| 专利名称： | 电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装置 | ||
| 专利名称(英文)： | Double-threshold of the electric automobile event trigger dynamic regulation network control device | ||
| 专利号： | CN201510926741.7 | 申请时间： | 20151214 |
| 公开号： | CN105404282A | 公开时间： | 20160316 |
| 申请人： | 北京理工大学 | ||
| 申请地址： | 100081 北京市海淀区中关村南大街5号院 | ||
| 发明人： | 曹万科; 林程 | ||
| 分类号： | G05B23/02 | 主分类号： | G05B23/02 |
| 代理机构： | 北京方圆嘉禾知识产权代理有限公司 11385 | 代理人： | 董芙蓉 |
| 摘要： | 本发明涉及一种汽车控制装置，具体为电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装置，包括与车辆的传感器连接的事件触发模块1、位于车辆控制器端的比较模块、事件触发模块2、调度器模块、控制器模块和综合模块；事件触发模块1通过CAN网络与比较模块连接，比较模块分别与事件触发模块2和控制器模块连接，事件触发模块2再与调度器模块连接，控制器模块和调度器模块分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆的执行器连接。该控制装置实现对系统状态变化和系统控制性能变化的快速响应，同时达到降低网络数据传输量的目的。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention relates to a vehicle control device, in particular for electric automobile event trigger double-threshold of dynamic regulation network control device, is connected with the sensor included on the vehicle event trigger module 1, the end of control device locates the vehicle the comparison module, the event trigger module 2, the scheduler module, the controller module and integrated module; event trigger module 1 through the comparison module is connected with network CAN, comparison module is respectively connected with the event trigger module 2 and a controller module is connected with the, event trigger module 2 is connected with the scheduler module, the controller module, and a scheduler module is respectively connected with the integrated module is connected; through network CAN integrated module of the vehicle is connected with the actuator. The control device can achieve the change of state of the system and system control of performance changes fast response, at the same time achieve the purpose of reducing network data transmission quantity. | ||
1.电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装置，其特征在于：包括 与车辆的传感器连接的事件触发模块1、位于车辆控制器端的比较模块、事件触 发模块2、调度器模块、控制器模块和综合模块；事件触发模块1通过CAN网 络与比较模块连接，比较模块分别与事件触发模块2和控制器模块连接，事件触 发模块2再与调度器模块连接；控制器模块和调度器模块分别与综合模块连接； 综合模块通过CAN网络与车辆的执行器连接； 事件触发模块1，用于管理传感器输出状态的门限事件触发发送； 比较模块，用于实现目标参数与实际参数的比较，产生控制性能参数； 控制器模块，基于控制性能参数驱动，根据预置的策略和算法处理计算产生 控制命令结果； 事件触发模块2，用于管理控制性能参数的门限事件触发发送； 调度器模块，在事件触发模块2的触发下产生基于控制性能的调度命令，其 调度策略可以采用基于控制性能的变周期发送、变优先级发送以及两者综合的调 度模式； 综合模块，实现控制命令的组合以及其与优先级命令的组合，并实现信息的 CAN网络发送。
