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原文传递混合动力传动系统建模及优化控制研究

论文题名：	混合动力传动系统建模及优化控制研究
关键词：	混合动力汽车;混合动力传动系统;模糊状态反馈;非线性最优控制;双滑模控制;燃油经济性
摘要：	随着经济的发展，能源问题逐渐成为一个战略问题。在石油价格持续增长和全球变暖趋势的影响下，世界各国对节能减排提出了更高的要求。汽车作为燃油消耗及温室气体排放大户，如何改善其燃油经济性和排放已成为当务之急。　　集成了发动机及电动机的混合动力汽车在保持传统汽车优点的同时，又提高了燃油经济性，被认为是中短期内解决节能减排问题的最佳选择。混合动力传动系统由常规变速箱集成电机组成，是一个机电液耦合的复杂系统，国内外对混合动力传动系统的能量管理等方面做了大量的研究，但对于复杂传动系统建模及控制、工况切换、挡位切换、乘坐舒适性等方面均较少研究。结合国内外在车辆建模、优化控制等方面的研究成果，对混合动力传动系统进行了分析，重点研究了系统运动学、动力学特性分析及建模方法、极端工况下的控制、状态切换优化等问题，所提出的方法具有很强的通用性，可用于其它类型车辆建模及优化控制。　　本文首先建立了混合动力车辆的动态特性模型，并对影响操作性和工况切换过程平顺性的子系统进行了重点研究。由于非线性部件广泛存在于传动系统中，基于净贡献判据提出了一种非线性系统的线性参数模型递归辨识算法，通过迭代求解实现了模型项的增加、减少和系数矩阵的更新，并可同时得到模型结构和参数，仿真结果表明所提出的算法具有很高的辨识精度和数值稳定性。　　根据杠杆等效原理，建立了基于键合图的综合分析方法，并将之用于某双模式混合动力传动系统的特性分析及建模，将行星传动等复杂传动系统的运动学及动力学分析统一于同一过程中;由于传动系统结构复杂，很多部件的参数很难通过测量得到，本文研究了一种基于测试数据的模型参数辨识方法，采用遗传算法结合键合图分析结果辨识模型参数，所提出的方法同样也可用于类似系统模型辨识和控制参数优化。　　状态反馈控制和模糊控制在数学上具有一定的联系，通过分析，提出了一种全新的状态反馈控制器设计方法，结合模糊逻辑，设计了模糊-状态反馈控制器，并将之用于时滞非线性系统的镇定和对给定信号的跟踪。与常规的状态反馈控制器相比，参数选取方便，控制器响应速度快，鲁棒性更强。　　为了提高双模式混合动力传动系统的效率，根据运动学分析结果，提出了传动系统输入、输出速比控制的概念，并以此为基础，综合考虑发动机的热效率及传动系统的效率，得到了整车燃油经济性瞬时最优情况下发动机的运行工况点。研究发现通过减小传动系统内部的能量循环，能够显著提高传动系统的效率和车辆的燃油经济性。　　针对采用AMT(Automated Manual Transmission)的某并联混合动力车辆在运行工况切换和挡位切换过程中存在的冲击较大等问题，本文基于最优控制的相关理论，提出了一种离合器接合过程最优跟踪曲线的设计方法，并研究了解耦控制算法实现对优化曲线的跟踪，离合器接合平稳、快速，大大减小了冲击。　　离合器及其驱动机构是一个非线性系统，为了实现对其运动的精确控制，研究了一种非线性最优控制算法，首先通过伪线性化得到系统的状态空间模型，由于模型的参数为时变参数，会随着系统状态的变化而改变，控制器通过每一步求解Riccati方程得到最优控制律，从而实现运行工况切换或换挡过程中离合器位移的精确控制，充分满足了混合动力车辆对过渡工况快速性和平顺性等方面的需求。　　二次型最优指标函数权重矩阵通常由经验法得到，基于输出协方差约束，研究了一种Q和R的计算方法，保证控制器稳定的同时，对系统中的过程噪声也具有很强的抑制能力。　　非线性最优控制器在应用过程中的每一步都需要求解状态相关Riccati方程，为了满足实际系统应用的需要，研究了一种基于矩阵向量化和牛顿梯度的迭代方法求解Riccati方程。为了满足算法快速收敛的需要，考虑到系统状态变化的连续性，迭代求得的Riccati方程解将被作为初始值代入下一状态相关Riccati方程的求解过程中。与常规的方法相比，该方法大大加快了方程的求解速度，为控制器的实时应用提供了前提。　　为了加快离合器的接合过程，同时减小传动系统输出轴的转矩波动，提出了一种耦合双滑模控制算法，通过协调控制发动机和电机的输出转矩，减小了运行工况和挡位切换过程中的冲击，提高了乘坐舒适性。　　通过本课题的研究，更进一步了解了混合动力传动系统的设计及优化控制等关键技术，所提出的分析方法具有很强的适应性，可为类似研究提供借鉴。
作者：	金涛涛
专业：	机械电子工程
导师：	李平康
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文