（机械电子工程专业论文）并联式混合动力液压挖掘机控制策略研究.pdf

硕十学位论文 舅_ ! 一一一1 1 1 i ii i l l i _ i 曼曼曼 摘要 论文基于并联式混合动力液压挖掘机动力系统模型，对其工况运行模式分 析，针对并联式混合动力液压挖掘机存在着模型、部件参数、工作条件和环境大 量不确定因素的特点，设计了具有自适应能力、强鲁棒性较强的模糊控制策略， 用以确定发动机和电动机转矩的最佳分配，实现混合动力液压挖掘机的控制目 标。本文针对液压挖掘机并联式混合动力系统开展了以下几项研究工作： ( 1 ) 对目前挖掘机混合动力系统已有的控制策略进行了研究，指出了已有 控制策略的优缺点。依据模糊控制自身的特点，提出了设计模糊控制策略的概念， 为模糊控制策略的制定提供了良好的基础。 ( 2 ) 在对某型挖掘机动力系统部件研究的基础上，利用稳态实验数据建立 发动机数学模型。利用电动机理论，建立了动力模型。针对超级电容器和蓄电池 的性能特点，建立了各自的数学模型，并提出了应用超级电容和蓄电池的复合储 能装置替代单一的超级电容器或者蓄电池作为储能装置。 ( 3 ) 结合目前所研究的并联式混合动力挖掘机的动力系统组成，设计出了 对应的模糊逻辑控制作为挖掘机的多能源控制策略进行研究。选择工况需求转矩 与发动机目标转矩之差丁、储能装置的s o c 值和电动机的转速聆。作为输入参 数，发动机的转矩系数k 作为输出参数，以发动机最低燃油消耗和最佳动力性能 的折中为设计模糊控制的准则，设计出了模糊控制器。 ( 4 ) 使用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件平台并对并混合动力液压挖掘机动 力系统模型和普通挖掘机发动机动力系统模型进行仿真对比研究，验证了运用模 糊控制策略时的混合动力系统在工作平稳性、燃油经济性等方面优于普通挖掘机 发动机动力系统。 关键词：并联式；混合动力；液压挖掘机；控制策略；模糊控制：建模；仿真； a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep a r a l l e l h y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o rp o w e rs v s t e m m o d e l ，a n a l y z i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ee x i s t e n c eo fp a r a l l e lh y b r i d h y d r a u l i ce x c a v a t o r m o d e l ，c o m p o n e n tp a r a m e t e r s ，w o r k i n gc o n d i t i o n sa n d e n v i r o n m e n t a lu n c e r t a i n t i e s ，d e s i g nt h ef u z z yc o n t r o l s t r a t e g yw h i c hh a ss t r o n g a d a p t i v ea b i l i t y ，s t r o n gr o b u s t n e s s ，u s e dt od e t e r m i n et h eo p t i m u ma l l o t a t i o no ft h e e n g i n ea n dm o t o rt o r q u e ，a c h i e v et h ee o n t r o lo b j e c t i v eo fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o r i nt h i sp a p e r , s e v e r a ls t u d i e sf o rp a r a l l e lh y b r i dp o w e r s y s t e mi nh y d r a u l i ce x c a v a t o r c a r r i e do u t ： ( 1 ) r e s e a r c h i n gt h ee x i s t i n gc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ee x c a v a t o rh y b r i ds y s t e m p o i n t i n g o u tt h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e m a c c o r d i n gt oi t so w n c h a r a c t e r i s t i c so ff u z z yc o n t