电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法

摘要

本发明属于电动汽车网络化运动控制技术及系统领域，具体为电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，基于网络节点延时组件和控制回路延时链等概念，结合系统学思路的控制回路延时链类型分析，基于上确界算子开展延时包络分析，推导出延时上界数学公式，实现电动汽车网络化运动控制系统回路延时的准确分析。本发明作为一种系统回路时滞分析方法，可准确得出电动汽车网络化控制系统回路中网络诱导延时的上界，为设计高可靠车辆运动控制器、确保车辆运动控制稳定性，进而提升车辆运行安全提供技术方法支持。

权利要求

1.电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，步骤包括：(1)延时分析相关概念及定义；

(2)延时系统类型分析；

(3)回路延时包络分析；

其中，步骤(1)延时分析相关概念及定义为步骤(2)延时系统类型分析和步骤(3)回路延时包络分析提供概念支撑；

步骤(2)利用步骤(1)延时分析相关概念进行延时系统类型统计，并为步骤(3)提供延时包络分析对象；

步骤(3)延时回路包络利用步骤(1)延时分析相关概念和步骤(2)分析对象，推导得出系统回路延时上界的数学表达；

其特征在于：步骤(1)所述的延时分析相关概念及定义，包括四个概念，分别为网络节点延时组件、控制回路延时链、延时链类型分析和延时边界包络分析；

其中，网络节点延时组件，是对一个网络节点具有的复合延迟时间的描述；

其中，控制回路延时链，是对一个控制回路具有的复合延迟时间的描述；

其中，延时链的类型分析，是关于由不同触发模式网络节点组成的各种控制回路延时链的类型分类的描述；

其中，延时边界包络分析，是寻找控制回路延时链延时上界的描述。

2.根据权利要求1所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：所述的网络节点延时组件；

由任务排队时间、任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间组成；其中任务排队时间、任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间为延时元件。

3.根据权利要求2所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：所述的网络节点延时组件，网络节点类型包括传感器节点、控制器节点和执行器节点，其中：

对于传感器节点，时间触发模式下，其延时组件包括任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间；事件触发模式下，其延时组件包括任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间；

对于控制器节点，时间触发模式下，其延时组件包括任务排队时间、任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间；事件触发模式下，其延时组件包括任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间；

对于执行器节点，时间触发模式下，其延时组件包括任务排队时间和任务执行时间；事件触发模式下，其延时组件包括任务执行时间。

4.根据权利要求1所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：所述的控制回路延时链由网络节点延时组件通过节点间通道连接组成，其中，网络节点包括传感器节点、控制器节点和执行器节点；节点间通道包括前向通道和反馈通道。

5.根据权利要求4所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：所述的控制回路延时链长度公式如下：其中tdelay_compount，i表示控制回路中第i个网络节点延时组件长度，n表示控制回路中网络节点个数，i＝1，2，...，n。

6.根据权利要求1所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：步骤(2)延时系统类型分析是指基于节点驱动模式对控制回路延时链进行归纳分类；

其中，控制回路延时链类型个数满足如下公式：n‑1

N＝2

其中N为延时链类型个数，n为节点类数；

分类结果采用延时链分类表进行描述：触发模式类别1，传感器节点：时间触发，控制器节点：时间触发，执行器节点：时间触发；

触发模式类别2，传感器节点：时间触发，控制器节点：时间触发，执行器节点：事件触发；

触发模式类别3，传感器节点：时间触发，控制器节点：事件触发，执行器节点：时间触发；

触发模式类别4，传感器节点：时间触发，控制器节点：事件触发，执行器节点：事件触发。

7.根据权利要求1所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：步骤(3)回路延时包络分析是指利用延时上界函数来确定电动汽车网络化运动控制系统控制回路延时链的延时上界；延时上界函数包括局部延时上界函数和全局延时上界函数。

8.根据权利要求7所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：所述的局部延时上界函数是指用于分析电动汽车某一特定网络化运动控制系统控制回路延时链的延时上界，其表达式如下：其中，sup为上确界算子；n，N分别表示单个控制回路中网络节点个数以及全部控制回路对应的延时链个数； 表示局部延时上界，tdelay_chain表示某一特定延时链长度；tdelay_compount，i表示控制回路中第i个网络节点延时组件长度。

9.根据权利要求7所述的电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，其特征在于：所述的全局延时上界函数是指用于分析电动汽车全部网络化运动控制系统控制回路延时链延时上界的最大值，其表达式如下：其中，sup为上确界算子；n，N分别表示单个控制回路中网络节点个数以及全部控制回路对应的延时链个数； 分别表示局部延时上界以及全局延时上界，tmax_special，j表示某一特定延时链长度最大值；tdelay_compount，i表示控制回路中第i个网络节点延时组件长度。

