（动力机械及工程专业论文）燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究.pdf

大i g 理2 1 2 大学硕士学位论文 摘要 燃料电池车以其节能无污染的优点，成为世界各国竞相发展的产业。电机驱动系统 作为燃料电池车发展的关键技术，直接影响着燃料电池车的整体性能。本文从电机控制 策略角度探讨了燃料电池车的电机驱动系统，完成了燃料电池车离散模型参考自适应控 制系统的设计与研究。 本文介绍了燃料电池车实验系统所采用的直流电机驱动系统的组成和工作原理，并 根据实验系统参数建立了系统开环数学模型。在此基础上，设计了采用电流p i 调节和 速度p i 调节的双闭环驱动系统，完成了电流调节器和速度调节器参数的设计，建立了 双闭环系统的数学模型。使用m a t l a b s 1 m u l i n k 实现了系统仿真实验，分析了系统 性能，根据实验结果可知采用p i d 控制不能满足高性能燃料电池车驱动系统的要求。 针对p i d 控制系统存在的不足，本文探讨了离散模型参考自适应控制方法在燃料电 池车电机驱动系统中的应用。具体方法是在采用p i 调节器的双闭环驱动系统的基础上， 将电流环保留，对速度环改造，使用离散模型参考自适应控制替代p i 控制，得到采用 m r a c 控制的电机输出系统，并建立其数学模型。在仿真实验中，比较了两种控制系统 的动态性能指标、抗扰动性和鲁棒性，结果表明m r a c 控制优于p i d 控制。 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心设计了燃料电池车离散模型参考自适应控制系统的硬件 电路和软件程序。硬件系统主要包括速度检测电路、电流检测电路、p w m 输出电路、 d s p 外部电路。软件设计主要包括主程序、p w m 中断程序、电流p i 调节程序、速度 m r a c 调节程序。在燃料电池车实验系统上的实验研究证明了离散模型参考自适应控制 系统设计正确、方案可行、性能较好。 关键词：燃料电池车；电机驱动系统；离散模型参考自适应控制；m a t l a b s i m u l t n k 数字信号处理器 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 r e s e a r c ho nd i s c r e t e t i m em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ed r i v es y s t e mo f f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t w i t l lt h ea d v a n t a g e so fe n e r g y s a v i n ga n dn o n - p o l l u t i o n ，t h ef c e vh a sb e c o m ea ni n d u s t r y f a s td e v e l o p e di nd i f f e r e n tc o u n t r i e so ft h ew o r l d m o t o rd r i v es y s t e mi st h ek e yt e c h n o l o g y ， w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c e st h ea l i r o u n dp e r f o r m a n c e so ff c e v t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e c o n t r o l s t r a t e g yo fm o t o rd r i v es y s t e ma n dc o n d u c t st h ed e s i g na n ds t u d yo ff c e v d i s c r e t e t i m em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ed r i v e rs y s t e m i ti n t r o d u c e st h em o t o rd r i v es y s t e m ss t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so fo p e r a t i o no ff c e v e x p e r i m e n ts y s t e m t h e nt h eo p e n l o o pm a t hm o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt op a r a m e t e r so f e x p e r i m e n ts y s t e m b a s e do ni t t h ed o u b l ec l o s e d 1 0 0 pd r i v es y s t e mw i t hc u r r e n tp ic o n t r o l a n ds p e e dp ic o n t r o li sd e s i