带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法
带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及履带车辆混合驱动系统建模领域，特别是涉及带横轴的混联式履带车 辆混合驱动系统自动化建模方法。
【背景技术】
[0002] 履带车辆混合驱动系统实质是一种机电复合传动系统，系统中一般包含两个能量 源（汽油/柴油和电池组）、多个动力部件（一台或多台内燃机以及多个电动/发电机）、 一套完整的传动系统。按照混合驱动系统的能量传递方式分，系统可分为三种形式：串联 式、并联式和混联式。串联式和并联式的系统结构简单，建模相对容易，而混联式系统中一 般含有一个功率耦合装置和一个汇流机构，功率耦合装置可以把来自内燃机和电动/发电 机的功率进行耦合后输出，而汇流机构则可以把来自于直驶路和转向路的功率进行汇流后 输出，对履带车辆混合驱动系统的建模关键就是对这两个部件的建模。
[0003] 目前履带车辆混合驱动系统的功率耦合装置与汇流机构主要采用行星齿轮机构， 行星齿轮机构有三个自由端，分别是太阳轮、齿圈和行星架，与系统中发动机、电动/发电 机和输出轴有多种连接方式。若功率耦合装置中含有多个行星排，则各行星排的三个自由 端之间又会存在多种连接方式，这样就造成了混合驱动系统结构的复杂性和多样性。
[0004] 在履带车辆混合驱动系统设计初期，为了能够在众多的构型中得到可用并且性能 优异的系统结构，设计人员往往需要对所有可能的系统结构进行考虑，以找出所有可用的 系统，然后对这些系统进行建模，分析比较各系统的性能，以得到其中性能较为优异的系统 构型。但是由于系统结构的多样性与复杂性，设计时难以考虑到系统结构的所有形式，更难 以对大量的系统进行建模。针对这一问题，有人提出了一些自动化建模方法，它可以利用 计算机编程来实现对驱动系统构型方案的穷举以及每个合理方案数学模型的自动生成，例 如：键合图法、图论法、超图法等。
[0005] 键合图法、图论法以及超图法都是基于对已有理论进行改造而得到的，不具有针 对性。而且这三种方法的建模过程都存在构型一图一数学模型的两次转换，建模过程比较 复杂，建模效率较低，并且在把构型方案转化为模型的过程中容易出错。
[0006] LiuJinming和PengHuei提出了一种基于矩阵方程的自动化建模方法并应用 在轮式汽车上（公开于AutomatedModellingofPower-SplitHybridVehicles[C]. TheInternationalFederationofAutomaticControl，2008.Proceedingsofthe17th WorldCongress，Vol. 17 :4648-4653.)。该方法仅通过对系统特征矩阵D的操作就可以同 时实现对系统构型方案和数学模型的生成。相比于前三种方法，这种基于矩阵方程的自动 化建模方法简化了建模步骤，提高了建模效率，在构型方案的生成、筛选条件的提出、数学 模型的建立和计算机程序的实现上都更具优势，但该方法尚未应用在履带车辆上。以下是 该方法提到的某混合动力汽车驱动系统矩阵方程的系数矩阵：
[0007]
[0008] 但是上述方法仅应用于轮式车辆，其是一个多输入单输出系统，只含有功率耦合 装置，而履带车辆除了功率耦合装置外，还含有一个汇流装置，是一个多输入双输出系统， 因此若将上述方法应用于履带车辆，则对汇流装置的建模是难点之一。而如何给出耦合装 置与汇流装置的统一模型矩阵的生成方法，则是本领域技术人员面对的更大的技术难题。 [0009] 此外，上述方法主要是对双行星排耦合装置的自动化建模进行研宄，而对单行星 排耦合装置、三行星排耦合装置以及汇流装置如何进行自动化建模，以及如何完善双行星 排耦合装置、三行星排耦合装置的和汇流装置的筛选条件，仍需本领域技术人员进一步研 宄。本发明基于矩阵方程的建模思想，提出一种简单、高效、易用的新的混联式履带车辆混 合驱动系统的自动化建模方法。
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题是提供带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化 建模方法，通过对系统特征矩阵的操作就可以同时实现对系统构型方案的生成和对系统数 学模型的生成和优选，整个自动化建模过程简单易懂高效且易于用程序实现，从而克服现 有技术的不足。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明一种带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化 建模方法，适用于带有横轴的混联式履带车辆混合驱动系统，该系统包括一个内燃机、两个 电机、一个转向电机、一个功率耦合装置和一个汇流装置，其步骤包括确定D矩阵和％矩 阵、构型筛选以及生成统一模型矩阵，其中：
[0012] 所述D矩阵的列对应功率耦合装置中的行星排，行数等于其列数加2,各行分别对 应不同的节点，第1至第3行对应的节点依次为内燃机节点、输出端节点、第一电机节点，若 存在第4行，则第4行对应的节点为第二电机节点，各行非零元素分别为与该行对应节点相 连的行星排节点的类型，-Si对应太阳轮节点，-R，寸应齿圈节点，S片氏对应行星架节点，其 中i表示第i个行星排；
[0013] 所述Ds矩阵是一个4X2的矩阵，阵的第1列代表左侧汇流行星排，第2列代 表右侧汇流行星排，Ds矩阵的1到4行分别对应汇流机构的直驶功率输入节点、左侧汇流行 星排的转向功率输入节点、左侧汇流行星排的输出端节点、右侧汇流行星排的输出端节点， 各行非零元素分别为与该行对应节点相连的汇流行星排节点的类型，其中-S对应太阳轮 节点、-R对应齿圈节点，R+S对应行星架节点，且矩阵中Ds (2, 2)的元素为其正常形式的相 反数。
[0014] 作为进一步改进，所述构型筛选包括：
[0015] (1)对于双行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括：
[0016] 所述D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许 有重复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素；
[0017]D矩阵中任意一行的元素不能全为零；
[0018] 对于所述D矩阵中只含有两个非零元素的列，该列的前两个元素中必须有且只有 一个元素非零；
[0019] 矩阵DEV和DK必须是满秩矩阵，所述DEV和DK是D矩阵的子矩阵，
[0021] 对于两列均含有3个非零元素的D矩阵，前两行的所有元素不能全部非零；
[0022] 对于某一列只有2个非零元素的D矩阵，该列的前两个元素不能全为0 ;
[0023] (2)对于三行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括：
[0024] (3x3x3)形式的D矩阵的第一列、第二列和第三列中都含有3个非零元素，（3x3x2) 形式的D矩阵第一列和第二列含有3个非零元素，第三列含有2个非零元素；
[0025]D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许有重 复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素，D矩阵中任意一行的元素不能全为零；
[0026] 对于（3x3x2)或（3x2x2)的矩阵形式，若对矩阵的列进行两两组合，将得到三个 5X2矩阵，这三个矩阵中的至少两个矩阵满足所有行中至少有一行的元素全部非零；
[0027] 排除矩阵前两行为
之一的构型，其中x 为非零元素；
[0028] 对于（3x3x2)构型，第三列前两个元素不能全部非零；
[0029] 对于（3x2x2)构型，第二列或第三列的前两个元素不能全部非零；
[0030] 对于（3x2x2)构型，要排除第二列和第三列为
之一的构型，其中x为非 零元素；
[0031] 把D矩阵化简为4X2矩阵，按照双行星排的情况把化简后的D矩阵分成子矩阵Dev 和DMe，所述子矩阵Dev和DMe必须是满秩矩阵；
[0032]D矩阵最后一行非零元素的个数应大于等于2;
[0033] 对于（3x3x3)形式的D矩阵，排除第一、二、五行中任意两行元素全部非零的情 况；
[0034] 对于（3x3x2)形式的矩阵，排除第三列为[0 ;0;x;x;0]的情况；
[0035] 对于（3x2x2)形式的矩阵，排除第二列或第三列为[0 ;0;x;x;0]的情况，其中x 为非零元素；
[0036] (3)Ds矩阵的筛选，其构型和筛选条件为：
，其中：x= -S、_R或 S+R，y= -S、-R或S+R，z= -S、-R或S+R，且x、y、z各不相同。
[0037] 所述生成统一模型矩阵的步骤为：根据驱动系统构型合成所述驱动系统的模型矩 阵方程，
[0039]其中：
[0041]式中：Dm是合成后的D矩阵，九是合成后的J矩阵，Qm是合成后的加速度列向量， Tm是合成后的外转矩列向量；
[0042]Dm矩阵是一个（n+3)Xn的矩阵，n为混合驱动系统中行星排的总个数，n彡3,Dm 矩阵表示为
，其中，Di是原功率耦合装置的D矩阵，D2是一个nX2矩阵， 矩阵的第二行元素为Ds(l，：）/&，其余元素为0,Ds(l，：）表示原汇流装置的Ds矩阵的第一 行元素，I为耦合装置和汇流装置间的传动比，D3等于原汇流机构Ds矩阵的后三行元素，即 D3=Ds(2:4,:)；
[0043] J矩阵的每一行分别对应内燃机、第一电机、第二电机和输出端这四个节点，而每 一行中不为零的元素则表示与该行对应的节点相连的部分等效到该节点处的转动惯量；
[0044]Jm矩阵是一个对角方阵，其大小等于Dm矩阵行数，Jm矩阵各行对角线上的元素等 于该行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分通过Dm 矩阵来确定。
[0045] 当所述n= 4时：
[0046] 当所述n= 5时，
[0047] 式中各参数含义为：
[0048] K:功率親合装置和汇流机构间的传动比，K2维齿轮机构的传动比；K3 主减速器的传动比；
[0 049] ?e--发动机的角速度，其中，wMei--第一电机的角速度，--第二电机的 角速度，wsteOT_i--经锥齿轮机构输入到左侧汇流行星排的角速度，'uu--左输出端处 输出的角速度；一一右输出端处输出的角速度，-一功率耦合装置输出端的角加 速度--功率耦合装置自由节点处的角加速度；