说明书

电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法

技术领域

[0001] 本发明属于电动汽车网络化控制技术及系统领域，具体为电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法。

背景技术

[0002] 汽车运动控制是汽车技术发展的经典话题。近年来，随着电动汽车的快速发展，如何实现稳定高效的电动汽车运动控制成为汽车行业发展的焦点问题。传统的机械和液压结
构存在着诸如体积大，响应慢，不易布置等问题，不能满足日益严苛的电动汽车运动控制系
统要求；另一方面，随着半导体集成技术与工业现场总线技术的发展，性能优良、价格低廉
的片上系统与车载网络使得电动汽车网络化运动控制系统成为可能。

[0003] 汽车网络化运动控制系统使用线控技术和车载网络采集车辆状态信号和发送控制命令，取代了传统的机械和液压传动装置，具有体积小、布置灵活、可控性好和响应速度
快等特点，为实现准确快速的车辆动力学控制提供了可能。

[0004] 另一方面，车载网络的使用将不可避免地引入信号传输延时。延时将直接影响车辆运动控制的实时性和系统稳定性，进而影响汽车运行安全，成为电动汽车网络化运动控
制技术发展的新挑战。现有的时滞分析方法，如网络推演理论、马尔科夫延时模型，大多聚
焦于系统部分环节的延时分析，导致延时上界的估计不准确，均具有一定的局限性，无法满
足电动汽车网络化运动控制系统的实时应用需求，致使控制器的实时性与系统稳定性降
低，进而影响汽车运行安全。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有网络时滞分析方法缺陷，提出一种电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，可得出电动汽车网络化运动控制系统控制回路的
最大延时，为网络时滞下控制算法的设计提供数据支撑，从而提高控制器的实时性与系统
稳定性，进而提升电动汽车运行安全。

[0006] 本发明是通过以下具体步骤来实现的：

[0007] 电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法，包括以下步骤： 延时分析相关概念及定义； 延时系统类型分析； 回路延时包络分析。其中，步骤 延
时分析相关概念及定义为步骤 延时系统类型识别和步骤 回路延时包络分析提供概
念支撑；步骤 利用步骤 相关概念进行延时系统类型统计，并为步骤 提供延时包
络分析对象；步骤 延时回路包络利用步骤 相关概念和步骤 分析对象，推导得出
系统回路延时上界的数学表达。

[0008] 步骤 包括四个概念定义，分别为网络节点延时组件、控制回路延时链、延时链类型分析和延时边界包络分析。其中，网络节点延时组件,是对一个网络节点具有的复合延
迟时间的描述；控制回路延时链，是对一个控制回路具有的复合延迟时间的描述；延时链的
类型分析，是关于由不同触发模式网络节点组成的各种控制回路延时链的类型分类的描
述；延时边界包络分析，是寻找控制回路延时链延时上界的描述；网络节点延时组件由延时
元件任务排队时间、任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间组成。

[0009] 网络节点类型包括传感器节点、控制器节点和执行器节点，其中，对于传感器节点，时间触发模式下，其延时组件包括任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间；事件
触发模式下，其延时组件包括任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间；对于控制器节
点，时间触发模式下，其延时组件包括任务排队时间、任务执行时间、通信排队时间和通信
执行时间；事件触发模式下，其延时组件包括任务执行时间、通信排队时间和通信执行时
间；对于执行器节点，时间触发模式下，其延时组件包括任务排队时间和任务执行时间；事
件触发模式下，其延时组件包括任务执行时间。

[0010] 控制回路的延时链，通常由网络节点延时组件通过节点间通道连接组成，其中，网络节点包括传感器节点、控制器节点和执行器节点。节点间通道包括前向通道和反馈通道。
控制回路延时链长度公式如下：

[0011]

[0012] 其中 表示控制回路中第 网络个节点延时组件长度， 表示控制回路中网络节点个数， 。

[0013] 步骤 延时系统类型分析过程，是指基于节点驱动模式对控制回路延时链进行归纳分类，其类型个数满足如下公式：

[0014]

[0015] 其中 为延时链类型个数， 为节点类数。

[0016] 分类结果采用如下延时链分类表进行描述。

[0017] 触发模式类别1，传感器节点：时间触发，控制器节点：时间触发，执行器节点：时间触发；

[0018] 触发模式类别2，传感器节点：时间触发，控制器节点：时间触发，执行器节点：事件触发；

[0019] 触发模式类别3，传感器节点：时间触发，控制器节点：事件触发，执行器节点：时间触发；

[0020] 触发模式类别4，传感器节点：时间触发，控制器节点：事件触发，执行器节点：事件触发。

[0021] 其分类结果采用如下延时链分类表进行描述。

[0022] 延时链类别表

[0023]