g n e d t h ep a r a m e t e r so ft h er e g u l a t o ra r ed e s i g n e da n dt h ed o u b l e c l o s e d 1 0 0 ps y s t e mm a t hm o d e li s e s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o ns t u d yi sd o n ea n dt h e p e r f o r m a n c ei sa n a l y s e db a s e do i lm a t l a b s i m u l i n k t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o w t h a tp i dc o n t r o lc a n tm e e tt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so ff c e vm o t o rd r i v es y s t e m b ed e a da g a i n s tt h el a c ko ft h ep i dc o n t r 0 1 t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed i s c r e t e - t i m em o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o lm e t h o d sa p p l i e st ot h em o t o rd r i v es y s t e m t h ep ic o n t r o lo fs p e e d i sr e p l a c e db yd i s c r e t e t i m em racw h i l et h ep ic o n t r o lo fc u r r e n ti sr e t a i n e d t h e nt h em o t o r d r i v es y s t e mi so b t a i n e da n dt h em a t hm o d e li se s t a b l i s h e d i ns i m u l a t i o ns t u d y t h e c o m p a r a t i o no ft h er o b u s t n e s s ，d i s t u r b a n c er e j e c t i o na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ei n d e x e s b e t w e e nt h et w oc o n t r o lm e t h o d si sc o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em r a cs y s t e mi s b e t t e rt h a nt h ep i dc o n t r o ls y s t e m t a k i n gt m s _ ) 2 0 l f 2 4 0 7a st h ec o r e t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h es o f t w a r ep r o g r a m so f f c e vd i s c r e t e - t i m em r a cs y s t e ma r ed e s i g n e d t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e st h es p e e d m e a s u r e m e n tc i r c u i t ，c u r r e n tm e a s u r e m e n tc i r c u i t p w md r v ec i r c u i ta n dd s pe x t e r i o r c i r c u i t t h es o f t w a r ep r o g r a m si n c l u d em a i np r o g r a m ，p w mi n t e r r u p tp r o g r a m ，p ic o n t r o l p r o g r a mo fc u r r e n ta n dm r a cc o n t r o lp r o g r a mo fs p e e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si nf c e v e x p e r i m e n ts y s t e ms h o wt h a tt h ed e s i g ni sc o r r e c tm a df e a s i b l e k e yw o r d s ：f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ；m o t o rd r i v es y s t e m ；d i s c r e t e t i m em o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ；m a t l a b s i m u l i n k ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 砺鹏 年 掣! 