機電復合傳動最小值原理實時優(yōu)化控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是具有伴隨狀態(tài)在線調節(jié)功能的機電復合傳動最小值原理實時優(yōu) 化控制方法，具體涉及一種機電復合傳動最小值原理實時優(yōu)化控制方法。
【背景技術】
[0002] 雙模式機電復合傳動方案在功能和結構上具有更高的集成度，機構緊湊，可以有 可能做到體積更小、重量更輕以及傳動效率更高。由于系統(tǒng)存在發(fā)動機和電機等多個動力 部件，能否均衡協(xié)調的控制各個動力部件間的功率分配是系統(tǒng)節(jié)能潛力發(fā)揮的關鍵，其控 制效果直接決定了機電復合傳動系統(tǒng)的綜合性能。目前機電復合傳動系統(tǒng)功率分配控制策 略主要有兩大類：基于規(guī)則的方法和基于優(yōu)化的方法?；谝?guī)則的控制策略是目前常用的 實時控制方法，其實現比較簡單且對于綜合控制器的性能要求較低，但當系統(tǒng)約束條件比 較復雜時，系統(tǒng)潛力難以得到充分發(fā)揮?；趦?yōu)化算法的控制策略，可以對系統(tǒng)的約束條件 進行實時的調整，能夠更好地對機電復合傳動系統(tǒng)中的能量流動進行控制，最大化地發(fā)揮 機電復合傳動系統(tǒng)的性能。因此，基于優(yōu)化算法的能量管理策略設計成為機電復合傳動控 制系統(tǒng)開發(fā)的研宄熱點。
[0003] 基于優(yōu)化的控制策略有很多方法，如動態(tài)規(guī)劃方法、遺傳算法、等效燃油消耗算法 等，通過求解優(yōu)化模型來得到各部件的工作狀態(tài)，可以得到最優(yōu)或近似最優(yōu)的控制效果，但 是大多數的優(yōu)化控制方法，面臨著求解過程的計算量大或算法適應性差的問題。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對現有技術上存在的不足，本發(fā)明目的是在于提供一種機電復合傳動最小值原 理實時優(yōu)化控制方法，將全局的優(yōu)化問題轉化成哈密頓函數的瞬時優(yōu)化問題，實時應用在 車輛上。
[0005] 為了實現上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術方案來實現：機電復合傳動最小值 原理實時優(yōu)化控制方法，包括以下步驟：通過采用最佳的控制策略u#(t)，合理分配不同動 力部件的目標功率，使得燃油經濟性最好，應用最小值原理對系統(tǒng)能量管理控制策略的目 標函數進行求解，具體形式可以表示為
[0007] 對于這種兩點邊值求解問題，應用循環(huán)迭代選取p(t)的方法，獲得全局的最優(yōu)控 制策略并保持電池組狀態(tài)變量滿足Ixa^-xaj | < S，具體求解過程如下：（1)在每一個 時刻t e [Utf]里，根據當前時刻的目標車速，通過車輛動力學方程（2)計算相應的需求 功率⑴；
[0008] (2)根據當前的發(fā)動機狀態(tài)以及系統(tǒng)的轉速轉矩關系，確定控制變量u(t)= [? e (t)，(t)] '的優(yōu)化取值范圍，并對控制變量進行離散以方便計算
[0009] ?eG[? e min(t), A ?e, ?emJ _0] TeG [Te min(t)，ATe，Te max] (2)
[0011] (3)計算每一個預備控制變量對應的氏=H JuD，并選擇使得氏最小的相應的控 制量
[0013] (4)應用選取的最優(yōu)控制量，計算相應的系統(tǒng)狀態(tài)變量x(t);
[0014] (5)重復以上步驟直至整個循環(huán)工況結束，然后計算x(tf)和xh)進行比較
[0015] x(tf)-x(t〇) | ^ 8 (4)
[0016] 如果在此范圍之內，則優(yōu)化求解結束；否則重新選取伴隨狀態(tài)P(l，直到滿足條件為 止。
[0017] (6)分別對機電復合傳動系統(tǒng)需要面對的多種行駛工況進行離線優(yōu)化計算，得到 其相應的最優(yōu)伴隨狀態(tài)值。在實施優(yōu)化控制策略時，根據行駛工況識別結果，按照一定的計 算或推理邏輯對伴隨狀態(tài)進行在線調節(jié)，提高優(yōu)化結果對于行駛工況的自適應能力。
