并联混合动力液压挖掘机的动态仿真和优化控制策略-机械专业毕业设计外文翻译.doc

外文资料译文浙江大学学报 自然科学版ISSN 1673-565X; SSN 1862-1775并联混合动力液压挖掘机的动态仿真和优化控制策略【摘要】本文的重点是对用于液压挖掘机的一种混合系统的研究。首先，对混合动力液压挖掘机的结构和评价目标进行分析；其次建立包括蓄电池、电动机和发动机的动态系统模型作为仿真环境来获得控制的结果；然后提出了一种既具有闭环比例积分控制又具有直接转矩控制的所谓的多工作点动态控制策略，并且在仿真模型的基础上对该策略进行分析研究，最终仿真结果表明通过该控制策略控制的混合系统可以满足功率的要求，并且能够达到更好的系统稳定性和更高的效率。【关键词】混合系统 液压挖掘机 多工作点动态控制 直接转矩控制 简介：人们对提高燃料效率和减少排放的渴望促进了更多混合动力汽车的出现。此外，在过去的五年中有相当数量的研究都是关于混合动力系统的。然而，这些研究并没有对混合动力的工程机械加以重视，尤其是混合动力的液压挖掘机。实际的实验和文献数据表明液压挖掘机所要求的能量具有短的周期性和剧烈的波动性，因此发动机就不能持续的工作在它的高的燃油效率边界处，这样就必须对具有混合动力系统的液压挖掘机加以研究以节约能源和减少排放。通常，一个混合动力系统是由一个串联或者并联有一个电动机或发电机的内燃机来驱动的。发动机提供主要的能量，同时电动机提供可以通过再次产生或是存储来自发动机的额外的能量提高系统稳定性和燃油效率的波动性能量。由于在液压挖掘机和汽车之间负载的不同要求，这种应用于混合动力汽车的控制策略不能简单的直接应用于液压挖掘机。这样提出一种新的适合液压挖掘机的混合动力控制方法就显得非常的重要了。近期，有关液压挖掘机混合动力系统的结构、控制策略和能量管理的研究已经在实施中。Kagoshima eta1.(2003)和Takao eta1.(2004)展示了一种装备有串联结构液压挖掘机，通过这种结构液压挖掘机具有更少的燃油消耗，在全工况下可以节省40%-50%的能量。然而，他们仅仅开发了一个单工作点的控制方法，这种方法很难获得最佳的效果。更重要的是这种单工作点控制策略不能够满足在所有工作状况下的要求。Wang et a1.(2005) 和Xiao et a1(2007)提出了主要关于并联式混合动力液压挖掘机仿真的课题和对节省能量的评估。这种双工作点的控制策略也得到了分析，但是通过这种方法控制的发动机只有两种功率输出不能满足燃油高效性的要求。本文讨论了一种控制策略，就是所谓的多工作点动态控制方法，这种控制方法引入了四种工作方式，分别是空载模式、轻载模式、中载模式和重载模式，同时该方法还确定了个工作方式间相互转换的策略。仿真结果表明这种控制方法能够提高效率和稳定性。本文致力于提出一种混合动力的液压挖掘机的最优控制策略和能量分布方法。通过对液压挖掘机的工况进行分析，可以采用闭环速度比例积分法对其进行控制。但由于在只使用这种方法控制的系统中，系统的响应特性不能满足个模式之间转换或是特殊工作点对系统性能的要求，这样就需要加入直接转矩控制以改善系统性能。另一方面，通过对子系统工作数据的计算直接转矩控制将会被采用直到中心控制器发现特殊工况，否则闭环速度比例积分控制将会被采用。本文结构如下所述，第二节总体上描述了系统结构，包括混合动力系统的结构并探讨了怎样对系统性能进行评估。第三节致力于利用Matlab/Simulink组件讨论的系统模型,并对控制系统的结构进行分析。在第四节中提出了多工作点动态控制策略，同时在该节中对策略的控制效果进行了分析并提出了该策略需要进行的改进尤其是在工矿进行转换时。最后，第五节对本文进行了总结并提出了对本文的展望。混合动力系统的结构和评估目标：考虑到系统的效率和成本，选用并行并行混合动力液压挖掘机作为我们的系统工程，如图1所示。该并行混合动力液压挖掘机不单单有一个发动机同时还有一个联接在最终传动轴上的电动机。