堑年丝月缮日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 早在世界上第一辆内燃机汽车诞生前的1 8 3 5 年，在法国巴黎举行的国际电器展览 会上就展出了世界上第一辆电动汽车。但是由于石油的大规模开采和内燃机技术的进 步，内燃机汽车的性能大大超过了电动汽车，电动汽车逐渐淡出了历史舞台。到了2 0 世纪末期，1 0 0 多年来的许多科学技术和文化成果融入汽车技术之中，使汽车的生产技 术愈来愈先进，汽车的性能愈来愈完善，汽车技术更加成熟。然而汽车给人类做出巨大 贡献的同时，每天都在大量消耗地球上有限的石油资源，排出大量有害气体，严重污染 了人类赖以生存的自然环境，给人类的生存造成了严重的危害，这与人类追求美好生活 的愿望背道而驰o 】。能源与环境的压力使清洁而环保的电动汽车再次登上历史舞台，并成 为未来汽车的发展方向，为了适应这个世界发展趋势，各国的政府、学术界、工业界都 在加大开发电动汽车的力度，加速电动汽车发展的步伐。 现代的电动汽车已不是1 0 0 年前陈旧的电动汽车技术的重复，它是以电池为动力源， 全部或部分由电机驱动，集机、电、化等各个学科领域中的高新技术于一体，是汽车、 电力拖动、功率电子、自动控制、化学能源、计算机、新能源、新材料等工程技术中的 最新成果的集成产物口3 。与燃油汽车相比，电动汽车有以下优点： ( 1 ) 污染小，噪声低，可以有效的解决废气污染，实现零排放； ( 2 ) 能源丰富，能量效率高，可以缓解臼益紧张的能源短缺的问题； ( 3 ) 具有良好的控制性能： ( 4 ) 结构简单且便于维修。 按照目前技术状态和车辆驱动原理，电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力电动汽 车和燃料电池车三种“1 。 1 1 燃料电池车 1 1 i 燃料电池车及其发展现状 燃料电池车是以氢气为燃料，氢气与大气中的氧气发生化学反应，通过电极将化学 能转化为电能，以电能作为动力驱动汽车前进。1 。燃料电池汽车具有高效率、无污染、 零排放、无噪声等高科技优势，代表了朱来汽车使用新型能源、先进科技以及追求环保 的发展趋势，领导着汽车工业革命的新潮流。应用这一技术，不仅能减少汽车工业对日 益短缺的传统能源的依赖，而且会推动人类社会进入一个新的洁净能源氢能的时 代。 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 目前世界各大汽车企业、研究机构都投入巨资对燃料电池汽车进行研究开发“1 ，如 美国的通用、福特、德国的戴姆勒克莱斯勒、宝马、加拿大巴拉德、法国的雷诺、标致 雪铁龙、日本的本田、丰田、臼产等，使燃料电池车得以迅速发展。 德国宝马将于2 0 0 7 年向市场投放配备氢发动机的“8 m w h y d r o g e n7 ”。h y d r o g e n7 以“7 系”为原型，配备氢和高级汽油均可使用的发动机，配备贮藏约8 k g 液氢及贮藏 7 4 l 汽油的2 种燃料罐，持续行驶距离在使用液体燃料时为2 0 0 k m 以上、在使用汽油时 约为4 8 0 k m ，合计持续行驶距离可超过6 5 0 k m 。配备最大输出功率为1 9 0 k w ( 2 6 0 p 8 ) 的 1 2 缸发动机，从停止状态加速至1 0 0 k m h 需要9 5 秒，最大时速为2 3 0 蛔h 。燃料的切 换可利用嵌装在方向盘上的按钮切换使用，可在不增加发动机负荷的情况下进行，不会 影响车辆的动作及动力性能唧。本田开发了新款燃料电池车“f c x 概念车”，彻底改进 了发电装置的内部构造，装置的容积比现有车型减小2 成，重量减轻3 成，发电装置收 放于汽车地板下面，扩大了车内空间”1 。此外戴姆勒弓季驰汽车公司的n e c a r 系列燃料 电池车已开发到了第5 代，丰田的f c h v 一5 、巴拉德公司的燃料电池大客车等也各有其特 色”。 我国从2 0 世纪5 0 年代开始就一直进行燃料电池相关技术的研究，2 0 世纪9 0 年代， 全球环境署支持在我国进行燃料电池公共汽车示范，此后我国在燃料电池车相关技术上 有了很大进步。目前在我国有6 0 多个机构在从事燃料电池车相关技术的研究，清华大 学、北京理工大学、同济大学、上海神力、天津的清源动力、北京的飞驰绿能等在大力 开展燃料电池车的研究，并取得了一定的成果。同济大学要在今后几年研制出5 至7 辆 燃料电池汽车，该计划得到了政府的资助，还有计划准备生产几辆最新的小型客车和公 共汽车。由科技部“8 6 3 ”支持、清华大学研究开发的3 辆燃料电池公共汽车已经实验 运行了8 0 0 0 多米嘲“”。在2 0 0 8 年奥运会( 绿色奥运) 和2 0 1 0 年上海世界博览会上燃料 电池汽车将真正投入运营“”。 在2 0 0 4 年、2 0 0 6 年两届“比比登”大赛上我国的燃料电池车均取得了好成绩。