2.根据权利要求1所述的电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装 置，其特征在于：所述的事件触发模块1即系统输出状态门限事件触发模块，门 限值基于分析、测试及经验设定，检测算法为采用状态变化的评价指标值与门限 值对比，大于等于则允许发送，小于则不允许发送。
3.根据权利要求1所述的电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装 置，其特征在于：所述的事件触发模块2即系统控制性能门限事件触发模块，门 限值基于分析、测试及经验设定，检测算法为采用控制性能的评价指标值与门限 值对比，大于等于则允许发送，小于则不允许发送。
4.根据权利要求1到3任一项所述的电动汽车的双门限事件触发动态调节网 络化控制装置，其特征在于：所述的控制装置性能评价指标Qc，其具体计算及 其门限设置公式： Qc＝ε(k1e+k2Δe)≤μ[|ε(k1e+k2Δe)|] 其中，ε为量化系数，k1、k2为权重系数，e为误差向量，Δe为误差变化量向 量，μ为门限系数，μ∈[0,1)，|ε(k1e+k2Δe)|为取绝对值。
1.电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装置，其特征在于：包括 与车辆的传感器连接的事件触发模块1、位于车辆控制器端的比较模块、事件触 发模块2、调度器模块、控制器模块和综合模块；事件触发模块1通过CAN网 络与比较模块连接，比较模块分别与事件触发模块2和控制器模块连接，事件触 发模块2再与调度器模块连接；控制器模块和调度器模块分别与综合模块连接； 综合模块通过CAN网络与车辆的执行器连接； 事件触发模块1，用于管理传感器输出状态的门限事件触发发送； 比较模块，用于实现目标参数与实际参数的比较，产生控制性能参数； 控制器模块，基于控制性能参数驱动，根据预置的策略和算法处理计算产生 控制命令结果； 事件触发模块2，用于管理控制性能参数的门限事件触发发送； 调度器模块，在事件触发模块2的触发下产生基于控制性能的调度命令，其 调度策略可以采用基于控制性能的变周期发送、变优先级发送以及两者综合的调 度模式； 综合模块，实现控制命令的组合以及其与优先级命令的组合，并实现信息的 CAN网络发送。
2.根据权利要求1所述的电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装 置，其特征在于：所述的事件触发模块1即系统输出状态门限事件触发模块，门 限值基于分析、测试及经验设定，检测算法为采用状态变化的评价指标值与门限 值对比，大于等于则允许发送，小于则不允许发送。
3.根据权利要求1所述的电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装 置，其特征在于：所述的事件触发模块2即系统控制性能门限事件触发模块，门 限值基于分析、测试及经验设定，检测算法为采用控制性能的评价指标值与门限 值对比，大于等于则允许发送，小于则不允许发送。
4.根据权利要求1到3任一项所述的电动汽车的双门限事件触发动态调节网 络化控制装置，其特征在于：所述的控制装置性能评价指标Qc，其具体计算及 其门限设置公式： Qc＝ε(k1e+k2Δe)≤μ[|ε(k1e+k2Δe)|] 其中，ε为量化系数，k1、k2为权重系数，e为误差向量，Δe为误差变化量向 量，μ为门限系数，μ∈[0,1)，|ε(k1e+k2Δe)|为取绝对值。
翻译：技术领域
本发明涉及一种汽车控制装置，具体为电动汽车的双门限事件触发动态调节 网络化控制装置。
背景技术
随着节能、环保以及资源可持续发展需求的日益提高，电动汽车获得了快速 发展。相比于传统内燃机汽车，电动汽车通过采用电机取代内燃机作为动力源解 除了汽车与石化能源的直接联系，建立了汽车与电能的联系，从而实现了汽车用 能源获取的多元化及可持续性。除能源多元化优势之外，就车辆本身的控制来说， 由于电机系统相比内燃机和液压系统具有更快的响应能力和更精确的控制优势， 从而为车辆动力和底盘系统的集成控制提供了很大潜力。诸如驱动电机-自动变 速器集成控制、驱动电机-主动转向系统集成控制、驱动电机--防滑控制系统-电 子制动系统集成控制以及更加综合的驱动电机-电控制动-电控转向-电控悬架集 成控制等相关技术被相继被提出。特别地，随着高功率密度紧凑型电机技术的发 展，采用轮毂或轮边电机分别独立驱动各个车轮的4轮独立驱动电动汽车，则可 以实现4个驱动电机与电控转向系统、电控制动系统以及电控悬架系统等的较大 规模集成控制。较大规模的集成控制可以为电动汽车综合性能技术水平的提升带 来诸多优势，同时也意味更多的电子控制部件包括传感器、控制器和执行器需要 实现互连以及更多的实时交互数据需要传输。