r o l ，p r o p o s i n gt h ed e s i g no ff u z z y c o n t r o ls t r a t e g y ， p r o v i d i n g a g o o db a s i sf o rt h ef o r m u l a t i o no ff u z z yc o n t r o ls t r a t e g y ( 2 ) o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n go fac e r t a i nt y p ee x c a v a t o r sp o w e r t r a i na n d c o m p o n e n t s ，u s i n gs t e a d y 。s t a t ee x p e r i m e n t a ld a t at oe s t a b l i s ht h e e n g i n e m a t h e m a t i c a l m o d e l u t i l i z i n gt h em o t o rt h e o r yt oe s t a b l i s hi t sd y n a m i cm o d e l e s t a b l i s h e dt h e i ro w nm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs u p e r c a p a c i t o ra n db a t t e r vo nt h e b a s i so ft h e i r p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n d u s i n g t h e a p p l i c a t i o no f s u p e r c a p a c l t o ra x j db a t t e r yc o m p o s i t ee n e r g ys t o r a g ed e v i c ei n s t e a do fa s i n g l e s u p e r c a p a c i t o ro rb a t t e r ya se n e r g ys t o r a g ed e v i c e s ( 3 ) c o m b i n a t i n gw i t ht h ep a r a l l e lh y b r i de x c a v a t o rp o w e rs y s t e m d e s i g n i n gt h e c o r r e s p o n d i n gf u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yo fm u l t i e n e r g ya st h ec e r t a i n t y p e e x c a v a t o r c h o o s i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee n g i n ed e m a n dt o r q u ea n dt a r g e t t o r q u ea t ，t h ev a l u es o co ft h ee n e r g ys t o r a g ed e v i c ea n dt h em o t o rs p e e d a st h ei n p u tp a r a m e t e r ，a n dt h e e n g i n e st o r q u ec o e f f i c i e n tka st h eo u t p u t p a r a m e t e r ，t a k i n gt h em i n i m u me n g i n ef u e l c o n s u m p t i o na n dt h eb e s tp o w e r p e r f o r m a n c et r a d e 。o f f sa st h ed e s i g nn o r m sf o rf u z z yc o n t r o ls t r a t e g y ，d e s i g na f u z z y c o n t r o l le r ( 4 ) u s i n gm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t et h e h y b r i d h y d r a u li ce x c a v a t o rp o w e rs y s t e ma n do r d i n a r ye x c a v a t o r se n g i n ep o w