[0018] 本發(fā)明的機電復合傳動系統(tǒng)是一種多流傳動形式，通過電力和機械兩路功率流來 傳遞動力。對于機電復合傳動系統(tǒng)的機械功率平衡方程為：
[0019] Preq=Peng+PA+P B (5)
[0020] 式中，P,eq為系統(tǒng)需求功率；P eng為發(fā)動機功率；P A、PB分別為電機A和電機B的機 械功率。
[0021] 當給定車速時，系統(tǒng)需求功率可以通過車輛行駛動力學方程計算，公式為
[0023] 式中，f為阻力系數；m為車輛質量；g為重力加速度；a (t)為路面坡度；CD為風阻 系數;A為迎風面積；P為空氣密度；S為系統(tǒng)質量系數。
[0024] 系統(tǒng)中兩個電機既可以工作在發(fā)電狀態(tài)，也可以工作在電動狀態(tài)，電機功率與電 池功率間存在電功率平衡，系統(tǒng)電功率平衡方程為
[0026]式中，pbat為動力電池組的功率；nA、nB分別為電機A和電機B的效率，通過查表 獲得；Sgn()為符號函數。如果電機處于電動狀態(tài)，則其把電功率轉化為機械功率，機械功 率除以轉化效率為相應的電功率；如果電機處于發(fā)電狀態(tài)，則其把機械功率轉化為電功率， 機械功率乘以轉化效率為相應的電功率。
[0027] 電池組模型等效為簡單內阻模型，電池組功率可以表示為
[0029] 式中，Ibat為電池組母線電流；Vbat為電池組開路電壓；R int為電池組等效內阻。
[0030]電池組荷電狀態(tài)的改變量S0C可以表示為
[0032] 式中，Qbat為電池組的容量。
[0033] 機電復合傳動系統(tǒng)的功率分配策略可解析為，根據駕駛員的需求功率，合理的分 配各動力部件（發(fā)動機、電機A和電機B)間的目標功率，在保持電池組的荷電狀態(tài)在允許 的范圍之內的同時，使得系統(tǒng)的燃油經濟性最佳。因此，其功率分配控制策略在一段時長為 [Utf]的循環(huán)工況下的性能指標函數可表示為
[0035] 其中，L(x(t)，u(t)，t)為與發(fā)動機狀態(tài)有關的發(fā)動機瞬時燃油消耗率。
[0036] 選定發(fā)動機的轉速《e和轉矩T6為機電復合傳動系統(tǒng)控制變量u(t)，電池組的荷 電狀態(tài)S0C為系統(tǒng)的狀態(tài)變量x(t)，可得：
[0037] u(t) = [?e(t)，Te(t)]'
[0038] x(t) =f(x(t),u(t)) =SOC
[0039] 電機A、B的機械功率可以表示為：
[0040] PA=fA(u(t),t) =wa?Ta= {(an?e+a12?wh) ?[0 (*)]_+(bn ?e+b12?wh) ?[0 (?)]+} ?
[0041] {(CllTe+c12Treq) ? [。?）]_+(dnTe+d12Treq) ? [。（ ?）]+} (11)
[0042]
[0043] PB=fB(u(t)，t) = ?B.TB= {(a21?e+a22?wh) ?[0 (.)]_+(b21?e+b22?wh) ?[0(?)]+} ?
[0044] {(c21Te+c22Treq) ? [ 0 ( ? )]_+(d21Te+d22Treq) ? [ 0 ( ? )]+} (12)
[0045]
[0046] 系統(tǒng)狀態(tài)變量x(t)和控制變量u(t)的關系，可以表示為：
[0048] 機電復合傳動系統(tǒng)的功率分配問題轉化為最優(yōu)控制問題，即以發(fā)動機的工作點 (轉速和轉矩）為系統(tǒng)的控制變量u(t)，電池組的荷電狀態(tài)為系統(tǒng)狀態(tài)變量x(t)，燃油消耗 最少為系統(tǒng)的控制指標函數。
[0050] 根據系統(tǒng)的約束條件可知，控制變量u(t)的調節(jié)范圍為：
[0051] ? We_n,ax
[0052] WTemax(?e)
[0053] 系統(tǒng)狀態(tài)變量的約束條件為：
[0055] 機電復合傳動系統(tǒng)能量優(yōu)化控制問題可以描述為在給定時長為[Utf]的循環(huán)工 況內，控制變量在u(t)min<u(t) <u(t) _范圍內，尋找最優(yōu)的控制規(guī)則u# (t)使得燃油消 耗最少，并使得電池組的荷電狀態(tài)S0C的最終值x(tf)與其初始值xUJ的偏差保持在一個 很小的