串联混合动力装载机能量管理控制策略及其优化研究

发布时间：2017-05-10 18:00

  本文关键词：串联混合动力装载机能量管理控制策略及其优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当今世界,环境污染与能源危机已经成为威胁地球生态与人类生存的重大问题。经过多年的高速发展,我国经济带来的能源消耗和环境污染问题更是触目惊心。直到近几年来,相关问题得到重视并相继制定了节能减排的政策。而装载机作为一种常见的用量大、能耗高的工程机械装备,研究其节能减排技术有着重要的意义。针对传统装载机能源利用率较低、污染气体排放较严重等问题,国内外工程机械制造商分别研究并推出混合动力装载机产品,但销量一直平平。直到近年来,汽车行业的新能源汽车电机及其控制器的研发与大批量投产为混合动力装载机成本降低提供了可以预见的市场前景。论文在以往的研究基础上,进一步研究了基于模糊控制与制动能回收的串联混合动力装载机能量管理控制策略,并采用多目标优化算法优化关键参数,进一步提高了控制策略的性能。论文的主要研究内容及相关结论概括为以下五点:(1)提出了基于电驱动行走系统和电动缸驱动工作装置的串联混合动力装载机结构方案。论文分析了混合动力装载机能量管理控制策略研究的背景与意义,总结了国内外主要混合动力装载机制造商与研究机构的研究进展,分析了传统装载机的节能途径,继而提出了本文所研究的串联混合动力装载机的结构方案,该方案取消了液力变矩器,采用发电机、超级电容和电动机组成的电驱动系统,采用电动缸代替工作装置液压缸,以电机驱动电动缸,沿用液压转向系统。(2)建立了基于模糊控制和制动能回收的串联混合动力装载机能量管理联合仿真平台。针对论文提出的系统结构方案进行了关键部件的参数匹配,并应用AMESim与Simulink建立联合仿真平台,该平台能够实现典型铲装运输工况的制动能回收实验,能够利用Simulink方便地搭建论文所提出的控制策略,利用仿真实验完善所提出的控制策略,为台架实验的实施提供了比较可靠的参考。(3)提出了基于模糊控制和制动能回收的串联混合动力装载机能量管理智能控制策略。首先采用发动机定转速、变转速多工作点控制策略,分析了发动机工作点分布对油耗的影响,继而提出了发动机燃油经济区下限曲线,采用模糊控制方法,控制发动机工作点平顺变化与合理分配电动机回馈制动力矩,制定了智能控制策略。通过仿真实验,验证了所提出的智能控制策略的功能,并实现了60%的制动能量的回收。台架实验结果显示,相比传统装载机,发动机定转速控制策略、变转速控制策略以及基于模糊控制和制动能回收的能量管理控制策略分别节约燃油12.93%、17.21%和19.52%。(4)应用改进遗传算法对动力系统参数与智能控制策略控制参数进行多目标优化。论文研究了改进遗传算法的原理,建立了发动机油耗较低、超级电容使用成本较低和控制策略与典型铲装运输工况的匹配度较高等多个优化目标,优化了模糊控制器参数和关键控制参数,进一步降低了油耗和超级电容的使用成本,提高了控制策略与工况的匹配度,台架实验数据表明,相比传统装载机实验,优化后的能量管理控制策略节能19.67%。(5)对所提出的能量管理控制策略进行了台架实验。利用模块化的试验台,分别进行了传统装载机、多种串联混合动力系统能量管理控制策略在典型工况下工作实验。分析实验数据可知,本文所提出的控制策略具有较强的适用性。仿真与台架实验表明:串联式油电混合动力装载机能量管理控制策略能够将超级电容电压稳定在合理的范围内,为电驱动系统以及工作电动缸提供充足的电能;发动机最佳工作下限曲线为液压系统预留足够的动力,发动机负载转矩与工作转速平稳变化,降低了发动机的冲击载荷;通过电驱动系统取代液力变矩器,并控制发动机工作在燃油经济区,获得了较好的节能效果;仿真表明,基于模糊控制的制动能回收功能可以降低发动机油耗,提高串联混合动力装载机的实用性与燃油经济性。
【关键词】：装载机 串联混合动力 模糊控制 制动能回收 多目标优化 遗传算法
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH243
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 研究的背景13
• 1.2 技术研究现状13-18
• 1.2.1 国外研究现状13-17
• 1.2.2 国内研究现状17-18
