轮毂液压混合动力系统多模式能量管理与动态协调控制研究
发布时间：2020-10-28 05:20
重型商用运输车辆在国家的现代化基础建设中扮演着重要的角色,在我国当前广阔的市场需求、严格的油耗限值以及更高的整车综合性能需求的背景下,发展高效商用车混合动力系统已经逐渐成为国内商用车行业发展的共性需求。其中,轮毂液压混合动力系统凭借其功率密度大、质量体积小、综合成本低等优点,在重型商用车领域表现出较强的竞争力与良好的市场应用前景。作为一种新型液压混合动力系统,轮毂液压混合动力系统具备非常好的应用潜力,其不仅可以显著改善重型车辆在低附着路面的通过性;还可以在车辆制动时通过蓄能器实现再生制动能量回收以提高整车经济性,同时通过蓄能器的液压辅助制动可改善制动安全性。本文在国家自然科学基金面上项目“重型商用车辆轮毂液压混动系统多模式动态协调与非线性控制”(编号51675214)的资助下,对重型商用车轮毂液压混合动力系统多模式能量管理策略以及非线性动态协调控制等关键环节开展了研究工作。本文首先结合参数辨识技术以及节点容腔法,基于MATLAB/Simulink软件建立了轮毂液压混合动力系统仿真平台,包括机械传动路径动力学模型以及液压传动路径动态模型,并利用成熟商业软件AMESim对集成模型的准确性进行了对比验证,为多模式能量管理与动态协调控制策略的开发提供了准确的计算环境;第二,建立了重型商用车行驶工况及车辆关键状态参数联合观测算法,包括基于改进卡尔曼滤波算法的道路坡度估计、基于运动学方法的纵向车速估计、基于模型的轮胎力及路面附着系数的联合估计以及基于递推最小二乘算法的整车质量辨识,通过利用车辆总线上的易获取状态信息以及车载低成本传感器采集信息,可以实现其他不宜直接获取的状态参数的准确估计,为多模式能量管理策略提供了精确的参考输入;第三,提出了基于能量计算的轮毂液压混合动力系统理论油耗计算模型,基于轮毂液压混合动力系统内部能量流角度,提出了混合动力系统平均综合传动效率概念,并得到了理论油耗计算模型,可实现理论油耗的宏观计算以及油耗影响因素的细节定量分析,为轮毂液压混合动力系统多模式能量管理策略研究提供了理论分析依据;第四,提出了轮毂液压混合动力系统全局优化改进算法,以保证多模式能量管理策略的最优性,其中考虑轮毂液压混合动力系统高速行驶时蓄能器放能限制的工作特性以及全局优化算法的“维度灾难”问题,本文分别设计了基于车速-蓄能器SOC(SOC,state of charge)的等效燃油消耗因子计算方法以及基于轮毂液压混合动力系统工作特性的全局优化降维改进算法,在不影响优化结果精度的前提下可实现更高的计算效率;第五,提出了基于分层控制的多模式能量管理策略控制架构,在工况适应层利用模糊逻辑建立不同工况、车辆状态与目标工作模式之间的映射集合,解决车辆行驶工况与系统工作模式匹配问题,在最优控制层,根据对全局优化结果的深入分析,通过规则提取以及LQR(LQR,linear quadratic regulator)二次型调节器的设计,形成一种基于固定门限值以及SOC目标跟踪控制的最优控制层控制方法,可以实现近似最优的控制效果;最后,设计了基于模型预测控制的驱动力协调控制策略以及基于Lyapunov稳定性原理的非线性控制器,最终得到具备良好实施效果的非线性动态协调集成控制器,以解决轮毂液压混合动力系统驱动力协调控制与液压系统本质非线性的耦合控制问题,保证系统工作过程中的动态控制品质。为验证所提出的多模式能量管理与非线性动态协调控制策略,本文利用dSPACE/Simulator以及TTC200快速原型控制器,搭建了轮毂液压混合动力系统HIL(HIL,hardware-in-the-loop)测试平台进行集成控制测试验证。分别在重型商用车CBDTRUCK循环工况、实车道路试验采集工况以及名义仿真工况下,验证了所设计的行驶工况与系统状态联合观测算法、多模式能量管理策略以及非线性动态协调控制策略的有效性与实时性,实现了系统经济性与工况适应性、动力性与通过性以及动态控制品质的综合提升。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U469.7
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究现状
1.2.1 轮毂液压混合动力系统发展现状
1.2.2 液压系统能量管理策略研究现状
1.2.3 动态协调与非线性优化控制研究现状
1.3 研究内容
第2章 轮毂液压混合动力系统动态建模
2.1 轮毂液压混合动力系统方案
2.1.1 轮毂液压混合动力系统构型
2.1.2 轮毂液压混合动力系统基本参数
2.1.3 轮毂液压混合动力系统基本工作模式
2.2 机械系统动力学模型
2.2.1 发动机模型
2.2.2 离合器与变速器模型
2.2.3 整车动力学模型
2.2.4 轮胎模型
2.3 液压系统关键部件动态建模