[0024] 步骤 回路延时包络分析是指利用延时上界函数来确定电动汽车网络化运动控制系统控制回路延时链的延时上界。延时上界函数包括局部延时上界函数和全局延时上界
函数，局部延时上界函数是指用于分析电动汽车某一特定网络化运动控制系统控制回路延
时链的延时上界，其表达式如下：

[0025]

[0026] 其中， 为上确界算子； 分别表示单个控制回路中网络节点个数以及全部控制回路对应的延时链个数； 表示局部延时上界， 表示某一特
定延时链长度； 表示控制回路中第 个网络节点延时组件长度。

[0027] 全局延时上界函数是指用于分析电动汽车全部网络化运动控制系统控制回路延时链延时上界的最大值，其表达式如下：

[0028]

[0029] 其中， 为上确界算子； 分别表示单个控制回路中网络节点个数以及全部控制回路对应的延时链个数； 分别表示局部延时上界以及全局延时上界，
表示某一特定延时链长度最大值； 表示控制回路中第 个网
络节点延时组件长度。

[0030] 本发明的有益效果是：

[0031] 本发明提供了一种电动汽车网络化运动控制系统网络复合结构回路时滞分析方法，作为一套完整的控制系统延时分析方法论，可准确分析出电动汽车中某一特定网络化
运动控制系统或全部网络化运动控制系统控制回路中的最大延时，为电动汽车网络时滞动
力学控制系统的分析与设计提供理论支撑，从而为改善控制器的实时性和系统稳定性，进
而提升汽车运行安全提供技术支持。

附图说明

[0032] 图1为本发明电动汽车网络化运动控制系统示意图；

[0033] 图2为本发明电动汽车网络化动力链运动控制系统控制原理图；

[0034] 图3为本发明电动汽车网络化动力链运动控制系统结构图；

[0035] 图4为本发明延时单元示意图；

[0036] 图5为本发明延时组件示意图；

[0037] 图6为本发明电动汽车网络化动力链运动控制系统延时链示意图；

[0038] 图7为本发明电动汽车网络化动力链运动控制系统延时上界示意图。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0040] 如图1所示，电动汽车网络化运动控制系统采用线控技术和车载网络采集传感器信号和发送控制信号，取代了传统的机械和液压装置，具有体积小、布置灵活、可控性好与
响应速度快等特点，可以实现电动汽车良好的运动控制性能。

[0041] 如图2所示，以电动汽车网络化动力链运动控制为例，说明电动汽车网络化运动控制系统复合结构回路时滞分析方法的应用。

[0042] 为提高车辆动力链的平顺性和稳定性，基于线控技术和车载网络构建了电动汽车网络化动力链运动控制系统，如图2所示。其原理如下：包括轮速传感器在内的4个传感器采
集车辆轮速等状态信息，并通过车载网络反馈给动力链控制单元，动力链控制单元基于反
馈状态信息计算电机转矩控制命令，并通过车载网络将其发送给电机控制单元，调整电机
转矩，抑制电传动系振动，从而成为一种典型的网络化运动控制系统。

[0043] 如图3所示，该网络化控制系统，包括动力链控制单元、电机控制单元、电机输出轴转角传感器节点、传动半轴转角传感器节点、轮速传感器节点、电机转速传感器节点，其中
电机输出轴转角传感器节点、传动半轴转角传感器节点、轮速传感器节点、电机转速传感器
节点与动力链控制单元之间通过车载网络相连，构成反馈通道；动力链控制单元通过车载
网络又与电机控制单元相连，构成前向通道。根据网络化控制理论，车载网络的使用，将不
可避免地引入信号延时，延时将直接影响电动汽车动力链运动控制的实时性，导致系统扭
振失稳，进而影响汽车运动安全，成为电动汽车高性能传动技术发展的新挑战。

[0044] 针对上述挑战，准确地估计延时上界成为关键技术难题，。现有的时滞分析方法，如网络推演理论、马尔科夫延时模型，大多聚焦于系统部分环节的延时分析，导致延时上界
的估计不准确，均具有一定的局限性。所以，本发明提出了一种电动汽车网络化运动控制系
统复合结构回路时滞分析方法，可用于分析电动汽车网络化运动控制系统控制回路的最大
延时。

[0045] 本方法包括三个步骤： 延时分析相关概念及定义； 延时系统类型分析；回路延时包络分析。其中，步骤 延时分析相关概念及定义为步骤 延时系统类型识别
和步骤 回路延时包络分析提供概念支撑；步骤 利用步骤 相关概念进行延时系统
类型统计，并为步骤 提供延时包络分析对象；步骤 延时回路包络利用步骤 相关
概念和步骤 分析对象，推导得出系统回路延时上界的数学表达。

