳定程序以及主动转向控制单元可能对给出不同的控制命令，从而导致功 能干涉，而从汽车动力学的角度，车轮打滑控制应具有最高的优先权、其次是解 决稳定性问题、再次是解决转向操纵性能问题，三种应用控制作用需要共同施加。 为了实现类似的功能集成，逐级干预式分层集成控制结构方案被提出，并很有效 地解决了功能干涉问题。

对于电动汽车，由于电机驱动系统相比发动机及液力变速器驱动系统，具有 响应速度快、控制精度高的优势，可以实现更加灵活、高效的控制，从而为系统 集成控制提供了更大空间。特别地，随着电驱动技术的发展，采用轮毂或轮边电 机独立驱动汽车的4轮独立驱动电动汽车近年来获得了快速发展。通过主动调节 4个驱动电机的输出扭矩可以实现常规驱动+操纵控制+驱动防滑+制动防抱死等 多种应用控制功能的集成，可为电动汽车经济性、动力性和操纵稳定性的提升带 来很大潜力。J.Park等在文献(Torquedistributionalgorithmforanindependently drivenelectricvehicleusingafuzzycontrolmethod,energies,2015)中针对4轮独立 驱动电动汽车提出了一种综合节能策略+加速策略+转向策略+防滑策略的逐级 干预式分层集成转矩分配方案，理论上有效地解决了安全、操纵和节能兼顾问题。 但相比于传统内燃机汽车，4轮独立驱动电动汽车的集成控制需要实现更多的电 子控制部件包括传感器、控制器和执行器的互连，当前采用CAN协议车载网络 实现互连是电动汽车工程中常采用的技术手段。然而CAN网络的使用会额外地 引入新的问题，如由于网络带宽受限、网络数据传输量大导致的网络诱导延时、 网络化系统扩展能力差等问题。Z.Shui等人在文献("Lateralmotioncontrolfor four-wheel-independent-driveelectricvehiclesusingoptimaltorqueallocationand dynamicmessagepriorityscheduling,ControlEngineeringPractice,2014")中指出： 在通过转矩分配实现4轮独立驱动电动汽车的操纵性能控制中，CAN协议网络 诱导延时会严重影响车辆侧向运动控制的性能，甚至使系统失稳。该文献提出了 一种基于模型决策的优先级动态调整方法，一定程度上改善了延时对系统控制性 能的影响问题，但该方法不关注网络数据传输量降低及系统扩展能力问题，因此 对系统实时性的改进程度有限，且不利于系统扩展，同时该方法仅针对单个控制 任务，不适用于多任务分层式集成。G.Qin等在文献(H_∞controlof four-wheel-independentdriveelectricvehicleswithrandomtime-varyingdelays, Mathematicalproblemsinengineering,2015)中提出了一种鲁棒控制方法，用于解 决CAN协议网络诱导延时导致的4轮独立驱动电动汽车操纵控制性能下降、甚 至失稳的问题。鲁棒控制一定程度上改善了系统的稳定性，但具有保守性，不能 有效改善系统的动态特性，同时对网络数据传输量问题不关注，也不适用于多任 务分层式集成。

当前现有的方法都不能有效解决电动汽车的干预式分层集成控制问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种电动汽车的分层式动态调节网络化 控制装置，采用一种分层式动态调节网络化控制方法，特别适用于网络传输带宽 受限、多种应用分层式集成、对系统实时响应要求高的电动汽车强实时性动力和 底盘网络化控制系统，实现抑制数据发送周期、网络诱导延时对多应用分层式集 成控制性能的影响，保证集成系统响应的快速，同时降低网络数据传输量、提高 系统的扩展能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

电动汽车的分层式动态调节网络化控制装置，包括n个控制层，每个控制层 又包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块；比较模块接受驾驶员指 令，同时比较模块通过CAN网络与车辆的各个传感器连接；比较模块输出端分 别与控制器模块、调度器模块连接；控制器模块的输出端、调度器模块的输出端 分别与综合模块连接；

处于顶端的第1个控制层负责处理并输出初始命令；第2个控制层至底端第 n个控制层的控制器模块、调度器模块依次接收并动态调节来自上层控制层综合 模块的命令；最终由处于底端第n个控制层的综合模块通过CAN网络发送给车 辆执行器，实现逐级干预式分层集成控制效果；