e r s y s t e ma n d t om a k ec o m p a r a t i v es t u d y , v a l i d a t i n gt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yh a sab e t t e r f u e l e c o n o m ya n de n g i n ep o w e rt h a no r d i n a r ye x c a v a t o r k e yw o r d s ：p a r a l l e l ；h y b r i d ；h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；c o n t r o l s t r a t e g y ；f u z z y c o n t r o l ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n i i 硕一i j 学位论文 量曼曼曼曼曼皇曼置量璺曼量曼曼曼曼皇曼舅璺, , m , ill,ili!, _ - -! ii i 皇曼皇 插图索引 图1 1 串联式混合动力系统原理简图2 图1 2 并联式混合动力系统原理简图3 图1 3 混联式混合动力系统原理简图3 图2 1 单工作点控制策略框图7 图2 2 双工作点控制策略控制流程图一8 图2 3 多工作点控制策略控制流程图9 图2 4 动态工作点控制策略控制流程图一1 0 图3 14 9 5 发动机万有特性曲线图“1 4 图3 2 感应电机的矢量控制原理框图一1 7 图3 3 感应电机的矢量控制的等效直流调速系统1 7 图3 4 三相绕组与二相绕组的轴线设定1 8 图3 5 口一坐标系l8 图3 6 超级电容器的等效电路”2 1 图3 7 超级电容器模型的框图一2 2 图3 8 蓄电池模型“2 4 图3 9 重载功率指令2 6 图3 1o 中、轻载功率指令2 6 图3 1l 负功率指令2 6 图3 1 2 蓄电池与超级电容器的直接并联连接2 7 图3 1 3 某液压挖掘机工况信号曲线图2 7 图4 1 并联式混合动力系统仿真系统构成3 2 图4 2 模糊逻辑控制策略3 2 图4 3 输入变量双k 的隶属度函数3 4 图4 4 输入变量k 的隶属度函数3 4 图4 5 输入变量础的隶属度函数3 5 图4 6 输出变量k 的隶属度函数3 5 图4 7 图模糊推理系统编辑器图形界面3 5 图4 8 模糊控制器的输入和输出关系3 8 图5 1 后向仿真示意图3 9 图5 2 前向仿真示意图3 9 图5 3 发动机模型仿真图4 2 图5 4 电动机模型仿真图4 2 图5 5 蓄屯池模型仿真图4 3 图5 6 蓄电池温度估算模型4 3 l l i 并联，混合动力液压挖掘机控制策略研究 图5 7 超级电容模型仿真图4 3 图5 8 舳c 估算子模型4 4 图5 9 并联式挖掘机混合动力系统仿真总图4 4 图5 1 0 普通液压挖掘机发动机的转速波动4 4 图5 1 l 模糊控制混合动力液压挖掘机发动机的转速波动4 5 图5 1 2 普通液压挖掘机发动机的转矩波动4 5 图5 1 3 模糊控制混合动力液压挖掘机发动机的转矩波动一4 5 图5 1 4 模糊控制混合动力液压挖掘机超级电容冗波动4 6 图5 1 5 模糊控制混合动力液压挖掘机复合储能装置如c 波动4 6 图5 1 6 普通液压挖掘机发动机的燃油消耗率波动4 6 图5 1 7 模糊控制混合动力液压挖掘机发动机的燃油消耗率波动4 7 图5 1 8 模糊控制策略下复合储能装置的电压波动4 7 硕 ：学位论文 曼曼i i= i , ,i,lil i , ml l i i l l ,mi n , = i 鼍曼曼曼暑皇曼曼曼曼曼皇 第1 章绪论 能源短缺和环境污染问题是当前工业发展面临的重大挑战，制约着工业的可 持续发展。据有关部门预测，2 0 2 0 年世界工业化国家每天进口石油约为1 2 0 0 万1 3 0 0 万桶，而到2 0 1 5 年左右，世界石油产量在达到年产4 5 亿吨的高峰后 将出现递减，届时能够继续增产的可能只剩下中东和个别非欧国家。近1 0 年来， 我国原油消费量以年均5 7 7 的速度增加，但是同期国内 原油供应增长速度仅为1 6 7 ，我国的石油供应大量依靠从国外进口。国 际能源发表的报告预测，从目前到2 0 3 0 年，全球能源需要每年的平均增长率将 达到3 左右，其中中国将消耗全球能源供应的2 0 心1 。同时，能源的大量消耗 引发了一系列环境问题，包括噪声污染，大气、水体与土壤污染和固态废弃物等。 随着社会的发展，工程机械产量和保有量不断上升，使得环境污染和能源短缺陷 入了恶性循环，一方面工程机械消耗着大量的石油资源；另一方面工程机械尾气 排放成为全球环境重要的污染源之一。