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混合动力汽车的最优控制策略设计

发布时间:2019-12-02 13:14

  摘 要

  随着全球环境问题和石油资源紧缺日益突出,当前普遍使用的燃油动力汽车由于动力使用效率地下以及存在废气排放的弊病,越来越多的汽车厂商投入到新能源汽车的研发。由于短时间内电动汽车存在许多无法解决的技术问题,混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle , HEV)成为目前的发展主流。

  90年代以来,混合动力汽车取得了阶段性的发展,诸多高新技术的研发使得其性能指标基本达到了燃油汽车的水平,如丰田、日产、本田等汽车研发企业已经对混合动力汽车进行批量生产。由于其不但具有环保节能的特点,又有着充足的动力和较好的经济性,混合动力汽车将会是目前汽车开发的主流方向。

  围绕着优化混合动力系统的能量管理策略以及提高燃油经济性,本文主要研究内容为:首先,本文对于混合动力汽车进行仿真建模,建立了整车模型。接着确定最优控制目标驾驶平顺性,并根据最优控制理论得到最优控制律,设计控制器。最后,为了使系统控制指标达到研究目标,建立观测器进行跟踪观测。通过仿真得出,基于最优控制理论的混合动力汽车最优控制策略可以很好的跟踪控制律的变化过程,提高汽车的驾驶平顺性。

  关键词:混合动力汽车;最优控制;观测器

  第一章 引言

  1.1 混合动力汽车的发展背景和现状

  由于能源短缺和环境污染对人类社会发展的影响越来越大,在不同的领域实现环境保护以及资源合理利用的意义更加重大,在汽车生产制造业,全球领先的厂商如丰田、通用、福特等公司已经将混合动力汽车作为未来汽车研发生产的主流[1]。日本丰田公司研发的普锐斯(Prius)作为全球第一款商业性混合动力汽车,1997年丰田首次对外公开其混合动力系统,展开了混合动力汽车发展的序幕,对亚洲以及全球的开发起到了推动作用,到2017年底,Prius已经在全球范围销售超过268万辆[2]。目前世界各大汽车公司正在对混合动力单元技术、能量存放技术和汽车集成电力电子模块等方面进行进一步研发,使其实现低成本,高效率的开发目标。

  我国自主研发混合动力汽车从90年代开始,工业化发展造成了对自然环境不同程度的污染,为了实现可持续发展,新能源汽车的研发被放在了重要战略位置,在国家高技术研究发展计划中,新能源汽车被列为重大专项。国内如上汽集团研发的荣威550插电式强混轿车,中国长安研发的志翔混合动力出租车,比亚迪“唐”混合动力汽车等一系列HEV已经投入批量生产。开发尤其突出的是广汽丰田公司于2010年下线的凯美瑞混合动力款,作为一款中高端私家车,凯美瑞混合动力款不仅驾驶舒适,内饰高档,其动力性和燃油经济性都受到了市场的广泛关注,其搭载了2.4升发动机以及40马力的电池驱动组,百公里油耗为6L,动力强劲,9秒的百公里加速不逊色与燃油动力汽车[3]。

  1.2 混合动力汽车的分类

  1.2.1 串联式混合动力汽车(SHEV)

  串联式混合动力汽车(图1.1)可实现零排放工作模式,发动机直接驱动发电机进行发电,再对电池和电机供电。发动机运行独立于车速和道路条件,提高了效率,但是油耗高,适用于大型客车[4]。

  1.2.2 并联式混合动力汽车(PHEV)

  并联式混合动力汽车(图1.2)特征是以机械形式复合,发动机和电驱动系统可以同时或者单独驱动起汽车,电驱动模式一般用于短程行驶,需要长时间行驶时主要由发动机提供动力,电动机作为辅助动力。该类型混合动力汽车一般使用小型电机,相对提高了燃油经济性。

  1.2.3 混联式混合动力汽车

  混联式混合动力汽车(图1.3)同时具有串联和并联的特点,具有最好的综合性能,但是结构较为复杂,为了实现串联和并联的切换,要设计出最合理的控制策略和控制系统。

  1.3 本文主要内容

  本文首先对混合动力汽车进行仿真建模,建立了整车行驶模型。通过实验建模和理论建模相结合,搭建了混合动力汽车Simulink模型。

  接着确定最优控制目标驾驶平顺性,并根据最优控制理论得到最优控制律,设计控制器。

  最后,为了使系统控制指标达到研究目标,建立观测器进行跟踪观测。通过仿真得出,基于最优控制理论的混合动力汽车最优控制策略可以很好的跟踪控制律的变化过程,提高汽车的驾驶平顺性。