在 2 0 0 4 年1 0 月份上海举办的“比比登”大赛上，由清华大学研制的燃料电池公共汽车取 得令人满意的结果：o - 5 0 k m h 的加速时间为2 4 5 s ，6 0 o k m h 制动时间为2 8 9 s ，噪声 为7 6 4 d b ，百公里耗氢量为1 9 6 8 l 。在2 0 0 6 年6 月8 日至1 2 日巴黎举行的“比比登” 挑战赛上，由我国神力科技提供燃料电池发动机的两辆超越三号燃料电池轿车，在二氧 化碳排放、尾气排放、噪音、燃料经济性以及蛇形绕桩五个项且上分别取得了4 a i b 的 成绩。尤其是燃料经济性达到了百公里耗氢1 0 3 公斤和1 0 4 公斤的水平，在所有参赛 燃料电池汽车中能耗最低，充分体现了中国制造的燃料电池车的优异性能“”。 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( a ) 本田公司研制的燃料电池汽车f c x ( b ) 同济大学研制的超越三号燃料电池轿车 ( c ) 丰田公司h i n o 分公司的燃料电池汽车f c w b u s 2( d ) 清华大学研制的燃料电池客车 图1 1 各国研制的燃料电池车 f i g 1 1f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l ef r o md i f f e r e n tc o u n t r l o $ 1 1 2 燃料电池车基本结构 燃料电池车的基本结构多种多样。按照驱动形式可分为纯燃料电池驱动和混合驱动 两种。纯燃料电池车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。 混合驱动型式燃料电池车在燃料电池的基础上，增加了一组电池或超级电容作为另一个 动力源，燃料电池与辅助动力源相结合，燃料电池只满足持续功率要求，辅助动力源则 提供加速、爬坡等所需的峰值功率，同时在制动时将回馈的能量存储在辅助动力源中， 降低了对燃料电池的功率和动态特性的要求，同时也降低了燃料电池系统的成本瞌儿”1 。 图1 2 是采用“燃料电池+ 电池”( f c + b ) 混合驱动型式的燃料汽车的动力结构图 叫”“，主要由燃料电池系统、蓄电池、d c d c ( 直流直流) 变换器、电机驱动系统和 传动机构等部分组成。燃料电池系统将化学能转化为电能，通过电机驱动汽车。d c d c 变换器将燃料电池输出的电流、电压转换成稳定的直流电源。电机及其控制器共同构成 燃料电池车的电机驱动系统，它的主要功能是把电能转化为机械能，并通过传动系统将 能量传递到车轮，驱动车辆行驶。 3 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 图l2 “f c + b ”燃料电池车动力系统结构图 f i g 1 2 “f c + b ”f c e vp o w e rs y s t e ms t r u c t u r a ld i a g r a m 1 1 3 燃料电池车电机驱动系统 图1 3 燃料电池车电机驱动系统 f i g 1 3m o t o rd r i v es y s t e mo f f c e v 电机驱动系统是燃料电池车的心脏，其功能框图如图1 3 所示。燃料电池车对电机 驱动系统的基本要求“”是： ( 1 ) 优良的转矩控制特性； ( 2 ) 宽广的调速范围： ( 3 ) 宽范围的高效率运行区域； ( 4 ) 高功率密度； ( 5 ) 优良的车载环境性和环保性； ( 6 ) 高可靠性； ( 7 ) 低成本，具有价格竞争力； ( 8 ) 维护简单，工作噪声低。 大连理工大学硕士研究生学位论文 电机驱动系统可以分为机械和电气两大部分，机械部分包括传动装置和车轮，电气 部分主要由驱动电机、功率转换器和电子控制器三部分组成。电子控制器又包括传感器、 中问连接电路和微处理器。在燃料电池车工作时，电子控制器根据电机的控制方式、驾 驶员指令和各种传感器信号，依据电机控制策略输出驱动信号给功率器件，这些信号借 助放大线路放大后控制电机运转，功率交换器控制电机运行和再生制动过程中蓄电池、 燃料电池和电机之间的能量传递和转换，调节能量流。本课题主要讨论电机驱动系统的 电气部分。 1 1 4 燃料电池车用驱动电机及其控制策略 ( 1 ) 燃料电池车驱动电机 燃料电池车用电机与工业用电机不同，频繁的启停、加减速、低速和爬坡时要求的 高转矩、高速行驶时要求的低转矩、大范围变速等，都对电机提出了更高的要求。具体 来说，对驱动电机的主要要求n 刀删n 町脚有： 过载能力强，需要有3 撕倍的过载以满足短对加速行驶与最大爬坡的要求； 最高转速要达到基速的4 6 倍； 在较宽的转速和转矩范围都有较高的效率： 可控性高、稳态精度好、动态性能好； 体积小，结构简单牢固，耐冲击、颠簸，运行可靠，免维护，低成本等。 用于燃料电池车的驱动电机有很多种，如图1 4 所示，其中较为常用的有直流电动 机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，四种驱动电机的比较如表1 1 。o 嘲嘲所 示。 l 薏删电机l 正弦电机li 方被电枫 i 塑! ! 塑- l 巷唐电机i 丌i i 茁函订r 1 竺皇垫 亡= = ii 糸磁无划 串崩啦祝l“簋式电帆ih 绕线转予电机l 娜l ：1 t = =。k _ t _ = ：! 开头融阻 磊司氟l 一慕蒸彳 。一k _ _ _ j l - - j 悃 图1 4 燃料电池车用驱动电机 f i g 1 4d r i v e nm o t o ro f f c e v 坐 ，。