国际上对于非道路移动机械排放标准 ( 2 0 11 年1 月起实施i i i b 阶段排放标准) 的不断提高已经成为中国工程机械出口 的新门槛，传统的工程机械的发展已经不能符合“低碳途径，绿色转型，科学发 展 的主题1 。据统计6 5 一7 0 的土方工程由挖掘机完成，且2 0 0 9 年国内挖 掘机主要生产企业累计销量9 5 0 1 2 台，2 0 1 0 年挖掘机需求增长8 一1 0 ；中国 向国际承诺2 0 2 0 年二氧化碳排放比2 0 0 5 年降低4 0 到4 5 。鉴于混合动力技 术在汽车上的成功应用，世界各国目前正在研发混合动力工程机械( 以挖掘机为 代表) 以减少能源消耗，降低污染物的排放h 1 。 1 1 混合动力液压挖掘机概述 混合动力液压挖掘机( h y b r i dh y d r a u li ce x c a v a t o r ) 是同时装备发动机驱 动系统、辅助动力系统和储能装置，将发动机驱动系统与辅助动力系统以不同方 式结合，实现性能的良好匹配和控制策略、控制算法优化，在发动机驱动的同时 进行多余能量的回收和二次利用随1 。 混合动力液压挖掘机主要采用油电混合的动力驱动系统，小负载工况下由发 动机分流出多余的功率驱动发电机向储能元件蓄能，在大负载工况下将储存的能 量释放出来驱动电动机，作为辅助动力单元与发动机一起满足峰值负载功率的需 求，或者用电动机直接驱动，达到发动机功率和转矩均衡输出的控制。利用较小 功率的发动机来驱动吨位较大的挖掘机，维持发动机始终处于高效运行状态，避 免了“大马拉小车、小马拉大车 的情况，降低发动机的装机功率，实现了混合 动力液压挖掘机高动力、高效率、高回报、高功能，低噪音、低振动、低油耗、 低排放的特点。 在混合动力系统中，根据电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占比重 并联式混合动力液压挖掘机 窄制策略研究 的大小，也就是常说的混合度( d e g r e eo fm ix in g ) 的大小，可以将混合动力系 统分为微混合动力系统、轻混合动力系统、中混合动力系统、完全混合动力系统 四类刳。 根据混合动力系统中主动力源和辅助动力源之间的联结方式，可以将混合动 力系统分为三类1 ： ( 1 ) 串联式混合动力系统( s e r i e sh y b r i ds y s t e m ) 。串联式混合动力系统 如图( 1 1 ) 所示，一般由发动机直接带动发电机发电将全部燃油产生的化学能 转化为电能。当负载需求较小时，除了通过电动机参与驱动的一部分电能外，多 余的电能储存在能量储存装置中。当负载需求较大，发电机提供的电能不能满足 系统功率需求时，能量储存装置中的电能就会释放出来，协助电动机共同满足外 负载的驱动要求。此外，动臂下降和回转机构回收的能量也以电能形式储存在能 量储存装置中。该系统的优点是系统布局灵活性较大，而且发动机与外负载之间 没有直接的机械连接，不直接参与负载驱动，发动机可独立于工况而稳定工作在 高效区或低排放区附近，燃油利用效率高，排放好，能量回收潜力较大；缺点是 发动机、电动机装机功率较大，而且由于系统能量经过机械能一电能一机械能两 次转化，能量转换效率偏低，损耗较大，节能效果不显著。其典型应用是神户制 钢s k 7 0 h 型混合动力液压挖掘机。 图1 1 串联式混合动力系统原理简图 ( 2 ) 并联式混合动力系统( p a r a lle lh y b r i ds y s t e m ) 。并联式混合动力系 统如图( 1 2 ) 所示，一般有两套驱动系统：传统的发动机主动力系统和电动机 辅助动力系统。两个驱动系统既可以同时协调驱动工作，也可以各自单独驱动工 作。当发动机的功率输出大于负载需求时，多余的功率通过电动发电机转化为 电能储存在储能装置中，当发动机功率输出小于负载需求时，储存在储能装置里 面的电能释放出来与发动机一起驱动。与串联系统相类似，能量储存装置既能补 充发动机能量的不足，又能通过电动发电机吸收发动机多余能量和回收动臂下 降时势能，起到“削峰填谷 作用。该系统的优点在于不需要专门的发电机，发 动机和电动机装机功率均较小，发动机至执行机构之间的功率不需要经过机械能 一电能一机械能转换羽，能量转换环节少，系统效率高，而且在适当的控制策 略下，同样能使发动机长期稳定在高效区燃油工作区和低排放区附近工作；缺点 是结构布局受空间限制，控制策略较复杂。其典型应用是住友建机s h 2 0 0 型混合 动力液压挖掘机。 2 硕i ? 学位论文 图1 2 并联式混合动力系统原理简图 ( 3 ) 混联式混合动力系统( h y b r i d t y p eh y b r i ds y s t e m ) 。混联式混合动 力系统如图( 1 3 ) 所示，其特点在于发动机驱动系统和电动机驱动系统各有一 套机械调速机构，两套机构通过齿轮系，或采用行星轮式结构耦合在一起，从而 综合调节发动机与电动机之间的转矩分配关系。混联式实际上是串联式和并联式 的组合，兼有串联式、并联式混合动力系统的优点，能根据实际的工况需求做出 串联式或并联式的选择。