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随车高空作业平台混合动力驱动的控制方法（中英一体）
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高空作业平台
混合
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随车高空作业平台混合动力驱动的控制方法（中英一体）,高空作业平台,混合,动力,驱动,控制,节制,方法,法子,一体
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随 车高空作业平台 混合动力驱动 的 控制 方法 摘要 在文章中展现了 驱动控制系统 的 开发 过程，即 为 混合动力驱动的 随 车高空作业平台 进行 假设 、 建 模 、 模拟和控制 方法 分析 。 特别关注 了对 控制系统 的开发 ，确保通过 利用 对 电 能 的 储存 来实现 适当的能量回收 。 这样的控制方法建立在二 维 控制系统上。 将 高空作业平台 的 高程控制 ， 假设为控制系统的主要目标。 控制系统的第二个 目标是 保持 跟踪和 记录 充 电 电池 电量 水平在预 设 定的限制 之内 。 在 建立 一个控制系统的仿真模型。控制系统模 型 演示 结果 ，在 这样一个 液压 驱动的随车 高空作业平台 得以展现。 关键词 ： 控制 方法 混合动力驱动 能量回收 环保 模糊逻辑 减少车辆废气排放已经 是 多年 来 研究的目标 ;部分是迫于日益严格的环保法规。“ 京都议定书 ” ，是于 1997 年 12 月 ， 在第三届缔约方会议通过的 。 目的是 在 1990年的水平 上 平均 每年 减少温室气体排放（ 5 。 它于 2005年 2 月 16日，俄罗斯同意 后生效。 现在 混合动力系统作为减少温室气体排放，提高燃油经济性和能源效率的手段 而日益 获得的关注。 混合驱动汽车市场 已呈 多年动态增长。 现在 ， 11个大的汽车制造商 正努力 交付 和深入 开发 混合动力驱动的车辆。 尽管 主要 发展的是 乘用车部分，应当强调 汽 车制造商为 卡车 、 面包车和大客车 等 实 现 混合驱动 正加倍努力中 1,2。 ， 作为一 先进的运输技术财团， 在获得 美国陆军国家汽车中心（ 持 后 ，组织了试点方案， 该 方案作为混合 驱动 卡车用户论坛 中 方案的一部分（ ， 意在 加快和协助混合 驱动卡 车的 商品化。根据 测，混合驱动车的市场份额，在 2010年将增长 约 9和在 2020年 将增长约 同时 重型 设备 及特 种 车辆 也 可能 成为实现 为混合动力驱动解决方案 的 对象。但也有一些疑问，该 计划 在经济 层面 上 是否 可行。 不过 考虑 到乘用 车 在维护 环保法规方面发挥 的重要作用 ，起到 “ 规模效应 ” 。在重型 设备 ，高空作业平台， 起重运输设备 或轻型 特种车辆 之中 ， 逐渐 限制经营和 运 用 ，为实现 混合 驱动 方案 提供动力 。 许多情况下， 就某些 机械 的 工作条件，强烈 建议 限制甚至消除内燃机的应用。特别是 在 封闭空间的情况下，如工厂 车间 ，仓库， 内在 安全区等 等之内 ，这里的柴油电力驱动 方案 的实施可以大大延长这种设备使用 期限 。 同时 在另 一独特 的公共 服务领域 ： 市政工程，在夜间 服务于 人口高密集区 的设备 （ 如 街 道洒水 清扫车，垃圾车， 电车牵引网络服务车辆 等）。它 们 往往是政府报告 中 要 去 解决的 一些关于 吊装作业的 问题 。另一个例子是伊顿公司 所 研究的混合动力系统 5,6 ， 用于解决 一些 由柴油发动机工作 噪 声 引起的 问题。 