专家系统的混合动力汽车控制系统设计范文

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摘要：对混合动力汽车的专家控制系统及其实现方法进行了探讨，设计了控制系统的结构，主要包含数据采集和行驶状态反馈系统、专家控制系统和执行系统，构建了专家控制系统中的知识库、综合数据库、控制规则及推理机，阐述了实现方法和工作过程。

关键词：专家控制系统；混合动力汽车；产生式规则；多模式转换

面对环境污染和能源日益短缺的双重压力，新能源汽车成为国内外研究的热点。油电混合动力汽车驱动系统由传统内燃机和电动机构成，不仅具备内燃机车的特征，同时还具备电动车的优点。系统结构形式分为串联式、并联式和混联式，驱动方式包括纯发动机驱动、纯电动驱动、混合动力驱动和再生制动。车辆行驶时，通过驾驶员的意图和汽车实际运行状态决定采用何种驱动方式，这就需要驱动系统之间的切换和相互协作。因此，控制策略、驱动系统和动力耦合传动系统的良好匹配直接影响混合动力汽车的动力性、能源消耗性、环境污染性等使用性能。现有技术的混合动力控制系统在结构和控制方法上还存在一些不足，例如：无法满足不同路面环境下汽车的自动控制，特别是在快速、平稳地起动、切换以及乘员舒适性等方面还需要进一步改进。基于专家系统的混合动力汽车控制系统设计的目的在于优化车载能源和控制策略以及工作模式，合理进行动力分配，使得发动机与电动机的配合处于最佳工作区域，降低油耗与污染排放以及提高乘员的舒适性。

1控制系统结构设计

结合专家控制系统，设计的混合动力汽车控制系统如图1所示，由数据采集系统、动力系统、动力耦合传动系统、专家控制系统和控制执行系统构成。数据采集系统包含加速踏板、挡位、制动、车速传感器、动力电池状态监控传感器，用于实时获取驾驶人员的操作和汽车行驶的动态信息，并对信息进行特征识别和处理，该系统与动力系统和专家控制系统连接。动力系统包含动力电池、发动机，第一电机和第二电机以及电机驱动电路，用于产生汽车驱动行驶以及制动所需要的动力，动力系统与专家控制系统以及耦合传动系统连接。动力耦合传动系统增设了单排行星轮系机构、单向离合器、制动器，用于实现汽车动力的耦合传递，并通过差速器和驱动轴完成动力的分配和执行，动力耦合传动系统与动力系统连接。专家控制系统由知识库、规则库、综合数据库（动态数据库）、推理机组成，专家控制系统输入端与数据采集系统连接，输出端通过控制单元分别与动力系统、传动系统连接。专家控制系统的控制决策通过控制单元实现混合动力汽车各种行驶状态和动力交互模式的转换和控制。控制单元包括发动机控制单元、电机控制单元、动力电池控制单元、制动控制单元、数据采集控制单元。单排行星齿轮机构包括太阳齿轮、齿圈、行星小齿轮和行星齿轮架。混合动力汽车专家控制系统的控制过程为：将采集到的油门、挡位、制动、速度等信息依次经过特征辨识处理，通过推理机得出控制决策，最后将输出的控制信号给发动机控制单元、电机控制单元和动力电池控制单元，对离合器、制动器的接合与分离进行控制，使得发动机、第一电机和第二电机的动力通过行星齿轮机构可以共同或单独地经变速传动机构输出到车轮，实现混合动力驱动、纯电动驱动和纯发动机驱动模式及其模式的转换。

2专家控制系统的建立

专家控制系统包括：知识库、规则库、综合数据库（动态数据库或事实数据库）、推理机。该专家控制系统通过实时采集和分析汽车的行驶状况、发动机和电机的转矩特性以及动力电池SOC能量等信息。专家控制系统的控制决策通过控制单元对离合器和制动器的接合与分离实现混合动力模式、纯电动模式和纯发动机驱动模式的各种行驶状态及工况的转换控制。

