[0001] 本发明属于车辆变速器控制技术领域，尤其涉及一种考虑负荷变化干扰的商用车换档过程控制方法。

[0002] 新能源汽车是未来商用车的发展方向，装配驱动电机和AMT的电驱动系统既能满足商用车功率大、载荷大的动力需求，也能满足其节能的经济性需求。商用车电驱动系统采用驱动电机与多档AMT直连，无离合器，也无同步器。其换档过程中转速同步时，由驱动电机主动调节目标接合齿圈转速与接合套转速同步。目前关于电驱动系统换档过程转速同步的控制方法有很多。

[0003] 授权公告号为CN107819420B的中国发明专利《一种电动汽车AMT换档下驱动电机速度调节器优化方法》，在车辆换挡过程中，能够根据当前车辆加速度，减小驱动电机比例环节的作用强度，从而有效抑制驱动电机转速环超调，提高电动汽车AMT换档的快速性、精准性和平顺性。

[0004] 授权公告号为CN113864446B的中国发明专利《纯电变速箱的换档控制方法、装置及纯电动汽车》，其通过对驱动电机、换档电机的输出转矩进行控制，进而实现接合齿圈、滑动啮合套之间转速同步的闭环控制，大大减小换档过程中产生的扭矩冲击，并且增加了电驱动系统一次换档的成功率。

[0005] 然而，商用车由于载荷变化大，并且经常在郊区甚至山区等道路坡度变化大的情况下行驶，会造成电驱动系统换档过程中动力学负荷变化大，造成换档动力中断时间延长，换档冲击度大。目前，尚且没有在换档过程中对动力学负荷变化进行干扰控制的方法。

[0010] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0011] 以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

[0012] 如图1所示，为本发明一个实施例提供的一种考虑负荷变化干扰的商用车换档过程控制方法，包括以下步骤：步骤1：建立描述重型商用车电驱动系统换档过程的动力学模型；
首先建立换档同步过程的动力学模型，为干扰观测器的设计，以及换档时间最优控制问题的求解奠定基础。重型商用车电驱动系统换挡过程转速同步示意如图2所示。驱动电机输出动力经过齿轮传动至接合齿圈，当接合齿圈与接合套相互接合时，动力经过接合套传递至输出轴，再经过传动轴、主减速器和车桥传递至车辆。

[0013] 在换档同步过程中，需要目标接合齿圈和接合套之间的转速差 为零，转角差 （k为周期数，Nz为接合齿圈齿数），才能使得目标接合齿圈和接合套平稳接合。因此，在目标接合齿圈与接合套的转速同步过程中，换档控制器根据转速差 和转角差 反馈结果实时给驱动电机控制器发送指令，电机控制器控制驱动电机的转矩和转速输出，降低转速差 ，调整转角差 ，使得目标接合齿圈与接合套能够顺利接合，完成换档动作。

[0014] 在图2中， 和 分别为目标接合齿圈和接合套的转角， 和 分别为目标接合齿圈与接合套之间的转角差和转速差， 、以及 分别为车辆行驶过程中所受到的空气阻力、坡度阻力和滚动阻力。

[0015] 目标接合齿圈与接合套的转角差： ；目标接合齿圈与接合套的转速差： ；
和 分别为目标接合齿圈和接合套的转角， 和 分别为目标接合齿圈和
接合套的转速。

[0016] 换档同步过程的动力学模型为：（1）
式中， 和 分别为目标接合齿圈与接合套之间的转角差和转速差的
一阶导数，用于表示转速差和转角差的变化率； 为目标挡位传动比， 为同步过程时与变速器输入轴连接的所有机械部件等效至变速器输入轴的转动惯量，为主减速器速比，为整车旋转质量换算系数， 为整车质量， 为轮胎滚动半径， 、和 分别为车辆行驶过程中所受到的空气阻力、坡度阻力和滚动阻力，Tm为驱动电机的输出转矩。

[0017] 在换档过程中，目标接合齿圈与接合套同步过程的状态空间表达式为：（2）
式中，令：
；
则，状态空间表达式为：
（3）
其中，x为状态变量，u为控制变量，d为扰动变量，A为状态变量系数矩阵，B为控制变量系数矩阵。