在 法规 限 制 日益严格的形势下， 瓦拉公司设计 的 电 动 起重机 生产线 4， 延 伸 了 对混合 动力 方案提供 支持 的 范围， 以 满足 对 室内 型 随车 高空作业平台 的要求 。 2007年 8月 ， 伊顿公司开始 对这类多用途 混合动力系统 的 中型 随车 高空作业平台 实现了 商业化， 目前已经在 电信 、市政工程、 城 区配 送 、 垃圾 处理、 城市公交客车 、掘取和输送等等行业部门中运用 。 混合动力汽车是指有一 种 以上的 动力来源 。几种不同类型的混合解决方案在过去就 已经被 考虑，现在 仍在 对他们 进行广泛的研究，如混合动力电动汽车（ 1，它使用的电动机 /发电机 、 电池组（或其他蓄电装置） 和利用 飞轮 进行 机械 蓄能的装置 。液压混合动力汽车（ 2， 将 在制动过程中捕获的动能存储在液气蓄能器 中 ，并在汽车加速 时，将所储存的 能量返 还 到传动系统 中 。各种不同结构的混合驱动 形式 （串行和并行）已 被 开发 7,8。 混合动力系统保持了传统的传动结构， 却 以电 力方式 提高 了对 发动机 所产生能量的利用能力 。 图 2. 混合动力驱动单元的结构。 注解 ： X - 活塞 杆 位移， V - 活塞 杆 速度， 活塞 内 的压力， 阀门开关信号（ 8）， 供 油 压力， 电 机 转速 - 开关阀（ 7），号 U - 电池电压， I - 电池电流， 速， 电机控制器的设定值。 这一 系统的 特点是 ，将 制动过程中损失的能量 进行转换，并 储存在电池 中 。储存的能量是用来提高燃油经济性 ，增强在 给定速度 下 车辆性能，或用于 维持汽车在纯电力驱动下行驶 。 以 混合动力 总成 的 机车 控制 系统 比 以 为 唯一动力 的 机车 控制 系统 更为复杂。首先，你需要来确定 5个可能模式之间的最佳操作模式（电机 运转、发电机运转、电源 辅 助 、 充电和 放电 ）。此外，当 选择 电源辅助模式或充电模式 时 ，需要选择发动机功率和电机功率，以达到最佳的燃油经济性，电池充 放电 平衡性和可操作性。 在 增加的动力总成的复杂性 以及 需要实现多重目标 时 ，往往是是采用 二维 控制构 架 5。 电力控制系统的优化分析： 能 源效 率的因素，油耗和排放已经在 3,9,10中给出 。主要 研究 在车辆制动阶段 ， 动能 恢复 的可能性。 在本文中，电源管理控制系统的设计 是针对 一个特殊用途车辆 液压高空作业平台 （ 的 混合动力驱动系统。对于 该 类车辆 ， （ 工作循环中 ）应认真考虑 对 载 势能 的 回收 11,12。 与 其他解决方案 相比，所提议的 混合动力驱动的主要优点是 ：他是 一个简单的驱动架构。它不同于 那些 广泛应用于个人汽车 的 已知方案。 传统 方法（ 用于 个人车 的 ）需要全面重新设计电力传输系统。特殊用途车辆创新的方法，只需要 在 经典 的 伸扩展 单元 。扩展单元 由 液压泵 /马达 间联接 电动 机 组成。这种 方案在 液压子系统帮助 下， 可以区分热能和电气路径 之间 的功率流。然而， 尽管 这种 方案 不是直接从 功率流的角度来看， 但 它要求先进的控制系统 方法 。 在这 篇论文中考虑的是 二维 控制系统结构。较低 水平 的控制是建立 在局部的 经典比例 - 积分 - 微分（ 制器的应用。 较 高 水平 的控制 是建立在 一个模糊逻辑控制器（ 上，该控制器 的设置意 在 为较低 级别 的控制器 发出 动态 控制信号 。 一个专 用 车 1） ， 是由市政通讯服务 处， 用于修理和维 护 有轨和 无轨电车巴士架空线系统，组装和拆解 线 轨 部分。 这类车辆通常 在专用卡车 底盘 的基础上进行设计，并装有适当的工作附件 。 这种设备建立 了高空作业平台（ （ 1） ，它嵌入在吊 臂 的末端， 由液压缸和液压回转马达（ 3）两个 装置驱动。 