岳 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 ( 2 ) 驱动电机控制策略 电机驱动系统是电动汽车与传统汽车最大的不同之处，也直接影响着电动汽车性能 的优劣，而电机驱动系统性能的好坏又与电机控制策略密切相关。常用的电动汽车电机 控制策略脚胁有以下几种：p i d 控制、变结构控制、自适应控制、模糊控制、神经网络 控制，在电动汽车电机驱动系统中都有应用汹3 嘲嘲曲1 。 传统的p i d 控制是利用p i d 调节器实现电机的闭环调速，在电机调速系统中有着极 为广泛的应用，技术成熟、历史悠久。但是由于它不能满足高性能电动机驱动系统的苛 大连理工大学硕士研究生学位论文 刻要求，所以不适于直接用于燃料电池的驱动系统，但是它是各种先进控制策略的基础， 所以在本课题中我们还是要讨论它。 变结构控制是系统提供不敏感的参数特性，规定误差动态并简化所执行的操作。根 据一系列开关控制原理，不管系统参数如何变化，系统必须按预先设定的轨道在相平面 内运行。 神经网络控制器可以解释系统的动态行为，然后自学并进行自我调整。模糊控制是 一种语言过程，它基于人类使用的先前经验和试探法则。它通常结合其他控制策略形成 新的控制模式，如自适应模糊控制、模糊神经网络控制和模糊变结构控制等。 自适应控制包括自校正控制( s t c ) 和模型参考自适应控制( m r a c ) 。运用s t c ，控 制器的参数可以根据系统参数的变化进行自动调整。关键是用一个识别模块来跟踪系统 参数的变化，通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，以获得理想的闭环控制性能。 运用m a r c ，输出模型的响应跟踪参考模型的响应，基于利用参考模型和系统输出差别的 自适应算法，控制器的参数不断加以调整，从而得到理想的闭环控制性能。本课题选用 模型参考自适应控制。 1 1 5 燃料电池车用仿真软件 燃料电池车的研究属于多学科交叉领域，涉及机械、电力电子、化学、自动控制等 多个学科，对仿真软件的要求较高。目前常用的电动汽车仿真软件有a d v i s o r 、p s a t 、 h v e c 、m a r v e l 等嘲，其中前两种可用于燃料电池车的仿真。他们大都是基于 m a t l a b s i m u l i n k 开发的，虽然都含有电机及其控制系统的模型，但都是封装不公 开的，无法很好地分析电机及其控制系统，无法对电机驱动系统的控制策略进行仿真。 m a t l a b s i m u l i n k 是一个通用软件，广泛应用于数学、电子、控制、通信等理 工科各个领域，也可以用于燃料电池车的仿真。m a t l a b s i m u l i n k 是控制系统开发 和实时仿真领域的事实上的工业标准，与众多的仿真软件都有接口，丰富的图形化模块 大大提高建模和开发的速度。m a a b s 小i n k 可以很好地分析电机及其控制系统， 根据不同的控制策略建立控制系统，对电机驱动系统进行仿真研究。 1 2 自适应控制理论 ，2 1 自适应控制系统概述 ( 1 ) 自适应控制原理 自适应系统是一个具有一定适应能力的系统，它本身能识别环境条件的变化，在线 地、实时地检测系统参数或运行指标，根据参数或指标的变化，改变控制参数或控制作 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 用，使系统的性能达到技术要求或最优。自适应控制系统框图如图1 5 所示。在系统运 行过程中，控制器根据参考输入、控制输入、对象输出和已知的外部干扰来测量对象性 能指标，从而认识和掌握系统当前的性能指标，然后与给定性能指标进行比较，做出决 策，通过适应机构来改变系统参数，或者产生一个辅助的控制输入量，累加到系统上， 以保证系统跟踪给定的性能指标，使系统处于最优或接近最优的工作状态。 未知干扰己知干扰 图1 5 自适应控制系统框图 f i g 1 5b l o c kd i a g r a mo f a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m 在自适应控制系统中，在线地、实时地了解对象是通过测量与对象动态特性有关的 输入、输出量，或直接估计对象参数来实现的。自适应控制系统中总是存在一个可调控 制器，使输出误差趋于零，或使某性能指标达到最优，这是通过可调控制器的设计准则 来保证的。自适应控制也是一种反馈控制，但它不是一般的系统状态反馈或系统输出反 馈，而是一种比较复杂的反馈控制。自适应控制系统很复杂，即使对于线性定常的控制 对象，其自适应控制也是非线性时变反馈控制系统。所以，设计自适应控制系统比一般 的反馈控制系统要复杂得多。 ( 2 ) 自适应控制系统的应用 自1 9 5 8 年美国麻省理工学院( m i t ) 怀特克教授( w h i t a k e r ) 首先提出飞机自动驾 驶仪的模型参考自适应控制方案( 史称m i t 方案) 以来，自适应控制无论在理论上或应 用上都取得了很大的进展。近十多年来，由于计算机的迅速发展，特别是微处理器件的 广泛普及，为自适应控制技术的实际应用创造了有利条件。 自适应控制技术主要应用于过程控制领域和运动控制领域嘲。在过程控制领域，自 适应控制的应用较多，技术也较成熟，商品化的自适应控制器已有销售。