一種基于偽譜法的車(chē)輛節(jié)能加速方式的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車(chē)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種擋位離散型車(chē)輛節(jié)能加速 方式的優(yōu)化計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為能源消耗大戶，在石油資源緊缺的現(xiàn)狀下，汽車(chē)面臨著巨大的節(jié)油壓力。國(guó)務(wù) 院頒布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，乘用車(chē)平均百公里油耗至2020年須從 2010年的7. 71L降至5L。嚴(yán)格的法規(guī)將極大地促進(jìn)各類(lèi)汽車(chē)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。目前，主要 的提高汽車(chē)節(jié)油能力的技術(shù)領(lǐng)域有四個(gè)：更高效的汽車(chē)、智能化交通、新能源利用和經(jīng)濟(jì)性 駕駛。其中，經(jīng)濟(jì)性駕駛是一種較為高效的節(jié)能駕駛方式。研宄表明，節(jié)能駕駛方式具有 10?15%的節(jié)油潛力，這幾乎接近混合動(dòng)力等技術(shù)的節(jié)油能力，將成為汽車(chē)節(jié)能減排的重 要技術(shù)方向。加速過(guò)程是一種高能耗且頻繁出現(xiàn)的駕駛狀態(tài)，有研宄表明：加速過(guò)程和怠/ 低速過(guò)程是導(dǎo)致駕駛員油耗差異的兩個(gè)最重要原因，因此探索加速過(guò)程的節(jié)能操作方式對(duì) 降低行車(chē)油耗具有積極意義。
[0003] 車(chē)輛節(jié)能加速方式即指確定換擋時(shí)刻以及某一具體擋位下最合適的油門(mén)開(kāi)度，然 后通過(guò)駕駛員操縱換擋桿以及油門(mén)踏板來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0004] 目前，車(chē)輛節(jié)能加速方式多基于實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析得到。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此作了很多實(shí) 驗(yàn)方法的研宄，得出了包括"激進(jìn)加速（加速度> 1.5m/s2)影響油耗的顯著性指標(biāo)是正常 加速的2. 5倍，激進(jìn)的加速和制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致油耗提高30-40% "等結(jié)論。但這也反映了該實(shí)驗(yàn) 方法的弊端，
[0005] 即無(wú)法定量化地表達(dá)節(jié)油方式，且難以解釋內(nèi)在的節(jié)油機(jī)理。此外，該實(shí)驗(yàn)方法需 要投入大量實(shí)驗(yàn)成本，且實(shí)驗(yàn)結(jié)論在不同車(chē)型之間無(wú)迀移性。
[0006] 國(guó)內(nèi)外學(xué)者典型研宄如針對(duì)巡航工況和跟車(chē)工況方式的優(yōu)化。一篇最早的研宄源 于Johns Hopkins大學(xué)的Gilbert (1976)。他證明了巡航工況下，周期控制行車(chē)節(jié)能優(yōu)于勾 速行車(chē)節(jié)能方式，而后者通常被誤認(rèn)為具有"油耗最優(yōu)性"。Li等人針對(duì)裝備CVT(速比連 續(xù)）型變速器的車(chē)輛，提出的最優(yōu)控制行車(chē)的方法為：在跟隨勻速行駛的前車(chē)時(shí)，油耗最優(yōu) 駕駛是一種等周期的"加速-滑行"（PnG，Pulse and Glide)方式，并利用圖解法定量地分 析了 PnG方式的形成原因以及關(guān)鍵參數(shù)。也有人利用輪轂試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了該類(lèi)方式的省油能 力，基于該方式的周期切換型的自適應(yīng)巡航控制器與傳統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)控制器相比，省油能力達(dá) 到13%以上。實(shí)際上，典型的節(jié)能駕駛方式辨識(shí)均可構(gòu)建為一個(gè)最優(yōu)控制模型，包括加速過(guò) 程，類(lèi)似研宄如=Kuriyama等建立了電動(dòng)汽車(chē)坡道工況下的能耗最優(yōu)控制模型，采用動(dòng)態(tài) 規(guī)劃法優(yōu)化出車(chē)輛速度和加速曲線；Thomas等建立了交通燈約束下的油耗最優(yōu)控制模型， 通過(guò)Di jkstra算法優(yōu)化得到車(chē)輛速度曲線。