[0018] 关于车辆负荷变化的扰动变量dvel为：（4）
步骤2：将负荷的变化视作扰动变量，设计扰动观测器，采用非线性指数收敛观测器对扰动变量进行观测；
车辆负荷的变化受到车辆载重、路面附着系数、道路坡度等影响，会在换档过程中对转速同步的时间最优控制造成影响。为了主动对车辆负荷变化产生的干扰进行抑制，构建一种非线性指数收敛观测器用于实时监测这些负荷扰动的变化，如图3所示。

[0019] 在图3中，x为状态变量，u为控制变量，d为扰动变量，A为状态变量系数矩阵，B为控制变量系数矩阵，z为辅助变量，Q为观测系数矩阵，为扰动变量观测值。从图3中可以看出，首先根据状态空间表达式 设计辅助变量z，然后求得辅助变量z的导数为 ，最后获得扰动变量的观测值 。具体的观测值 计算过程如下：
（5）
其中， 是扰动d的估计值， 是扰动变量dvel的估计值；Q是观测系数矩
阵。因此，辅助变量的微分方程为 。

[0020] 扰动的真实值和观测值之间的误差为 。根据观测器设计的基本方法，扰动的微分被视为 。然后，扰动的真实值和观测值之间的误差差分为。由于d的变化很慢， ，因此 可以表示为：
（6）
辅助变量z的微分表示为：
（7）
因此，扰动的非线性收敛指数观测器设计为：
（8）
然后对设计的观测器进行稳定性证明。辅助变量的微分为
。由于假设 ，则扰动的真实值和观测值之间的误差差分为
，误差的微分简化如下：
（9）
微分方程的解可以表征为：
（10）
其中 是观测的初始误差，t为当前时刻，t0为初始时刻。具有指数收敛性的非线性观测器，其收敛精度取决于观测系数Q。与其他具有渐近收敛性的观测器相比，它保证了估计值d̂在有限时间内收敛到实际值d。

[0021] 最后，基于扰动观测的状态空间方程可以表示为：（11）
步骤3：以换档过程中的同步时间最优为性能目标指标，将换档过程转速同步控制问题转化为受约束有限时域的优化控制问题；
重型商用车电驱动系统换档过程时间最优控制问题整体框架如图4所示。首先，建立描述换档同步过程的状态空间表达式模型，其中，扰动变量为d。其次，采用干扰状态观测器对扰动变量d进行观测，重新建立包含干扰观测的换档同步过程的系统模型。然后，以换档过程中的同步时间最优为性能目标指标，将换档过程转速同步控制问题转化为受约束有限时域的优化控制问题。最后，基于庞特里亚金极小值原理求解换档同步过程带约束的有限时域优化控制问题，获得最优控制律。

[0022] 关于换档过程时间最优控制问题，其特别之处在于目标接合齿圈与接合套的转角差是周期性变化的，如图5所示。目标档位接合齿圈与接合套的转角同步时，接合套既可以与接合齿圈k=0齿槽对齐，也可以与k=±1，k=±2，…±Nz处齿槽对齐（Nz为齿数）。所以，除了最优控制律 外，还需要确定最优周期数 以得到最优初始转角差，即连续变量和离散变量同时优化的问题。

[0023] 关于换档过程时间最优控制的描述，该问题需要尽可能减少换档过程同步时间，所以该过程以换档同步时间为性能目标函数。需要优化的变量为驱动电机的目标转矩Tm和周期数k。关于控制问题的约束，该换档过程需根据考虑负载变化干扰的动力学模型演变，并且在换档过程中，驱动电机的转速和转矩输出受到电机性能的限制。同时，在该换档过程同步过程结束时，目标接合齿圈与接合套的转角差为零，转速差为零。初始转速差已知，初始转角差具有周期性。周期数k决定接合套最终与哪个接合齿圈的齿对齐。

[0024] 在转速同步之前，初始状态 ， ，其中， 。转速完成之后，系统的终端条件为 ，
，其中k=0,1,…,Nz。

[0025] 控制目标是通过过程持续时间足够短，因此性能目标函数为：（12）
状态空间表达式：
（13）
式中， ；
物理限制：
（14）
式中， 为驱动电机输出转矩最大值， 为目标接合齿圈与接合套的转速
差的最大值。