与串联式、并联式混合动力系统对比，混联式动力系统 可以更加灵活地根据工况来调节发动机的功率输出和电动机的运转。但是混联式 动力系统的控制系统最复杂，成本相对最昂贵，目前该联接方式技术不如前两种 成熟，挖掘机中尚未看到混联式系统的应用报道。其典型应用是丰田p r i u s 的 t h s i i 系统。 图1 3 混联式混合动力系统原理简图 文献 4 5 中通过动力性能、成本对比和节能效果三方面对串联式、并联式和 混联式混合动力系统分别做了综合研究，研究结果表明在保证一定的混合度要求 的前提下，并联式混合动力挖掘机能满足液压挖掘机动力性能的要求，而且节能 效果、燃油经济性、成本等方面在三种动力系统中最优，具有较大优势，应该作 为目前混合动力液压挖掘机研究的首选方案。论文选择并联式混合动力液压挖掘 机进行控制策略研究。 1 2 国内外混合动力液压挖掘机发展现状 国外对于混合动力挖掘机的研究制造比较早。包括日本早稻田大学、小松、 日立建机、住友建机、新卡特彼勒一三菱及沃尔沃等一些研究机构和制造商已对 混合动力挖掘机进行了不同程度的研究工作，并取得了卓著的研究成果。 2 0 0 3 年，日立建机( h i t a c h i ) 推出了世界上第一台以混合动力驱动的轮式 装载机，这是混合动力技术在工程机械上的首次应用，开创了混合动力工程机械 的先河。2 0 0 4 年5 月，小松( k o m a t s u ) 成功研制了世界上第一台混合动力液压 挖掘机的试验机型，并于2 0 0 8 年6 月在第一台试验样机的基础上向日本市场正 式推出了2 0 t 级的p c 2 0 0 一8 型混合动力液压挖掘机，与同等型号的普通挖掘机 相比平均油耗可降低2 5 左右，最大油耗减少可达4 1 ，有效减少2 5 的c o ： 排放量。2 0 0 6 年4 月，纽荷兰( n e wh o l l a n d ) 与神户制钢( k o b e l c o ) 联合研 制推出了7 t 混合动力液压挖掘机样机。2 0 0 9 年日本住友( s u m i t o m o ) 推出了2 0 t 级磁盘起吊式混合动力液压挖掘机，据说该机可降低燃油消耗2 0 以上。2 0 0 9 并联式混合动力液压挖掘机控制策略研究 年5 月，美国凯斯公司( c a s ec o r p ) 推出c x 2 1 0 b 型混合动力挖掘机。2 0 0 9 年2 月5 日，为了增强环保性同时，并节约大量燃料能源，斗山集团( d o o s a n ) 工程 机械公司宣布将开始研发新型混合动力挖掘机，新型混合动力挖掘机的c o ：排放 量将降低3 5 ，燃料节约可达3 5 ，计划将在2 0 1 4 年完成，预计每台挖掘机一 年将节省约1 7 0 0 万韩元。斗山集团此次开发新型混合动力液压挖掘机的计划是 韩国知识经济部( m o k e ) 技术战略开发项目的一部分，共由7 个来自韩国及海外海 机构组成了一个联盟，由斗山工程机械领导，总投资达到1 8 0 亿韩元。 国内混合动力液压挖掘机的研究起步于2 0 0 3 年，主要是由浙江大学进行了 相关理论性的研究。之后主要工程机械制造企业，如三一重机、中联重科、詹阳 动力、柳工、江麓建机、徐工等已实质性进入了混合动力液压挖掘机的研究与开 发，并取得了一定成果。2 0 0 7 年，詹阳动力在北京第9 届b 1 c e s 展会( 第十届 北京国际工程机械展览与技术交流会) 上展出了我国第一台混合动力挖掘机，即 j y l 6 2 lh 型轮式混合动力液压挖掘机，其节能效率在2 5 左右，开创了我国混合 动力工程机械的先河。2 0 0 8 年，“新型混合动力工程机械关键技术及系统 作为 重点科研项目列入国家8 6 3 计划，首批承担混合动力工程机械8 6 3 科研攻关计划 的有柳工、三一、江簏建机等企业，计划到2 0 1 0 年上半年前结题出样机。2 0 0 9 年1 1 月，三一重机在北京第1 0 届b i c e s 展会上展出了整机质量为2 0 9 t 、功率 为1 1 4 k w 、斗容量为o 9 m 3 的s y 2 1 5 c 型混合动力液压挖掘机，可节能3 0 ，效 率可提高2 5 。2 0 1 0 年中联重工科技股份有限公司与浙江大学合作推出了 z e 2 0 5 e h y b r i d 型混合动力挖掘机，据介绍其节能效果为3 0 左右；山河智能 推出了s w e 2 3 0 h y b r i d 型混合动力挖掘机，其节能效果2 0 左右；柳工推出了9 2 2 d h y b r i d 型混合动力挖掘机，其节能效果为3 0 左右。另外德尔重工( 徐州恒天) 还推出了d e r 3 2 3 - - 8 h 型油液混合动力挖掘机，利用蓄能器回收回转马达制动时 能量，但蓄能器占用了很大安装空间哺1 。 1 3 混合动力液压挖掘机的研究重点与难点 挖掘机主要从事野外作业，工况周期短( 约1 5 秒) 且复杂、负载大且过载 频繁、动态响应要求高，控制算法、控制策略和操控性复杂。