2.3.1 简单油液模型
2.3.2 液压管道模型
2.3.3 液压变量泵准稳态模型
2.3.4 液压控制阀组模型
2.3.5 轮毂液压马达模型
2.3.6 液压蓄能器模型
2.4 轮毂液压系统集成建模与仿真验证
2.4.1 基于节点容腔法的轮毂液压系统集成模型
2.4.2 模型仿真测试对比验证
2.5 本章小结
第3章 行驶工况及车辆状态联合观测
3.1 行驶工况及状态参数联合观测算法架构
3.2 基于多传感器数据融合的坡度估计算法
3.2.1 基于卡尔曼滤波的数据融合坡度估计
3.2.2 卡尔曼滤波简化算法
3.2.3 基于陀螺仪的加速度传感器测量值校正
3.3 纵向车速估计
3.4 基于模型的轮胎力及路面附着系数联合估计
3.4.1 基于滑模观测器的轮胎纵向力估计
3.4.2 基于前馈+反馈的路面附着系数最优估计
3.5 基于递推最小二乘法的整车质量估计
3.6 联合观测算法验证
3.6.1 道路坡度估计算法验证
3.6.2 纵向车速估计算法验证
3.6.3 轮胎纵向力与路面附着系数联合观测算法验证
3.6.4 整车质量辨识算法验证
3.7 本章小结
第4章 基于能量计算模型的理论油耗影响因素分析
4.1 基于能量的系统理论油耗计算模型
4.1.1 轮毂液压混合动力系统内部能量流分析
4.1.2 平均综合传动效率定义
4.1.3 轮毂液压混合动力系统理论油耗计算模型
4.2 基于理论油耗模型的节油贡献率分析
4.2.1 理论综合油耗增量计算模型
4.2.2 节油量与节油贡献率定义
4.3 理论油耗计算模型仿真验证
4.3.1 轮毂液压混合动力系统基本控制策略
4.3.2 仿真工况选择
4.3.3 理论油耗仿真计算结果
4.4 轮毂液压混合动力系统油耗影响因素讨论
4.4.1 再生制动能量回收节油贡献率
4.4.2 发动机平均燃油消耗率节油贡献率
4.4.3 平均综合传动效率节油贡献率
4.4.4 理论油耗影响因素分析小结
4.5 本章小结
第5章 轮毂液压混合动力系统多模式能量管理策略
5.1 多模式能量管理策略概述
5.1.1 多模式能量管理策略整体架构
5.1.2 多模式能量管理策略研究内容
5.2 轮毂液压混合动力系统全局优化算法
5.2.1 全局优化算法基本原理
5.2.2 基于系统多模式控制特性的全局优化改进算法
5.2.3 全局优化改进算法计算结果
5.3 液压系统多模式切换优化控制规则研究
5.3.1 确定性模式切换规则
5.3.2 不确定性模式切换规则
5.4 多模式能量管理策略验证
5.4.1 名义工况仿真验证
5.4.2 CBDTRUCK循环工况仿真验证
5.4.3 实车试验工况仿真验证
5.5 本章小结
第6章 轮毂液压系统动态协调与非线性集成控制
6.1 驱动力协调与非线性控制问题描述
6.1.1 驱动力协调控制问题
6.1.2 液压系统非线性控制问题
6.1.3 动态协调与非线性集成控制器
6.2 多模式泵排量优化控制算法
6.2.1 基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制
6.2.2 基于最优驱动力分配的闭式回路助力模式泵排量控制
6.2.3 基于最优控制规则提取的主动充能模式泵排量控制
6.3 基于模型预测控制的驱动力协调控制策略
6.3.1 面向控制器设计的轮毂液压系统模型
6.3.2 预测模型
6.3.3 约束优化
6.4 基于Lyapunov稳定性的泵排量非线性控制
6.4.1 面向控制器设计的泵排量执行机构模型
6.4.2 基于Lyapunov稳定性的非线性控制器设计
6.4.3 名义工况仿真验证
6.5 动态协调与非线性集成控制仿真验证
6.5.1 低附着路面工况仿真结果
6.5.2 高附着路面工况仿真结果
6.5.3 非线性动态协调控制器性能评价
6.6 本章小结
第7章 硬件在环仿真试验验证
7.1 集成控制策略
7.1.1 快速NMPC控制器简化
7.1.2 集成控制策略
7.2 硬件在环仿真测试
7.2.1 硬件在环仿真平台
7.2.2 车辆状态联合观测算法测试验证
7.2.3 工况适应层模式切换测试验证
7.2.4 整车燃油经济性测试验证
7.2.5 NMPC非线性动态协调控制仿真验证
7.3 本章小结
第8章 全文总结及展望
8.1 全文总结
8.2 论文创新点
8.3 研究展望
参考文献
作者简介及科研成果
致谢
本文编号：2859650
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U469.7
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究现状
1.2.1 轮毂液压混合动力系统发展现状
1.2.2 液压系统能量管理策略研究现状
1.2.3 动态协调与非线性优化控制研究现状
1.3 研究内容
第2章 轮毂液压混合动力系统动态建模
