重型商用運輸車輛在國家的現(xiàn)代化基礎建設中扮演著重要的角色,在我國當前廣闊的市場需求、嚴格的油耗限值以及更高的整車綜合性能需求的背景下,發(fā)展高效商用車混合動力系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為國內商用車行業(yè)發(fā)展的共性需求。其中,輪轂液壓混合動力系統(tǒng)憑借其功率密度大、質量體積小、綜合成本低等優(yōu)點,在重型商用車領域表現(xiàn)出較強的競爭力與良好的市場應用前景。作為一種新型液壓混合動力系統(tǒng),輪轂液壓混合動力系統(tǒng)具備非常好的應用潛力,其不僅可以顯著改善重型車輛在低附著路面的通過性;還可以在車輛制動時通過蓄能器實現(xiàn)再生制動能量回收以提高整車經(jīng)濟性,同時通過蓄能器的液壓輔助制動可改善制動安全性。本文在國家自然科學基金面上項目“重型商用車輛輪轂液壓混動系統(tǒng)多模式動態(tài)協(xié)調與非線性控制”(編號51675214)的資助下,對重型商用車輪轂液壓混合動力系統(tǒng)多模式能量管理策略以及非線性動態(tài)協(xié)調控制等關鍵環(huán)節(jié)開展了研究工作。本文首先結合參數(shù)辨識技術以及節(jié)點容腔法,基于MATLAB/Simulink軟件建立了輪轂液壓混合動力系統(tǒng)仿真平臺,包括機械傳動路徑動力學模型以及液壓傳動路徑動態(tài)模型,并利用成熟商業(yè)軟件AMESim對集成模型的準確性進行了對比驗證,為多模式能量管理與動態(tài)協(xié)調控制策略的開發(fā)提供了準確的計算環(huán)境;第二,建立了重型商用車行駛工況及車輛關鍵狀態(tài)參數(shù)聯(lián)合觀測算法,包括基于改進卡爾曼濾波算法的道路坡度估計、基于運動學方法的縱向車速估計、基于模型的輪胎力及路面附著系數(shù)的聯(lián)合估計以及基于遞推最小二乘算法的整車質量辨識,通過利用車輛總線上的易獲取狀態(tài)信息以及車載低成本傳感器采集信息,可以實現(xiàn)其他不宜直接獲取的狀態(tài)參數(shù)的準確估計,為多模式能量管理策略提供了精確的參考輸入;第三,提出了基于能量計算的輪轂液壓混合動力系統(tǒng)理論油耗計算模型,基于輪轂液壓混合動力系統(tǒng)內部能量流角度,提出了混合動力系統(tǒng)平均綜合傳動效率概念,并得到了理論油耗計算模型,可實現(xiàn)理論油耗的宏觀計算以及油耗影響因素的細節(jié)定量分析,為輪轂液壓混合動力系統(tǒng)多模式能量管理策略研究提供了理論分析依據(jù);第四,提出了輪轂液壓混合動力系統(tǒng)全局優(yōu)化改進算法,以保證多模式能量管理策略的最優(yōu)性,其中考慮輪轂液壓混合動力系統(tǒng)高速行駛時蓄能器放能限制的工作特性以及全局優(yōu)化算法的“維度災難”問題,本文分別設計了基于車速-蓄能器SOC(SOC,state of charge)的等效燃油消耗因子計算方法以及基于輪轂液壓混合動力系統(tǒng)工作特性的全局優(yōu)化降維改進算法,在不影響優(yōu)化結果精度的前提下可實現(xiàn)更高的計算效率;第五,提出了基于分層控制的多模式能量管理策略控制架構,在工況適應層利用模糊邏輯建立不同工況、車輛狀態(tài)與目標工作模式之間的映射集合,解決車輛行駛工況與系統(tǒng)工作模式匹配問題,在最優(yōu)控制層,根據(jù)對全局優(yōu)化結果的深入分析,通過規(guī)則提取以及LQR(LQR,linear quadratic regulator)二次型調節(jié)器的設計,形成一種基于固定門限值以及SOC目標跟蹤控制的最優(yōu)控制層控制方法,可以實現(xiàn)近似最優(yōu)的控制效果;最后,設計了基于模型預測控制的驅動力協(xié)調控制策略以及基于Lyapunov穩(wěn)定性原理的非線性控制器,最終得到具備良好實施效果的非線性動態(tài)協(xié)調集成控制器,以解決輪轂液壓混合動力系統(tǒng)驅動力協(xié)調控制與液壓系統(tǒng)本質非線性的耦合控制問題,保證系統(tǒng)工作過程中的動態(tài)控制品質。為驗證所提出的多模式能量管理與非線性動態(tài)協(xié)調控制策略,本文利用dSPACE/Simulator以及TTC200快速原型控制器,搭建了輪轂液壓混合動力系統(tǒng)HIL(HIL,hardware-in-the-loop)測試平臺進行集成控制測試驗證。分別在重型商用車CBDTRUCK循環(huán)工況、實車道路試驗采集工況以及名義仿真工況下,驗證了所設計的行駛工況與系統(tǒng)狀態(tài)聯(lián)合觀測算法、多模式能量管理策略以及非線性動態(tài)協(xié)調控制策略的有效性與實時性,實現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟性與工況適應性、動力性與通過性以及動態(tài)控制品質的綜合提升。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：U469.7