因此，参数优化匹 配、控制策略、能量回收技术以及可靠性和操控性研究是未来液压挖掘机混合动 力技术发展与应用的重点和难点一。1 引。 ( 1 ) 混合动力挖掘机系统专用元件性能和动力参数优化匹配。发动机构造 及点火方式、点火时间，辅助电动机启动停止性能，能量储存装置的比能量、 比功率、快速充放电性能、循环次数等技术的不成熟严重束缚了混合动力技术的 发展；动力参数的匹配以及最佳混合度的确定对系统的动力性能和能量利用起着 关键作用。 ( 2 ) 混合动力挖掘机系统的控制策略。混合动力系统中增加了电动发电机、 蓄电池、超级电容等组成的辅助动力系统和储能装置，能量传递和转换变得复杂， 能量损耗增加，控制策略对混合动力系统功率和转矩的分配、发动机的燃油经济 4 硕卜学位论文 曼蔓曼曼舅暑皇曼曼皇曼舅曼曼曼曼量曼曼曼皇曼詈皇曼曼曼曼皇! 皇舅! 曼曼皇曼曼曼曼! 曼蔓! 曼曼曼舅曼毫m m i m。i i ：= m m = n = mi 皇曼蔓 性、储能装置的使用寿命、能量回收及整个混合动力系统的动力特性有着至关重 要的影响。 ( 3 ) 混合动力液压挖掘机能量回收系统。回收的能量包括回转机构回转制 动的动能和动臂、斗杆下降的势能，且回收系统和驱动系统为不同的系统，所以 研究与挖掘机自身工况相适应的能量回收系统意义重大。 ( 4 ) 混合动力液压挖掘机可靠性。储能装置工作电流大、峰值功率高，需 要对储能系统进行全面的综合设计，并进行可靠性试验研究。 ( 5 ) 混合动力挖掘机的操控性。挖掘机性能的一个重要评价指标就是要有 良好的操控性。混合动力系统中发动机和辅助动力单元的连接方式使控制变得发 杂，影响结构布局和操控性。 ( 6 ) 混合动力液压挖掘机的推广。对行业发展进行政策保护；对用户进行 财政补贴；对主机制造企业减税；提供更加人性化的售后服务。 所以本文的研究重点是基于并联式混合动力液压挖掘机的控制策略进行研 究。 1 4 本论文的研究内容 本论文通过对并联式混合动力液压挖掘机的控制策略进行研究，掌握混合动 力系统对液压挖掘机节能效果及工作性能的影响规律，为下一代节能型液压挖掘 机产品开发展开前期研究。论文主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 对已有的混合动力液压挖掘机控制策略进行对比研究，指出其优点与 不足，提出应用模糊控制策略 ( 2 ) 在对某型挖掘机动力系统部件研究的基础上，利用稳态实验数据建立 发动机数学模型。利用电动机理论建立动力模型。针对超级电容器和蓄电池的性 能特点建立各自的数学模型，应用超级电容和蓄电池的复合储能装置替代单一的 超级电容器或者蓄电池作为储能装置。 ( 3 ) 结合目前所研究的并联式混合动力挖掘机的动力系统组成，确定合理 的模糊控制器输入变量和输出变量，建立相应的隶属度函数及模糊控制规则，设 计出了对应的模糊逻辑控制作为挖掘机的多能源控制策略进行研究。 ( 4 ) 使用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件平台并对并混合动力液压挖掘机动 力系统模型和普通挖掘机发动机动力系统模型进行仿真对比研究，验证了运用模 糊控制策略时的混合动力系统在工作平稳性、燃油经济性等方面优于普通挖掘机 发动机动力系统。 并联式混合动力液压挖掘机控制策略研究 第二章并联式混合动力液压挖掘机控制策略分析 控制策略( c o n t r o ls t r a t e g y ) 实质上是一种控制规则、控制方法。挖掘机 通过控制策略，根据不同工况所产生的功率需求，综合考虑发动机、电动机和储 能装置的运行状况，对发动机、电动机和储能装置之间的功率流动做出控制n 。 影响混合动力液压挖掘机性能的因素多而复杂，其中控制策略作为能量管理、转 矩分配的核心，控制策略设计的成功与否是提高混合动力液压挖掘机燃油经济性 和动力性的关键。 在实际的控制策略设计过程中，必须以发动机、电动机和储能装置等部件组 成的系统为整体，遵循控制策略设计的基本原则，权衡各部件相互作用的影响， 达到系统系能的最优化。控制策略设计遵循的基本原则有晗1 ： ( 1 ) 控制发动机处于高效工作区。低速、小负载时提高发动机转速和转矩； 高速、大负载时降低发动机转速和转矩； ( 2 ) 保持电动机工作在高效区； ( 3 ) 维持储能装置的荷电状态( s o c ，s t a t eo fc h a r g e ) ，避免过度充电、 放电对储能装置造成损坏，影响其使用寿命； ( 4 ) 系统工作时候性能稳定。 对于控制策略设计成功与否，我们需要对控制策略进行评估。混合动力液压 挖掘机控制策略的最终评估指标n 2 ，主要有四个方面： ( 1 ) 最佳燃油经济性； ( 2 ) 最低排放； ( 3 ) 最低系统成本： ( 4 ) 最强动力性能。 在设计控制策略的时候应该着重考虑以下问题n 引： ( 1 ) 优化发动机的工况。