JME特邀专栏丨汽车先进动力系统设计、优化与控制专栏(上)
特邀专栏
随着汽车技术的不断进步，汽车的电动化与智能化进程不断加快，动力系统作为汽车的“心脏”也正朝着安全、高效、智能、复合的方向发展。汽车的先进动力系统既是汽车技术中复杂性最高、难度最大的一环，也是整个汽车系统中最为关键的部分，引起了国内外学术界与工业界的广泛关注。近几年，混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车以及智能汽车等相关技术如雨后春笋般层出不穷，极大促进了汽车动力系统复杂动力学与控制技术的发展。
为此，《机械工程学报》编辑部组织策划了特邀专栏——汽车先进动力系统设计、优化与控制专栏。根据来稿内容专业分布不同，《机械工程学报》2017年14期、16期分别刊载发行。今天，小编就带大家预热一下，先从本月下旬出版的14期内容一览为快。
电子液压制动系统(Electro-hydraulic brake system, EHB)是汽车制动系统的一个重要发展方向，其主要特征是采用电子元器件替代传统制动系统中的部分机械零部件，保留了原有成熟可靠的液压部分，具有结构紧凑、响应快速、易于实现再生制动、制动力可精确控制等突出优点，容易实现多种主动安全控制功能。同济大学的余卓平教授团队撰写的《电子液压制动系统液压力控制发展现状综述》一文，将带领我们一同回顾电子液压制动系统液压力控制问题。
众所周知，汽车工程中存在两类摆振问题：一类是车轮摆振，侧重于关注车轮 – 转向系子系统的动力学特性；另一类是车身摆振，研究主要是针对汽车-拖车组合系统(Car-trailer combinations, CTC)(也称之为汽车列车)在高速行驶工况下的稳定性和安全性，且由于其含有多个车辆的耦合问题，即使是在100 km/h左右的行驶速度下，系统在受到微小扰动情况下即会发生失稳，进而引发交通事故。摆振问题的发生对汽车的操纵稳定性、平顺性、动力性和经济性都有一定的危害。摆振现象机理及其影响因素的分析对于汽车多方面性能的改善，保证乘客的生命财产安全具有重大的意义。东南大学的张宁、殷国栋、陈南等研究人员在《车辆动力学中的摆振问题研究现状综述》一文中，综述了国内外对此两类摆振问题的研究的发展历程以及主要的研究成果，并指出了摆振研究目前存在的问题，同时对进一步工作进行了展望，或许能对我们有所启发。
同济大学的余卓平、章仁夑、熊璐等研究人员在《基于条件积分方法的无人差动转向车辆动力学控制》一文中以无人差动转向车辆的动力学控制为研究对象，通过控制发动机驱动力矩实现车辆的直线行驶，控制左右两侧车轮的液压制动力矩实现车辆的转向行驶，来满足车辆的期望车速与期望横摆角速度需求。他们的控制算法设计是建立在分析被控对象动力学模型以及非线性轮胎模型的基础上，并考虑到车辆在运动过程中轮胎滑移以及执行器力矩受限对车辆驱制动的影响。基于条件积分方法，他们还设计出抗积分饱和的差动转向车辆动力学控制器，保证了在轮胎力和执行器力矩受限下对参考信号进行准确跟踪，最后通过实车试验验证了控制算法的有效性。
液压互联悬架系统能有效改善车辆的操纵稳定性与安全性。湖南大学的陈盛钊、钟义旭、张邦基等研究人员以某SUV为应用对象，设计了一套侧倾互联式液压悬架系统。在机械液压耦合边界处，车辆将其运动状态量传递至液压系统，引起蓄能器内气体体积变化，从而改变液压回路中系统油压，进而引起耦合边界处作用力变化。他们将该作用力引入车辆运动方程，提出一种机械液压耦合车辆动力学模型，同时他们还开展了相关试验验证该模型应用于车辆动力学研究的有效性。有关该项研究的具体内容您可以参见《液压互联悬架参数对车辆动力学响应影响及试验验证》一文。
巡航过程的节油驾驶是汽车经济性驾驶技术的重要组成，其核心问题是节油巡航策略的辨识。为此，清华大学和北京航空航天大学的研究人员徐少兵、刘学冬、李升波等聚焦于速比离散型车辆的加速-滑行式节油巡航策略，包括其建模和优化方法，同时从发动机特性上解释PnG型巡航策略的节油机理，最后他们还对节油效果进行了实车试验验证。该项工作对于提高燃油经济性有着极为重要的意义，感兴趣的朋友可以从《速比离散型车辆加速-滑行式节油巡航策略》一文中得到更为详细的信息。