2.1 轮毂液压混合动力系统方案
2.1.1 轮毂液压混合动力系统构型
2.1.2 轮毂液压混合动力系统基本参数
2.1.3 轮毂液压混合动力系统基本工作模式
2.2 机械系统动力学模型
2.2.1 发动机模型
2.2.2 离合器与变速器模型
2.2.3 整车动力学模型
2.2.4 轮胎模型
2.3 液压系统关键部件动态建模
2.3.1 简单油液模型
2.3.2 液压管道模型
2.3.3 液压变量泵准稳态模型
2.3.4 液压控制阀组模型
2.3.5 轮毂液压马达模型
2.3.6 液压蓄能器模型
2.4 轮毂液压系统集成建模与仿真验证
2.4.1 基于节点容腔法的轮毂液压系统集成模型
2.4.2 模型仿真测试对比验证
2.5 本章小结
第3章 行驶工况及车辆状态联合观测
3.1 行驶工况及状态参数联合观测算法架构
3.2 基于多传感器数据融合的坡度估计算法
3.2.1 基于卡尔曼滤波的数据融合坡度估计
3.2.2 卡尔曼滤波简化算法
3.2.3 基于陀螺仪的加速度传感器测量值校正
3.3 纵向车速估计
3.4 基于模型的轮胎力及路面附着系数联合估计
3.4.1 基于滑模观测器的轮胎纵向力估计
3.4.2 基于前馈+反馈的路面附着系数最优估计
3.5 基于递推最小二乘法的整车质量估计
3.6 联合观测算法验证
3.6.1 道路坡度估计算法验证
3.6.2 纵向车速估计算法验证
3.6.3 轮胎纵向力与路面附着系数联合观测算法验证
3.6.4 整车质量辨识算法验证
3.7 本章小结
第4章 基于能量计算模型的理论油耗影响因素分析
4.1 基于能量的系统理论油耗计算模型
4.1.1 轮毂液压混合动力系统内部能量流分析
4.1.2 平均综合传动效率定义
4.1.3 轮毂液压混合动力系统理论油耗计算模型
4.2 基于理论油耗模型的节油贡献率分析
4.2.1 理论综合油耗增量计算模型
4.2.2 节油量与节油贡献率定义
4.3 理论油耗计算模型仿真验证
4.3.1 轮毂液压混合动力系统基本控制策略
4.3.2 仿真工况选择
4.3.3 理论油耗仿真计算结果
4.4 轮毂液压混合动力系统油耗影响因素讨论
4.4.1 再生制动能量回收节油贡献率
4.4.2 发动机平均燃油消耗率节油贡献率
4.4.3 平均综合传动效率节油贡献率
4.4.4 理论油耗影响因素分析小结
4.5 本章小结
第5章 轮毂液压混合动力系统多模式能量管理策略
5.1 多模式能量管理策略概述
5.1.1 多模式能量管理策略整体架构
5.1.2 多模式能量管理策略研究内容
5.2 轮毂液压混合动力系统全局优化算法
5.2.1 全局优化算法基本原理
5.2.2 基于系统多模式控制特性的全局优化改进算法
5.2.3 全局优化改进算法计算结果
5.3 液压系统多模式切换优化控制规则研究
5.3.1 确定性模式切换规则
5.3.2 不确定性模式切换规则
5.4 多模式能量管理策略验证
5.4.1 名义工况仿真验证
5.4.2 CBDTRUCK循环工况仿真验证
5.4.3 实车试验工况仿真验证
5.5 本章小结
第6章 轮毂液压系统动态协调与非线性集成控制
6.1 驱动力协调与非线性控制问题描述
6.1.1 驱动力协调控制问题
6.1.2 液压系统非线性控制问题
6.1.3 动态协调与非线性集成控制器
6.2 多模式泵排量优化控制算法
6.2.1 基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制
6.2.2 基于最优驱动力分配的闭式回路助力模式泵排量控制
6.2.3 基于最优控制规则提取的主动充能模式泵排量控制
6.3 基于模型预测控制的驱动力协调控制策略
6.3.1 面向控制器设计的轮毂液压系统模型
6.3.2 预测模型
6.3.3 约束优化
6.4 基于Lyapunov稳定性的泵排量非线性控制
6.4.1 面向控制器设计的泵排量执行机构模型
6.4.2 基于Lyapunov稳定性的非线性控制器设计
6.4.3 名义工况仿真验证
6.5 动态协调与非线性集成控制仿真验证
6.5.1 低附着路面工况仿真结果
6.5.2 高附着路面工况仿真结果
6.5.3 非线性动态协调控制器性能评价
6.6 本章小结
第7章 硬件在环仿真试验验证
7.1 集成控制策略
7.1.1 快速NMPC控制器简化
7.1.2 集成控制策略
7.2 硬件在环仿真测试
7.2.1 硬件在环仿真平台
7.2.2 车辆状态联合观测算法测试验证
7.2.3 工况适应层模式切换测试验证
7.2.4 整车燃油经济性测试验证
7.2.5 NMPC非线性动态协调控制仿真验证
7.3 本章小结
第8章 全文总结及展望
8.1 全文总结
8.2 论文创新点
8.3 研究展望
参考文献
作者简介及科研成果
致谢
本文编号：2859650
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