如瑞典a s e a b r o w nb o v e r i 公司的n o v a t u n e 通用自适应系统，已广泛用于过程控制，包括钢铁、制 - 8 - 大连理工大学硕士研究生学位论文 浆、造纸、石化、废水处理等领域。与p i d 控制的性能相比，它有明显的改进，特别是 对于具有延时的过程，采用自适应前馈控制效果更明显。再如，美国通控集团博软公司 ( c y b o s o f t ，g e n e r a lc y b e r n a t i o ng r o u pi n c ) 的c y b o c o n 过程控制软件也是基于自 适应控制技术( 虾a 一无模型自适应) 的商业化产品。c y b o c o n 是世界上首套“即插即用” 式单变量和多变量控制软件，可有效地控制各类简单或复杂的工业过程。与其它基于模 型的控制技术相比，m f a 控制器功能强大且简单易用。使用者无需建立数学模型、无需 进行辩识过程、无需作控制器设计，即使过程的动态特性有很大交化，也不需重新整定 控制器参数，被用户评价为“梦想成真”的控制器( d r e a mc o n t r o l l e r ) 。c y b o c o n 软 件已在欧美的世界5 0 0 强工业企业以及我国的石化、化工、冶金、电力、建材、造纸、 制药、食品和水处理等领域的许多大型企业得到了广泛的应用。自适应控制其它成功 的应用有还水泥窑的湿度控制、罩式退火炉的温度控制和生物医学制品自适应控制系统 等。 在运动控制领域，自适应控制技术的应用并不象在过程控制中应用的那样广泛，商 品化的自适应控制器也不多见，但自适应控制技术仍在望远镜跟踪控制、超级油轮的自 动驾驶、机械手运动轨迹控制和其它一些系统中得到了成功应用。 ( 3 ) 自适应控制系统的分类 自适应控制系统类型主要有以下几种：增益自适应控制、模型参考自适应( m r a c ) 、 自校正控制( s t c ) 、直接优化目标函数自适应控制、模糊自适应控制、多模型自适应控 制、自适应逆控制。其中模型参考自适应控制应用最多。 1 2 2 模型参考自适应控制( m r a c ) 系统 图1 6 模型参考自适应控制系统 f i g 1 6m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m 模型参考自适应控制( m r a c ) 系统的工作原理可以通过结构图i 6 来说明，先根据被 控对象要求达到的性能指标，设计一个与被控对象同阶的定常参考模型，将其与被控对 象并联，在同一个参考输入，) 的作用下，比较两者的输出从而碍到偏差，通常被称之 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 为广义误差，用e 0 ) 来表示。再通过设计出来的自适应机构，去调节被控对象的参数， 或者产生一个辅助的控制输入信号，累加到被控对象的输入上，最终达到p p ) 趋近于零。 这样，被控对象便跟随参考模型，模型的性能指标就是对象的性能指标。这是一种用调 节被控对象参数来跟踪参考模型变化规律的办法来达到对象所要求的性能指标嘲。 模型参考自适应控制应用最早的是1 9 7 4 年吉尔巴特和温斯顿( g i l b a r ta n d w i n s t o n ) ，他在2 4 英寸的光学跟踪望远镜上利用m r a c o “，把跟踪精度提高了五倍以上， 尽管当时应用项目不多，但证明自适应控制是有效的。m r a c 应用较为成功的领域是电力 拖动领域，较早的应用是c o u r t i a l 和l a n d a u 眦1 对晶闸管供电直流电力拖动系统进行自 适应控制，相继也出现了其它的应用的例子嘲嘶“删。m r a c 技术在其他领域也有应用： 环境噪声处理嘲、航空发动机中啪1 、液压伺服系统呻1 等。在汽车中的应用也越来越多： 转向控制、巡航系统“枷、悬架控制等。模型参考自适应控制将会向着实用性的方 面继续发展，把自适应控制的应用推向新阶段。 1 2 3 离散模型参考自适应控制 随着m r a c 理论研究和实际应用上的不断成熟以及计算机技术的不断成熟，利用计 算机实现控制的计算机控制技术迅猛发展。由于计算机采用数字技术，用数字计算机实 施模型参考自适应控制时，需要导出离散时间自适应律，所以研究离散形式的m r a c 成 为一项非常重要的工作。 由于y a a c 系统是时变非线性系统，在自适应回路中出现一个一步采样的固有延迟， 使自适应过程的定性特点发生改变。因此，离散时间的m r a c 系统并不是对连续时问的 m r a c 系统的简单离散化，需要导出新的离散化方法。从离散m r a c 的出现到现在近三十 年的时间了，科研人员对离散m r a c 做了大量的研究，取得了很多成果“”。 随着控制理论和计算机技术不断发展和完善，离散形式的m r a c 系统应用也愈来愈 广泛，逐渐用它来解决工程实际问题，但是由于较强的假设条件在工程上有时很难满足， 所以目前的应用还有限，主要应用于机器人操作系统和飞行器系统的设计以及化工行业 等嘲h 力。目前离散m r a c 在燃料电池车电机驱动系统的应用实例还没有，本课题将 探讨此问题。 