[0050]Te 发动机广生的转矩，TMei 第一电机广生的转矩，TMe2 第二电机广生的 转矩，TMe3--转向电机产生的转矩，--履带车辆行驶时左侧履带受到的阻力等效到输 出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；I；--履带车辆行驶时右侧履带受 到的阻力等效到输出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和。
[0051]当功率耦合装置的行星排个数为1时，行星排只与内燃机节点、第一电机节点以 及输出端节点连接，多出的节点为第二电机节点，第二电机节点与内燃机节点或输出轴节 点连接；
[0052] (1)当第二电机节点与输出轴连接时：
[0054] (2)当第二电机节点与内燃机输出轴连接时：
[0056] 在生成统一模型矩阵的步骤还包括构型优选，具体为：
[0057] 首先排除使电机转速或转矩过大的构型，即各构型的电机转速转矩首先要满足如 下条件：
[0061]其中：wK1、《M(；2、《M(；3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转速；TM(；i、TM(；2、TM(；3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转矩；Wmaxl、Wmax2、Wmax3分别 为第一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转速；Tmaxl、Tmax2、Tmax3*别为第一电机、第 二电机、转向电机所能提供的最大转矩；
[0062] 然后在满足上述条件的构型中，分别计算第一电机和第二电机的功率绝对值的平 均值；
[0063] 最后比较平均功率的大小，取该值较小的构型为较优构型。
[0064] 所述行星排的特性参数k= 2。
[0065]所述D矩阵的行数若大于4,则第5行以上对应自由节点。
[0066] 采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
[0067] 第一，快速建模。对于一种给定结构的混合驱动系统，利用D(DS)矩阵和J(JS)矩 阵的生成规则以及统一模型矩阵的生成方法可以快速得到该驱动系统的数学模型。设计人 员一方面可以利用构型的筛选条件来判断该系统结构的合理性；另一方面，得到的系统数 学模型可以直接用于系统的其他研宄工作，如驱动系统的性能仿真计算、参数匹配、优化控 制等。
[0068] 第二，自动化建模。在确定驱动系统行星排个数的前提下，利用D(DS)矩阵和J(JS) 矩阵的生成规则，研宄人员可以对矩阵的形式进行穷举，然后利用构型筛选条件对穷举得 到的D矩阵进行筛选，最后得到所有合理的模型矩阵形式。由于矩阵的形式与系统结构之 间对应关系是唯一的，所以得到了所有合理的矩阵形式也就代表得到了所有合理的混合驱 动系统构型方案。如果进一步将所有合理的D矩阵和Ds矩阵统一为Dm矩阵，就可以得到所 有合理系统构型的数学模型。而若将上述模型矩阵的生成、筛选以及合成的过程编写为计 算机程序，就可以实现对履带车辆混合驱动系统的自动化建模。最终得到的所有合理的系 统结构方案及其数学模型可以作为系统设计初期的研宄对象，研宄人员既可以针对其中某 一种方案的性能进行研宄，也可以同时对所有的构型方案进行评估，以期望得到其中较优 的构型。
[0069] 第三，由于生成的D矩阵中既包含了系统的结构信息，又包含了系统的模型信息， 所以本申请提供的这种自动化建模方法能在得到系统结构方案的同时得到系统的数学模 型，相比于其他方法，本方法简化了建模过程、提高了建模效率。
[0070] 第四，本发明编写了履带车辆混合驱动系统自动化建模的程序，实现了对含有3、 4、5个行星排机构的履带车辆混合驱动系统的自动化建模，突破了现有技术只能实现含有 2个行星排机构的耦合装置的建模的技术难题。
[0071] 本发明通过一般运动学和动力学方法对几种构型确定的系统进行建模，然后把得 到的方程组整理成矩阵方程的形式，通过对矩阵的形式进行归纳和总结，提出了矩阵方程 的生成规则，利用生成规则穷尽所有可能的情况，并通过筛选条件筛选出合理的模型，最后 对所有合理模型进行优选，建模过程简单、建模效率高、易用性强。
【附图说明】
[0072]上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下 结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0073]图1是本发明带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法所基于驱 动系统的简化结构图。
[0074]图2是单行星排机构等效为杠杆的方法示意图。
[0075]图3是某单行星排功率耦合装置。
[0076]图4是构型优选方法流程图。
[0077]图5是某种履带车辆混合驱动系统的杠杆简图。
【具体实施方式】
[0078] 请参阅图1所示，本发明提供的自动化建模方法适用于带有横轴的混联式履带车 辆混合驱动系统，系统含有一个内燃机，两个电动/发电机，一个转向电机，一个功率耦合 装置和一个汇流装置。
[0079]本发明提供的自动化建模方法是基于动力传递过程无能量损失以及如果系统中 存在离合器，忽略离合器结合时的动力学过程这两个条件的。
[0080] 带有横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，包括：确定D矩阵和Ds矩阵、构型筛选以及生成统一模型矩阵，其中，
[0081] 确定D矩阵包括：D矩阵的列数等于功率耦合装置中行星排的个数，第一列代表行 星排一，第二列代表行星排二，以此类推；D矩阵的行数等于其列数加2,D矩阵第1至第4 行分别对应不同的节点，若行数大于4,则之后的行对应自由节点；D矩阵中的元素包括非 零元素和零元素，各行非零元素分别为与该行对应节点相连的行星排节点的类型，所述行 星排节点的类型包括太阳轮节点-Sp齿圈节点_氏以及行星架节点S，氏，i表示第i个行 星排；所述D矩阵第1至第4行分别对应的节点依次为内燃机节点、输出端节点、第一电机 节点以及第二电机节点，所述自由节点是与所述节点均不相连的行星排节点；
[0082]确定阵包括：Ds矩阵是一个4X2的矩阵，D龙阵的第1列代表左侧汇流行 星排，第2列代表右侧汇流行星排，Ds矩阵的1到4行分别对应汇流机构的直驶功率输入 节点、左侧汇流行星排的转向功率输入节点、左侧汇流行星排的输出端节点、右侧汇流行星 排的输出端节点；Ds矩阵中的元素包括非零元素和零元素，Ds矩阵的各行非零元素分别为 与该行对应节点相连的汇流行星排节点的类型，所述汇流行星排节点的类型包括太阳轮节 点-S、齿圈节点-R，行星架节点R+S;所述Ds矩阵中Ds (2, 2)的元素为其正常形式的相反数。 [0083]J矩阵是功率耦合装置的惯量矩阵，它的对角元素代表了与每一个节点相连的部 分等效到该节点的等效转动惯量的和值，满足矩阵是一个对角方阵，其大小等于D矩阵 的行数；J矩阵各行对角线上的元素等于各行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该 节点处的和，与节点相连的部分可以通过D矩阵来确定。
[0084] 1是汇流装置的惯量矩阵，它的对角元素代表了与每一个节点相连部分的等效转 动惯量的和值，满足：JS是一个4X4的对角方阵，其对角线上的元素等于各行对应的节点 所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分可以通过〇3矩阵来确定。
[0085] 按照前面的D(DS)矩阵和J(JS)矩阵的生成规则，我们可以穷举出给定系统行星排 个数下的所有可能的矩阵形式，也就是说可以得到所有可能的混合驱动系统结构。但穷举 得到的系统构型并不都是合理的，因此需要对这些构型进行筛选。
[0086] 模型中的D(DS)矩阵包含了系统构型方案的所有信息，每一种构型确定的系统， 都对应着一个形式确定的D(DS)矩阵，且这种对应关系是唯一的，这使得我们可以直接从 D〇s)矩阵的形式入手来对系统构型进行筛选，而无需绘制出系统的结构图或建立系统的 模型。
[0087] 由于单行星排构型形式较少，而三行星排以上的构型形式又太多而且过于复杂， 因此下面将主要以双行星排和三行星排功率耦合装置为例，从物理可行性、模式切换可行 性等方面提出混合驱动系统构型筛选的条件。
[0088] 请参阅图2所示，为了绘图和说明，把行星排机构等效为杠杆图的形式：就是将一 个行星排看作一根杠杆和杠杆上的三个点，三个点分别对应太阳轮（S)的自由端、齿圈（R) 的自由端和行星架（C)的自由端。
[0089] 构型筛选包括筛选D矩阵的构型和Ds矩阵的构型，其中，筛选D矩阵的构型方法 包括物理可行性以及模式切换可行性筛选，
[0090] 对于双行星排功率耦合装置：
[0091] 对D矩阵进行物理可行性筛选包括：所述D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S 三个元素中的两个，每一列中不允许有重复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素； D矩阵中任意一行的元素不能全为零；对于所述D矩阵中只含有两个非零元素的列，该列的 前两个元素中必须有且只有一个元素非零；矩阵DEV和DK必须是满秩矩阵，所述DEV和DK 是D矩阵的子矩阵，
[0092] 对D矩阵进行模式切换可行性筛选包括：对于两列均含有3个非零元素的D矩阵， 前两行的所有元素不能全部非零；对于某一列只有2个非零元素的D矩阵，该列的前两个元 素不能全为〇 ;
[0093] 对于三行星排功率耦合装置：
[0094] 设定（3x3x3)形式的D矩阵为第一列、第二列和第三列中都含有3个非零元素的 D矩阵，（3x3x2)形式的D矩阵为第一列和第二列含有3个非零元素，第三列含有2个非零 元素的D矩阵；