我们再来看看电动汽车经济性的提升有哪些值得一读的文章。双电机耦合驱动系统是一种能有效改善电动汽车经济性且提高续驶里程的新型电驱动系统，但该系统结构复杂，存在多种驱动模式，不同模式之间进行切换可能会导致驱动系统输出转矩的突变从而导致整车产生较大的纵向冲击。重庆大学的研究人员胡明辉、陈爽、曾剑锋在《双电机耦合系统驱动模式切换控制策略研究》一文中，根据双电机耦合驱动系统的结构特点，重点分析单电机驱动与转矩耦合驱动模式切换过程中各部件的工作状态以及各部件之间的运动学关系，以整车冲击度最小为控制目标，提出一套双电机耦合驱动系统单电机驱动与转矩耦合驱动模式切换控制策略。该文将围绕电动汽车的经济性、舒适性和可控性三者均衡与共赢，为我们提供了新的视角。
为了提高TTRP混合动力车辆的驾驶性能，北京理工大学的研究人员姜丹娜、黄英研究了该类车辆在不同动力模式下的特点，针对不同模式建立简化模型，并建立统一的多模型预测控制策略。他们通过仿真TTRP混合动力车辆在多种动力模式下的特定工况，对设计的多模型预测控制策略进行了验证。这样，通过合理控制车辆的低频纵振，来提升车辆舒适性和驾驶性。详细情况请见《通过道路并联混合动力车辆的低频纵振主动控制》一文。
双离合器式自动变速器(Dual clutch transmission, DCT)换档过程控制的关键在于发动机、双离合器间的协调控制，以及各离合器传递转矩和发动机输出转矩的精确闭环控制，而离合器转矩闭环控制的实施及控制精度则完全依赖于其传递转矩的实时有效估计。同济大学的研究人员赵治国、顾佳鼎、何露在《干式双离合器自动变速器换档过程离合器传递转矩估计》一文中，针对6速干式DCT，设计了换档过程离合器以及发动机的协调控制策略；基于双遗忘因子的递推最小二乘法对车辆行驶阻力矩进行估计，同时搭建高阶滑模观测器对发动机以及输出轴的角加速度进行重构，并设计未知输入观测器估计离合器传递转矩；他们基于自主设计的干式DCT动态试验台架，对所设计的离合器传递转矩估计算法进行台架试验验证。他们的研究工作将为后续进一步改善干式DCT样车换档品质奠定了基础，同时也为保证DCT车辆换档切换过程的平顺性与舒适性提供了有益的参考。
北京理工大学的研究人员温博轩、王伟达、项昌乐等为了解决机电复合传动多动力源协调控制的难题，在《机电复合传动系统基于μ-综合方法的鲁棒协调控制》一文中提出采用μ-综合方法设计的基于动态模型集的鲁棒控制策略。他们的试验结果表明，所提出的鲁棒协调策略在实际系统中能够提升系统的跟踪性能，并为进一步深化研究系统协调控制问题提供支撑。
由于半主动/主动悬置可根据汽车不同的行驶工况，改变其动态特性，从而获得更好的隔振降噪效果，近年来一直倍受关注。重庆大学的郑玲教授团队针对控制解耦膜刚度式半主动悬置，在传统集总参数模型基础上，提出可分析其幅变特性的修正集总参数模型，基于修正的集总参数模型，将半主动悬置的幅变动特性曲线与试验结果进行比较，以验证幅变动特性建模方法的有效性。对该项研究成果感兴趣的朋友，您可以从《半主动悬置幅变动特性建模与试验分析》一文中得到更多启发。
为了提高智能汽车转向系统主动控制的可靠性、安全性，同济大学的研究人员章仁燮、 熊璐、余卓平在《智能汽车转向轮转角主动控制》一文中，借助横摆角速度信号、侧向加速度信号和转向执行电动机电流信号，基于卡尔曼滤波的方法对转向管柱转角传感器进行实时故障诊断和容错设计。根据诊断和容错结果，并考虑执行器力矩受限的情况，基于一种条件积分方法，设计前馈加抗积分饱和的状态反馈控制算法，使转向轮转角渐进稳定到期望的转向轮转角。他们通过建立李雅普诺夫函数，证明控制系统的渐进稳定。通过实车试验证明，结合故障诊断和容错设计后控制算法能够有效可靠地实现转向轮转角的精确跟踪控制。
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