1 3 论文的选题意义和主要内容 1 3 1 论文的选题意义 能源的日益紧缺和环境的日益恶化使电动汽车技术得以迅速发展，燃料电池车由于 使用氢燃料，具有能源可再生、燃料加注速度快、零污染排放和续驶里程长的综合优势， 大连理工大学硕士研究生学位论文 得到广泛重视，在“十一五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 节能与新能源汽车 重大项目的2 7 个研究方向中，涉及燃料电池车的项目达9 项，而电机驱动系统作为关 键技术之一也成为重点研究对象“”。与国外相比，我国的电机驱动技术相对落后，所以 我们应更该抓住这个发展契机，研究出具有特色的性能优越的电机驱动系统，这对我国 电动汽车技术的发展具有重要的理论价值和现实意义。 本课题是从电机控制策略角度研究电机驱动系统，将离散模型参考自适应控制理论 应用于燃料电池车驱动系统控制，这在现有的产品中还没有实例，相关的文献也不多见。 同时自适应控制技术在过程控制领域中的应用广泛，但在运动控制领域还不多见，本课 题是自适应控理论在运动控制领域的具体应用及实现。这一课题的研究对于扩展自适应 控制理论的研究领域，促进理论在工程上的推广具有十分重要的学术意义和现实意义。 1 3 2 论文的主要研究内容 本课题是研究离散模型参考自适应控制理论在燃料电池车电机驱动系统上的应用， 主要研究内容包括： ( 1 ) 建立燃料电池实验系统电机驱动系统开环数学模型； ( 2 ) 设计燃料电池车电流、转速双闭环p i 控制驱动系统； ( 3 ) 采用基于波波夫超稳定理论的离散模型参考自适应控制方案，设计燃料电池 车离散模型参考自适应驱动系统； ( 4 ) 使用m a t l a b 的s d i u l i n k 的进行燃料电池车电机驱动系统仿真研究，对比两 种控制方法下的系统性能； ( 5 ) 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心设计燃料电池车离散模型参考自适应控制系统的硬 件电路和软件程序，并应用于实验系统完成实验研究。 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 2 燃料电池车直流电机驱动系统及其开环数学模型 根据历使用电机的不同，可以将燃料电池车电机驱动系统分为直流电机驱动系统、 感应电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。直流电机驱动系 统在燃料电池车的发展与应用中具有重要的地位，值得研究和讨论。 2 1 直流电动机 2 1 1 直流电动机在电动汽车中的应用 直流电动机具有控制简单、调速性能好、控制成本低、发展成熟等一系列优点。它 既可以用作电动机，也可以用作发电机，当燃料电池车启动、加速和恒速运行时，电机 处于电动状态，实现电能到机械能的转换，驱动汽车前进。当减速或制动时，电机处于 发电状态，即处于再生制动状态，给蓄电池充电，实现机械能到电能的转换咖1 。因为串 励电动机有较大的起动力矩和接近恒功率的特性，他励电动机可以分别控制磁场和电 枢，能扩大调速范围，容易实现再生制动，且直流电机控制系统简单、调速方便、不需 要逆变装置、技术成熟，所以直流电动机一直在电驱动领域有着突出的地位，在燃料电 池车中也应用广泛。 直流电机在电动汽车发展史上历史悠久，发挥了重要作用。1 9 世纪的第一辆电动汽 车就是采用并励直流电机作为驱动。1 9 6 8 年美国首届“横跨美国电动汽车披力赛”中， 参赛的加州理工学院的电动车采用的是直流串励电机，麻省理工学院采用的是倍克直流 电机脚。到了近代直流电机的使用更为广泛。日本大发公司的 h u e t ”使用了直流串励电 动机，日本的“l a n s e r ”电动车、马自达公司的“b a n g o ”使用的是直流并励电动机，美国通 用公司的叮e v a n ”、意大利菲亚特的9 0 0 e 。以 及法国雪铁龙a x 和标致1 0 6 采用的则是直流他 励电动机o ”。我国的许多电动车也都采用了直 流电机驱动，例如北京理工大学研制的 b j d 6 1 0 0 一e v 电动公交车，如图2 1 所示，采用 了永磁增磁直流电机作为驱动装置嘲；北京 飞驰绿能生产的5 k w 燃料电池车采用了直流牵 引电机作为驱动电机。 图2 1b j d 6 1 0 0 - - e v 电动大客车 f i g 2 1b j d 6 1 0 0 - e ve l e c t r i cb u s 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 直流电动机工作原理 直流电动机的工作原理嘲如图2 2 所示，图中n 和s 是一对在空间固定的永久磁铁， 在两个磁极之阉装一个可以转动的圆柱铁心，代表宅机的转子，铁心上固定线圈a b c d 。 当电流经电源从电刷a 一换向片l 一线圈一另一换向片2 一电刷b 回到电源，在线圈里电 流流向为a b c d ，由左手定则可知，此线圈将受到逆时针方向的电磁转矩的作用， 当该电磁转矩大于负载转矩时，转子就会向逆时针方向转动。当转子位置转过1 8 0 。后， a b 边则由靠近n 面转向了靠近s 面，c d 边则由靠近s 面转向了靠近n 面，由于换向片 与电刷接触的相对位置发生了变化，所以线圈中的电流方向也发生了变化，线圈中的电 流流向为d c b a ，再由左手定则可知，线圈仍受到逆时针方向的电磁转矩的作用， 使转子仍保持逆时针方向转动。电机在旋转过程中，由于电刷和换向片的作用，直流交 替地由线圈a b 边和c d 边流入，产生持续的逆时针方向的电磁转矩，使直流电动机连续 旋转。