除了 用 轮胎 在 标准道路上运行，这些车辆的主要 特征 是 能够在 轨 道上 运行。这是 由 低速液压马达驱动另外一组铁路车轮（ 4） 来 实现的。 通常， 维护和修理牵引网络 ， 这些耗时的操作 发生在 整个晚上。对于开展维修工作期间， 车辆处于停车状态 ，而 非 发动机连续运 转来驱动 液压泵 ，为 液压 装置 供油。在这一 工作 阶段，工作 装置 的功 率需求低 - 不超过发动机额定功率 2 的 3，由于柴油 机此时 的 运行状态 ，接近其低效率和 超标 排放的 区域 。同时，柴油 机也 产生 了特别恼人的噪音。 上述缺点可 以 通过额外引入一个 由 电池组供电的电动机（ 来消除 。这 样 ， 供机械动力，当车辆 来自 /开往 它的操作区。停车时车辆的工作 装置对能量的需求将会 任 意地 从 衡。 所 讨论的混合动力驱动的结构如图 2。 为电机提供能源 的 是一套蓄电池（ 5）。设备驱动装置的主 动力源 机牵引参数由脉冲宽度调制器（ 6）控制。这可 以 转 换 电机运作 变成 发电机模式 。 行驱动液压泵（ 3） ,来为 液压驱动系统提供 动力 。 择在适当的工作点运行， 来 驱动第二个液压泵（ 2）。液压油 从 泵（ 2） 和 （ 3）中 流出，在共用的油路汇合 。液压开关阀（ 7） 和 （ 8） 换向后，使液压油流进主回路，或者 通过溢流阀 流出， 或 流进 液压缸（ 9） 的 活塞腔。 液压 缸（ 9） 的 活塞 杆 控制 吊 臂 （ 10）的仰角 并 间接 控制 11）的位置。很明显， 当 平台 在举 升或降低 时，对液压 缸（ 9）的控制 ， 影响 到 负荷 Q 的势能。 以下 是 混合动力驱动单元 在工作循环中显著的 几个阶段： ， 。 在 阶段，增加或分化（ 2）（ 3） 两 泵的 液压 油流 量，引起液压 缸（ 9） 内活塞和 吊 臂适当的升降运动。 为防止流量减少 ，泵（ 2）的部分 液压油流进 主 回路，而剩余 部分 流量，为 使 泵（ 3）切换到电机模式 提供 驱动 力 。 油路 中 液压油的流向 发生改 变， 液压 油 驱动 泵（ 3），和电机（ 4） 进行 机械耦合。在这两个阶段都 可 以 由电 机 （ 4）驱动泵（ 3） 为液压 缸（ 9） 提供动力 。为电池 组 （ 5）充电发生在这个阶段， （ 3）是由泵（ 2）提供 的动力 油驱动 的 。 法 在一般情况下，功率控制 方法 的主要目的是 操作 混合动力驱动 ，使其有 尽可能高的能源效率和 较 低的排放，同时 维持该特 定车辆的性能 13。最大的使用电 能是 混合动力驱动控制系统的主要任务。与 之 对应 辆的噪音水平和经济运行 是该系统的 具体要求。 这 些， 可以通过 所提议的 控制 方法来实现 。这一 方法 是基于 速度 接近一定的规律，同时通过 控制的电池的充电状态（ ，来 有效 捕捉再生能源 。在 工作循环中的 用电力驱动是唯一可 行 的 。 在 t= T 时刻 ， 电池 当前电池电量和最大 可储电量之间的比值， 其 瞬时 表达式 为： 其中： Q（0t） = 池 的 最大 电 量， t） = 1， I（ t） 电池充电或充电电流。 同时，电池的 控制在最 小 的 和最大的 用 最少的损失量 来 有效 地 获得制动能量 ，并输入 电池 内 。 最 小 和最 大值 是根据电池的吸收再生能源 和 重新启动 车辆 系统 的 能力来确定 的 。在一般情况下， 小值 和 最 大值 之间的差 值越大 ，电池可以更 有效 的 吸收 再生能源。然而， 过大的 值 可能会降低电池的使用寿命，这是 由过 度放电 造成的 。因此，应 合理的 确定最佳 小值 和最大值 考虑到电池的充放电效率， 在 本文 中， 范围设定为 发动机和电动马达之间的功率流分布可以通过 驱动的混合 程度（ 来确定 ： 其中：动机的功率，机功率。 