这种配置使发动机和电动机可以以混合或者各自单独的方式向液压泵传递能量。同样电动机可以捕获发动机额外的能量。几年以前一个5吨的液压挖掘机已经在我们实验室制造成功。本课题的目的是制造一台5吨的混合动力的液压挖掘机。 在混合动力液压挖掘机系统中，我们把重点放在燃油效率和于传统液压挖掘机相比有少的排放上边。更重要的是， 图1我们应用Matlab/Simulink组建对所提出的控制策略和系统的动态响应特性进行仿真分析以确定在该系统控制下的发动机能否工作于其燃油高效边界上。并联混合动力液压挖掘机有一个发动机和一个电动机，发动机和电动机都通过联轴器联接在同一根轴上，以同样的速度运作。在忽略系统损耗的情况下负载转矩、电动机转矩和发动机转矩之间的平衡如等式（1）所示。换句话说，控制的目标就是合理的分配电动机和发动机的转矩，使Te保持不变并使Tm跟随Tl波动。Tl=Tm+TeTl 为负载所需转矩，Te 为电动机输出转矩，Tm 为发动机的输出转矩系统模型建立：为了获得液压挖掘机在使用混合动力系统后所能达到的所有效果，可以利用混合动力液压挖掘机的模型主要是动力部分模型进行仿真。尽管，混合动力液压挖掘机建模工作的理论同混合动力汽车的建模是一致的，特别是在电动机和发动机建模方面，但这里仍有三点主要的不同点：（1） 负载模型不相同。在混合动力液压挖掘机上，液压泵的输出转矩从实际的运行过程中获得，该转矩会周期性地或者剧烈地波动。（2） 由于挖掘机的工况，适合于混合动力液压挖掘机的控制策略是独一无二的。混合动力液压挖掘机的主要部件如下表所示： 挖掘机运行重量：4510kg系统最大转矩： 152Nm发动机： ZN485Q，四缸四冲程， 在1860 r/min时最大输出转矩124.8 Nm 。 电动机： 定制永磁同步电动机，额 定功率15.7kw，最大转矩150Nm ，额定转速2200r/min，额定电压250V 蓄电池： QNFG 16，最大功率19.2 kw，200 1.2V Ni-H电池串联，每一单元的终端电压1.2V电池组名义终端电压240V。图2描述了上边所讲的混合动力液压挖掘机系统模型的概况。在模型中一些部分 从先前建立的模型中获得，另外的一些根据需要，按照建模的基本原理建立起来的。此外，本文将重点放在了动力本分的分离上。因此，将从实验中获得的液压泵的数据作为负载模型，这些数据比从仿真中获得的数据更为真实。 图2 发动机建模： 稳态效率曲线图作为发动机仿真的基本原则，扭矩生产和燃油效率曲线图被用来对发动机建模的处理。所有的外部有关的因素如发动机转子惯性都已经加如考虑，而省去了对一些相关的发动机的内部因素的考虑。用于建立发动机模型有关的曲线如图3所示。发动机模型主要用于以下用途：（1） 燃料消耗率：燃料消耗率从发动机 图3 燃料消耗率曲线图获得，作为发动机转矩和速度的方程： 方程中为燃料消耗率曲线图由发动机的转矩和转速确定。因此，耗油量可以使用如下所示的公式，将燃料消耗率的值代入式子中计算得出： （2） 转矩曲线图，发动机的转矩可以有发动机的转矩曲线图推出。电动机建模： 为了对电动机系统进行仿真，首先用如下所示的电动机电学方程和力学方程对永磁同步电机的d-q-axes模型进行审核。在以上方程中,，分别是q-和d-axis的电感、电流、电压，R为电动机定子绕组的电阻值，为转子角速度，为定子绕组永磁铁产生的通量的振幅，p为电动机的极对数，为电磁转矩，J为转子和负载的混合惯量，F为转子和负载的粘滞摩擦，为转子角位移，为轴的机械转矩。其次，图4a和图4b所示的电动机和发电机模式的效率曲线图可以对电动机的能量损失进行研究。图4蓄电池建模：蓄电池系统包括充电状态评估模型和电池组工作电压模型。充电状态（SOC）的评估主要采用能量守恒和四路线方法。电池组工作电压模型是Shepherd模型、Unnewehr universal模型、Nemst模型的混合体。上式中蓄电池的端电压，R蓄电池的内阻，为实验数据确定的系数。