各控制层的比较模块，用于实现本控制层的目标参数与实际参数的比较以产 生控制性能参数；

各控制层的控制器模块，负责本控制层实现根据控制性能依据相应的策略和 算法处理计算产生控制命令；

各控制层的调度器模块，负责本控制层产生相应的发送周期和优先级调度命 令；

各控制层的综合模块，负责实现本控制层的控制命令和调度命令的组合。

电动汽车的分层式动态调节网络化控制装置，采用分层式控制，各分层同时 包含控制策略和调度策略，各分层的控制策略和调度策略均可独立设定，在实现 逐级干预式分层集成控制过程中，各层对命令动态调节的优先权从顶端至底端依 次提高，由此从纵向角度，信息的发送需要接受多个控制层的动态管理，即形成 分层式控制器和分层式调度器。

具体的，各层的调度器模块的输入参数、调度策略根据功能的需求独立的处 理，但输出参数必须保证一致即要求输出调度命令可以直接综合；各层的调度器 模块既包括发送周期调度策略，又包括发送优先级调度策略，两类策略均需根据 控制性能要求设定；其中发送周期调度策略可采用定周期发送模式；而发送优先 级调度策略既可采用固定优先级模式，也可以采用基于控制性能参数的变优先级 调度模式；同时各层调度器模块还需设置干预门限，只有控制性能高于干预门限 时，调度器模块才被触发施加新的调度策略动态补偿，否则不干预即不改变来自 上层的调度命令；干预门限的设置可通过定义并评估控制性能评价指标参数来实 现。

各层的控制器模块的输入参数、控制策略根据控制功能的不同而不同，但输 出参数必须保证一致，即要求上下层间控制输出命令可以直接综合。

本发明提供的电动汽车的分层式动态调节网络化控制装置，根据系统分层式 集成控制特点，采用一种分层式动态调节网络化控制方法，可以抑制发送周期、 网络诱导延时对各种应用控制性能的影响、保证多种应用集成系统响应的快速性， 同时降低网络数据传输量；该控制装置采用基于控制性能参数的分层式调度器， 不需要系统的精确模型，不需要额外采集状态信息，简单、实用；且分层式的调 度策略结构可实现各层调度器的独立式调节进而可达到集成控制系统的局部式 调节效果，相比非分层式调度方案，具有更加灵活、精准的优势，更加适用于电 动汽车集成应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例的控制系统干预式分层集成车辆控制执行解析图；

图3为实施例的网络化控制执行解析图。

具体实施方式

本发明根据电动汽车的集成控制特点，采用分层式动态调节网络化控制方法， 抑制网络诱导延时对各种应用控制性能的影响、保证多种应用集成系统响应的快 速性，同时降低网络数据传输量。

下面参照附图，对本发明的实施进行详细的说明。

如图1所示，某4轮独立驱动电动汽车分层式动态调节网络化控制结构图。 该电动汽车的控制系统包括4台电机控制器、车辆控制器和车速传感器、车轮角 速度传感器、转向盘角度传感器和踏板类驾驶员指令。车辆控制器要通过采集各 传感器和驾驶员指令，通过4电机力矩分配实现驾驶控制策略、节能模式控制策 略、运动模式控制策略、转向辅助控制策略和车轮防滑控制策略，如图2所示。 其中驾驶控制策略根据车速和踏板信号，计算产生驱动车辆的总体力矩T；节能 模式控制策略则根据车速和踏板信号按照节能原则实现总体力矩T的前后轴分 配分别获得前后力矩为Tf、Tr；运动模式控制策略则根据车速和踏板信号依据增 强动力性原则调节前后力矩Tf、Tr；转向辅助控制策略则根据车速、转向信号依 据改善操控性原则分配前后左右4个车轮的力矩产生T1、T2、T3、T4；车轮防 滑控制策略则根据车速、车轮转速信号依据防滑原则分别调整4个车轮的力矩； 每一次力矩命令的调整都是以上一层命令为基础。车辆在车速和踏板信号变化比 较平稳时将处于节能模式运行，适用于常时间巡航式驾驶；当检测到需要加减速 实现超车、爬坡及制动时，在节能模式基础上调整到增强动力的运动模式，否则 不干预来自上层的力矩命令，干预的发生可通过设置干预门限实现；当通过车速 和转向信号检测到车辆转向时，则在运动模式基础上调整到改善操纵性的转向辅 助模式，否则不干预来自上层的力矩命令，同理干预的发生可通过设置干预门限 实现，适用于高速转向操作；当检测到车轮打滑时，则从转向辅助模式转向打滑 控制模式，否则不干预来自上层的信号，同理干预的发生可通过设置干预门限实 现。各层对于力矩命令调整的优先级从上至下依次提高。如此可以实现在保证安 全、高速操纵性及加速能力的前提下，提高车辆运行的节能效果。车辆控制器可 以采用16位及以上微控制器芯片实现。车速信号、车轮角速度信号及踏板信号 可以通过现有车辆传感器及控制单元获得。

