混合动力汽车的最优控制策略设计和实现车辆工程管理专业.docx

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1、摘要1Abstract2第一章引言31.1 混合动力汽车的发展背景和现状31.2 混合动力汽车的分类3121串联式混合动力汽车3122并联式混合动力汽车4123混联式混合动力汽车41.3 本文主要内容5第二章混合动力汽车的建模62.1 混合动力汽车的工作原理62.2 混合动力汽车行驶模型62.2.1 混合动力汽车的数学模型62.2.2 混合动力汽车的SimUlink模型7第三章控制器83.1 最优控制理论83.2 混合动力汽车的控制器设计8第四章观测器104.1 观测器理论104.2 基于控制律的观测器设计104.3 观测器的仿真实现11第五章结论16参考文献17致谢18随着全球环境问题和石油

2、资源紧缺日益突出，当前普遍使用的燃油动力汽车由于动力使用效率地下以及存在废气排放的弊病，越来越多的汽车厂商投入到新能源汽车的研发。由于短时间内电动汽车存在许多无法解决的技术问题，混合动力汽车(HybridElectricVehicle,HEV)成为目前的发展主流。90年代以来，混合动力汽车取得了阶段性的发展，诸多高新技术的研发使得其性能指标基本达到了燃油汽车的水平，如丰田、日产、本田等汽车研发企业已经对混合动力汽车进行批量生产。由于其不但具有环保节能的特点，又有着充足的动力和较好的经济性，混合动力汽车将会是目前汽车开发的主流方向。围绕着优化混合动力系统的能量管理策略以及提高燃油经济性，本文主要

3、研究内容为：首先，本文对于混合动力汽车进行仿真建模，建立了整车模型。接着确定最优控制目标驾驶平顺性，并根据最优控制理论得到最优控制律，设计控制器。最后，为了使系统控制指标达到研究目标，建立观测器进行跟踪观测。通过仿真得出，基于最优控制理论的混合动力汽车最优控制策略可以很好的跟踪控制律的变化过程，提高汽车的驾驶平顺性。关键词：混合动力汽车；最优控制；观测器AbstractWithglobalenvironmentalissuesandshortagesofoilresourcesbecomingincreasinglyprominent,thecurrentwidespreaduseoffuel

4、-poweredvehicleshascausedthedisadvantagesofpowerusageefficiencyandthepresenceofexhaustemissions.Moreandmoreautomanufacturershaveinvestedintheresearchanddevelopmentofnewenergyvehicles.Becausetherearemanyunsolvabletechnicalproblemsinelectricvehiclesinashortperiodoftime,hybridelectricvehicle(HEV)havebe

5、comethecurrentmainstreamofdevelopment.Sincethe1990s,hybridvehicleshaveachievedaphaseddevelopment.Manyhigh-techresearchanddevelopmenthavemadetheirperformanceindicatorshavebasicallyreachedtheleveloffuelvehicles.Forexample,Toyota,Nissan,HondaandotherautomotiveR&Dcompanieshavealreadymass-producedhybridv

6、ehicles.Becauseitnotonlyhasthecharacteristicsofenvironmentalprotectionandenergyconservation,butalsohassufficientpowerandgoodeconomy,hybridvehicleswillbethecurrentmainstreamofautomotivedevelopment.Focusingonoptimizingtheenergymanagementstrategyforhybridsystemsandimprovingfueleconomy,themainresearchco

7、ntentsofthispaperare:First,thispapersimulatesandmodelshybridvehiclesandbuildsacompletevehiclemodel.Thendeterminetheridecomfortoftheoptimalcontroltarget,andobtaintheoptimalcontrollawbasedontheoptimalcontroltheorytodesignthecontroller.Finally,inordertomakethesystemcontrolindexreachtheresearchgoal,anob

8、serverissetuptoperformtrackingobservation.Throughsimulation,theoptimalcontrolstrategyofhybridvehiclebasedontheoptimalcontroltheorycantrackthechangeprocessofthecontrollawandimprovethedrivingsmoothnessofthecar.Keywords:Hybridelectricvehicle,；Optimalcontrol；Observer第一章引言1.1 混合动力汽车的发展背景和现状由于能源短缺和环境污染对人类

9、社会发展的影响越来越大，在不同的领域实现环境保护以及资源合理利用的意义更加重大，在汽车生产制造业，全球领先的厂商如丰田、通用、福特等公司已经将混合动力汽车作为未来汽车研发生产的主流山。日本丰田公司研发的普锐斯（PriUS）作为全球第一款商业性混合动力汽车，1997年丰田首次对外公开其混合动力系统，展开了混合动力汽车发展的序幕，对亚洲以及全球的开发起到了推动作用，到2017年底，PriUS已经在全球范围销售超过268万辆。目前世界各大汽车公司正在对混合动力单元技术、能量存放技术和汽车集成电力电子模块等方面进行进一步研发，使其实现低成本，高效率的开发目标。我国自主研发混合动力汽车从90年代开始，工

