串联式混合动力推土机控制策略的优化.pdf
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1、第1 1 卷第2 期2 0 1 3 年4 月中国工程机械学报C H I N E S EJ O U R N A LO F C O N S T R U C T I O NM A C H I N E R YV 0 1 1 1N o 2A p r 2 0 1 3串联式混合动力推土机控制策略的优化楼狄明,曹卢,宋业栋,谭丕强,胡志远(同济大学汽车学院,上海2 0 1 8 0 4)摘要:根据推土机的结构和工况提出了串联式混合动力系统的设计方案,通过仿真平台对串联式混合动力推土机动力系统的能量管理策略和不同工作模式间相互切换的条件进行了研究及分析,应用模糊逻辑技术,构建模糊推理器,对控制策略进行了模糊优化,
2、使系统的工况稳定性和效率得到了提高计算结果表明:控制策略优化后,混合动力推土机的发动机工况点在高效区的比例增加了1 6 3 8,燃油经济性提高了6 2 左右,效果显著关键词:混合动力;推土机;仿真建模;控制策略;模糊优化中图分类号:T U6 2 3 5文献标志码:A文章编号:1 6 7 2 5 5 8 1(2 0 1 3)0 2 0 1 3 3 0 5C o n t r o ls t r a t e g yo p t i m i z a t i o no ns e r i e se l e c t r i ch y b r i db u l l d o z e r sL O UD i-m i
3、n g,C A OL u,S O N GY e-d o n g,T A NP i-q i a n g,H UZ h i-y u a n(S c h o o lo fA u t o m o t i v eS t u d i e s,T o u g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i2 0 1 8 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:P e r t a i n i n gt ot h eb u l l d o z e rs t r u c t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n s,t
4、h ed e s i g no p t i o n so ns e r i e se l e c t r i ch y b r i ds y s t e ma r ep r o p o s e d T h r o u g ht h es i m u l a t i o np l a t f o r m,t h ee n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y,t o g e t h e rw i t hd i f f e r e n tw o r k i n gm o d es h i f tc o n d i t i o n s,i sa n a
5、l y z e d B ya p p l y i n gt h ef u z z yl o g i ct e c h n i q u e,af u z z yi n f e r e n c es y s t e mi se s t a b l i s h e d W i t hf u z z yo p t i m i z a t i o no nc o n t r o ls t r a t e g y t h es y s t e mw o r k i n gc o n d i t i o ns t a b i l i t ya n de f f i c i e n c ya r ee n h
6、 a n c e d T h e r e a f t e r,i ti sf o u n df r o mc a l c u l a t i o nr e s u l t st h a t,u p o nc o m p l e t i o no fc o n t r o ls t r a t e g yo p t i m i z a t i o n,t h ee n g i n ew o r k i n gc o n d i t i o n sw i t h i nt h eh i g h e f f i c i e n c yz o n ei n c r e a s eb y1 6 3 8
7、w h i s tt h eo i le c o n o m i c si n c r e a s e sb y6 2 K e yw o r d s:e l e c t r i ch y b r i dp o w e r;b u l l d o z e r;s i m u l a t i o nm o d e l i n g;c o n t r o ls t r a t e g y;f u z z yo p t i m i z a t i o n近1 0 年来,国内市场对推土机的需求量迅速增加,但推土机的作业工况十分复杂,负荷波动范围大、频度高E 1 ,驾驶员在作业中要操作的机构多,劳动强度大
8、,生产效率低,系统故障多,这些缺点已不能满足客户的要求 2 因此,发展新型推土机是未来发展的趋势工程机械采用混合动力总成是目前被公认的最有效可行的节能减排技术路线 3 针对工程机械混合动力系统结构,开发有针对性的、合理优化的控制策略,提高整机的能源利用效率、提高发动机的燃油经济性,已经成为工程机械系统设计与系统控制领域的前沿研究方向 4 本文以某款推土机为原型机,建立了混合动力推土机的仿真模型,并对动力总成控制策略进行模糊优化和仿真然后对模糊优化前后的仿真结果进行对比分析,得出优化结论1 控制策略设计及模糊优化1 1 混合动力控制策略的设计首先,根据推土机原型机在不同循环工况下的仿真计算结果,