[0095] 对D矩阵进行物理可行性筛选包括：D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S 三个元素中的两个，每一列中不允许有重复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零 元素 ，D矩阵中任意一行的元素不能全为零；对于（3x3x2)或（3x2x2)的矩阵形式，若 对矩阵的列进行两两组合，将得到三个5X2矩阵，这三个矩阵中的至少两个矩阵满 足所有行中至少有一行的元素全部非零；对于矩阵的前两行，必须排除下面的构型：
，其中X为非零元素；对于（3x3x2)构型，它的 第三列前两个元素不能全部非零，对于（3x2x2)构型，它的第二列或第三列的前两个元素 不能全部非零。对于（3x2x2)构型，对于矩阵的第二列和第三列，要排除下面的6种构型
，其中x为非零元素；把D 矩阵化简为4X2矩阵，则其子矩阵DEV和DK必须是满秩矩阵；D矩阵最后一行非零元素的 个数应大于等于2 ;
[0096]对D矩阵进行模式切换可行性筛选包括：对于（3x3x3)形式的D矩阵，排除第一、 二、五行中任意两行元素全部非零的情况；对于（3x3x2)形式的矩阵，排除第三列为[0 ;0 ; x;x;0]的情况；对于（3x2x2)形式的矩阵，排除第二列或第三列为[0 ;0;x;x;0]的情况， 其中x为非零元素；所述Ds矩阵具有固定的构型：
，其中：X = -S、-R或 S+R，y= -S、-R或S+R，z= -S、-R或S+R，且x、y、z各不相同。
[0097] 根据筛选的D矩阵和比矩阵生成统一模型矩阵：
[0098] 1、合成后的统一模型矩阵方程可以分块为如下结构：
[0100] 式中：Dm是合成后的D矩阵；九是合成后的J矩阵；Q是合成后的加速度列向量； m Fm是合成后的行星排内力列向量；Tm是合成后的外转矩列向量。
[0101] 2、Dm矩阵是一个（n+3)Xn的矩阵，n为混合驱动系统中行星排的个数，n彡3 ;
[0102] 3、Dm矩阵可以表示为下面的分块矩阵：
[0104] 其中屯一一是原耦合装置的D矩阵；D2-一为一个nX2矩阵，矩阵的第二行元素 为03(1，：）/&，其余元素为0。n为混合驱动系统中行星排的个数，Ds(l,:)表示原汇流装置 的Ds矩阵的第一行元素，Ki为耦合装置和汇流装置间的传动比；D3--等于原汇流装置Ds 矩阵的后三行元素，8卩D3=Ds (2:4,：）。
[0105] 4、Jm矩阵是一个对角方阵，其大小等于合成后的D矩阵行数。
[0106] 5、Jm矩阵各行对角线上的元素等于该行对应的节点所连接部分的转动惯量等效 到该节点处的和，与节点相连的部分可以通过Dm矩阵来确定。
[0107] 6、根据统一模型矩阵的最终形式，只要给出了 {^^或^中的一个，就可以求得另 一个，而在实际的建模仿真中，一般是通过控制器模型来得到Tm，然后求0^，以下分别给 出n= 3、4、5时的Q、Fm以及Tm。 771
[0108] 合成后的模型矩阵方程中的其他量为：
[0111] 当功率耦合装置的行星排个数为1时，该行星排可与外界连接的节点只有3个，而 根据本发明提出的总体构型方案，功率耦合装置至少需要与内燃机、输出端、第一电机和第 二电机这4个节点相连，因此必然多出一个节点需要与剩下的节点之一相连。请参阅图3 所示，多出的节点为第二电机节点，按照前文的叙述，第二电机节点只能与内燃机节点或输 出轴节点连接，第二电机节点与输出端节点连接。
[0112] 第二电机与耦合装置输出轴连接：
[0114] 第二电机与内燃机输出轴连接：
[0116]最终得到的模型矩阵方程中，内力Fm实际上是一个中间量，它不出现在模型的输 入量与输出量中，出于对运算效率的考虑，我们并不希望对它进行求解，因此需要对模型矩 阵方程的形式进行进一步变换，以期望消去Fm。消去Fm的矩阵方程的最终形式为
[0118] 其中： I表示单位矩阵。 ，
[0119]K: 功率親合装置和汇流机构间的传动比，K2 维齿轮机构的传动比；K3 主减速器的传动比；
[0120] ?e--发动机的角速度，其中，wMei--第一电机的角速度，--第二电机的 角速度，--经锥齿轮机构输入到左侧汇流行星排的角速度，--左输出端处 输出的角速度；一一右输出端处输出的角速度，-一功率耦合装置输出端的角加 速度，-一功率耦合装置自由节点处的角加速度。
[0121]Te 发动机广生的转矩，TMei 第一电机广生的转矩，TMe2 第二电机广生的 转矩，TMe3--转向电机产生的转矩，--履带车辆行驶时左侧履带受到的阻力等效到输 出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；I；--履带车辆行驶时右侧履带受 到的阻力等效到输出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；
[0122] S一一功率耦合装置中行星排的太阳轮与行星轮啮合时的节圆半径，R一一功率耦 合装置中行星排的齿圈与行星轮啮合时的节圆半径，&一一左汇流行星排的太阳轮与行星 轮啮合时的节圆半径，&一一左汇流行星排的齿圈与行星轮啮合时的节圆半径，&一一右汇 流行星排的太阳轮与行星轮啮合时的节圆半径，艮一一右汇流行星排的齿圈与行星轮啮合 时的节圆半径。
[0123] 带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法得到的系统模型可用于 研宄人员的进一步研宄工作，这里以系统构型的优选为例，简述利用所得模型进行构型优 选的方法。本发明设置的优选条件为系统的动力性能，也就是说要选出系统动力性能较好 的构型。
[0124]系统的动力性能参数包括动加速时间、最高车速、最大爬坡度等。通常情况下是通 过比较不同构型的系统在相同的仿真条件下得到的这些参数，取性能较好的构型为较优构 型。利用前向模型可以得到这些参数，但前向模型计算时间长，且通用性差，其控制策略需 根据系统构型的不同而专门设计，因此并不适用于本文大量构型的仿真工作。而后向仿真 模型的计算速度快，通用性好，可以用于大量构型的仿真，因此系统性能仿真将采用后向仿 真模型来实现。
[0125] 在相同的仿真条件下（保证各系统的动力性能相同），利用后向仿真模型求得动 力部件需要提供的转速、转矩、功率等参数，参数值较小的系统所对应的构型即为动力性能 较优的构型。在动力部件的转速、转矩和功率三个参数中，功率作为系统对动力部件性能需 求的表征，适合作为系统动力性能的评价参数。
[0126]另外，由于混合驱动系统中发动机的功率主要依靠能量管理策略来确定，而与系 统构型没有直接关系，因此不适宜采用发动机功率来对系统动力性能进行评价，又因为转 向电机的功率在后向仿真计算时只与汇流装置有关，并不能完全体现系统的性能，而第一 电机、第二电机的功率与耦合装置和汇流装置都有关，因此，选择第一电机和第二电机所需 提供的功率作为系统动力性能的评价参数。
[0127] 由于电机制造技术以及轴承转速的限制，同时出于对成本的考虑，不希望混合驱 动系统中电机的转速或转矩过大，因此首先应排除那些使得电机转速或转矩过大的构型。
[0128] 请参阅图4所示，即各构型的电机转速转矩首先要满足如下条件：
[0132] 其中：《K1、《Me2、《^3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转速； TM(；i、TM(；2、TM(；3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转矩；Wmaxl、Wmax2、Wmax3分别 为第一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转速，由设计者确定；Tmaxl、Tmax2、Tmax3分别 为第一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转矩，由设计者确定。
[0133] 然后在满足上述条件的构型中，分别计算第一电机和第二电机的功率绝对值的平 均值（考虑到发电时电机功率为负值），最后比较平均功率的大小，取该值较小的构型为较 优构型。
[0134] 行星排的特性参数k= 2。
[0135] 以下是一个具体实施例，请参阅图5所示，某种履带车辆混合驱动系统的杠杆简 图，包括内燃机4、第一电机5、第二电机6、转向电机7、左侧主动轮8以及右侧主动轮，其耦 合装置含有三个行星排。
[0136] 1、快速建模示例
[0137] (1)写出耦合装置的D矩阵
[0138]a.由于功率耦合装置行星排数为3,所以D矩阵为一个5X3矩阵。
[0139] b.与内燃机4节点连接的是行星排一的行星架和行星排二的齿圈，所以D矩阵第 一行的元素为[Ri+Si-R2 0];与功率耦合装置输出端相连的是行星排二的行星架，所以D 矩阵第二行的元素为[0R2+S2 0];与第一电机5节点连接的是行星排一的太阳轮和行星排 三的齿圈，所以D矩阵的第三行元素为[-Si0 -R3];与第二电机6节点连接的是行星排二的 太阳轮和行星排三的太阳轮，所以D矩阵的第四行元素为[0 -S2 -S3];没有与任何节点连 接的行星排节点就是自由节点，从图中可知自由节点是行星排一的齿圈和行星排三的行星 架，所以D矩阵第五行的元素为[-& 0R3+S3]。由此可以得到该功率耦合装置的D矩阵：
[0141] ⑵写出汇流装置的Ds矩阵
[0142] 因为与直驶功率输入节点、左侧汇流行星排的转向功率输入节点和左右侧汇流行 星排的输出端节点相连的汇流行星排节点分别为齿圈、太阳轮和行星架节点，所以易得Ds 为：
[0144] (3)写出统一的Dm矩阵
[0145] 混合驱动系统中共有5个行星排，所以Dm是一个8X5矩阵。
[0147]其中：
[0151] 所以
[0153] (4)写出Jm矩阵
[0154] 由于Dm矩阵的行数为8,所以Jm为一个8X8的对角方阵。从图5或Dm矩阵的形 式可知每一个节点所连接部分，把它们的转动惯量等效到该节点处，Jm矩阵每一行的非零 元素就是这些转动惯量的和。例如内燃机4节点所连接的部分是内燃机、行星排一的行星 架和行星排二的齿圈，所以Jm矩阵第一行的非零元素为Ie+Ia+IK2。最后得到的Jm矩阵为：
[0156] 其中，--发动机的转动惯量，IMei--第一电机的转动惯量，IMKE--第二电机 的转动惯量，IS1-一功率耦合装置行星排一的太阳轮的转动惯量，IK1 一一功率耦合装置行 星排一的齿圈的转动惯量，IS2-一功率耦合装置行星排二的太阳轮的转动惯量，IK2-一功 率耦合装置行星排二的齿圈的转动惯量，Ia-一耦合装置行星排一的行星轮和行星架的 等效转动惯量；1。2-一耦合装置行星排二的行星轮和行星架的等效转动惯量；-一左汇 流行星排的太阳轮的转动惯量，IK1 一一左汇流行星排的齿圈的转动惯量，4一一右汇流行 星排的太阳轮的转动惯量，-一右汇流行星排的齿圈的转动惯量，Ia-一左汇流行星排 的行星轮和行星架的等效转动惯量，1&一一右汇流行星排的行星轮和行星架的等效转动惯 量，IK3-一转向电机的转动惯量，Ivl-一整车质量等效到左侧输出轴的转动惯量，-一 整车质量等效到右侧输出轴的转动惯量；