  通过本文的研究,有望解决提高混合动力汽车行驶平顺性,优化控制策略的问题。

  第二章 混合动力汽车的建模

  在行驶的过程中,换挡后变速箱转速改变,动力恢复的速度决定了混合动力汽车驾驶的平顺性,因此本文首先对混合动力汽车换挡时的行驶状态进行仿真建模,通过Simulink搭建模型。本章对混合动力汽车的工作原理与行驶模型进行了详细的介绍。

  2.1 混合动力汽车的工作原理

  混合动力汽车通过使用燃料转换装置、储能(电池)装置、和电动机作为动力源,从广义上来说,通常称拥有至少两种动力源的汽车为混合动力汽车,但是在实际研发和生产中,目前混合动力汽车主要是指采用内燃机和电动机作为动力源的汽车,其基本构造如图1.1、图1.2、图1.3所示。

  车辆行驶时,蓄电池电量充足,其输出功率可以满足车辆行驶需求,此时为单发动机驱动模式,在低速行驶时,使用这一模式可以实现零排放;当需要大量动力供给的情况如加速或爬坡时,汽车进入混合牵引模式,此时两个动力系统同时向汽车提供动力;当电动机动力不足时,车辆由燃油发动机提供动力,此时电动机运行在发电机状态,汽车行驶过程中动力得以回收,此时蓄电池为充电状态,储存的电能用于以后的重复利用。

  混合动力汽车的工作原理使其按行驶所需要的平均功率来确定发动机的最大功率,因此当其处于平均功率时,混合动力汽车在最优工况下工作,油耗低,污染小。

  2.2 混合动力汽车行驶模型

  2.2.1 混合动力汽车的数学模型

  根据混合动力汽车的结构和性能,建立行驶动力学数学模型,研究车辆在换挡过程中的行驶平顺性。通过此数学模型,对已有的控制策略进行优化。

  第三章 控制器

  3.1 最优控制理论

  在现代自动控制技术中,最优控制理论主要用于对各种控制系统的优化,从多种控制方案中设计出最优解,是控制理论的一个重要组成。1948年,维纳首次提出信息、反馈以及控制的概念,而应用最广泛的是由贝尔曼提出的动态规划和庞特里亚金的极大值原理,立足于状态变量法,让系统达到最优指标[5]。本文中所使用的最优控制原理即为极大值原理,通过极值确立最优控制指标的算法。

  从数学意义上看,最优控制是通过求极值,即用等式或不等式作为约束条件,使系统的目标函数达到所需的极大或极小值。从现实意义来看,最优控制是在一定的资源条件约束下使的系统的效率最高,消耗最少。

  要使得系统达到最优控制目标,必须建立描述系统运动过程的数学模型,通过控制变量的变化,让系统在运行过程中达到指定的目标状态,并且用一个可以判断系统品质好坏的参数指标作为标准。通过系统性能与该参考指标的比较,保证其运动状态受到控制器的约束,从而达到在允许控制的范围内使得系统的性能指标函数按照需要取极大或极小值。

  3.2 混合动力汽车的控制器设计

  混合动力汽车换挡过程中,行驶平顺性的优劣会随着系统各基本不见输出变化的不动产生波动,为了使整车系统平顺性的变化在一定目标范围内,本文建立如下的性能指标参数:

  本章确定了最优控制目标行驶平顺性,并通过最优控制原理得到了混合动力汽车行驶平顺性的最优控制律。

  第四章 观测器

  4.1 观测器原理

  在现代控制理论中,控制的目标一般有两种,一种是使系统更加稳定,另一种是使系统在参数变动并存在干扰的情况下达到目标值。而为了达到这样的控制要求,现代控制采用内状态反馈来设计反馈控制系统,状态反馈问题是现代控制理论的基础。