9、结合混合动力推土机需要达到的性能要求,在M A T L A B S i m u l i n k 环境下设计了一种基于逻辑门限控制的动力总成控制策略然后,在C r u i s e 整车仿真平台上,对混合动力推土机动力系统及零部件进行选型设计按照混合动力推土机动力总成的设计要求,拟作者简介:楼狄明(1 9 6 3 一),男,教授,博士生导师E-m a i l:l o u d i m i n g t o n g j i e d u c n万方数据中国工程机械学报第1 1 卷根据恒温器式能量管理策略对动力总成进行控制嘲在这种能量管理模式中,发动机或发电机组的运行完全由电池的荷电状态(S t a t e
10、o fC h a r g e,S O C)予以控制6 I 根据该能量管理策略进行的控制策略流程图如图1 所示图1 控制策略流程图F i g 1F l o wc h a r ;o ft h ec o n t r o ls t r a t e g y表1 是针对混合动力推土机的电池、发动机、发电机在各种工况模式中的条件进行了控制策略的设计,具体工作分析如下所示表1 工作模式分析T a b 1A n a l y s i so ft h ew o r km o d e工况模式描述充电模式雾誓舌嘉骛盛喾嚣誊燃窖靛器喜婆驱动鑫羹燃蔷猫。提w 供(S 能O C 量,纂备翥辊“一运行婴率模晏鬟絮表蠹赫簿囊蓍襄
11、旗躲集豸毫对蓄电池组而言,长时间过充电会导致电池损坏,过放电会影响整车性能,时间过长最终会导致电池损坏通常要求S O C 值的范围至少在4 0 9 0 之间综合考虑循环效率、系统动力性、电池单元电压随S O C 值的变化曲线等因素,最终选定混合动力推土机蓄电池组的工作区间为5 5 S O C 值8 5 根据混合动力推土机发动机万有特性和电机转速一扭矩特点可知,发动机在15 0 0r m i n。高负荷工况下,发动机的综合油耗率最低;进而分析混合动力推土机发动机外特性,发动机的最大转矩区间为13 0 0 15 0 0r r a i n,故将混合动力推土机发动机目标转速区间设定为(14 0 0 1
12、 0 0)r m i n 当发动机工作在此转速区问的高负荷区时,可获得发动机转矩、油耗的最佳平衡1 2 控制策略的模糊优化本文使用模糊控制对混合动力推土机动力总成的控制策略进行优化,采用的模糊优化方法是基于蓄电池组的S O C 值与发动机的负荷状态2 组参数,针对不同状态下的参数组合建立相应的规则库,输出相应的控制信号这种优化方式较容易实现工作模式切换的平滑过渡,同时也便于在未来集成更多的排放控制功能 7 1 2 1 模糊优化控制的函数设计以串联混合动力的控制策略为前提,在逻辑门限控制策略的基础上,用模糊逻辑取代布尔逻辑,用“高”、“适中”、“较低”等模糊参数取代精确参数建立模糊控制策略 8
13、棚 由于布尔逻辑是二值逻辑,而模糊逻辑是一种多值逻辑,模糊控制策略规则的细化程度要比逻辑门限控制策略的高 1 1 1 对混合动力推土机动力系统的运行状况的分析表明:在动力总成控制策略中实行模糊逻辑优化控制,满足车辆的动力性和驾驶的平稳性要求,混合动力推土机在充电工况中,发动机能够更多集中在高效区,实现更低的燃油消耗,有利于经济性的改善设计模糊逻辑控制器可以用M A T U 姬文件的形式建立,目前M A T L A B 模糊工具箱提供的模糊推理方法有M a m d a n i 和S u g e n o2 种,在很多方面,它们的推理是类似的 12|本文使用S u g e n o 模糊逻辑控制器来计
14、算电池的充电量在M A T L A B 命令窗口输入“f u z z y”,打开F I S 编辑窗口,由于所设计的是二位模糊控制器,因此在菜单“E d i t A d dV a r i a b l eI n p u t”设置2 个输入变量,2 个输出变量,就可以在这个界面对模糊系统进行修改和编辑了(1)从C r u i s e 中的蓄电池组模块读取蓄电池组的S O C,将不同S O C 值定义为5 个模糊子集 t o o-l o w(0 S O C 0 5 5),l o w(O 4 5 S O C 0 6 5),n o r m a l(0 6 S O C 0 7 8),h i g h(0 7
15、5 S O C 0 8 8),t o o h i g h(O 8 5 S O C 1),l o w 表示低,t o o l o w 表示太低,n o r m a l 表示正常,h i g h 表示高,t o o h i g h 表示太高电池S O C 的隶属函数如图2 所示万方数据第2 期楼狄明,等:串联式混合动力推土机控制策略的优化1 3 5魁噻髅图2 电池S O C 的隶属函数F i g 2M e m b e r s h i pf u n c t i o no fS O C(2)发动机的负荷状态参数定义为发动机输出的瞬时转矩疋与当前转速下的最大转矩T 一之间的比值仅:口=恚根据混合动力推土
16、机发动机的外特性曲线及万有特性曲线,将发动机的负荷状态也分为5 个模糊子集 t o o-l o w(0 L o a d E n g i n e J 0 2 5),l o w(0 1 5 L o a d E n g i n e J 0 6 5),n o r m a l(0 5 L o a d E n g i n e J 0 8),h i g h(0 7 5 L o a d E n g i n e J 0 9),t o o h i g h(O 8 5 L o a d E n g i n e J 1)(L o a dE n g i n e 是指发动机负荷信号),发动机负荷状态的隶属函数如图3 所示1
17、 0瑙噬0 5懈O0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 91 0S O C 值,图3 发动机负荷的隶属函数F i g 3M e m b e r s h i pf u n c t i o no ft h ee n g i n el o a d1 2 2 模糊优化的控制规则库设计在完成模糊优化函数输入设计的基础上,对模糊优化函数的输出变量进行设计,并定义好输入量与输出量之间的对应关系,即可完成模糊控制的规则库设计模糊优化控制函数主要针对混合动力推土机动力系统的发动机模块进行设计根据模糊值分配,制订2 5 条控制规则,涵盖了混合动力推土机动力系统所有可能的工作模式E 9