如图2中所示，各控制策略，根据控制功能的不同和车辆的安全性要求，对 控制执行的周期和实时性要求具有较大的差别，如驾驶控制、节能模式控制和运 动模式控制通常都是响应驾驶员的指令，对控制频率和实时性的要求相对不高， 如可设置控制处理周期为100ms，优先级为中等；而转向辅助控制则需要根据转 向信号、车速信号实现辅助横摆力矩的实时调整，如可设置控制处理周期为20ms， 优先级为中高等；车轮打滑控制则需要根据车速、轮速信号实现强实时性的调整， 一般设置控制处理周期为5ms，优先级为高等。

图3所示为分层式动态调度网络化控制执行图。如图3所示，在[t_k,t_k+40]期 间，为驾驶控制、节能模式控制和运动模式控制三种模式(不必是同时产生干预， 由是否达到干预门限决定)运行的状况，此期间车辆不发生高速转向辅助需求和 车轮打滑，此状态下数据传输周期为100ms，网络数据传输量较小，由于优先级 为中等，数据传输延时为τ_k，若同时采用基于控制性能的变优先级策略，则数据 传输延时可以尽可能地缩小为τ_k+20，进一步提高本系统控制的实时性；在 [t_k+40,t_k+44]期间，车辆运行状态为在前三种模式(不必是同时产生干预，由是 否达到干预门限决定)基础上又发生了高速转向操纵，此期间转向辅助控制策略 将启动，此状态下数据传输周期为20ms，网络数据传输量增大，同时由于优先 级为中高等也相对提高，数据传输延时为τ_k+40，此延时相对于τ_k减小量不大，同 理若采用基于控制性能的变优先级策略，则数据传输延时可以尽可能地缩小为 τ_k+44，进一步提高本系统控制的实时性；在[t_k+60,t_k+62]期间，车辆运行状态为 在前四种模式(不必是同时产生干预，由是否达到干预门限决定)基础上又发生 了车轮打滑，此期间车轮打滑控制策略将启动，此状态下数据传输周期为5ms， 网络数据传输量增至最大，同时由于优先级为高等也相对进一步提高，数据传输 延时为τ_k+60，此延时相对τ_k+44有一定减小，同理若采用基于控制性能的变优先 级策略，则数据传输延时可以尽可能地缩小为τ_k+61，进一步提高本系统控制的 实时性。

同时，在网络数据传输量降低方面，就单条信息而言，采用100m和20ms 数据发送周期时产生的网络数据流量分别是采用5ms周期时的5％、25％。而车 轮打滑和高速操纵控制通常只在某些极端工况下出现，且持续时间极短。

由此通过分层式动态调节可以实现车辆的分层式集成控制，实现车辆在保证 安全性能(车轮不打滑)、高速操纵性能和动力性能的前提下，按照节能模式运 行；控制系统则只有在车轮打滑和高速操纵状态下采用较高的控制频率和优先级， 保证系统响应的快速性、实时性，而在安全状态下则使用较低的控制频率和优先 级，保证车辆在经济模式和运动模式下的正常运行，同时大幅度降低网络数据传 输量。非常有利于网络系统实时性的改善和扩展。

为了实现各控制功能的干预门限触发式管理，可以设定各功能控制性能评价 指标Qc，其具体计算及门限触发判断见公式(1)和(2)。

Q_c＝ε(k₁e+k₂Δe)公式(1)

Q_c≥μ[|ε(k₁e+k₂Δe)|]公式(2)

其中，ε为量化系数，k₁、k₂为权重系数，e为误差，Δe为误差变化量，μ为 门槛系数，μ∈[0,1)，|ε(k₁e+k₂Δe)|为取绝对值。

基于控制性能的变优先级调度基本原理是：首先定义控制性能参数评价指标， 根据控制性能参数评价指标的大小，依据一定的策略或算法，在线产生可变的优 先级，实现当控制性能较差时，采用较高的优先级直至最高优先级，提高控制的 实时性，当控制性能较好时，采用较低的优先级，释放网络使用优先权。本方案 中控制性能参数评价指标可采用公式(1)定义。而相关优先级分配的策略或算 法可以采用基于经验的查表或模糊推理等，具体原理见相关文献。

以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例， 凡在本发明的精神和原则之所所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在 本发明的保护范围之内。