根据励磁方式的不同，直流电机可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励 直流电动机和复励直流电动机。 图2 2 直流电动机的工作原理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f d c m o t o r 2 1 3 直流电动机数学模型的建立 根据直流电动机工作原理可以确定其数 学模型，这在采用各种控制方法对电机进行 控制时需要使用。根据直流电动机的动态物 理规律，建立描述电机动态过程的微分方程， 在此基础上求出传递函数就可以作为直流电 动机的数学模型。 图2 3 给出了额定励磁下他励直流电动 图2 3 直流电动机等效电路图 f i g 2 3e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f d cm o t o r 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 机的等效电路，冥中电枢叫路总电且r 包含整流装置内阻、电枢电阻和平波电抗器内阻， 电感包含平波电抗器电感在内，设参考方向如图所示。 由图2 3 可列出微分方程如下 = 码十三警+ e ( 2 1 ) e = e 刀 ( 2 2 ) 乙一瓦：嬖 ( 2 3 ) 1 一叫l 。面 0 2 删 乙= q 厶 ( 2 4 ) 式中一电动机的负载转矩，单位为n 所； g d 2 一电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的飞轮力矩，单位为n 聊： q = 普e 一电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为聊一； e 一电动势常数，单位为v m i n r 。 同时，定义下列时间常数： 五2 责一电枢回路电磁时间常数，单位为s ； 乙= 两g 西r 一刀电刀弛动系统的机电时间常数，单位为s 。 代入微分方程，并整理后得 。以础( 厶+ 霉挚 ( 2 5 ) 厶一= 等 ( 2 6 ) 式中如为负载电流，= 孚a u 尉 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间传递函数为 盘盟：卫 ( 2 7 ) u d o 【j j 一占u )i 矗+ 1 电流与电动势之间的传递函数为 万黩：r ( 2 8 ) 厶0 ) 一气0 ) 乙s ”。 大连理工大学硕士研究生学位论文 将式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 的结构分别画在图2 4 0 ) 和( b ) 中，并将它们组合在一，考虑到 厅= 别e ，即得额定励磁下直流电动机的动态结构图，如图2 4 ( c ) 所示。这样我们就得到 了电机的数学模型和对应的动态结构图。 审妒 缸 c o ) 图2 4 直流电动机动态结构图 f i g 2 4d y n a m i c b l o c kd i a 铲锄o f d cm o o r 2 2 直流电动机调速原理及其常见系统 2 2 1 直流电机调速原理 根据直流电机转速方程 刀：丝二丛：堡= 些( 2 9 ) 鼍me 式中甩一转速( r r a i n ) ； 以一电枢电压( v ) ； l 电枢电流( a ) ； r 一电枢回路总电阻( q ) ； m 一励磁磁通( w b ) ； 配一由电机结构决定的电动势常数。 可知，直流电动机的调速方法有三种：改变电枢端电压乩、改变每极磁通、改变电枢 回路电阻r 。三种调速方法各有特点，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说， 以调节电枢供电电压的方式为最好，改变电阻只能有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调 燃料电池车离散模型参考自适应驱动系统研究 速，但调速范围不大。现有自动控制的直流调速系统主要以调压调速为主，燃料电池车 根据其特点以及转速平稳变化要求，采用的是调压调速的方法。 2 2 2 三种主要的直流电动机调压调速系统 实际应用中主要的调压调速系统有三种。 ( 1 ) 旋转变流机组直流调速系统 用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。原理图如图2 5 所 示，由原动机( 柴油机、交流异步或同步电动机) 拖动直流发电机g 实现变流，由g 给 需要调速的直流电动机m 供电，调节g 的励磁电流f ，即可改变其输出电压阢从而调节 电动机的转速疗。这样的调速系统简称g 嘣系统，国际上通称w a r d - l e o n a r d 系统。 ( 2 ) 晶闸管一电动机调速系统 晶闸管一电动机调速系统( 简称v - m 系统，又称静止的w a r d l e o n a r d 系统) ，原理图如 图2 6 所示，图中v t 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置g t 的控制电压以来移 动触发脉冲的相位，即改变整流电压，从而实现平滑调速。 生产机械 图2 5 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图 f i g 2 5s c h