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 研究現(xiàn)狀
        1.2.1 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
        1.2.2 液壓系統(tǒng)能量管理策略研究現(xiàn)狀
        1.2.3 動態(tài)協(xié)調與非線性優(yōu)化控制研究現(xiàn)狀
    1.3 研究內容
第2章 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)動態(tài)建模
    2.1 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)方案
        2.1.1 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)構型
        2.1.2 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)基本參數(shù)
        2.1.3 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)基本工作模式
    2.2 機械系統(tǒng)動力學模型
        2.2.1 發(fā)動機模型
        2.2.2 離合器與變速器模型
        2.2.3 整車動力學模型
        2.2.4 輪胎模型
    2.3 液壓系統(tǒng)關鍵部件動態(tài)建模
        2.3.1 簡單油液模型
        2.3.2 液壓管道模型
        2.3.3 液壓變量泵準穩(wěn)態(tài)模型
        2.3.4 液壓控制閥組模型
        2.3.5 輪轂液壓馬達模型
        2.3.6 液壓蓄能器模型
    2.4 輪轂液壓系統(tǒng)集成建模與仿真驗證
        2.4.1 基于節(jié)點容腔法的輪轂液壓系統(tǒng)集成模型
        2.4.2 模型仿真測試對比驗證
    2.5 本章小結
第3章 行駛工況及車輛狀態(tài)聯(lián)合觀測
    3.1 行駛工況及狀態(tài)參數(shù)聯(lián)合觀測算法架構
    3.2 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的坡度估計算法
        3.2.1 基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合坡度估計
        3.2.2 卡爾曼濾波簡化算法
        3.2.3 基于陀螺儀的加速度傳感器測量值校正
    3.3 縱向車速估計
    3.4 基于模型的輪胎力及路面附著系數(shù)聯(lián)合估計
        3.4.1 基于滑模觀測器的輪胎縱向力估計
        3.4.2 基于前饋+反饋的路面附著系數(shù)最優(yōu)估計
    3.5 基于遞推最小二乘法的整車質量估計
    3.6 聯(lián)合觀測算法驗證
        3.6.1 道路坡度估計算法驗證
        3.6.2 縱向車速估計算法驗證
        3.6.3 輪胎縱向力與路面附著系數(shù)聯(lián)合觀測算法驗證
        3.6.4 整車質量辨識算法驗證
    3.7 本章小結
第4章 基于能量計算模型的理論油耗影響因素分析
    4.1 基于能量的系統(tǒng)理論油耗計算模型
        4.1.1 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)內部能量流分析
        4.1.2 平均綜合傳動效率定義
        4.1.3 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)理論油耗計算模型
    4.2 基于理論油耗模型的節(jié)油貢獻率分析