[0157] (5)写出最终的模型矩阵
[0159]其中：
[0161] 2、自动化建模示例
[0162] 为了证明本申请提出的自动化建模方法的可实现性，编写了履带车辆混合驱动的 自动化建模程序，该程序可以对含有3~5个行星排机构（即耦合装置含有1~3个行星 排结构）的系统进行自动化建模。程序用Matlab的.m文件进行编写，其核心是两个子程 序D_generation.m和D_screening.m，D_generation.m可以生成所有可能形式的D矩阵和 Ds矩阵，D_screening.m可以对生成的D矩阵和D3矩阵进行筛选。
[0163] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本 领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发 明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，适用于带有横轴的混 联式履带车辆混合驱动系统，该系统包括一个内燃机、两个电机、一个转向电机、一个功率 耦合装置和一个汇流装置，其特征在于其步骤包括确定D矩阵和Ds矩阵、构型筛选以及生 成统一模型矩阵，其中： 所述D矩阵的列对应功率耦合装置中的行星排，行数等于其列数加2,各行分别对应不 同的节点，第1至第3行对应的节点依次为内燃机节点、输出端节点、第一电机节点，若存在 第4行，则第4行对应的节点为第二电机节点，各行非零元素分别为与该行对应节点相连的 行星排节点的类型，-Si对应太阳轮节点，-R，寸应齿圈节点，S i+氏对应行星架节点，其中i 表示第i个行星排； 所述Ds矩阵是一个4X2的矩阵，D 3矩阵的第1列代表左侧汇流行星排，第2列代表右 侧汇流行星排，Ds矩阵的1到4行分别对应汇流机构的直驶功率输入节点、左侧汇流行星 排的转向功率输入节点、左侧汇流行星排的输出端节点、右侧汇流行星排的输出端节点，各 行非零元素分别为与该行对应节点相连的汇流行星排节点的类型，其中-S对应太阳轮节 点、-R对应齿圈节点，R+S对应行星架节点，且矩阵中Ds (2, 2)的元素为其正常形式的相反 数。2. 根据权利要求1所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于所述构型筛选包括： (1) 对于双行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括： 所述D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许有重 复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素； D矩阵中任意一行的元素不能全为零； 对于所述D矩阵中只含有两个非零元素的列，该列的前两个元素中必须有且只有一个 元素非零； 矩阵Dev和D Me必须是满秩矩阵，所述D EV和D Me是D矩阵的子矩阵，对于两列均含有3个非零元素的D矩阵，前两行的所有元素不能全部非零； 对于某一列只有2个非零元素的D矩阵，该列的前两个元素不能全为O ; (2) 对于三行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括： (3x3x3)形式的D矩阵的第一列、第二列和第三列中都含有3个非零元素，（3x3x2)形 式的D矩阵第一列和第二列含有3个非零元素，第三列含有2个非零元素； D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许有重复的 元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素，D矩阵中任意一行的元素不能全为零； 对于（3x3x2)或（3x2x2)的矩阵形式，若对矩阵的列进行两两组合，将得到三个5X2 矩阵，这三个矩阵中的至少两个矩阵满足所有行中至少有一行的元素全部非零； 排除矩阵前两行为之一的构型，其中X为 非零元素；对于（3x3x2)构型，第三列前两个元素不能全部非零； 对于（3x2x2)构型，第二列或第三列的前两个元素不能全部非零； 对于（3x2x2)构型，要排除第二列和第三列为之一的构型，其中X为非 零元素； 把D矩阵化简为4X2矩阵，按照双行星排的情况把化简后的D矩阵分成子矩阵Dev和 DMe，所述子矩阵Dev和D Me必须是满秩矩阵； D矩阵最后一行非零元素的个数应大于等于2 ; 对于（3x3x3)形式的D矩阵，排除第一、二、五行中任意两行元素全部非零的情况； 对于（3x3x2)形式的矩阵，排除第三列为[0 ;0 ;x ;x ;0]的情况； 对于（3x2x2)形式的矩阵，排除第二列或第三列为[0;0;x;x;0]的情况，其中X为非 零元素； (3)Ds矩阵的筛选，其构型和筛选条件为：其中：x =-S、-R或S+R， y = -S、-R 或 S+R，z = -S、-R 或 S+R，且 X、y、z 各不相同。3.根据权利要求1所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于所述生成统一模型矩阵的步骤为：根据驱动系统构型合成所述驱动系统的模型矩 阵方程，式中：Dni是合成后的D矩阵，J111是合成后的J矩阵，Q是合成后的加速度列向量，I m TYl 是合成后的外转矩列向量； Dm矩阵是一个（n+3) Xn的矩阵，η为混合驱动系统中行星排的总个数，η彡3, Dm矩阵 表示为，其中，D1是原功率耦合装置的D矩阵，D 2是一个ηX 2矩阵，矩阵 的第二行元素为Ds (1，=VK1，其余元素为0, Ds (1，：）表示原汇流装置的比矩阵的第一行元 素，K1为耦合装置和汇流装置间的传动比，D 3等于原汇流机构D s矩阵的后三行元素，即D 3 = Ds(2:4,:)； J矩阵的每一行分别对应内燃机、第一电机、第二电机和输出端这四个节点，而每一行 中不为零的元素则表示与该行对应的节点相连的部分等效到该节点处的转动惯量； Jm矩阵是一个对角方阵，其大小等于D m矩阵行数，J m矩阵各行对角线上的元素等于该 行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分通过Dm矩阵 来确定。4. 根据权利要求3所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于：式中各参数含义为： K1 功率親合装置和汇流机构间的传动比，K2 维齿轮机构的传动比；K 3 主减 速器的传动比； ω e--发动机的角速度，其中，ωΜ(；1--第一电机的角速度，ωΜ(；2--第二电机的角 速度，WsteieaJ--经锥齿轮机构输入到左侧汇流行星排的角速度，Otjutl--左输出端处输 出的角速度；-一右输出端处输出的角速度，-一功率耦合装置输出端的角加速 度，^*/ree_--功率親合装置自由节点处的角加速度； Te 发动机广生的转矩，Tki 第一电机广生的转矩，T Me2 第二电机广生的转 矩，Tme3--转向电机产生的转矩，T1--履带车辆行驶时左侧履带受到的阻力等效到输出 轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；?；--履带车辆行驶时右侧履带受到 的阻力等效到输出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和。5. 根据权利要求4所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于当功率耦合装置的行星排个数为1时，行星排只与内燃机节点、第一电机节点以 及输出端节点连接，多出的节点为第二电机节点，第二电机节点与内燃机节点或输出轴节 点连接； (1)当第二电机节点与输出轴连接时：(2)当第二电机节点与内燃机输出轴连接时：6. 根据权利要求4所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于在生成统一模型矩阵的步骤还包括构型优选，具体为： 首先排除使电机转速或转矩过大的构型，即各构型的电机转速转矩首先要满足如下条 件：其中：ωΜ(：1、ωΜ(：2、《^分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转速；T K1、 ΤΜΚ?、ΤΜω分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转矩；ω _d、ωΜ!?、ωη??分别为第 一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转速；Tmaxl、Tmax2、Tmax3*别为第一电机、第二电 机、转向电机所能提供的最大转矩； 然后在满足上述条件的构型中，分别计算第一电机和第二电机的功率绝对值的平均 值； 最后比较平均功率的大小，取该值较小的构型为较优构型。7. 根据权利要求1所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于所述行星排的特性参数k = 2。8. 根据权利要求1-7任一项所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建 模方法，其特征在于所述D矩阵的行数若大于4,则第5行以上对应自由节点。
【专利摘要】本发明是有关于带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，包括：确定D矩阵和Ds矩阵、构型筛选、生成统一模型矩阵以及构型优选，最终的模型矩阵方程为其中：所述Dm是合成后的D矩阵，Jm矩阵各行对角线上的元素等于该行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分通过Dm矩阵来确定，是合成后的加速度列向量，Tm是合成后的外转矩列向量。本发明可以对混联式履带车辆混合驱动系统进行自动化建模及优选，建模过程简单、建模效率高、易用性强。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899402