10、业化发展造成了对自然环境不同程度的污染，为了实现可持续发展，新能源汽车的研发被放在了重要战略位置，在国家高技术研究发展计划中，新能源汽车被列为重大专项。国内如上汽集团研发的荣威550插电式强混轿车，中国长安研发的志翔混合动力出租车，比亚迪“唐”混合动力汽车等一系列HEV已经投入批量生产。开发尤其突出的是广汽丰田公司于2010年下线的凯美瑞混合动力款，作为一款中高端私家车，凯美瑞混合动力款不仅驾驶舒适，内饰高档，其动力性和燃油经济性都受到了市场的广泛关注，其搭载了2.4升发动机以及40马力的电池驱动组，百公里油耗为6L,动力强劲，9秒的百公里加速不逊色与燃油动力汽车。1.2 混合动力汽车的分类1

11、.2.1 串联式混合动力汽车（SHEV）串联式混合动力汽车（图1.1）可实现零排放工作模式，发动机直接驱动发电机进行发电，再对电池和电机供电。发动机运行独立于车速和道路条件，提高了效率，但是油耗高，适用于大型客车。图1.1串联式混合动力汽车结构1.2.2 并联式混合动力汽车（PHEV）并联式混合动力汽车（图1.2）特征是以机械形式复合，发动机和电驱动系统可以同时或者单独驱动起汽车，电驱动模式一般用于短程行驶，需要长时间行驶时主要由发动机提供动力，电动机作为辅助动力。该类型混合动力汽车一般使用小型电机,相对提高了燃油经济性。图1.2并联式混合动力汽车结构1.2.3 混联式混合动力汽车混联式混合动

12、力汽车（图1.3）同时具有串联和并联的特点，具有最好的综合性能，但是结构较为复杂，为了实现串联和并联的切换，要设计出最合理的控制策略和控制系统。图1.3混联式混合动力汽车结构1.3 本文主要内容本文首先对混合动力汽车进行仿真建模，建立了整车行驶模型。通过实验建模和理论建模相结合，搭建了混合动力汽车SimUIink模型。接着确定最优控制目标驾驶平顺性，并根据最优控制理论得到最优控制律，设计控制器。最后，为了使系统控制指标达到研究目标，建立观测器进行跟踪观测。通过仿真得出，基于最优控制理论的混合动力汽车最优控制策略可以很好的跟踪控制律的变化过程，提高汽车的驾驶平顺性。通过本文的研究,有望解决提高混

13、合动力汽车行驶平顺性,优化控制策略的问题。第二章混合动力汽车的建模在行驶的过程中，换挡后变速箱转速改变，动力恢复的速度决定了混合动力汽车驾驶的平顺性，因此本文首先对混合动力汽车换挡时的行驶状态进行仿真建模，通过Simulink搭建模型。本章对混合动力汽车的工作原理与行驶模型进行了详细的介绍。2.1 混合动力汽车的工作原理混合动力汽车通过使用燃料转换装置、储能（电池）装置、和电动机作为动力源，从广义上来说，通常称拥有至少两种动力源的汽车为混合动力汽车，但是在实际研发和生产中，目前混合动力汽车主要是指采用内燃机和电动机作为动力源的汽车，其基本构造如图1.1、图1.2、图1.3所示。车辆行驶时，蓄电

14、池电量充足，其输出功率可以满足车辆行驶需求，此时为单发动机驱动模式，在低速行驶时，使用这一模式可以实现零排放；当需要大量动力供给的情况如加速或爬坡时，汽车进入混合牵引模式，此时两个动力系统同时向汽车提供动力；当电动机动力不足时，车辆由燃油发动机提供动力，此时电动机运行在发电机状态，汽车行驶过程中动力得以回收，此时蓄电池为充电状态，储存的电能用于以后的重复利用。混合动力汽车的工作原理使其按行驶所需要的平均功率来确定发动机的最大功率，因此当其处于平均功率时，混合动力汽车在最优工况下工作，油耗低，污染小。2.2 混合动力汽车行驶模型2.2.1 混合动力汽车的数学模型根据混合动力汽车的结构和性能，建立

15、行驶动力学数学模型，研究车辆在换挡过程中的行驶平顺性。通过此数学模型，对己有的控制策略进行优化。对行驶换挡过程中的混合动力汽车，建立如下的状态变量：xI=%(2-1)2=7n(2-2)%3=uz(2-3)c+TmTrwilg(2-4)其中3l是传动系统的形变，3rn是变速箱输入转速，3w是车轮转速，兀+%-TkHL是变速箱输入转矩减去等效的行驶阻力。通过这些状态变量可以建立出关于行驶平顺度的状态模型：rO1OikdCdJCdl917X+00QCd_d00IgJmTgJWJwLiJLOOO0其中，A是离合器转矩，7是电机转矩，Tk）i是汽车车轮阻力矩，G是变速箱和主减速器的总传动比，ym是总惯量，九是车轮和车身的等效惯量，储是传动轴刚度，Cd是传动轴阻尼，n是电机转动惯量，上是离合器的转动惯量，人是变速箱的转动惯量，儿是车身的转动惯量，煮、几的具体表达形式如下：Jm=JC+Jm+Jt（2-6）Jw=r11vehrw+w（2-7）2.2.2 混合动力汽车的SimlIIink模型图2.1混合动力汽车行驶Simulink模型第三章控制器3.1 最优控制理论在现代自动控制技术中，最优控制理论主要用于对各种控制系统的优化，从多种控制方案中设计