18、1 2 控制规则如下所示:(1)I f(S O Ci st o o-l o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji st o o-l o w)t h e n(L o a d E n g i n ei s+0 5)(2)I f(S O Ci st o o-l o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji sl o w)t h e n(L o a d E n g i n ei s+0 3)(3)I f(S O Ci St o o-l o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji Sn o r m a l)t h e n(L o a d
19、E n g i n ei s+0 1)(4)I f(S O Ci st o o-l o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji Sh i g h)t h e n(L o a d E n g i n ei s0)(5)I f(S O Ci St o o-l o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji St o o-h i g h)t h e n(L o a d E n g i n ei s 一0 1)(6)I f(S O Ci Sl o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji St o o-l o w)t h e n(L o a
20、d E n g i n ei s+0 5)(7)I f(S O Ci sl o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji sI o w)t h e n(L o a d E n g i n ei S+0 3)(8)I f(S O Ci sl o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji Sn o r m a l)t h e n(L o a d E n g i n ei s+0 1)(9)I f(S O Ci sl o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji sh i g h)t h e n(L o a d E n g i n ei s
21、0)(1 0)I f(S O Ci sl o w)a n d(L o a d E n g i n e Ji st o o-h i g h)t h e n(L o a d E n g i n ei S 一0 1)(1 1)I f(S O Ci sn o r m a l)a n d(L o a d E n g i n e Ji St o o 1 0 w)t h e n(L o a d E n g i n ei S+0 5)(1 2)I f(S O Ci sn o r m a l)a n d(L o a d E n g i n e JI Sl o w)t h e n(L o a d E n g i
22、n ei s+0 3)(1 3)I f(S O Ci sn o r m a l)a n d(L o a d E n g i n e JI。Sn o r m a l)t h e n(L o a d E n g i n ei S+0 1)(1 4)I f(S O Ci Sn o r m a l)a n d(k d E n g i n e JI Sh i g h)t h e n(d E n g i n ei s0)(1 5)I f(S O Ci sn o r m a l)a n d(L o a d E n g i n e JI St o o h i g h)t h e n(L o a d E n g
23、 i n ei s 一0 1)(1 6)I f(S O Ci sh i g h)a n d(L o a d E n g i n e JI St O O 1 0 w)t h e n(L o a d E n g i n ei S+0 5)(1 7)I f(S O Ci sh i g h)a n d(L 0 a d E n g i n e JI Sl o w)t h e n(L o a d E n g i n ei s+0 3)(1 8)I f(S O Ci sh i g h)a n d(L o a d E n g i n e Ji sn o r m a l)t h e n(L o a d E n
24、g i n ei s+0 1)(1 9)I f(S O Ci sh i g h)a n d(L o a d E n g i n e J1 Sh i g h)t h e n(L o a d E n g i n ei s0)(2 0)I f(S O Ci sh i g h)a n d(L o a d E n g i n e JI。St o o-h i g h)t h e n(L o a d E n g i n ei S 一0 1)(2 1)I f(S O Ci st o o-h i g h)a n d(L o a d E n g i n e Ji St o o-l o w)t h e n(L o
25、a d E n g i n ei s+0 5)(2 2)I f(S O Ci st o o h i g h)a n d(L o a d E n g i n e Ji Sl o w)t h e n(L o a d E n g i n ei s+0 3)(2 3)I f(S O Ci st o o-h i g h)a n d(L o a d E n g i n e Ji Sn o r m a l)t h e n(L o a d E n g i n ei s+0 1)(2 4)I f(S O Ci st o o h i g h)a n d(L o a d E n g i n e Ji sh i g
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- 串联式 混合 动力 推土机 控制 策略 优化
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