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原文传递多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法

专利名称：	多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法
摘要：	本发明公开了多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，包括以下步骤：第一步：基于PMP和反馈控制理论开发自适应能量管理策略。第二步，即稳健设计第一阶段。首先，研究基于静态田口稳健问题的系统组件设计；然后，构建响应面模型并缩减设计域。第三步，即稳健设计第二阶段：首先，揭示多路线多目标优化性质，并设计研究多目标稳健设计算法；然后，将粗糙解作为多目标稳健设计初值，并构建MOP‑DFSS模型。第四步，稳健设计方案实验验证。本方法揭示噪声干扰下设计变量对目标函数的作用机理，剖析多路线工况下的多目标优化性质，开展基于“质量工程”的PHEB系统组件设计与控制理论研究，为PHEB创新设计与高效控制提供理论依据和新的实践支撑。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	聊城大学
发明人：	孙群;陈纪军;唐娟;刘玉琛;郭洪强;贾雪娇
专利状态：	有效
申请日期：	2023-09-13T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-21T00:00:00+0800
申请号：	CN202311182324.7
公开号：	CN117087647A
代理机构：	山东舜天律师事务所
代理人：	李新海
分类号：	B60W20/11;B60W20/15;B;B60;B60W;B60W20;B60W20/11;B60W20/15
申请人地址：	252000 山东省聊城市东昌府区湖南路1号
主权项：	1.多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，其特征在于，包括以下步骤： P1：插电式混合动力公交车(PHEB,Plug-in Hybrid Electric Bus)建模：PHEB的拓扑结构为单轴并联式，包括发动机、离合器、自动手动变速器(AMT)电机和电池，在设计能量管理的基础上，通过对离合器状态的控制，实现发动机、电机、混合动力等多种工作模式，从参数不同的发动机、电机和不同速比的传动系统确定最佳的部件和相应的能量管理参数，假设车辆质量为11000kg，最大乘客人数为60人，每个乘客的质量为70kg；即，车辆质量变化范围是从110000kg到152000kg，并且这种变化将在部件尺寸优化中被视为噪声；由于系统设计中只关注能量效率，因此忽略横向和纵向动态性能，根据纵向动力学原理，所需功率可以通过以下式获得：其中：Pr表示所需的功率；ηt表示传输系统的效率；m表示车辆质量；g表示重力加速度；fr表示滚动系数；v表示车辆的速度；CD表示空气动力学阻力系数；A表示额叶区域；δ表示旋转质量系数；β表示道路的角度；由于电机在驱动模式下或发电模式下工作，电机的功率模型为: 其中Pm表示电机的功率；ηm表示电机的效率；nm和Tm分别表示电机的速度和扭矩。简化系统设计，SOC的转换通过以下方式评估: 其中：VOC表示电压；Pb表示电池的功率；Rb表示内阻；Qb表示电池容量；因为只有瞬时油耗才是发动机的重点，对于每个发动机，瞬时油耗通过以下方式获得：其中，me表示瞬时油耗；Te表示发动机的扭矩；ne表示发动机的转速，(Te,ne)表示燃油消耗率； P2:自适应能量管理控制方法：基于反馈SOC控制思想，建立基于极小值法(PMP,Pontryagin’s Minimum Principle)的自适应能量管理控制模型；考虑最优SOC的不可预测性，确定一种动态域SOC规划方法；考虑协调因子调节频率对整车能耗经济性的影响，确定一种基于协调因子均值反馈和容差控制的PI控制器；考虑不同路线、随机工况和随机质量对控制器的扰动，研究PI参数的鲁棒设计方法，进而建立满足底层能量管理求解和直接应用需求的自适应能量管理控制策略； P3:设计域缩减和粗超解求解方法多款不同发动机，不同驱动电机、传动系统传动比和PI参数构成了系统组件设计的复杂设计域，如果直接进行多目标稳健设计理论(MOP-DFSS,Multiply objectiveOptimization-Design For Six Sigma)设计，将无法全面彻底地探索整个设计空间，并获取最佳的设计点，典型公交线路一般由多个站台和路段构成，且各路段整车质量具有随机性，为充分挖掘随机质量对与系统组件设计的耦合机理，需将各路段的整车质量设计成随机变量，并考虑多种不同的水平，因此，随机质量将构成复杂的噪声空间，如再考虑随机工况，噪声空间将更加难以处理；基于田口稳健设计理论(TRD,Taguchi Robust