根据发动机的万有特性曲线确定发动机的最佳工 作点，使其具有最佳燃油经济性、最低排放或者二者的折中； ( 2 ) 限制发动机的怠速工况。当发动机怠速或者轻载工作时，其燃油效率 很低，因此发动机处于怠速或者轻载时，应切断发动机的工作或者限制在高效工 作点，利用过剩功率驱动电动发电机( 工作在发电机状态) 给储能装置充电； ( 3 ) 减少发动机的启停次数。频繁启停发动机会增加发动机的油耗和排放； ( 4 ) 合适的荷电状态。储能装置的s o c 值必须保持在适当的范围内，提高 储能元件使用寿命；同时，在整机动力不足的情况下能够提供满足其峰值需求的 功率，在动臂下降和整机回转制动时进行能量回收； ( 5 ) 安全的电压。在放电、充电过程中，储能装置的电压会发生波动变化， 因此应该避免储能装置的电压过高或者过低，保证储能元件的使用寿命； ( 6 ) 分工得当。实际作业中按照工况模式合理分配发动机、电动机的输出 6 硕l ：学位论文 扭矩。 下面主要针对目前并联式混合动力液压挖掘机中已有的几种控制策略进行 对比分析。 2 1 单工作点控制策略 单工作点控制策略是由发动机提供系统所需要的平均功率，而辅助动力源补 偿系统功率波动带来的功率盈余和不足n 引。 该控制策略将工作周期作为一个考察点，其平均需求功率为p ，将一段时间 内重复的功率需求近似地看作是功率为尸的恒功率工作，而在单个工作周期内， 功率是围绕此定值波动的。理论上发动机只需提供系统所需的平均功率尸，多余 和不足的部分完全由电动机来平衡。用公式表示为： 瓦= 乙+ 瓦 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，瓦是发动机转矩；7 ：，l 是电动机转矩；霉是负载转矩。 其控制流程如图( 2 1 ) 所示。为了实现单工作点控制策略，必须使发动机 在外界负载波动时，具有自动恒定工作点的特性。但是，挖掘机的一个工作周期 除了挖掘时外负载较大之外，满斗上升、回转、卸料、空斗回转和动臂下降时外 界负载都比较小。因此单周期内负载的波动剧烈，导致发动机的工作点很难稳定 在一个目标值。 图2 1 单工作点控制策略框图 同时，由于单工作点控制策略并没有把储能装置的s o c 值作为控制的约束 条件，忽略了储能装置的效率分布，没有对储能装置的s o c 值进行闭环控制， 仅仅是当储能装置的s o c 值达到其极限值时系统对储能装置进行强制充电或禁 止充电，致使储能装置的s o c 值可能出现在其上、下极限值之间振荡的状况， 存在过度充电、放电现象。加之目前储能元件的比能量和比功率均未能很好的满 足混合动力技术发展要求，在该控制策略下，容易导致储能装置过充过放，造成 能量的损失和储能元件的使用寿命缩短。由于混合动力液压挖掘机不能外部充 7 并联式混合动力液压挖掘机控制策略研究 电，所有消耗的能量都来自发动机，当负载的动力需求与发动机最优工作点上的 动力差别较小时，发动机工作点通过电动机调节到最佳工作点上所获得的效率提 高不足以克服电动机调节过程中所损失的能量，使得该控制可能得不偿失。 单工作点控制策略仅仅把发动机作为优化的对象，而没有考虑电动机的效率 分布。事实上电机的高效率范围要宽于发动机，但单工作点控制策略对发动机的 过度优化使得发动机的工作条件受到限制，效率较低。因此，单工作点控制策略 并不能很好的适用于混合动力挖掘机系统。 2 2 双工作点控制策略 双工作点控制策略n 副以储能装置的s o c 上、下极限值为依据设定了发动机 的两个极限工作点，将储能装置的s o c 值作为控制的一个约束条件，在控制过 程中，通过保证s o c 值在合理的范围内实现其控制。该控制策略主要通过发动 机工作切换在设定的两个工作点之间实现其控制，这两个工作点必须满足条件： 所有工况下的平均功率都必须在这两个工作点之间，即： t , o m i n p ( p 轻，绵，琏) m a x e ( e 轻，绵，& ) 1 5 0 0 0 峰值效率( ) 8 5 8 99 4 - 9 59 5 - 9 78 5 - 9 0 效率( ) 8 0 8 77 9 8 5 9 0 9 27 8 - 8 6 过载能力( ) 2 0 03 0 0 5 0 03 0 03 0 0 5 0 0 恒功率区比例 l ：5l ：2 2 5 1 ：3 控制操作性能最好好好好 可靠性一般好优良好 结构的坚固性差好一般优良 尺寸及质量 大、重中、中小、轻小、轻 控制器成本低高一般高 矢量控制也成磁场定向控制，其基本思路是：模拟直流电动机的控制方法进 行控制，根据磁势和功率不变的原则通过正交变换，将a b c 三相坐标下的数 学模型等效转变成为口二相静止坐标系的模型( c l a r k e 变换) ，然后通过旋转 变换将二相静止坐标系模型变成d q 二相旋转坐标下的模型( p a r k 变换) 。在 口d g 变换下将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的2 个直流分量乙、t ( 其中0 为励磁电流分量，t 为转矩电流分量) ，并分别对其加以控制，控制易就 相当于控制磁通，控制i 就相当于控制转矩，感应电动机的定子电流被分解为励。 