合并后的 电源管理 /优化设计问题可以写成如下： m i n ( ) m i n ( ) ( ) S P P Ve t X t X t m i n m a C S O C S O C 段 其中： 001= ( ) ; 0 ( ) 1 ,() C i t d t S O C （ T ） 1-; ( 0 , 1 ) ,m o E m o H D O T） T） 为满足该要求 所提出的控制系统结构图 ，如图 3。 图 3显示了控制系统的结构。控制系统 为 两个 闭环 ： - - 电池组 控制。 每个 闭环 可 以 控制电机控制器。控制信号由逻辑单元 调节 。其目的是 在 适当的时刻 提供 平滑控制信号切换。 制系统在定位 和速度控制 方面有一定的层叠 。模糊控制器 用于控制 速率 。它是从实际需 要 平台 的 位移 ， 计算 而得 。辅助控制器生的 速度信号作为经典的 制器 的 参考 量， 和平台的实际速度 比。第二个控制回路 意在 保持电池的 预定义的 范围内 。这个 回路 由 成 。 ，通过不断调整液压阀定位 来 控制电池的充电水平。 位置控制器 控制器已经发展 到 基 于 经典 制器和 联合 。 选中，是因为 在 控制 中表现出 的非线性 、 多 领 域 、在 多个不确定 性 3下不随时间变化 的适用性。该控制器有两个输入： 其一为 制 偏 差 ， 其二为 当前 速度 提供给 电机 的 4由 三个基本部分组成： 模糊化 ，推理和 清晰化 。控制器的输入 部分是 在 模糊化模 块 中模拟的 。事实上，模糊化，模糊的空间映射到 清晰数值的集合 。 在这个过程中，每一个输入信号 作为 一个 清晰 的样本转化为一组数字 ，用于 解释这个样本隶属于 适当的模糊值（模糊集）。 模糊化输入值 输送到推理机 。 推理 机 的 模糊 输出基于 ：模糊输入，模糊逻辑规则和 在规则库（图 6）中嵌入的知识。创建的规则库 是在 适当的知识 上 ，或通过从数据学习，或真实或模拟实验 的 基础上获得。推理机的模糊输出转化为 由模糊化 程序 得到的清晰 值。 专用 的三角形和梯形隶属函数已用于 模糊化 过程。在模糊 由 7个隶属函数（见图 4和 5） 进行了模糊化 。 推理过程应用的规则库 在 图 6中描绘出来 。 规则 库 是定量知识的假设。 为 理 有 49 条规则。规则库 用 彩色矩阵的形式 来 清晰 的 显示。矩阵的每个条目对应相应的模糊输出（ ;在图 6的右侧 用 竖线 表 示 。 一般 ，重 心 14方法已 应用在 模糊输出 的模糊化 。一个发达的 图 7 中 呈现 。 如上所述，从 输出 传输到 速度 制器。 对 速度控制 ， 在后续的控制系统 中是通过对 液压泵（图 2）转速的控制 来实现的 。速度控制器的设置都经过精心调整，以确保非周期性过渡（无过冲） ， 即使在逐步激发的情况下 也得以保证 （见图 10和 11）。 制器 线性 3）的控制 中 。 1）式中利用 当前 电池的电流量 ， 不断估计 而得到的 。 一个额外的控制单元允许 用来控制 电液 比例 压阀 通断电 。电液伺服阀的控制信号， 是对 供应压力 2p ，根据活塞 下 压力 1p ， 和 电池 的 电流和电压 值 （ I， U） 等 的测量 而得到的 。 在规则库中使用的缩写的概念 在 举升 阶段，控制单元 给 电液 比例 阀（ 7）（ 8） 发出 适当的激励。结果，液压 缸下 端 活塞 腔 与液压主 回路 连接。 当 到要求的位置 时 ，阀（ 8）将 被 推 向中 间位置 ，这将平台的运动 结束 。 这时 ， 柴油机 产生 的能量，可用于电池充电。在电池充电阶段，充电控制器控制液压缸活塞腔 下端的 压力。这 样 可以 避免因 然负载变化引起 意外 过大冲击这样 不愉快的情况。