就蓄电池的效率曲线来说，平均效率（80%）是用来衡量在在能量转换的过程中在考虑了蓄电池系统中复杂的电化学原理的情况下能量损失情况。总之，发动机，电动机和蓄电池的稳定状态效率曲线图都与能量的损失有关。因此，在混合动力液压挖掘机中的能量转换现象都已加于考虑。多工作点动态控制策略：在这一节中，在混合动力液压挖掘机环境下一步一步的提出了多工作点动态控制策略。首先，控制系统的结构同对发动机、电动机和蓄电池控制的主要目标一同被引入。然后，根据液压挖掘机的不同工况对多工作点动态控制策略进行了详细的说明。此外，我们给出了一组最终优化参数。最后，该控制策略的控制效果如图所示：如图5所示，控制系统的结构由一个主控制单元（CCU）、一个发动机控制单元（ECU）、一个电动机控制单元（MCU）和一个蓄电池控制单元（BCU）组成。主控制器处于整个控制系统的顶端，其完成大量的命令和控制策略。简单地说，主控制单元的控制策略决定着整个控制系统的效率和控制效果。发动机控制单元当工作点需要改变时对发动机的踏板进行调整。电动机控制单元是子系统中最重要的一部分，因为负载转矩的猛烈波动会导致发动机工作做点的不稳定。除此之外，电动机控制单元实时的检测主轴转 图5速，并对其进行调整以使其符合目标转速，电动机控制单元还可以是发动机持续的工作在高燃油效率曲线上。蓄电池控制单元探测电池组的电流和电压，同时可以完成很多的管理工作，比如决定发动机工作点的电池充电状态。从本质上说，混合动力系统引入了一个可以随负载波动的电动机系统，这样发动机就可以持续的工作在高的燃油效率曲线上。这样既可以实现液压挖掘机的高效和低排放。很显然的是，我们最初关注的是固定工作点控制策略，这种策略的目标是保证发动机在恒定的工作点附近工作。对于不同的工况来说，恒定工作点控制不能满足系统的要求同时也不能实现控制目标。此外，恒定工作点可能会导致控制功率的不匹配和不合适的充电状态。这样我们就提出了多工作点控制策略。在多工作点控制策略中，需要采取很多的办法以保证发动机稳定的工作在所谓的最佳工作点（Qm）附近。如果发动机在当前工作点处的输出功率太大，这样就会使充SOC超过所设定的上限，进而使控制器发出控制信号控制发动机工作点转换为低负载工作点Qst.其他两个工作点分别为重载工作点和专门为空载准备的空载工作点。概括起来说，工作点Qm，Qst,，Qsh都在最高燃油效率曲线上，但从表1可以看出工作点Qi不在该曲线附近。表1接下来要说的是SOC,SOC作为工作点切换的信号。当SOC太高或是太低时工作点会相应的进行调整。通常系统会使SOC保持在一个合适的值，这样工作点就不会连续的变化以致不能稳定。因此，对SOC值的管理就需要进行研究以增加系统的稳定性和高效性。表2为一组在以上模型中的得到的SOC优化值。表2从表2可以看出，SOC的上下限已经被限定。进一步说，当SOC的值在限定值的范围内时，发动机工作点就不会进行切换。最后，对系统的响应特性进行详细的介绍。从等式(1)可以看出转矩是系统的最终控制对象。但实际上，我们选择发动机转速作为系统控制对象。当负载功率变化时发动机转速随之改变，这时PI控制器就会发挥作用对发动机转速进行调整。因此，PI控制器决定了系统的响应特性。图6为系统的控制方框图。由于PI控制器的响应特性，当发动机的工作点改变时，发动机转速不会立即回到正常转速，因此发动机工作点，尤其是发动机输出转矩会在正上范围内波动。输出转矩波动的范围越小系统的效率就越高。但是图6所示的闭环速度比例积分控制系统不能够解决这一动态响应问题，尤其是在工作点改变时。所以就提出了对只有闭环速度比例积分控制方法的多工作点动态控制策略的改进措施。图6图7为控制策略的流程图，控制策略的步骤如下所述： 1：系统初始化，包括CCU，ECU，MCU和BCU参数的初始化。尤其是设定发动机初始工作点和合适的SOC值的安排。2：实时参数的收集和计算。