[0046] 首先，为了分析回路最大延时，定义概念：网络节点延时组件、控制回路延时链、延时链类型分析和延时边界包络分析。

[0047] 其中，网络节点延时组件,是对一个网络节点具有的复合延迟时间的描述。

[0048] 其中，控制回路延时链，是对一个控制回路具有的复合延迟时间的描述。

[0049] 其中，延时链的类型分析，是关于由不同触发模式网络节点组成的各种控制回路延时链的类型分类的描述。

[0050] 其中，延时边界包络分析，是寻找控制回路延时链延时上界的描述。

[0051] 如图4所示，为分析控制回路最大延时，引入延时元件定义：通信排队时间、任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间，并分别用CQ、CI、TQ和TI表示。

[0052] 如图5所示，各网络节点延时组件由任务排队时间、任务执行时间、通信排队时间和通信执行时间组成。

[0053] 对于传感器节点，时间触发模式下，如图5（1）所示，其延时组件包括任务执行时间TI、通信排队时间CQ和通信执行时间CI；事件触发模式下，如图5（2）所示，其延时组件包括
任务执行时间TI、通信排队时间CQ和通信执行时间CI。

[0054] 对于控制器节点，时间触发模式下，如图5（3）所示,其延时组件包括任务排队时间TQ、任务执行时间TI、通信排队时间CQ和通信执行时间CI；事件触发模式下，如图5（4）所示，
其延时组件包括任务执行时间TI、通信排队时间CQ和通信执行时间CI。

[0055] 对于执行器节点，时间触发模式下，如图5（5）所示，其延时组件包括任务排队时间TQ和任务执行时间TI；事件触发模式下，如图5（6）所示，其延时组件包括任务执行时间TI。

[0056] 如图6所示，控制回路延时链通常由网络节点延时组件通过节点间通道连接组成，其中，网络节点的类型包括传感器节点、控制器节点和执行器节点。节点间通道包括前向通
道和反馈通道。回路延时链长度公式如下：

[0057]

[0058] 其中 表示控制回路中第 个网络节点延时组件长度， 表示控制回路中网络节点个数， 。

[0059] 延时系统类型分析过程，是指基于节点驱动模式对控制回路延时链进行归纳分类，其类型个数满足如下公式：

[0060]

[0061] 其中 为延时链类型个数， 为节点类数。如图6所示，该案例系统的网络节点包括三类：传感器节点，控制器节点和执行器节点，即 ，则 ，其分类结
果可采用延时链分类表进行描述如下：

[0062] 延时链类别表

[0063]

[0064] 回路延时包络分析是指利用延时上界函数来确定电动汽车网络化运动控制系统控制回路延时链的延时上界。延时上界函数包括局部延时上界函数和全局延时上界函数。

[0065] 其中，局部延时上界函数是指用于分析电动汽车某一特定网络化运动控制系统控制回路延时链的延时上界，其表达式如下：

[0066]

[0067] 其中， 为上确界算子； 分别表示单个控制回路中网络节点个数以及全部控制回路对应的延时链个数； 表示局部延时上界， 表示某一特
定延时链长度； 表示控制回路中第 个网络节点延时组件长度。

[0068] 全局延时上界函数是指用于分析电动汽车全部网络化运动控制系统控制回路延时链延时上界的最大值，其表达式如下：

[0069]

[0070] 其中， 为上确界算子； 分别表示单个控制回路中网络节点个数以及全部控制回路对应的延时链个数； 分别表示局部延时上界以及全局延时上界，
表示某一特定延时链长度最大值； 表示控制回路中第 个网
络节点延时组件长度

[0071] 为分析控制回路最大延时，做出如下假设：（1）时间触发传感器节点采样并通过CAN发送采样结果到控制器节点；（2）时间触发控制器节点根据来自传感器节点的采样结果
计算出电机扭矩命令，并周期性地发送给电机控制器节点；（3）事件触发电机控制器节点接
受到电机扭矩命令信息时，立即控制驱动电机执行相应的动作。

[0072] 基于上述概念和假设，电动汽车网络化动力链控制系统控制回路延迟上界的分析如下：如图7所示，其复合结构回路延时可用下式表达：

[0073]

[0074] 其延时上界可利用下式计算得出：

[0075]

[0076]

[0077] 其中， 表示电动汽车网络化动力链控制系统复合结构回路延时， 表示电动汽车网络化动力链控制系统中网络节点个数， 表示控制回路中第 个
网络节点延时组件长度， 表示传感器任务执行时间TI长度， 表示传感器通信排队
时间CQ和通信执行时间CI长度之和， 表示控制器任务排队时间TQ长度， 表示控制
器任务执行时间TI长度， 表示控制器通信排队时间CQ和通信执行时间CI长度之和，
表示执行器任务执行时间TI长度， 表示系统周期。

[0078] 以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实施例，凡在本发明的精神和原则之内所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范
围之内。