为了实现众多电子控制部件的集成，车载网络如CAN(控制器局域网)被 采用作为数据传输、模块互连的手段。Z.Shuai等在文献(CombinedAFSandDYC controloffour-wheel-independent-driveelectricvehiclesoverCANnetworkwith time-varyingdelays,IEEEtransactionsonvehiculartechnology,2014.)中提出了采用 CAN实现4轮独立驱动电机系统与前轮主动转向系统的集成技术方案，但同时 也指出车载网络CAN的应用额外地带来了新的问题，如由于网络带宽受制、数 据传输量大以及资源竞争激烈导致的网络诱导延时将影响车辆的控制性能、甚至 使车辆失稳。该文献提出了采用鲁棒控制方法来抑制网路延时对系统控制稳定性 的影响，一定程度上保证了控制系统的稳定性，但鲁棒控制方法比较保守，不能 保证系统控制的动态特性。同时该方法仅关注网络延时对系统稳定性的影响问题， 对网络传输量较大问题不关注，因此其对系统控制性能改善的程度有限，同时也 不适用于较大规模的网络化集成。解决较大规模网络化集成问题的有效方法在电 动汽车控制领域尚未见有报道。
针对网络单元节点多、数据传输流量较大的实时性网络化控制系统，一种基 于门限事件触发的方法在自动控制领域被提出。D.Yue等在文献(Adelaysystem methodfordesigningevent-triggeredcontrollersofnetworkedcontrolsystems,IEEE transactionsonautomaticcontrol,2013)中提出了一种基于系统状态变化的门限事 件触发发送方法，该方法在传感器端增加一个门限事件触发模块，只有当系统状 态的变化超出设定的门限值时，传感器采样数据才被允许向网络发送，控制器与 执行器则通过接收中断完成一次控制，当系统状态变化不满足门限要求时，传感 器则只采样但不发送。如此既可以保证控制器对系统状态变化的快速响应，同时 也有效的降低了网络数据传输量。但该方法的缺陷是仅关注传感器端系统状态改 变的快速响应问题，而不关注控制器端控制性能状态改变的快速响应问题，因此 不能满足对控制性能要求严格的电动汽车需求。
现有针对较大规模网络化集成问题的方法都具有一定局限性，不能满足网络 带宽受限、网络传输量大，对系统快速响应要求高的电动汽车动力和底盘控制系 统及其他网络化控制系统的实际需要。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种电动汽车的双门限事件触发动态调节网 络化控制装置，用于保证在较大规模集成、数据传输量较大的情况下系统响应的 快速性，同时降低网络数据传输量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装置，包括与车辆的传感器 连接的事件触发模块1、位于车辆控制器端的比较模块、事件触发模块2、调度 器模块、控制器模块和综合模块；事件触发模块1通过CAN网络与比较模块连 接，比较模块分别与事件触发模块2和控制器模块连接，事件触发模块2再与调 度器模块连接，控制器模块和调度器模块分别与综合模块连接；综合模块通过 CAN网络与车辆的执行器连接；
事件触发模块1，用于管理传感器输出状态的门限事件触发发送；
比较模块，用于实现目标参数与实际参数的比较，产生控制性能参数；
控制器模块，基于控制性能参数驱动，根据预置的策略和算法处理计算产生 控制命令结果；
事件触发模块2，用于管理控制性能参数的门限事件触发发送；
调度器模块，在事件触发模块2的触发下产生基于控制性能的调度命令，其 调度策略可以采用基于控制性能的变周期发送、变优先级发送以及两者综合的调 度模式；
综合模块，实现控制命令的组合以及其与优先级命令的组合，并实现信息的 CAN网络发送。
事件触发模块1即系统输出状态门限事件触发模块：门限值基于分析、测试 及经验设定，检测算法为采用状态变化的评价指标值与门限值对比，大于等于则 允许发送，小于则不允许发送。
事件触发模块2即系统控制性能门限事件触发模块：门限值基于分析、测试 及经验设定，检测算法为采用控制性能的评价指标值与门限值对比，大于等于则 允许发送，小于则不允许发送。
控制装置性能评价指标Qc，其具体计算及门限设置公式：
Qc＝ε(k1e+k2Δe)≤μ[|ε(k1e+k2Δe)|]
其中，ε为量化系数，k1、k2为权重系数，e为误差向量，Δe为误差变化量向 量，μ为门限系数，μ∈[0,1)，|ε(k1e+k2Δe)|为取绝对值。
传感器和车辆控制器间即反馈通道采用了系统输出状态门限事件触发模块， 同时在车辆控制器和执行器间即前向通道采用了系统控制性能状态门限事件触 发模块，即形成一种双门限事件触发式动态调节装置。
传感器采用时间触发模式的周期性采样，但是否向CAN网络发送接收由事 件触发模块1管理；车辆控制器接收调度器模块的调度命令，调度器模块产生的 调度命令可以是固定优先级或基于控制性能的变优先级动态调度，但调度器模块 的工作由事件触发模块2管理；执行器则采用事件触发模式实现工作。