• 1.3 本文主要研究内容与章节安排18-19
• 1.3.1 论文研究内容18
• 1.3.2 论文章节安排18-19
• 1.4 本章小结19-21
• 第2章 装载机工况特性分析及系统方案设计21-33
• 2.1 传统装载机结构形式与工况特点21-26
• 2.1.1 整机结构形式21-22
• 2.1.2 整机工况分析22-26
• 2.2 传统装载机能量损失分析26-30
• 2.2.1 液力变矩器传动效率分析26
• 2.2.2 发动机功率损失分析26-27
• 2.2.3 液压系统功率损失分析27-28
• 2.2.4 制动能量损失分析28-29
• 2.2.5 装载机节能途径分析29-30
• 2.3 混合动力装载机系统方案设计30-31
• 2.3.1 串联混合动力装载机方案30-31
• 2.3.2 串联混合动力装载机的优势与研究重点31
• 2.4 本章小结31-33
• 第3章 串联混合动力装载机参数匹配与仿真建模33-47
• 3.1 串联混合动力装载机系统参数匹配33-36
• 3.1.1 发动机与发电机参数匹配33-34
• 3.1.2 行走电机与变速器参数匹配34-35
• 3.1.3 超级电容参数匹配35-36
• 3.2 串联混合动力装载机系统建模36-45
• 3.2.1 联合仿真平台的介绍36-37
• 3.2.2 动力系统建模37-40
• 3.2.3 传动系统建模40-41
• 3.2.4 工作装置建模41-42
• 3.2.5 车辆属性建模42
• 3.2.6 仿真控制建模42-45
• 3.3 本章小结45-47
• 第4章 串联混合动力装载机能量管理控制策略与仿真47-65
• 4.1 控制策略的基本思想47
• 4.2 自判断分段式控制策略的研究与应用47-53
• 4.2.1 自判断分段式控制概述47-48
• 4.2.2 自判断分段式控制策略研究48-49
• 4.2.3 自判断分段式控制策略仿真应用49-53
• 4.3 基于模糊逻辑和制动能回收的控制策略的研究与仿真53-64
• 4.3.1 模糊逻辑控制概述53-54
• 4.3.2 基于模糊逻辑和制动能回收的能量管理控制策略54-55
• 4.3.3 发动机燃油经济区下限曲线55-56
• 4.3.4 模糊逻辑控制器设计56-61
• 4.3.5 基于模糊逻辑与制动能量回收的控制策略仿真61-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第5章 基于改进遗传算法的多目标优化算法的研究与应用65-79
• 5.1 改进遗传算法65-71
• 5.1.1 遗传算法概述65-66
• 5.1.2 遗传算法的应用步骤66-67
• 5.1.3 改进遗传算法67-68
• 5.1.4 基于改进遗传算法的减速器传动比的优化68-71
• 5.2 基于改进遗传算法的多目标优化算法的应用71-76
• 5.2.1 多目标优化算法71-72
• 5.2.2 串联混合动力成本模型72-73
• 5.2.3 动力系统优化参数的选择73
• 5.2.4 能量管理控制策略优化参数的选择73-74
• 5.2.5 目标函数的建立74-75
• 5.2.6 算法程序75-76
• 5.3 仿真结果及分析76-78
• 5.3.1 参数优化结果76-77
• 5.3.2 多目标优化结果分析77-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第6章 混合动力装载机台架实验与结果分析79-91
• 6.1 实验目的与内容79
• 6.1.1 实验目的79
• 6.1.2 实验内容79
• 6.2 试验台结构与工作原理79-81
• 6.3 实验及结果分析81-88
• 6.3.1 试验台检测与调试81-82
• 6.3.2 传统装载机工作实验82-83
• 6.3.3 自判断分段式能量管理控制策略实验83-84
• 6.3.4 基于模糊逻辑与制动能回收的能量管理控制策略实验84-87
• 6.3.5 不同控制策略结果对比87-88
• 6.5 本章小结88-91
• 第7章 总结与展望91-93
• 7.1 工作总结91-92
• 7.2 工作展望92-93
• 参考文献93-99
• 作者简介99-100
• 致谢100

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