【申请号】CN201510362904
【发明人】邹渊, 田野
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月26日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及履带车辆混合驱动系统建模领域，特别是涉及带横轴的混联式履带车 辆混合驱动系统自动化建模方法。
【背景技术】
[0002] 履带车辆混合驱动系统实质是一种机电复合传动系统，系统中一般包含两个能量 源（汽油/柴油和电池组）、多个动力部件（一台或多台内燃机以及多个电动/发电机）、 一套完整的传动系统。按照混合驱动系统的能量传递方式分，系统可分为三种形式：串联 式、并联式和混联式。串联式和并联式的系统结构简单，建模相对容易，而混联式系统中一 般含有一个功率耦合装置和一个汇流机构，功率耦合装置可以把来自内燃机和电动/发电 机的功率进行耦合后输出，而汇流机构则可以把来自于直驶路和转向路的功率进行汇流后 输出，对履带车辆混合驱动系统的建模关键就是对这两个部件的建模。
[0003] 目前履带车辆混合驱动系统的功率耦合装置与汇流机构主要采用行星齿轮机构， 行星齿轮机构有三个自由端，分别是太阳轮、齿圈和行星架，与系统中发动机、电动/发电 机和输出轴有多种连接方式。若功率耦合装置中含有多个行星排，则各行星排的三个自由 端之间又会存在多种连接方式，这样就造成了混合驱动系统结构的复杂性和多样性。
[0004] 在履带车辆混合驱动系统设计初期，为了能够在众多的构型中得到可用并且性能 优异的系统结构，设计人员往往需要对所有可能的系统结构进行考虑，以找出所有可用的 系统，然后对这些系统进行建模，分析比较各系统的性能，以得到其中性能较为优异的系统 构型。但是由于系统结构的多样性与复杂性，设计时难以考虑到系统结构的所有形式，更难 以对大量的系统进行建模。针对这一问题，有人提出了一些自动化建模方法，它可以利用 计算机编程来实现对驱动系统构型方案的穷举以及每个合理方案数学模型的自动生成，例 如：键合图法、图论法、超图法等。
[0005] 键合图法、图论法以及超图法都是基于对已有理论进行改造而得到的，不具有针 对性。而且这三种方法的建模过程都存在构型一图一数学模型的两次转换，建模过程比较 复杂，建模效率较低，并且在把构型方案转化为模型的过程中容易出错。
[0006] LiuJinming和PengHuei提出了一种基于矩阵方程的自动化建模方法并应用 在轮式汽车上（公开于AutomatedModellingofPower-SplitHybridVehicles[C]. TheInternationalFederationofAutomaticControl，2008.Proceedingsofthe17th WorldCongress，Vol. 17 :4648-4653.)。该方法仅通过对系统特征矩阵D的操作就可以同 时实现对系统构型方案和数学模型的生成。相比于前三种方法，这种基于矩阵方程的自动 化建模方法简化了建模步骤，提高了建模效率，在构型方案的生成、筛选条件的提出、数学 模型的建立和计算机程序的实现上都更具优势，但该方法尚未应用在履带车辆上。以下是 该方法提到的某混合动力汽车驱动系统矩阵方程的系数矩阵：
[0007]
[0008] 但是上述方法仅应用于轮式车辆，其是一个多输入单输出系统，只含有功率耦合 装置，而履带车辆除了功率耦合装置外，还含有一个汇流装置，是一个多输入双输出系统， 因此若将上述方法应用于履带车辆，则对汇流装置的建模是难点之一。而如何给出耦合装 置与汇流装置的统一模型矩阵的生成方法，则是本领域技术人员面对的更大的技术难题。 [0009] 此外，上述方法主要是对双行星排耦合装置的自动化建模进行研宄，而对单行星 排耦合装置、三行星排耦合装置以及汇流装置如何进行自动化建模，以及如何完善双行星 排耦合装置、三行星排耦合装置的和汇流装置的筛选条件，仍需本领域技术人员进一步研 宄。本发明基于矩阵方程的建模思想，提出一种简单、高效、易用的新的混联式履带车辆混 合驱动系统的自动化建模方法。
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题是提供带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化 建模方法，通过对系统特征矩阵的操作就可以同时实现对系统构型方案的生成和对系统数 学模型的生成和优选，整个自动化建模过程简单易懂高效且易于用程序实现，从而克服现 有技术的不足。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明一种带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化 建模方法，适用于带有横轴的混联式履带车辆混合驱动系统，该系统包括一个内燃机、两个 电机、一个转向电机、一个功率耦合装置和一个汇流装置，其步骤包括确定D矩阵和％矩 阵、构型筛选以及生成统一模型矩阵，其中：
[0012] 所述D矩阵的列对应功率耦合装置中的行星排，行数等于其列数加2,各行分别对 应不同的节点，第1至第3行对应的节点依次为内燃机节点、输出端节点、第一电机节点，若 存在第4行，则第4行对应的节点为第二电机节点，各行非零元素分别为与该行对应节点相 连的行星排节点的类型，-Si对应太阳轮节点，-R，寸应齿圈节点，S片氏对应行星架节点，其 中i表示第i个行星排；
[0013] 所述Ds矩阵是一个4X2的矩阵，阵的第1列代表左侧汇流行星排，第2列代 表右侧汇流行星排，Ds矩阵的1到4行分别对应汇流机构的直驶功率输入节点、左侧汇流行 星排的转向功率输入节点、左侧汇流行星排的输出端节点、右侧汇流行星排的输出端节点， 各行非零元素分别为与该行对应节点相连的汇流行星排节点的类型，其中-S对应太阳轮 节点、-R对应齿圈节点，R+S对应行星架节点，且矩阵中Ds (2, 2)的元素为其正常形式的相 反数。
[0014] 作为进一步改进，所述构型筛选包括：
[0015] (1)对于双行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括：
[0016] 所述D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许 有重复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素；
[0017]D矩阵中任意一行的元素不能全为零；
[0018] 对于所述D矩阵中只含有两个非零元素的列，该列的前两个元素中必须有且只有 一个元素非零；
[0019] 矩阵DEV和DK必须是满秩矩阵，所述DEV和DK是D矩阵的子矩阵，
[0021] 对于两列均含有3个非零元素的D矩阵，前两行的所有元素不能全部非零；
[0022] 对于某一列只有2个非零元素的D矩阵，该列的前两个元素不能全为0 ;
[0023] (2)对于三行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括：
[0024] (3x3x3)形式的D矩阵的第一列、第二列和第三列中都含有3个非零元素，（3x3x2) 形式的D矩阵第一列和第二列含有3个非零元素，第三列含有2个非零元素；
[0025]D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许有重 复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素，D矩阵中任意一行的元素不能全为零；
[0026] 对于（3x3x2)或（3x2x2)的矩阵形式，若对矩阵的列进行两两组合，将得到三个 5X2矩阵，这三个矩阵中的至少两个矩阵满足所有行中至少有一行的元素全部非零；
[0027] 排除矩阵前两行为
之一的构型，其中x 为非零元素；
[0028] 对于（3x3x2)构型，第三列前两个元素不能全部非零；
[0029] 对于（3x2x2)构型，第二列或第三列的前两个元素不能全部非零；
[0030] 对于（3x2x2)构型，要排除第二列和第三列为
之一的构型，其中x为非 零元素；
[0031] 把D矩阵化简为4X2矩阵，按照双行星排的情况把化简后的D矩阵分成子矩阵Dev 和DMe，所述子矩阵Dev和DMe必须是满秩矩阵；
[0032]D矩阵最后一行非零元素的个数应大于等于2;
[0033] 对于（3x3x3)形式的D矩阵，排除第一、二、五行中任意两行元素全部非零的情 况；
[0034] 对于（3x3x2)形式的矩阵，排除第三列为[0 ;0;x;x;0]的情况；
[0035] 对于（3x2x2)形式的矩阵，排除第二列或第三列为[0 ;0;x;x;0]的情况，其中x 为非零元素；
[0036] (3)Ds矩阵的筛选，其构型和筛选条件为：
，其中：x= -S、_R或 S+R，y= -S、-R或S+R，z= -S、-R或S+R，且x、y、z各不相同。
[0037] 所述生成统一模型矩阵的步骤为：根据驱动系统构型合成所述驱动系统的模型矩 阵方程，
[0039]其中：
[0041]式中：Dm是合成后的D矩阵，九是合成后的J矩阵，Qm是合成后的加速度列向量， Tm是合成后的外转矩列向量；
[0042]Dm矩阵是一个（n+3)Xn的矩阵，n为混合驱动系统中行星排的总个数，n彡3,Dm 矩阵表示为
，其中，Di是原功率耦合装置的D矩阵，D2是一个nX2矩阵， 矩阵的第二行元素为Ds(l，：）/&，其余元素为0,Ds(l，：）表示原汇流装置的Ds矩阵的第一 行元素，I为耦合装置和汇流装置间的传动比，D3等于原汇流机构Ds矩阵的后三行元素，即 D3=Ds(2:4,:)；
[0043] J矩阵的每一行分别对应内燃机、第一电机、第二电机和输出端这四个节点，而每 一行中不为零的元素则表示与该行对应的节点相连的部分等效到该节点处的转动惯量；
[0044]Jm矩阵是一个对角方阵，其大小等于Dm矩阵行数，Jm矩阵各行对角线上的元素等 于该行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分通过Dm 矩阵来确定。
[0045] 当所述n= 4时：
[0046] 当所述n= 5时，
[0047] 式中各参数含义为：
[0048] K:功率親合装置和汇流机构间的传动比，K2维齿轮机构的传动比；K3 主减速器的传动比；