  观测器也称滤波器或者估计器,其主要有两种思想,一种是基于现代控制理论的,另一种是基于扰动估计的。60年代初期,为了对控制系统实现状态反馈以及其他控制需要,D.G.吕恩伯格、R.W.巴斯和J.E.贝特朗等人提出状态观测器的概念和构造方法,通过重构的途径解决了状态的不能直接量测的问题。状态观测器的出现,不但为状态反馈的技术实现提供了实际可能性,而且在控制工程的许多方面也得到了实际应用,例如复制扰动以实现对扰动的完全补偿等。本文所使用的的观测器设计是基于输出的状态观测器(OBE)。

  4.2 基于控制律的观测器设计

  最优控制律是一个关于时间的函数,属于开环控制,因此其稳定性和抗干扰性比较差,因此在确定了目标函数的基础上,为保证所得出的最优控制律能够使系统的控制指标达到指定研究目标,需要构造观测器对上述最优控制律进行跟踪控制。从式3.11可以看出,最优控制的控制律是很难直接测出的,因此为了得到系统行驶平顺性的最优控制律,需要设计一种基于最优控制的状态观测器,以此得到最优控制律的数值解。

  度,首先要对其进行跟踪控制,而变速系统输入转速的变化直接影响其行驶平顺性,因此需要对转速变化控制在一定范围内,而图4.1清晰的显示出输入转速的变化在一定范围内基本上没有太大的波动变化。的变化情况,可以看出在输入转矩的变化逐渐减小至没有变动时,行驶平顺性同样在一定范围内保持稳定,达到了本文预期的研究目标。

  在整个换挡过程中,由于最优控制项很难直接测出,所以采用通过对观测器的跟踪误差来判断是否可以跟踪上原系统最优控制律的变化过程。图4.3中可以看出最优控制律的观测值,图4.4中可以看出系统最优控制的估计误差变化过程。

  系统最优控制律所设计的观测器可以很好的跟踪原系统中最优控制律的变化过程,而观测误差在预期的时间内逐渐趋近于零,较好实现了本文研究目标。

  综上,最优控制策略下混合动力汽车的行驶仿真结果表明,基于最优控制律的控制器可以有效控制变速箱输入转矩以及保持较优的行驶平顺性,而状态观测器也可以对控制律进行跟踪,仿真结果对研究目标有较好的验证。

  第五章 总结

  全球工业化进程带来的环境与资源问题让混合动力汽车的研发生产在近十年达到高峰,越来越多的国家将混合动力汽车的发展放在重要战略地位,在不久的未来,它将会完全取代传统汽车,实现新能源汽车发展的重大跨越。在1997年12月的电动汽车国际会议上,大多数汽车工程师认为,在未来十年中,世界上新生产的汽车中至少有40%是混合动力汽车。因此,在纯电动汽车发展还未能解决其开销巨大、建设困难等挑战时,混合动力汽车的研发显得尤为重要。

  虽然当前主流的混合动力汽车能够基本满足人们的行驶需求,在性能上也几乎和传统汽车一致,但是仍然存在许多技术上的难题,比如混合动力单元在将燃油转化为有用功时效率不高;能量储存装置功率低,使用寿命短;驱动系统数学模型不够完善等。本文研究了混合动力汽车的最优控制策略,有效的控制了混合动力汽车的行驶平顺性

  本文以并联混合动力汽车为背景,以汽车的行驶平顺性为控制目标提出了混合动力汽车的换挡控制策略的优化与跟踪控制算法。首先通过建立数学模型,对混合动力汽车的行驶过程进行数学仿真,确立各状态变量,并进行Simulink仿真,为后面的控制器和观测器设计奠定了基础。

  针对本文建立的汽车行驶数学模型,确定了最优控制目标行驶平顺性,并通过最优控制原理得到了混合动力汽车换挡行驶过程中行驶平顺性的最优控制律。接着为了对最优控制律进行跟踪观测,设计出状态观测器并进行仿真,通过仿真对控制结果进行研究验证,验证了本文设计的以最优控制理论为基础的混合动力汽车最优控制器的正确性,根据仿真得出的行驶平顺性曲线与最优控制律误差曲线分析得出,本文的设计可以较好的优化控制策略,达到了预期的。

毕业论文:http://www.3lunwen.com/gc/qc/5367.html

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