[0026] 终端条件：（15）
式中， 为目标接合齿圈与接合套转速同步完成时的转角差，
为目标接合齿圈与接合套转速同步完成时的转速差。

[0027] 初始条件：（16）
式中， 为目标接合齿圈与接合套转速同步开始时的转角差，
为目标接合齿圈与接合套转速同步开始时的转速差。

[0028] 扰动变量：（17）
步骤4：基于庞特里亚金极小值原理求解换档同步过程带约束的有限时域优化控制问题，获得最优控制律和最优周期数。

[0029] 根据对最优控制问题的描述，利用庞特里亚金极小值原理分析该问题，进而得到最优控制变量 和最优周期数 ，最后求得最优控制律，如图6所示。

[0030] 首先，以换档时间最优为目标构造性能函数J，接合换档过程带干扰观测值 的状态空间模型 ，构建哈密顿函数H。

[0031] 然后，采用变分法求解哈密顿函数H，根据状态方程、协状态方程、约束条件（包括物理约束，初始约束、终端约束），获得最优控制变量的解析解 。

[0032] 最后，对最优驱动电机转矩 在相平面内的轨迹进行分析，获得最优周期数 。

[0033] 干预换档过程时间优化控制问题的哈密顿函H数为：（18）
T
式中，λ=[λ1,λ2]为协状态变量。

[0034] 根据极小值原理最优性必要条件，可得：极值条件：
（19）
状态方程：
（20）
式中， ；
协状态方程：
（21）
根据极值条件，可得：
（22）
协状态变量可求得如下：
（23）
式中，C1和C2均为常数，t为时间。其中，λ2是关于时间的线性函数，协状态变量λ2的符号最多变动一次。

[0035] 由于，驱动电机的最优转矩指令 取决于λ2的符号，因此，驱动电机最优转矩指令 在最大值 与最小值 之间只切换一次。

[0036] 为了更好地分析驱动电机最优转矩，以 为横坐标，以 为纵坐标，将驱动电机最优输出转矩 以最大加速度、最大减速度运动的轨迹绘制于相平面。如图7所示，带有向上箭头的曲线表示驱动电机最优输出转矩 以最大加速度运动，带有向下箭头的曲线表示驱动电机最优输出转矩 以最大减速度运动。图7中，上半平面的实线穿过零点，表示当前状态点位于实线时，驱动电机输出转矩 可以以最大速度实现换档过程转速同步时间最优的目标。

[0037] 上半平面的实线的减速度线，其所在方程为：（24）
式中， 为驱动电机输出转矩最小值。

[0038] 图7中，当下半平面的虚线穿过零点，表示当前状态点位于该虚线时，驱动电机输出转矩 可以以最大加速度达到换档过程转速同步时间最优的目标。

[0039] 下半平面的虚线的加速度线，其所在方程为：（25）
第三象限上半平面的实线的减速度线和第四象限下半平面的虚线的加速度线共同组成一条“归零线”。

[0040] 由于驱动电机输出转矩 最多在最大值 、最小值 之间切换一次。所以，当初始转角差 和转速差 确定的状态点位于“归零线”的右侧时，驱动电机应先以最大减速度减速，之后再以最大加速度加速达到“转速同步”状态，此时 ，。相应的驱动电机输出转矩先取最小值 ，之后取最大值 。换档过程转速同步用时为：
（26）
当初始转角差 和转速差 确定的状态点位于 “归零线”的左侧时，驱
动电机应先以最大加速度加速，之后再以最大减速度减速达到“转速同步”状态，此时， 。相应的驱动电机输出转矩先取最大值 ，之后取最小值 。
换档过程转速同步用时为：
（27）
求解最优周期数 ：
1）当 ，在图7中，根据不同的周期数，初始状态点可位于相平面的第一象限区域或者第二象限区域。

[0041] 当初始状态点位于第一象限区域时，最优周期数 应使初始状态点尽可能靠近减速度线，即 最小， 可得为：（28）
当初始状态点位于第二象限区域时，最优周期数 应使初始状态点尽可能靠近加速度线，即 最小， 可得为：
（29）
2）当 ，在图7中，根据不同的周期数，初始状态点可位于相平面的第三象限区域或者第四象限区域。

[0042] 当初始状态点位于第三象限区域时，最优周期数 应使初始状态点尽可能靠近加速度线，即 最小， 可得为：（30）
当初始状态点位于第四象限区域时，最优周期数 应使初始状态点尽可能靠近减速度线，即 最小， 可得为：
（31）
因此，最优周期数为：
（32）
最优驱动电机转矩为：
（33）
式中， 表示最优初始转角差。

[0043] （34）以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。