[0 049] ?e--发动机的角速度，其中，wMei--第一电机的角速度，--第二电机的 角速度，wsteOT_i--经锥齿轮机构输入到左侧汇流行星排的角速度，'uu--左输出端处 输出的角速度；一一右输出端处输出的角速度，-一功率耦合装置输出端的角加 速度--功率耦合装置自由节点处的角加速度；
[0050]Te 发动机广生的转矩，TMei 第一电机广生的转矩，TMe2 第二电机广生的 转矩，TMe3--转向电机产生的转矩，--履带车辆行驶时左侧履带受到的阻力等效到输 出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；I；--履带车辆行驶时右侧履带受 到的阻力等效到输出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和。
[0051]当功率耦合装置的行星排个数为1时，行星排只与内燃机节点、第一电机节点以 及输出端节点连接，多出的节点为第二电机节点，第二电机节点与内燃机节点或输出轴节 点连接；
[0052] (1)当第二电机节点与输出轴连接时：
[0054] (2)当第二电机节点与内燃机输出轴连接时：
[0056] 在生成统一模型矩阵的步骤还包括构型优选，具体为：
[0057] 首先排除使电机转速或转矩过大的构型，即各构型的电机转速转矩首先要满足如 下条件：
[0061]其中：wK1、《M(；2、《M(；3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转速；TM(；i、TM(；2、TM(；3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转矩；Wmaxl、Wmax2、Wmax3分别 为第一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转速；Tmaxl、Tmax2、Tmax3*别为第一电机、第 二电机、转向电机所能提供的最大转矩；
[0062] 然后在满足上述条件的构型中，分别计算第一电机和第二电机的功率绝对值的平 均值；
[0063] 最后比较平均功率的大小，取该值较小的构型为较优构型。
[0064] 所述行星排的特性参数k= 2。
[0065]所述D矩阵的行数若大于4,则第5行以上对应自由节点。
[0066] 采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
[0067] 第一，快速建模。对于一种给定结构的混合驱动系统，利用D(DS)矩阵和J(JS)矩 阵的生成规则以及统一模型矩阵的生成方法可以快速得到该驱动系统的数学模型。设计人 员一方面可以利用构型的筛选条件来判断该系统结构的合理性；另一方面，得到的系统数 学模型可以直接用于系统的其他研宄工作，如驱动系统的性能仿真计算、参数匹配、优化控 制等。
[0068] 第二，自动化建模。在确定驱动系统行星排个数的前提下，利用D(DS)矩阵和J(JS) 矩阵的生成规则，研宄人员可以对矩阵的形式进行穷举，然后利用构型筛选条件对穷举得 到的D矩阵进行筛选，最后得到所有合理的模型矩阵形式。由于矩阵的形式与系统结构之 间对应关系是唯一的，所以得到了所有合理的矩阵形式也就代表得到了所有合理的混合驱 动系统构型方案。如果进一步将所有合理的D矩阵和Ds矩阵统一为Dm矩阵，就可以得到所 有合理系统构型的数学模型。而若将上述模型矩阵的生成、筛选以及合成的过程编写为计 算机程序，就可以实现对履带车辆混合驱动系统的自动化建模。最终得到的所有合理的系 统结构方案及其数学模型可以作为系统设计初期的研宄对象，研宄人员既可以针对其中某 一种方案的性能进行研宄，也可以同时对所有的构型方案进行评估，以期望得到其中较优 的构型。
[0069] 第三，由于生成的D矩阵中既包含了系统的结构信息，又包含了系统的模型信息， 所以本申请提供的这种自动化建模方法能在得到系统结构方案的同时得到系统的数学模 型，相比于其他方法，本方法简化了建模过程、提高了建模效率。
[0070] 第四，本发明编写了履带车辆混合驱动系统自动化建模的程序，实现了对含有3、 4、5个行星排机构的履带车辆混合驱动系统的自动化建模，突破了现有技术只能实现含有 2个行星排机构的耦合装置的建模的技术难题。
[0071] 本发明通过一般运动学和动力学方法对几种构型确定的系统进行建模，然后把得 到的方程组整理成矩阵方程的形式，通过对矩阵的形式进行归纳和总结，提出了矩阵方程 的生成规则，利用生成规则穷尽所有可能的情况，并通过筛选条件筛选出合理的模型，最后 对所有合理模型进行优选，建模过程简单、建模效率高、易用性强。
【附图说明】
[0072]上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下 结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0073]图1是本发明带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法所基于驱 动系统的简化结构图。
[0074]图2是单行星排机构等效为杠杆的方法示意图。
[0075]图3是某单行星排功率耦合装置。
[0076]图4是构型优选方法流程图。
[0077]图5是某种履带车辆混合驱动系统的杠杆简图。
【具体实施方式】
[0078] 请参阅图1所示，本发明提供的自动化建模方法适用于带有横轴的混联式履带车 辆混合驱动系统，系统含有一个内燃机，两个电动/发电机，一个转向电机，一个功率耦合 装置和一个汇流装置。
[0079]本发明提供的自动化建模方法是基于动力传递过程无能量损失以及如果系统中 存在离合器，忽略离合器结合时的动力学过程这两个条件的。
[0080] 带有横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，包括：确定D矩阵和Ds矩阵、构型筛选以及生成统一模型矩阵，其中，
[0081] 确定D矩阵包括：D矩阵的列数等于功率耦合装置中行星排的个数，第一列代表行 星排一，第二列代表行星排二，以此类推；D矩阵的行数等于其列数加2,D矩阵第1至第4 行分别对应不同的节点，若行数大于4,则之后的行对应自由节点；D矩阵中的元素包括非 零元素和零元素，各行非零元素分别为与该行对应节点相连的行星排节点的类型，所述行 星排节点的类型包括太阳轮节点-Sp齿圈节点_氏以及行星架节点S，氏，i表示第i个行 星排；所述D矩阵第1至第4行分别对应的节点依次为内燃机节点、输出端节点、第一电机 节点以及第二电机节点，所述自由节点是与所述节点均不相连的行星排节点；
[0082]确定阵包括：Ds矩阵是一个4X2的矩阵，D龙阵的第1列代表左侧汇流行 星排，第2列代表右侧汇流行星排，Ds矩阵的1到4行分别对应汇流机构的直驶功率输入 节点、左侧汇流行星排的转向功率输入节点、左侧汇流行星排的输出端节点、右侧汇流行星 排的输出端节点；Ds矩阵中的元素包括非零元素和零元素，Ds矩阵的各行非零元素分别为 与该行对应节点相连的汇流行星排节点的类型，所述汇流行星排节点的类型包括太阳轮节 点-S、齿圈节点-R，行星架节点R+S;所述Ds矩阵中Ds (2, 2)的元素为其正常形式的相反数。 [0083]J矩阵是功率耦合装置的惯量矩阵，它的对角元素代表了与每一个节点相连的部 分等效到该节点的等效转动惯量的和值，满足矩阵是一个对角方阵，其大小等于D矩阵 的行数；J矩阵各行对角线上的元素等于各行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该 节点处的和，与节点相连的部分可以通过D矩阵来确定。
[0084] 1是汇流装置的惯量矩阵，它的对角元素代表了与每一个节点相连部分的等效转 动惯量的和值，满足：JS是一个4X4的对角方阵，其对角线上的元素等于各行对应的节点 所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分可以通过〇3矩阵来确定。
[0085] 按照前面的D(DS)矩阵和J(JS)矩阵的生成规则，我们可以穷举出给定系统行星排 个数下的所有可能的矩阵形式，也就是说可以得到所有可能的混合驱动系统结构。但穷举 得到的系统构型并不都是合理的，因此需要对这些构型进行筛选。
[0086] 模型中的D(DS)矩阵包含了系统构型方案的所有信息，每一种构型确定的系统， 都对应着一个形式确定的D(DS)矩阵，且这种对应关系是唯一的，这使得我们可以直接从 D〇s)矩阵的形式入手来对系统构型进行筛选，而无需绘制出系统的结构图或建立系统的 模型。
[0087] 由于单行星排构型形式较少，而三行星排以上的构型形式又太多而且过于复杂， 因此下面将主要以双行星排和三行星排功率耦合装置为例，从物理可行性、模式切换可行 性等方面提出混合驱动系统构型筛选的条件。
[0088] 请参阅图2所示，为了绘图和说明，把行星排机构等效为杠杆图的形式：就是将一 个行星排看作一根杠杆和杠杆上的三个点，三个点分别对应太阳轮（S)的自由端、齿圈（R) 的自由端和行星架（C)的自由端。
[0089] 构型筛选包括筛选D矩阵的构型和Ds矩阵的构型，其中，筛选D矩阵的构型方法 包括物理可行性以及模式切换可行性筛选，
[0090] 对于双行星排功率耦合装置：
[0091] 对D矩阵进行物理可行性筛选包括：所述D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S 三个元素中的两个，每一列中不允许有重复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素； D矩阵中任意一行的元素不能全为零；对于所述D矩阵中只含有两个非零元素的列，该列的 前两个元素中必须有且只有一个元素非零；矩阵DEV和DK必须是满秩矩阵，所述DEV和DK 是D矩阵的子矩阵，
[0092] 对D矩阵进行模式切换可行性筛选包括：对于两列均含有3个非零元素的D矩阵， 前两行的所有元素不能全部非零；对于某一列只有2个非零元素的D矩阵，该列的前两个元 素不能全为〇 ;
[0093] 对于三行星排功率耦合装置：
[0094] 设定（3x3x3)形式的D矩阵为第一列、第二列和第三列中都含有3个非零元素的 D矩阵，（3x3x2)形式的D矩阵为第一列和第二列含有3个非零元素，第三列含有2个非零 元素的D矩阵；