[0007] 目前，對(duì)于裝備了傳統(tǒng)機(jī)械式變速器的車(chē)輛加速過(guò)程中的節(jié)能加速方式的理論研 宄基本空白，一個(gè)重要原因是因變速器速比離散，理論或者數(shù)值求解困難。也就不能據(jù)此開(kāi) 發(fā)該類(lèi)型車(chē)輛的節(jié)能輔助技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為解決裝備了傳統(tǒng)機(jī)械式變速器的車(chē)輛加速過(guò)程中的節(jié)能加速 方式的優(yōu)化問(wèn)題，提供一種基于偽譜法的車(chē)輛節(jié)能加速方式的優(yōu)化方法。本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建 擋位離散型車(chē)輛的節(jié)能最優(yōu)加速模型，結(jié)合偽譜法提出通用的數(shù)值求解方法，并對(duì)加速工 況進(jìn)行優(yōu)化和分析，形成定量化的節(jié)能加速方式，具有很強(qiáng)的節(jié)油能力。
[0009] 本發(fā)明提出的一種基于偽譜法的車(chē)輛節(jié)能加速方式的優(yōu)化方法，針對(duì)MT型車(chē)輛 加速過(guò)程的優(yōu)化，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0010] 1)構(gòu)建整型最優(yōu)控制模型的目標(biāo)函數(shù)如式⑴所示：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于偽譜法的車(chē)輛節(jié)能加速方式的優(yōu)化方法，針對(duì)MT型車(chē)輛加速過(guò)程的優(yōu)化， 其特征在于，該方法包括以下步驟： 1) 構(gòu)建整型最優(yōu)控制模型的目標(biāo)函數(shù)如式（1)所示：
(1) 式中J為當(dāng)量油耗，ks為距離修正系數(shù)，sf為加速距離，tf為加速終止時(shí)間，Te為發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)矩，we為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，：Fe(〇為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)噴油率； 2) 構(gòu)建該最優(yōu)控制模型的多個(gè)約束條件： 車(chē)輛行駛距離與速度關(guān)系約束如式（2)所示： s-V,(2) 式（2)中：s為車(chē)輛行駛距離，s上方的小點(diǎn)為求導(dǎo)符號(hào)，v為車(chē)輛行駛速度； 車(chē)輛行駛速度約束如式（3)所示：
(3) 式（3)中：L為主減速比，ig為變速器速比，rw為車(chē)輪半徑，n:為傳動(dòng)系傳動(dòng)總效率， Sig為速比為ig時(shí)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，M為整車(chē)質(zhì)量，T為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)有效輸出力矩，kf為滾 動(dòng)阻力，ka為風(fēng)阻系數(shù)； 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)有效輸出力矩約束，如式（4)所示：
(4) 式中：yd為動(dòng)態(tài)修正系數(shù)，取為yd= 〇. 00332/rad; 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約束如式（5)-(7)所示：
(()) (7) 式中為\。。下發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油率，為車(chē)輛勻速行駛百公里油耗最低對(duì)應(yīng)的 速度；且滿足式⑶-(10): Wemin^WWemax, (8) 〇<T^Tfflax(we), (9) ige gi> ig2> ig3> ig4> ig5+? (l〇) 約束條件的狀態(tài)變量為距離S、速度v，記為x= [s，v]T，控制變量為發(fā)動(dòng)機(jī)力矩Te、變 速器速比ig，記為u= [Te，ig]T; 3) 基于偽譜法精確求解式（1)-(10)組成的最優(yōu)控制模型，求解出的擋位的切換時(shí)刻 Ti，T2,…，八以及發(fā)動(dòng)機(jī)力矩.Tq,fc，具體包括： 31) 將整型最優(yōu)控制模型轉(zhuǎn)化為多段光滑模型： 定義igV，mM表示速度V可以對(duì)應(yīng)的最低和最高擋位，首先確定加速起始擋位： 設(shè)加速起始擋位為igs，加速終止擋位為ige，其中加速起始擋位igs如式（11)