Design)，开展设计域缩减和粗超解求解，基于远程监控系统选取并下载被测区域一个月内，同一车型不同线路实车运行工况数据，并基于统计学理论，开展不同时段典型公交工况分类方法研究；设计包含PHEB设计和运行成本的目标函数及其“望小特性”；采用典型公交工况为随机工况因子和不同路段整车质量为随机质量因子的噪声均衡采样方法构建噪声矩阵；采用系统组件和PI参数为控制因子的控制矩阵设计方法；以多路线自适应能量管理策略为底层计算模块，构建考虑控制矩阵和噪声矩阵的静态TRD分析模型并提取粗超解；基于响应面的方法建立灵敏度分析模型，揭示控制因子与响应，即控制因子与“望小特性”之间的作用机理，并挖掘关键系统组件和PI参数缩减设计域； P4:多目标稳健系统组件设计与控制模型构建:不同公交路线目标值可能存在冲突，需要揭示不同运行工况下，控制因子与目标值的相互作用机理，并设计合理的多目标优化设计方法；确定具有高求解效率，高求解精度的可靠度分析方法；融合控制因子、噪声因子、可靠度分析与全局寻优算法，确定MOP-DFSS实现方法，并构建系统组件稳健设计与控制模型； P5:确定稳健设计方案的可实现问题，设计包含底层驱动、高低压上下电逻辑、故障诊断系统和动力传动部件执行器协调控制问题的执行层控制逻辑；基于混合动力系统硬件在环测试平台，确定稳健设计方案的测试流程与方法；基于稳健设计方案，更换底盘域混合动力系统综合性能试验台部件，并对包含自适应能量管理策略和执行层策略的整车控制系统开展拟实车道路工况的台架验证。 2.根据权利要求1所述的多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，其特征在于:所述的步骤2中自适应能量管理控制方法，包括以下步骤，首先设计动态域SOC规划模型，然后基于反馈SOC控制思想和参考SOC设计自适应能量管理策略；其中，动态域SOC设计为矩形域，且根据当前反馈SOC值和目标值每隔60s规划一次；基于反馈SOC控制思想和参考SOC设计自适应能量管理策略，采用协调因子均值反馈的控制思想，以弱化协调因子调节频率，最大化反馈SOC的波动；引入容差控制思想，以进一步增加反馈SOC波动，即如果反馈SOC位于可行域范围内，则不调控，反之，调控。 3.根据权利要求1所述的多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，其特征在于：所述的步骤3中基于田口稳健设计理论，开展设计域缩减和粗超解求解方法研究，包括以下步骤：首先将多款不同发动机、驱动电机、传统系统传动比和PI参数设计为控制因子，并基于离散变量(发动机和驱动电机)的类型数量和连续变量(传动比和PI参数)的范围设计不同的水平；其次，根据不同路线历史工况的不同类别以及不同路线中的最大路段数量设计不同的噪声因子和足够数量的噪声水平；然后，基于最优拉丁方采样方法对控制因子和噪声因子进行均衡采样，并构建田口稳健内外表；再者，设计目标函数的“望小特性”和终端SOC“望目特性”特性值；最后，执行计算，获取粗糙解和可行设计点，并存入数据库。 4.根据权利要求1所述的多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，其特征在于:所述的步骤4中多目标稳健系统组件设计与控制模型构建，包括以下步骤：首先，设计多目标优化算法，即如果该问题为一致性目标问题，目标函数设计为各路线目标值的加权和，且引入多岛遗传算法，相反，则引入第二代非劣排序遗传算法；然后，将工况和质量建模成随机变量并假设服从正态分布，基于描述性采样方法对其进行采样，并构建噪声矩阵；再次，以自适应能量管理策略为底层求解模块，基于蒙特卡洛可靠性分析方法，对性能函数和终端SOC进行分析，并输出均值，标准差和Sigma水平等响应；最后，将响应反馈给多目标优化模块，并基于该模块对当前控制因子进行评估，如果满足设计要求，则停止，如果不满足，则重复上述过程。 5.根据权利要求1所述的多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，其特征在于:所述的建立基于极小值法的自适应能量管理控制模型,将SOC作为最优能量管理控制问题的状态，将发动机节气门和AMT换挡指令作为控制变量,通过最优拉丁方设计对两个控制变量进行采样，并作为一个控制变量，为了提高整车的燃油经济性，成本函数定义为燃油消耗量和AMT换挡次数的加权和其表示为: 其中J表示代价函数，uc(t)表示控制向量；a表示控制因子；shift(t)为换挡指令；基于PMP的原理，能量管理可以通过以下方式制定: 其中H(x(t),uc(t),λ(t),t)表示哈密顿函数，ωe(t)和ωm(t)分别表示发动机和电机的转速，ωe_min、ωe_max和ωm_min、ωm_max表示相应的边界；pe(t)和pm(t)表示发动机和电机的功率；pe_min(ωe(t))、pe_max(ωe(t))、pm_min(ωm(t))和pm_max(ωm(t))表示权重因子。
所属类别：	发明专利