2．1推理机

推理机是编制的计算机程序，是基于已有的数据信息和实时采集的数据信息，按一定的方法将规则库中的规则的前提与综合数据库中的事实记录进行匹配，从而找出控制策略，并把推断结果记录到动态数据库中。在本控制系统中，该程序将采集的混动汽车各个传感器参数，即数据（事实），与规则前提进行匹配，并按一定策略找到或选取最佳控制方案。匹配采用数据驱动控制（正向推理），基于已有的数据信息，正向使用规则，使规则的前提与综合数据库中的数据（事实）相比较，不断更新推断结果，从而推断最优控制方案。推理机的工作过程如图2所示。1）推理机将规则库中的规则前提与事实进行匹配，将每条规则的＜前提＞取出来，验证这些前提是否在综合数据库中事实相符合，若符合，则匹配成功，否则，取下一条规则再进行匹配；2）把匹配成功的规则的＜结论＞作为新的事实添加到综合数据库中；3）用更新后的综合数据库中的事实重复上面两个步骤，直到某个事实就是意想中的结论或是不再有新的事实产生为止。

2．2知识库与综合数据库的建立

知识库是问题求解所需的领域知识的集合，主要包括综合数据库（动态数据库）、诊断规则库和控制方案库。当发动机运转时，其功率、扭矩、耗油量等都会随负荷变化而变化。基于发动机、电动机的各种特性曲线，以及电池荷电状态曲线，可以全面判断发动机和电动机的动力性、经济性和工作特性，由此，需要建立表1所示的知识库：综合数据库既是推理机选用知识的依据，也是推理过程获得推理路径的来源。综合数据库是用来存放采集的实时数据、系统运行过程中所产生的所有信息及所需要的原始数据，包括用户输入的信息、推理的中间结果和推理过程的记录等。在本控制系统中，综合数据库中不仅存放混合动力汽车的基本信息，包括油门、制动、档次、车速等输入信息，同时也存放求解问题过程中的状态数据，它反映了当前问题求解状态的集合。

2．3规则库的建立

控制规则库是系统的核心数据库，主要存放专家经验，为推理过程提供所需要的知识。本控制系统中，控制规则库中的规则采用产生式规则表示：IF＜前提＞THEN＜结论＞。如表2所示，基于专家控制系统的多模式混合动力汽车，其规则库主要存放混合动力汽车模式转换的专家经验集，为推理过程提供必要的知识（控制规则集）。汽车各种行驶状态有：启动、加速、巡航行驶、减速、制动五种工况；汽车动力交互模式有：电机单独工作模式、发动机单独工作模式、电机和发动机共同工作模式和再生制动模式。

3结束语

油电混合动力电动汽车不仅具备内燃机汽车的特征，同时还具备电动汽车的优点。汽车的驱动系统由传统内燃机和电动机组成，因此，控制策略、驱动系统和动力耦合传动系统的良好匹配直接影响混合动力汽车的动力性、能源消耗性、环境污染性等使用性能。本文结合汽车的行驶状态、混合动力工作模式和专家控制系统的特点，进行了混合动力汽车控制系统结构的设计，构建了推理机、知识库、综合数据库和控制规则，旨在优化车载能源和控制策略以及工作模式，合理进行动力分配，提高汽车的使用性能。

参考文献

［1］李德毅．人工智能导论［M］．北京：中国科学技术出版社，2019

［2］朱元，吴志红，陆科，行星齿轮混合动力汽车驱动模式的切换规则［J］．同济大学学报（自然科学版），2009，37（7）：948－954

［3］巴特，高印寒，曾小华，等．混合动力汽车工作模式切换控制方案．吉林大学学报（工学版），2016，46（1）：21－27

［4］王文宾，李军，郭超，等．混合动力汽车的动力系统．重庆变通大学学报（自然科学版），2011，30（4）：308－310，348

作者：鲁守荣 单位：无锡城市职业技术学院