(11) 式（11)表示：不可退擋時(shí)，起始擋位igs為起始時(shí)刻的原擋位igfX);可退擋時(shí)，起始擋 位為該速度對(duì)應(yīng)的最低擋位； 加速終止擋位ige取為加速終止時(shí)速度對(duì)應(yīng)的最大擋位 確定多段光滑模型的分段數(shù)和分段點(diǎn)：分段數(shù)為ige-igs+l段，記為Q段，存在Q-1個(gè)時(shí) 間分段點(diǎn)，記為1\，T2，…，TQ_1;將加速的初始時(shí)間t^和加速的終止時(shí)間tf記錄為T(mén)^和TQ， 其中時(shí)間分段點(diǎn)滿足約束…<TQ，設(shè)置任意兩時(shí)間分段點(diǎn)的間距大于設(shè)定的參數(shù) St，即 5t,qG [1,Q]nz+ (12); 32) 采用Legendre偽譜拼接法對(duì)多段光滑模型求解： 首先對(duì)多段光滑模型進(jìn)行時(shí)域轉(zhuǎn)化：將各段的時(shí)間域[1^，!；]統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間 [-1，1]如式（13)所示，用以與Legendre正交多項(xiàng)式的定義區(qū)間一致：
(13) 再對(duì)式（13)進(jìn)行配點(diǎn)與離散化：對(duì)各段設(shè)置不同的配點(diǎn)個(gè)數(shù)，記為Nq+1，每段內(nèi)配點(diǎn) 記為T(mén)qi，其中i= 〇, 1，…，Nq;q= 1，2,…，Q;將各段內(nèi)的狀態(tài)變量距離s、車(chē)速v在LGL 點(diǎn)離散化為式（14):
(14) 將控制變量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩離散化為式（15):
(15) 式（14)和（15)所示的狀態(tài)和控制變量，其動(dòng)態(tài)曲線xjT)和ujT)通過(guò)Lagrange插值多項(xiàng)式逼近如式（16)和（17)所示：
其中，)為L(zhǎng)agrange插值基函數(shù)： (16) (17)
(叫 對(duì)狀態(tài)的微分運(yùn)算轉(zhuǎn)化為對(duì)插值基函數(shù)的微分運(yùn)算如式（19):
(19) 其中，k= 0, 1，2,…，N，D9為微分矩陣，表示各Lagrange基函數(shù)在各LGL配點(diǎn)處的微 分值，如式（20)所示：
(20) 針對(duì)式（2)-(7)所述的約束方程，每段內(nèi)的速比ig為常數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的微分轉(zhuǎn)化 為對(duì)速度的微分，即：
(21) 對(duì)式（2) _(7)及（21)進(jìn)一步化簡(jiǎn)整理得 左=(22)
(23) 式（22)、（23)轉(zhuǎn)化為在配點(diǎn)處的等式約束：
最后，對(duì)式（1)所示的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化為式（26):
(26) I中?曹為發(fā)動(dòng)M蛘諫的惠散佶?為葙分?jǐn)M重?定義為：
即經(jīng)過(guò)以上拼接法，最優(yōu)控制模型式（1)-(1〇)轉(zhuǎn)化為以下形式： 目標(biāo)函數(shù)： s ^ t- '
其中，1^ = 0，1，2，?，隊(duì)；待優(yōu)化變量為配點(diǎn)處的距離5(1，1;、速度￥(1， 1;、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩T<7,fc，以及擋位的切換時(shí)刻1\，T2，…，TQ;。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于偽譜法的車(chē)輛節(jié)能加速方式的優(yōu)化方法，屬于汽車(chē)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括構(gòu)建由目標(biāo)函數(shù)及由多個(gè)約束條件組成的整型最優(yōu)控制模型，將整型最優(yōu)控制模型轉(zhuǎn)化為多段光滑模型：采用Legendre偽譜拼接法對(duì)多段光滑模型求解，得到優(yōu)化的節(jié)能加速方式。本發(fā)明方法可以作為一種駕駛輔助算法為擋位離散型車(chē)輛提供一種提高節(jié)能的加速方式。通過(guò)仿真計(jì)算，在一定條件下，與采用恒定加速度方式相比，本發(fā)明優(yōu)化出的加速方式可以節(jié)油24.76％。具有很強(qiáng)的節(jié)油能力。
【IPC分類(lèi)】B60W40-105, B60W40-10
【公開(kāi)號(hào)】CN104608771
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410809301
【發(fā)明人】李升波, 成波, 徐少兵, 郭強(qiáng)強(qiáng), 王文軍, 李國(guó)法, 李仁杰, 忻隆
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月23日