        4.2.1 理論綜合油耗增量計算模型
        4.2.2 節(jié)油量與節(jié)油貢獻率定義
    4.3 理論油耗計算模型仿真驗證
        4.3.1 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)基本控制策略
        4.3.2 仿真工況選擇
        4.3.3 理論油耗仿真計算結果
    4.4 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)油耗影響因素討論
        4.4.1 再生制動能量回收節(jié)油貢獻率
        4.4.2 發(fā)動機平均燃油消耗率節(jié)油貢獻率
        4.4.3 平均綜合傳動效率節(jié)油貢獻率
        4.4.4 理論油耗影響因素分析小結
    4.5 本章小結
第5章 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)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體架構
        5.1.2 多模式能量管理策略研究內容
    5.2 輪轂液壓混合動力系統(tǒng)全局優(yōu)化算法
        5.2.1 全局優(yōu)化算法基本原理
        5.2.2 基于系統(tǒng)多模式控制特性的全局優(yōu)化改進算法
        5.2.3 全局優(yōu)化改進算法計算結果
    5.3 液壓系統(tǒng)多模式切換優(yōu)化控制規(guī)則研究
        5.3.1 確定性模式切換規(guī)則
        5.3.2 不確定性模式切換規(guī)則
    5.4 多模式能量管理策略驗證
        5.4.1 名義工況仿真驗證
        5.4.2 CBDTRUCK循環(huán)工況仿真驗證
        5.4.3 實車試驗工況仿真驗證
    5.5 本章小結
第6章 輪轂液壓系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調與非線性集成控制
    6.1 驅動力協(xié)調與非線性控制問題描述
        6.1.1 驅動力協(xié)調控制問題
        6.1.2 液壓系統(tǒng)非線性控制問題
        6.1.3 動態(tài)協(xié)調與非線性集成控制器
    6.2 多模式泵排量優(yōu)化控制算法
        6.2.1 基于綜合效率最優(yōu)的蠕行模式泵排量控制
        6.2.2 基于最優(yōu)驅動力分配的閉式回路助力模式泵排量控制
        6.2.3 基于最優(yōu)控制規(guī)則提取的主動充能模式泵排量控制
    6.3 基于模型預測控制的驅動力協(xié)調控制策略
        6.3.1 面向控制器設計的輪轂液壓系統(tǒng)模型
        6.3.2 預測模型
        6.3.3 約束優(yōu)化
    6.4 基于Lyapunov穩(wěn)定性的泵排量非線性控制
        6.4.1 面向控制器設計的泵排量執(zhí)行機構模型
        6.4.2 基于Lyapunov穩(wěn)定性的非線性控制器設計
        6.4.3 名義工況仿真驗證
    6.5 動態(tài)協(xié)調與非線性集成控制仿真驗證
        6.5.1 低附著路面工況仿真結果
        6.5.2 高附著路面工況仿真結果
        6.5.3 非線性動態(tài)協(xié)調控制器性能評價
    6.6 本章小結
第7章 硬件在環(huán)仿真試驗驗證
    7.1 集成控制策略
        7.1.1 快速NMPC控制器簡化
        7.1.2 集成控制策略
    7.2 硬件在環(huán)仿真測試
        7.2.1 硬件在環(huán)仿真平臺
        7.2.2 車輛狀態(tài)聯(lián)合觀測算法測試驗證
        7.2.3 工況適應層模式切換測試驗證
        7.2.4 整車燃油經(jīng)濟性測試驗證
        7.2.5 NMPC非線性動態(tài)協(xié)調控制仿真驗證
    7.3 本章小結
第8章 全文總結及展望
    8.1 全文總結
    8.2 論文創(chuàng)新點
    8.3 研究展望
參考文獻
作者簡介及科研成果
致謝


本文編號：2859650