磁和转矩两个彼此正交的分量，从而将感应电动机等效为直流电动机，实现转矩 与励磁之间的解耦。矢量控制的原理可以用图( 3 2 ) 说明。 1 6 硕j ：学位论文 3 电流 控制 翘撬确 ；感应电动机 图3 2 感应电机的矢量控制原理框图 f ： 蓿卜瑶莓自磬罄毒 茎二丁一 图3 3 感应电机的矢量控制的等效直流调速系统 从图( 3 2 ) 可以看出，矢量控制引入的矢量变换1 与感应电动机内部的旋 转变换相抵消。如果不考虑逆变器的电流滞后，则系统相当于由线性控制器 直接控制一台直流电动机，亦即系统等效为图( 3 3 ) 所示直流调速系统畸引。 设感应电动机三相绕组( a b c ) 与二相绕组( 口) 的轴线设定如图( 3 4 ) 所示，彳相绕组轴线与口相绕组的轴线重合，各轴分别对应交流电流f 。、如、t 和 乞、的空间矢量，且都是静止坐标系。采用磁势分布和功率不变的绝对变换， 三相交流电流在空间产生的磁势f 与二相交流电流产生的磁势相等，即c l a r k e 变换，其变换矩阵公式为： 其逆变换矩阵公式为： ( 3 7 ) ( 3 8 ) 由二相静止坐标系( 口一) 到二相旋转坐标系( d 一9 ) 的变换成为p a r k 变换。口一为静止坐标系，d g 为任意角速度国旋转的旋转坐标系。当口一静 止坐标系变换为d q 旋转坐标系时，坐标轴的设定如图( 3 5 ) 所示。p 为a 轴 与d 轴之间的夹角，d g 绕组在空间垂直放置，分别把电流和乞置于d ，q 轴 上，并让d q 坐标系以同步转速功旋转，则产生的磁动势与口一坐标系等效。 d g 和口一轴的夹角秒是一个变量，随负载、转速而变化，在不同的时刻有不 同的值。p a r k 变换写成矩阵形式，其公示如下： ，一 州一：笼s i n o 刚 i 珞i 。l 并联式混合动力液压挖掘机控制策略研究 图3 4 三相绕组与二相绕组的轴线设定 l l p t 人8 i ( 3 1 0 ) 图3 5 口一坐标系 在磁场定向的矢量控制算法中，若同步旋转坐标系的d 轴放在转子磁场上， 称为转子磁场定向；放在定子磁场上，称为定子磁场定向；放在气隙磁场上，称 为气隙磁场定向。在实际使用中主要采用的是基于转子磁场定向坐标系统，因为 此时电磁转矩有最简单的形式： 乙= 磋弛 已= u d 。易+ u g 。 式( 3 1 1 ) 中，己为电动机功率；乙为电动机的电磁转矩；仇为电机的极 对数；三。为定、转子互感；三，为转子漏感。 由式( 3 1 1 ) - i j n ，电磁转矩乙与励磁电流易和转矩电流乞的乘积成正比关 系。当实际转速小于额定转速时，保持励磁电流为额定值，通过调节电流乞即 来改变电磁转矩，实现其恒转矩控制；当实际转速大于额定转速时，调整励磁电 流给定随转速q 自动调节，保持屯q c o n s t ，同时调节转矩电流乇给定，保证 。( o ，实现恒功弱磁控制。r c o n s t 3 3 储能装置模型 储能装置主要用于混合动力系统的能量储存、向外传送能量( 放电) 和从外 部接受能量( 充电) 的装置。至今，能量储存元件主要包括化学蓄电池、超级电 1 8 1 00 。l 1j 秒护 口 啷菪5 | = ： ，j机匠 式形阵矩的换 变 逆咄ap )， 1 o 厶11l 3 3 ，一，k 硕l j 学位论文 i i i_ _ i i 皇曼曼曼曼皇量曼曼蔓! 曼曼曼曼曼舅曼皇皇曼曼曼 容器和飞轮电池 刳。衡量储能装置性能的主要指标包括比能量、比功率、充电 时间、充电效率、放电时间和循环寿命等，表( 3 2 ) 对蓄电池、超级电容和普 通电容进行了性能比较。 比能量( 能量密度) 被定义为每单位重量或体积储能装置所具有的能量，单 位用w h 蛔或w h l 来表示。理论比能量是每单位储能单元所储存的最大能量。 储能单元中的能量可由吉布斯函数a g 予以表达。就蓄电池的理论比能量而言， 仅涉及有效重量( 反应物和生成物的分子量) ，其比能量可用公式表示为： ，theo一ag=焘(whkg)theo3 6 m(313)i，一2 赢 j 副 式( 3 1 2 ) 中，罗m 为储能装置中所包含的各反应物质分子量的总和。以 铅酸蓄电池为例，l = 2 0 3v ，刀= 2 和m = 6 4 2 9 ：则得。棚= 1 7 0 腑堙。 比功率( 功率密度) 被定义为在短时间内每单位重量或体积的储能装置所能 提供的最大功率。比功率是储能装置重要的技术性能指标，特别是在瞬间需求输 出较大功率的系统中。 表3 2 铅酸电池、超级电容、普通电容和飞轮电池的性能比较n 1 性能 铅酸蓄电池超级电容普通电容飞轮电池 比能量( w h k g ) 4 01 1 0 0 11 0 1 5 0 比功率( w k g ) 约1 0 0 5 0 0 0 0 0 无限 充电时间 l 5 h0 3 3 0 s1 0 一1 0 3 s 放电时间 o 3