[0095] 对D矩阵进行物理可行性筛选包括：D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S 三个元素中的两个，每一列中不允许有重复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零 元素 ，D矩阵中任意一行的元素不能全为零；对于（3x3x2)或（3x2x2)的矩阵形式，若 对矩阵的列进行两两组合，将得到三个5X2矩阵，这三个矩阵中的至少两个矩阵满 足所有行中至少有一行的元素全部非零；对于矩阵的前两行，必须排除下面的构型：
，其中X为非零元素；对于（3x3x2)构型，它的 第三列前两个元素不能全部非零，对于（3x2x2)构型，它的第二列或第三列的前两个元素 不能全部非零。对于（3x2x2)构型，对于矩阵的第二列和第三列，要排除下面的6种构型
，其中x为非零元素；把D 矩阵化简为4X2矩阵，则其子矩阵DEV和DK必须是满秩矩阵；D矩阵最后一行非零元素的 个数应大于等于2 ;
[0096]对D矩阵进行模式切换可行性筛选包括：对于（3x3x3)形式的D矩阵，排除第一、 二、五行中任意两行元素全部非零的情况；对于（3x3x2)形式的矩阵，排除第三列为[0 ;0 ; x;x;0]的情况；对于（3x2x2)形式的矩阵，排除第二列或第三列为[0 ;0;x;x;0]的情况， 其中x为非零元素；所述Ds矩阵具有固定的构型：
，其中：X = -S、-R或 S+R，y= -S、-R或S+R，z= -S、-R或S+R，且x、y、z各不相同。
[0097] 根据筛选的D矩阵和比矩阵生成统一模型矩阵：
[0098] 1、合成后的统一模型矩阵方程可以分块为如下结构：
[0100] 式中：Dm是合成后的D矩阵；九是合成后的J矩阵；Q是合成后的加速度列向量； m Fm是合成后的行星排内力列向量；Tm是合成后的外转矩列向量。
[0101] 2、Dm矩阵是一个（n+3)Xn的矩阵，n为混合驱动系统中行星排的个数，n彡3 ;
[0102] 3、Dm矩阵可以表示为下面的分块矩阵：
[0104] 其中屯一一是原耦合装置的D矩阵；D2-一为一个nX2矩阵，矩阵的第二行元素 为03(1，：）/&，其余元素为0。n为混合驱动系统中行星排的个数，Ds(l,:)表示原汇流装置 的Ds矩阵的第一行元素，Ki为耦合装置和汇流装置间的传动比；D3--等于原汇流装置Ds 矩阵的后三行元素，8卩D3=Ds (2:4,：）。
[0105] 4、Jm矩阵是一个对角方阵，其大小等于合成后的D矩阵行数。
[0106] 5、Jm矩阵各行对角线上的元素等于该行对应的节点所连接部分的转动惯量等效 到该节点处的和，与节点相连的部分可以通过Dm矩阵来确定。
[0107] 6、根据统一模型矩阵的最终形式，只要给出了 {^^或^中的一个，就可以求得另 一个，而在实际的建模仿真中，一般是通过控制器模型来得到Tm，然后求0^，以下分别给 出n= 3、4、5时的Q、Fm以及Tm。 771
[0108] 合成后的模型矩阵方程中的其他量为：
[0111] 当功率耦合装置的行星排个数为1时，该行星排可与外界连接的节点只有3个，而 根据本发明提出的总体构型方案，功率耦合装置至少需要与内燃机、输出端、第一电机和第 二电机这4个节点相连，因此必然多出一个节点需要与剩下的节点之一相连。请参阅图3 所示，多出的节点为第二电机节点，按照前文的叙述，第二电机节点只能与内燃机节点或输 出轴节点连接，第二电机节点与输出端节点连接。
[0112] 第二电机与耦合装置输出轴连接：
[0114] 第二电机与内燃机输出轴连接：
[0116]最终得到的模型矩阵方程中，内力Fm实际上是一个中间量，它不出现在模型的输 入量与输出量中，出于对运算效率的考虑，我们并不希望对它进行求解，因此需要对模型矩 阵方程的形式进行进一步变换，以期望消去Fm。消去Fm的矩阵方程的最终形式为
[0118] 其中： I表示单位矩阵。 ，
[0119]K: 功率親合装置和汇流机构间的传动比，K2 维齿轮机构的传动比；K3 主减速器的传动比；
[0120] ?e--发动机的角速度，其中，wMei--第一电机的角速度，--第二电机的 角速度，--经锥齿轮机构输入到左侧汇流行星排的角速度，--左输出端处 输出的角速度；一一右输出端处输出的角速度，-一功率耦合装置输出端的角加 速度，-一功率耦合装置自由节点处的角加速度。
[0121]Te 发动机广生的转矩，TMei 第一电机广生的转矩，TMe2 第二电机广生的 转矩，TMe3--转向电机产生的转矩，--履带车辆行驶时左侧履带受到的阻力等效到输 出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；I；--履带车辆行驶时右侧履带受 到的阻力等效到输出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；
[0122] S一一功率耦合装置中行星排的太阳轮与行星轮啮合时的节圆半径，R一一功率耦 合装置中行星排的齿圈与行星轮啮合时的节圆半径，&一一左汇流行星排的太阳轮与行星 轮啮合时的节圆半径，&一一左汇流行星排的齿圈与行星轮啮合时的节圆半径，&一一右汇 流行星排的太阳轮与行星轮啮合时的节圆半径，艮一一右汇流行星排的齿圈与行星轮啮合 时的节圆半径。
[0123] 带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法得到的系统模型可用于 研宄人员的进一步研宄工作，这里以系统构型的优选为例，简述利用所得模型进行构型优 选的方法。本发明设置的优选条件为系统的动力性能，也就是说要选出系统动力性能较好 的构型。
[0124]系统的动力性能参数包括动加速时间、最高车速、最大爬坡度等。通常情况下是通 过比较不同构型的系统在相同的仿真条件下得到的这些参数，取性能较好的构型为较优构 型。利用前向模型可以得到这些参数，但前向模型计算时间长，且通用性差，其控制策略需 根据系统构型的不同而专门设计，因此并不适用于本文大量构型的仿真工作。而后向仿真 模型的计算速度快，通用性好，可以用于大量构型的仿真，因此系统性能仿真将采用后向仿 真模型来实现。
[0125] 在相同的仿真条件下（保证各系统的动力性能相同），利用后向仿真模型求得动 力部件需要提供的转速、转矩、功率等参数，参数值较小的系统所对应的构型即为动力性能 较优的构型。在动力部件的转速、转矩和功率三个参数中，功率作为系统对动力部件性能需 求的表征，适合作为系统动力性能的评价参数。
[0126]另外，由于混合驱动系统中发动机的功率主要依靠能量管理策略来确定，而与系 统构型没有直接关系，因此不适宜采用发动机功率来对系统动力性能进行评价，又因为转 向电机的功率在后向仿真计算时只与汇流装置有关，并不能完全体现系统的性能，而第一 电机、第二电机的功率与耦合装置和汇流装置都有关，因此，选择第一电机和第二电机所需 提供的功率作为系统动力性能的评价参数。
[0127] 由于电机制造技术以及轴承转速的限制，同时出于对成本的考虑，不希望混合驱 动系统中电机的转速或转矩过大，因此首先应排除那些使得电机转速或转矩过大的构型。
[0128] 请参阅图4所示，即各构型的电机转速转矩首先要满足如下条件：
[0132] 其中：《K1、《Me2、《^3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转速； TM(；i、TM(；2、TM(；3分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转矩；Wmaxl、Wmax2、Wmax3分别 为第一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转速，由设计者确定；Tmaxl、Tmax2、Tmax3分别 为第一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转矩，由设计者确定。
[0133] 然后在满足上述条件的构型中，分别计算第一电机和第二电机的功率绝对值的平 均值（考虑到发电时电机功率为负值），最后比较平均功率的大小，取该值较小的构型为较 优构型。
[0134] 行星排的特性参数k= 2。
[0135] 以下是一个具体实施例，请参阅图5所示，某种履带车辆混合驱动系统的杠杆简 图，包括内燃机4、第一电机5、第二电机6、转向电机7、左侧主动轮8以及右侧主动轮，其耦 合装置含有三个行星排。
[0136] 1、快速建模示例
[0137] (1)写出耦合装置的D矩阵
[0138]a.由于功率耦合装置行星排数为3,所以D矩阵为一个5X3矩阵。
[0139] b.与内燃机4节点连接的是行星排一的行星架和行星排二的齿圈，所以D矩阵第 一行的元素为[Ri+Si-R2 0];与功率耦合装置输出端相连的是行星排二的行星架，所以D 矩阵第二行的元素为[0R2+S2 0];与第一电机5节点连接的是行星排一的太阳轮和行星排 三的齿圈，所以D矩阵的第三行元素为[-Si0 -R3];与第二电机6节点连接的是行星排二的 太阳轮和行星排三的太阳轮，所以D矩阵的第四行元素为[0 -S2 -S3];没有与任何节点连 接的行星排节点就是自由节点，从图中可知自由节点是行星排一的齿圈和行星排三的行星 架，所以D矩阵第五行的元素为[-& 0R3+S3]。由此可以得到该功率耦合装置的D矩阵：
[0141] ⑵写出汇流装置的Ds矩阵
[0142] 因为与直驶功率输入节点、左侧汇流行星排的转向功率输入节点和左右侧汇流行 星排的输出端节点相连的汇流行星排节点分别为齿圈、太阳轮和行星架节点，所以易得Ds 为：
[0144] (3)写出统一的Dm矩阵
[0145] 混合驱动系统中共有5个行星排，所以Dm是一个8X5矩阵。
[0147]其中：
[0151] 所以
[0153] (4)写出Jm矩阵
[0154] 由于Dm矩阵的行数为8,所以Jm为一个8X8的对角方阵。从图5或Dm矩阵的形 式可知每一个节点所连接部分，把它们的转动惯量等效到该节点处，Jm矩阵每一行的非零 元素就是这些转动惯量的和。例如内燃机4节点所连接的部分是内燃机、行星排一的行星 架和行星排二的齿圈，所以Jm矩阵第一行的非零元素为Ie+Ia+IK2。最后得到的Jm矩阵为：