将电液 比例 阀（ 7）切换到 该 位置 后，当 达到所要求的电池充电水平 时， 泵（ 2） 流出的液压油 接回 油箱。 当作业 平台开始 处于降低 阶段 时 ，控制单元再次打开阀门（ 7）， 来使油压低于 活塞 内压力，并保持平衡 。 只有当 阀（ 8） 换向，才会 造成平台的 下降 运动。在此平台运动 时， 潜在的能量转换为电 能 ， 并 用来为电池充电。 冲击切换系统 模拟显示，在控制单元切换操作模式 时， 可能会 出现 控制信号逐步变化。这种现象 应 当 消除 ，因为它有可能降低混合驱动力 数值 的 稳定性 。例如，控制信号的逐步变化引起电机 转速的 动态变化 ， 最后造成主油路 油压 的摆动。 已经制定了一个特别 的控制 单 元 ，以避免混合驱动的控制信号突然变化 带来的 潜在影响。已 制定的控制 单 元，如 概念图 8。 分别代表： 制器的比例 +积分 +衍生成分。是另外配备的 用于 输入控制器初始输出值 装置是控制器的一个组成 部分。交换 机 跟踪各自的输出：控制器 应 切换控制器输出的 时候 ，跟踪系统 自动 设置 2的输出值 ，使其 满足下列 条件： A） 当切换到 B） 当 切换到 控制 偏 差值 e 在切换的瞬间 （ t = 0时）， 由修正单元生成的 辅助值 从 始， 经过 T 的这一准备阶段，补偿值 值 。这意味着 切换的时候处于平衡，即 直流电机控制器的控制值 在 切换的时刻 不会改变 。此操作可确 定 无冲击开关的电机控制器设定值。经过 t 时间后，即 0， 输入 值 E. 混合动力驱动的模拟 研究 已经 利用 了 11中的分析模型 ，在 于 得以实现 。用于模型调整的参数 据 部分 从 开 发 专门车辆 2 时所得 的数据 。图 9中展示了 开发仿真模型的一般 方 框图。 以下主要参数的设 定值 用于模拟 研究中 ： 铅蓄电池的 额定 容量200 额定电压8 V， 直流电 动机 ：额定功率5额定 速度300 柴油 机 额定功率 N=120液压泵的 额定参数 634 2 . 3 * 1 0 /pq m r e v液压缸：活塞直径 D =10大 行 程 S = 大 负 载 ： M =680千克 起 升 /回降 速度：秒 电池充电的初始 值 t） = 模拟 研究中， 假设 ，在工作循环周期 T =18下几个阶段： - 平台 举升 H=1.6 m， - 平台停车，s， - 平台 回降 H=1.6 m。 在图 10和 11中给出了 升 和 回降 速度模拟的结果。 正如在 中提到的，速度设定值是由 成的 。在平台 刚开始进入举升阶段 （图 10）和 回降阶段 （图 11） 这些 控制误差最大 的阶段 ， 速 得到一个 最大输出值。在实际系统中，这可能会导致低阻尼的速度振荡（见图 10）。 在 平台运动的结束阶段 ， 平台速度的设定值和 实际 值 以 渐近 线形式 慢慢变小 。这 能 保 证 轻柔 地接近平台要求的位置。 减少 该平台电池充电水平的 变化 。如图 12所示， 工作循环内， 的变化。在 段观察 到 一个轻微的电池放电 阶段 。这 一结果 来自于 电 机驱动 液压泵 时， 电池的 负载变化 。在 所 观察 到 加，是因为 平台的重力 能量 的 转换和 储存 。（ 在 段的 能量转换量和 在 段所使用的能 量 ）在本例中， 能量回收比率 约 等于 36。 建议每一个 工作循环， 电池放电 比例 是 连续 的对 循环 进行 模拟 ， 得出结论， 在 2920 次工作循环之后， 到最低 值 相 当于 整机 工作时间为14.6 h，见图 13。 效使用 时间约占 工作 循环总 时间 的 74 ，约 12。因此可以得出结论，
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