本发明提供的电动汽车的双门限事件触发动态调节网络化控制装置，在传感 器端采用系统状态门限事件触发模块，同时在控制器端采用系统控制性能门限事 件触发模块，实现对系统状态变化和系统控制性能变化的快速响应，同时达到降 低网络数据传输量的目的；另外双门限事件触发方法仅根据容易获得的系统状态 采样参数和控制性能比较参数，只需根据简单的算法完成门限设置，不需要被控 系统的精确模型，也不需要开展大量的线下分析计算，非常有利于在电动汽车工 程中应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例的电动汽车转向执行解析图；
图3为实施例的网络执行解析图；
图4为实施例的调度模块的优先级管理执行图。
具体实施方式
结合附图说明本发明具体实施方式。
根据电动汽车较大规模集成集成控制需求，采用双门限事件触发动态调节方 案，基于系统状态门限事件触发实现对反馈通道通信行为的动态调节，同时基于 系统控制性能门限事件触发驱动前向通道执行基于调度器管理的信息发送动态 调节；保证控制作用对系统状态变化和控制性能变化快速响应的实时性，同时降 低总的网络数据传输量。
如图1所示，某电动汽车用双门限事件触发动态调节网络化控制结构图。该 电动汽车的动力和底盘系统属于集成规模较高的综合系统，其网络节点包括4 台驱动电机控制器，车速传感器、横摆角速度传感器以及侧偏角传感器等，横摆 角速度和侧偏角信息也可以通过一定的估计算法实现；同时CAN网络的系统中 还存在多个其它节点，如EPS电动转向助力系统控制器、ABS防抱死制动系统 控制器、TPM胎压监测系统控制器以及主动悬架控制器等，各控制器通过CAN 网络互连，其中车速、横摆角速度及车身侧偏角等实时采样信息将被车辆控制器， EPS、ABS及主动悬架等控制器按需实时共享。车辆控制器通过采集车速、横摆 角速度和侧偏角等信息，根据预置的控制策略，计算处理产生4个电机的转矩命 令，4台电机直接连到车轮，通过4个车轮的力矩调整，产生相应的纵向驱动牵 引力和绕垂直轴的横摆力矩，进而实现车辆的速度调节和转向性能调节，如图2 所示。车辆控制可以采用16位MCU微控制器芯片实现。
由于CAN网络上互连了较多的网络节点，则数据传输量比较大，同时CAN 的带宽有限，最高波特率为1mbits/s。通过双门限事件触发可以实现如图3所示 的网络执行。由于存在多个传感器信息，为了实现多个传感器信息的同步，控制 器采用周期查询处理模式，传感器和控制器的处理周期需要根据控制性能合理设 置。在[tk,tk+1]期间为系统输出状态的变化达到了门限引起事件触发发送，但控 制性能的数值没有达到门限不能引起事件触发发送，控制命令不被发送；此期间 仅有反馈通道有数据传输行为，网络诱导延时为τk、τk+1，由于采用了周期处理 模式，两者均为一个采样周期T；在[tk+2,tk+3]及[tk+5,tk+6]两段期间系统输出状 态和系统控制性能的数值均没有达到各自门限，则两通道将均没有数据传输；在 [tk+4,tk+5]期间，系统控制性能的数值达到门限则引起事件触发发送，系统输出 状态数值没有达到门限则不发送采样信息，此时仅有前向通道有数据传输，网络 诱导延时粉分别为τk+4、τk+5，其中τk+5是调度器模块采用了变优先级策略降低 了网络诱导延时的结果；在[tk+7,tk+8]期间，系统输出状态和系统控制性能数值 均达到门限引起了事件触发发送，此时两通道均有数据传输，网络诱导延时分别 为Tk+7+τk+7、Tk+8+τk+8,且Tk+7＝Tk+8＝T，τk+8是调度器模块采用了变优先级 策略降低了网络诱导延时的结果。通过调节优先级可以将τk+8降低到最小，进而 使Tk+8+τk+8多网络化控制系统的影响降至最低，而此状态下的系统控制性能及 稳定性则可以根据时滞系统理论分析获得。
为了实现系统输出状态的门限事件触发管理，可以首先设定控制装置状态变 化的综合评价指标S及其门限，其具体计算见公式(1)。
S＝(xk-xk-1)2≤θ(xk)2(1)
其中，xk为k时刻的系统输出状态变量，xk-1代表k的上一时刻系统输出状 态变量，k＝1,2,3,....，θ为门限系数，θ∈[0,1)。
同理，为了实现系统控制性能的门限事件触发管理，可以首先设定控制装置 控制性能评价指标Qc及其门限，其具体计算见公式(2)。
Qc＝ε(k1e+k2Δe)≤μ[|ε(k1e+k2Δe)|](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。
图4为调度器模块的优先级管理执行图。调度器模块可以采用固定优先级， 但若该优先级相对较小时，由于CAN网络传输量较大，前向通道CAN网络诱 导延时将会较大，具体见图3；也可以采用基于控制性能的变优先级调度改变优 先级，可以进一步降低前向通道的传输延时，此处的优先级策略及算法可以采用 基于经验的查表等方法实现。
综上，所提方法就汽车控制而言，车辆横摆状态和横摆控制性能均处于较差 状态时的时间通常很短暂，而且出现的次数相对有限，如仅在冰雪、湿滑路面或 者高速行驶时、较突然的转向等极端状态下才出现，因此在保证极端状态下车辆 控制响应的快速性前提下，可以通过双门限事件触发模式降低正常行驶时间内的 大量数据传输量，将大幅度节省带宽用于其它节点通信，该方法非常有利于实现 较大规模网络化控制系统的集成。
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。
