專家系統的混合動力汽車控制系統設計范文

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摘要：對混合動力汽車的專家控制系統及其實現方法進行了探討，設計了控制系統的結構，主要包含數據采集和行駛狀態反饋系統、專家控制系統和執行系統，構建了專家控制系統中的知識庫、綜合數據庫、控制規則及推理機，闡述了實現方法和工作過程。

關鍵詞：專家控制系統；混合動力汽車；產生式規則；多模式轉換

面對環境污染和能源日益短缺的雙重壓力，新能源汽車成為國內外研究的熱點。油電混合動力汽車驅動系統由傳統內燃機和電動機構成，不僅具備內燃機車的特征，同時還具備電動車的優點。系統結構形式分為串聯式、并聯式和混聯式，驅動方式包括純發動機驅動、純電動驅動、混合動力驅動和再生制動。車輛行駛時，通過駕駛員的意圖和汽車實際運行狀態決定采用何種驅動方式，這就需要驅動系統之間的切換和相互協作。因此，控制策略、驅動系統和動力耦合傳動系統的良好匹配直接影響混合動力汽車的動力性、能源消耗性、環境污染性等使用性能。現有技術的混合動力控制系統在結構和控制方法上還存在一些不足，例如：無法滿足不同路面環境下汽車的自動控制，特別是在快速、平穩地起動、切換以及乘員舒適性等方面還需要進一步改進。基于專家系統的混合動力汽車控制系統設計的目的在于優化車載能源和控制策略以及工作模式，合理進行動力分配，使得發動機與電動機的配合處于最佳工作區域，降低油耗與污染排放以及提高乘員的舒適性。

1控制系統結構設計

結合專家控制系統，設計的混合動力汽車控制系統如圖1所示，由數據采集系統、動力系統、動力耦合傳動系統、專家控制系統和控制執行系統構成。數據采集系統包含加速踏板、擋位、制動、車速傳感器、動力電池狀態監控傳感器，用于實時獲取駕駛人員的操作和汽車行駛的動態信息，并對信息進行特征識別和處理，該系統與動力系統和專家控制系統連接。動力系統包含動力電池、發動機，第一電機和第二電機以及電機驅動電路，用于產生汽車驅動行駛以及制動所需要的動力，動力系統與專家控制系統以及耦合傳動系統連接。動力耦合傳動系統增設了單排行星輪系機構、單向離合器、制動器，用于實現汽車動力的耦合傳遞，并通過差速器和驅動軸完成動力的分配和執行，動力耦合傳動系統與動力系統連接。專家控制系統由知識庫、規則庫、綜合數據庫（動態數據庫）、推理機組成，專家控制系統輸入端與數據采集系統連接，輸出端通過控制單元分別與動力系統、傳動系統連接。專家控制系統的控制決策通過控制單元實現混合動力汽車各種行駛狀態和動力交互模式的轉換和控制。控制單元包括發動機控制單元、電機控制單元、動力電池控制單元、制動控制單元、數據采集控制單元。單排行星齒輪機構包括太陽齒輪、齒圈、行星小齒輪和行星齒輪架。混合動力汽車專家控制系統的控制過程為：將采集到的油門、擋位、制動、速度等信息依次經過特征辨識處理，通過推理機得出控制決策，最后將輸出的控制信號給發動機控制單元、電機控制單元和動力電池控制單元，對離合器、制動器的接合與分離進行控制，使得發動機、第一電機和第二電機的動力通過行星齒輪機構可以共同或單獨地經變速傳動機構輸出到車輪，實現混合動力驅動、純電動驅動和純發動機驅動模式及其模式的轉換。

2專家控制系統的建立

專家控制系統包括：知識庫、規則庫、綜合數據庫（動態數據庫或事實數據庫）、推理機。該專家控制系統通過實時采集和分析汽車的行駛狀況、發動機和電機的轉矩特性以及動力電池SOC能量等信息。專家控制系統的控制決策通過控制單元對離合器和制動器的接合與分離實現混合動力模式、純電動模式和純發動機驅動模式的各種行駛狀態及工況的轉換控制。

2．1推理機

推理機是編制的計算機程序，是基于已有的數據信息和實時采集的數據信息，按一定的方法將規則庫中的規則的前提與綜合數據庫中的事實記錄進行匹配，從而找出控制策略，并把推斷結果記錄到動態數據庫中。在本控制系統中，該程序將采集的混動汽車各個傳感器參數，即數據（事實），與規則前提進行匹配，并按一定策略找到或選取最佳控制方案。匹配采用數據驅動控制（正向推理），基于已有的數據信息，正向使用規則，使規則的前提與綜合數據庫中的數據（事實）相比較，不斷更新推斷結果，從而推斷最優控制方案。推理機的工作過程如圖2所示。1）推理機將規則庫中的規則前提與事實進行匹配，將每條規則的＜前提＞取出來，驗證這些前提是否在綜合數據庫中事實相符合，若符合，則匹配成功，否則，取下一條規則再進行匹配；2）把匹配成功的規則的＜結論＞作為新的事實添加到綜合數據庫中；3）用更新后的綜合數據庫中的事實重復上面兩個步驟，直到某個事實就是意想中的結論或是不再有新的事實產生為止。

2．2知識庫與綜合數據庫的建立

知識庫是問題求解所需的領域知識的集合，主要包括綜合數據庫（動態數據庫）、診斷規則庫和控制方案庫。當發動機運轉時，其功率、扭矩、耗油量等都會隨負荷變化而變化。基于發動機、電動機的各種特性曲線，以及電池荷電狀態曲線，可以全面判斷發動機和電動機的動力性、經濟性和工作特性，由此，需要建立表1所示的知識庫：綜合數據庫既是推理機選用知識的依據，也是推理過程獲得推理路徑的來源。綜合數據庫是用來存放采集的實時數據、系統運行過程中所產生的所有信息及所需要的原始數據，包括用戶輸入的信息、推理的中間結果和推理過程的記錄等。在本控制系統中，綜合數據庫中不僅存放混合動力汽車的基本信息，包括油門、制動、檔次、車速等輸入信息，同時也存放求解問題過程中的狀態數據，它反映了當前問題求解狀態的集合。

2．3規則庫的建立

控制規則庫是系統的核心數據庫，主要存放專家經驗，為推理過程提供所需要的知識。本控制系統中，控制規則庫中的規則采用產生式規則表示：IF＜前提＞THEN＜結論＞。如表2所示，基于專家控制系統的多模式混合動力汽車，其規則庫主要存放混合動力汽車模式轉換的專家經驗集，為推理過程提供必要的知識（控制規則集）。汽車各種行駛狀態有：啟動、加速、巡航行駛、減速、制動五種工況；汽車動力交互模式有：電機單獨工作模式、發動機單獨工作模式、電機和發動機共同工作模式和再生制動模式。

3結束語

油電混合動力電動汽車不僅具備內燃機汽車的特征，同時還具備電動汽車的優點。汽車的驅動系統由傳統內燃機和電動機組成，因此，控制策略、驅動系統和動力耦合傳動系統的良好匹配直接影響混合動力汽車的動力性、能源消耗性、環境污染性等使用性能。本文結合汽車的行駛狀態、混合動力工作模式和專家控制系統的特點，進行了混合動力汽車控制系統結構的設計，構建了推理機、知識庫、綜合數據庫和控制規則，旨在優化車載能源和控制策略以及工作模式，合理進行動力分配，提高汽車的使用性能。

參考文獻

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作者：魯守榮 單位：無錫城市職業技術學院