详细的说就是BCU收集充电/非充电状态的电流和工作电压进而计算出当前的SOC值，MCU连续的对主轴的转速进行检测，CCU通过CAN总线和J1939通信协议同各子系统控制单元之间交换信息并发布控制命令确定电动机的工作点和控制方法。3：当SOC的值在合适的范围内是，MCU 图7通过闭环速度比例积分控制器保持发动机转速的稳定。4：当SOC的值超过正常极限时，电动机直接转矩控制方法通过CCU的转矩控制命令开始起作用直到发动机稳定的工作在新的工作点附近。基于以上的分析，利用Matlab/Simulink组件对多工作点控制策略进行仿真。图8a为负载所需转矩在发动机和电动机之间的分配。显然，当负载转矩发生剧烈的变化时发动机的输出转矩在所有的工作循环中只是很平滑的波动同时电动机的输出转矩能够及时的随负载转矩的变化而变化。这就表明系统的响应特性取决于控制策略。此外，我们需要进一 图8步消除发动机输出转矩的变化，这样发动机就可以持续的工作于某一工作点上。图8b为电动机在目标转速附近的实际转速波动。实际转速与目标转速之间的偏差大小反映了所使用的控制策略的性能。本多工作点动态控制混合动力系统的偏差如下式计算所示：计算结果表明使用以上控制策略的混合动 图9力系统具有高的性能和动态响应特性。然而，当负载转矩突然增加时，发动机转速立刻下降这样就产生了一个不协调的跳动。图8b表明系统的偏差还是比较理想的但系统响应时间还需进行调整。就这方面问题来讲，在将来还需要进行很多的研究，这同样也是我们计划用于改变系统性能的措施。图9展示了SOC在整个工作循环过程中的波动情况。起初，SOC的值被设定为0.6，然后从图上可以看出在220s时间内SOC的取值范围在0.591-0.630之间。这样就说明蓄电池的SOC的值保持在平衡状态，换句话说就是非充电水平同充电水平相当。所以，在动力驱动链中蓄电池所起的作用是能量转换而不是能量供应。BCU的目标是保持SOC的值的在窄的范围变动，并没有必要连续地切换工作点。在使用多工作点动态控制策略的情况下SOC的控制目标能够成功的实现。然而，像SOC动态检测技术、蓄电池的寿命和蓄电池的充放电特性这些相关性问题需要加以重视。 图10图10a-10c为工作点切换的动态响应特性。当实际的工作点为不匹配的工作点时使用多工作点动态控制策略的系统可以在一定的时间内自动的将发动机切换到与实际工作点相近的工作点上工作，这里所谓的“一定时间”叫做切换时间。切换时间不能太长也不能太短，因为其会影响到系统的响应能力。因此确定切换时间的长短就显得很重要。从图10a可以看出发动机的转矩稳定的工作于点Qm和Qsh，但是当切换工作点时发动机转矩的动态响应特性在多工作点动态控制策略控制下并不是很完美。图10b描述了在工作点Qm和Qsh时的速度对比。偏差1代表了未匹配工作状态时的偏差，其值为180 r/min，偏差2被定义为当负载变化时的速度动态特性，其大概为50 r/min。在0到160s之间控制系统选择Qsh点作为其工作点。从图Fig.10c可以看出SOC的值增加到了0.7，这说明发动机需要工作在低的工作点上。突然在大概第160s位置当SOC 表3的值达到0.7时，工作点从点Qsh切换到具有更小输出功率的Qm点。表 3为在120个工作循环中工作于不同工作点的基准系统、串联配置和并联配置的混合动力系统的燃油消耗对比结果。结果表明并联混合动力液压挖掘机有比其他两种系统更高的效率。结论：本文中通过Matlab/Simulink组件建立了并联混合动力液压挖掘机结构的混合动力系统模型。提出了多工作点动态控制策略，并对其进行一步步的分析。对模型进行了仿真，仿真结果显示了具有该控制策略的系统的优缺点。当系统工作点适合于当前负载时，多工作点动态控制策略可以使SOC的值在很窄的范围内变动并且使发动机速度和输出转矩有快的响应特性，是系统获得好的稳态性能和高的燃油效率。直接转矩控制方法为未配置的工作状态和工作点的切换改善系统的动态响应性能。将来，发动机速度的响应时间需要进一步的改进，在其他控制策略中的工作点切换时间需要跟多的加以注意。