[0156] 其中，--发动机的转动惯量，IMei--第一电机的转动惯量，IMKE--第二电机 的转动惯量，IS1-一功率耦合装置行星排一的太阳轮的转动惯量，IK1 一一功率耦合装置行 星排一的齿圈的转动惯量，IS2-一功率耦合装置行星排二的太阳轮的转动惯量，IK2-一功 率耦合装置行星排二的齿圈的转动惯量，Ia-一耦合装置行星排一的行星轮和行星架的 等效转动惯量；1。2-一耦合装置行星排二的行星轮和行星架的等效转动惯量；-一左汇 流行星排的太阳轮的转动惯量，IK1 一一左汇流行星排的齿圈的转动惯量，4一一右汇流行 星排的太阳轮的转动惯量，-一右汇流行星排的齿圈的转动惯量，Ia-一左汇流行星排 的行星轮和行星架的等效转动惯量，1&一一右汇流行星排的行星轮和行星架的等效转动惯 量，IK3-一转向电机的转动惯量，Ivl-一整车质量等效到左侧输出轴的转动惯量，-一 整车质量等效到右侧输出轴的转动惯量；
[0157] (5)写出最终的模型矩阵
[0159]其中：
[0161] 2、自动化建模示例
[0162] 为了证明本申请提出的自动化建模方法的可实现性，编写了履带车辆混合驱动的 自动化建模程序，该程序可以对含有3~5个行星排机构（即耦合装置含有1~3个行星 排结构）的系统进行自动化建模。程序用Matlab的.m文件进行编写，其核心是两个子程 序D_generation.m和D_screening.m，D_generation.m可以生成所有可能形式的D矩阵和 Ds矩阵，D_screening.m可以对生成的D矩阵和D3矩阵进行筛选。
[0163] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本 领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发 明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，适用于带有横轴的混 联式履带车辆混合驱动系统，该系统包括一个内燃机、两个电机、一个转向电机、一个功率 耦合装置和一个汇流装置，其特征在于其步骤包括确定D矩阵和Ds矩阵、构型筛选以及生 成统一模型矩阵，其中： 所述D矩阵的列对应功率耦合装置中的行星排，行数等于其列数加2,各行分别对应不 同的节点，第1至第3行对应的节点依次为内燃机节点、输出端节点、第一电机节点，若存在 第4行，则第4行对应的节点为第二电机节点，各行非零元素分别为与该行对应节点相连的 行星排节点的类型，-Si对应太阳轮节点，-R，寸应齿圈节点，S i+氏对应行星架节点，其中i 表示第i个行星排； 所述Ds矩阵是一个4X2的矩阵，D 3矩阵的第1列代表左侧汇流行星排，第2列代表右 侧汇流行星排，Ds矩阵的1到4行分别对应汇流机构的直驶功率输入节点、左侧汇流行星 排的转向功率输入节点、左侧汇流行星排的输出端节点、右侧汇流行星排的输出端节点，各 行非零元素分别为与该行对应节点相连的汇流行星排节点的类型，其中-S对应太阳轮节 点、-R对应齿圈节点，R+S对应行星架节点，且矩阵中Ds (2, 2)的元素为其正常形式的相反 数。2. 根据权利要求1所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于所述构型筛选包括： (1) 对于双行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括： 所述D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许有重 复的元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素； D矩阵中任意一行的元素不能全为零； 对于所述D矩阵中只含有两个非零元素的列，该列的前两个元素中必须有且只有一个 元素非零； 矩阵Dev和D Me必须是满秩矩阵，所述D EV和D Me是D矩阵的子矩阵，对于两列均含有3个非零元素的D矩阵，前两行的所有元素不能全部非零； 对于某一列只有2个非零元素的D矩阵，该列的前两个元素不能全为O ; (2) 对于三行星排功率耦合装置D矩阵的构型筛选，筛选条件包括： (3x3x3)形式的D矩阵的第一列、第二列和第三列中都含有3个非零元素，（3x3x2)形 式的D矩阵第一列和第二列含有3个非零元素，第三列含有2个非零元素； D矩阵的每一列中至少含有-S、-R、R+S三个元素中的两个，每一列中不允许有重复的 元素，矩阵中至少有一列包含3个非零元素，D矩阵中任意一行的元素不能全为零； 对于（3x3x2)或（3x2x2)的矩阵形式，若对矩阵的列进行两两组合，将得到三个5X2 矩阵，这三个矩阵中的至少两个矩阵满足所有行中至少有一行的元素全部非零； 排除矩阵前两行为之一的构型，其中X为 非零元素；对于（3x3x2)构型，第三列前两个元素不能全部非零； 对于（3x2x2)构型，第二列或第三列的前两个元素不能全部非零； 对于（3x2x2)构型，要排除第二列和第三列为之一的构型，其中X为非 零元素； 把D矩阵化简为4X2矩阵，按照双行星排的情况把化简后的D矩阵分成子矩阵Dev和 DMe，所述子矩阵Dev和D Me必须是满秩矩阵； D矩阵最后一行非零元素的个数应大于等于2 ; 对于（3x3x3)形式的D矩阵，排除第一、二、五行中任意两行元素全部非零的情况； 对于（3x3x2)形式的矩阵，排除第三列为[0 ;0 ;x ;x ;0]的情况； 对于（3x2x2)形式的矩阵，排除第二列或第三列为[0;0;x;x;0]的情况，其中X为非 零元素； (3)Ds矩阵的筛选，其构型和筛选条件为：其中：x =-S、-R或S+R， y = -S、-R 或 S+R，z = -S、-R 或 S+R，且 X、y、z 各不相同。3.根据权利要求1所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于所述生成统一模型矩阵的步骤为：根据驱动系统构型合成所述驱动系统的模型矩 阵方程，式中：Dni是合成后的D矩阵，J111是合成后的J矩阵，Q是合成后的加速度列向量，I m TYl 是合成后的外转矩列向量； Dm矩阵是一个（n+3) Xn的矩阵，η为混合驱动系统中行星排的总个数，η彡3, Dm矩阵 表示为，其中，D1是原功率耦合装置的D矩阵，D 2是一个ηX 2矩阵，矩阵 的第二行元素为Ds (1，=VK1，其余元素为0, Ds (1，：）表示原汇流装置的比矩阵的第一行元 素，K1为耦合装置和汇流装置间的传动比，D 3等于原汇流机构D s矩阵的后三行元素，即D 3 = Ds(2:4,:)； J矩阵的每一行分别对应内燃机、第一电机、第二电机和输出端这四个节点，而每一行 中不为零的元素则表示与该行对应的节点相连的部分等效到该节点处的转动惯量； Jm矩阵是一个对角方阵，其大小等于D m矩阵行数，J m矩阵各行对角线上的元素等于该 行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分通过Dm矩阵 来确定。4. 根据权利要求3所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于：式中各参数含义为： K1 功率親合装置和汇流机构间的传动比，K2 维齿轮机构的传动比；K 3 主减 速器的传动比； ω e--发动机的角速度，其中，ωΜ(；1--第一电机的角速度，ωΜ(；2--第二电机的角 速度，WsteieaJ--经锥齿轮机构输入到左侧汇流行星排的角速度，Otjutl--左输出端处输 出的角速度；-一右输出端处输出的角速度，-一功率耦合装置输出端的角加速 度，^*/ree_--功率親合装置自由节点处的角加速度； Te 发动机广生的转矩，Tki 第一电机广生的转矩，T Me2 第二电机广生的转 矩，Tme3--转向电机产生的转矩，T1--履带车辆行驶时左侧履带受到的阻力等效到输出 轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和；?；--履带车辆行驶时右侧履带受到 的阻力等效到输出轴上的阻力矩与两侧输出轴上受到的制动力矩的和。5. 根据权利要求4所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于当功率耦合装置的行星排个数为1时，行星排只与内燃机节点、第一电机节点以 及输出端节点连接，多出的节点为第二电机节点，第二电机节点与内燃机节点或输出轴节 点连接； (1)当第二电机节点与输出轴连接时：(2)当第二电机节点与内燃机输出轴连接时：6. 根据权利要求4所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于在生成统一模型矩阵的步骤还包括构型优选，具体为： 首先排除使电机转速或转矩过大的构型，即各构型的电机转速转矩首先要满足如下条 件：其中：ωΜ(：1、ωΜ(：2、《^分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转速；T K1、 ΤΜΚ?、ΤΜω分别为第一电机、第二电机、转向电机需要提供的转矩；ω _d、ωΜ!?、ωη??分别为第 一电机、第二电机、转向电机所能提供的最大转速；Tmaxl、Tmax2、Tmax3*别为第一电机、第二电 机、转向电机所能提供的最大转矩； 然后在满足上述条件的构型中，分别计算第一电机和第二电机的功率绝对值的平均 值； 最后比较平均功率的大小，取该值较小的构型为较优构型。7. 根据权利要求1所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，其 特征在于所述行星排的特性参数k = 2。8. 根据权利要求1-7任一项所述的带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建 模方法，其特征在于所述D矩阵的行数若大于4,则第5行以上对应自由节点。
【专利摘要】本发明是有关于带横轴的混联式履带车辆混合驱动系统自动化建模方法，包括：确定D矩阵和Ds矩阵、构型筛选、生成统一模型矩阵以及构型优选，最终的模型矩阵方程为其中：所述Dm是合成后的D矩阵，Jm矩阵各行对角线上的元素等于该行对应的节点所连接部分的转动惯量等效到该节点处的和，与节点相连的部分通过Dm矩阵来确定，是合成后的加速度列向量，Tm是合成后的外转矩列向量。本发明可以对混联式履带车辆混合驱动系统进行自动化建模及优选，建模过程简单、建模效率高、易用性强。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899402
【申请号】CN201510362904
【发明人】邹渊, 田野
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月26日
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