崔寧,秦四成,趙丁選

(1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,130022,長春;2.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,519000,廣東珠海)

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液壓挖掘機(jī)并聯(lián)混合節(jié)能動(dòng)力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制策略

崔寧1,2,秦四成1,趙丁選1

(1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,130022,長春;2.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,519000,廣東珠海)

針對(duì)采用電容蓄能進(jìn)行能量回收的并聯(lián)式液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)提高能量效率和降低轉(zhuǎn)矩變化幅度的問題,提出了一種基于實(shí)時(shí)優(yōu)化力矩分配的新型多目標(biāo)優(yōu)化控制策略。根據(jù)負(fù)載特性將由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)構(gòu)成的混合動(dòng)力裝置的工況分為高負(fù)載和低負(fù)載兩個(gè)采用不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速的工作區(qū),通過曲線擬合對(duì)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩與能量效率特性關(guān)系進(jìn)行建模,構(gòu)建以轉(zhuǎn)矩為變量的目標(biāo)函數(shù),并通過懲罰函數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩變化幅度進(jìn)行限制,提高系統(tǒng)的能量效率并降低轉(zhuǎn)矩變化對(duì)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的損害。采用仿真程序和模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證該策略的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與固定比例轉(zhuǎn)矩策略相比,系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩變化幅度降低了37.9%,總體能量損耗和燃油損耗分別降低了8.74%和8.9%。采用該控制策略后,系統(tǒng)在提供相近的功率輸出特性的情況下,其總體的能量消耗、燃油消耗和轉(zhuǎn)矩特性均得到了改善。

能量效率;并聯(lián)式混合動(dòng)力;液壓挖掘機(jī);控制策略

隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,基于多種能源的混合動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。由電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同構(gòu)成的混合動(dòng)力系統(tǒng)已成功運(yùn)用在汽車上[1-4],在工程機(jī)械領(lǐng)域也已進(jìn)行了多年的研究[5]。

挖掘機(jī)是工程機(jī)械中比較有代表性的一類。由于挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)載變化比較頻繁、波動(dòng)比較大,發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)時(shí)間在非高效區(qū)內(nèi)工作,燃料的利用率低下,排放質(zhì)量較差,因此改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率是混和動(dòng)力系統(tǒng)的核心問題。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是當(dāng)前挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。這類系統(tǒng)采用通過電機(jī)的發(fā)電和助力的方式來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工況,使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能在高效區(qū)工作,從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能[6]。此外電動(dòng)機(jī)可工作于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài),減少了系統(tǒng)的動(dòng)力總成;發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)也降低了這兩大動(dòng)力總成的功率[7-8]。

控制策略是混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心技術(shù),主要有基于規(guī)則的和基于優(yōu)化的兩種類型?；趦?yōu)化的方法能夠得到最優(yōu)或近似最優(yōu)的控制效果,是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[9-10]。舒紅對(duì)一種混聯(lián)型混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行了分析。基于發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和蓄電池的效率圖,建立了混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車充電工況和放電工況的系統(tǒng)效率模型。放電工況以系統(tǒng)放電效率最大為優(yōu)化目標(biāo),充電工況根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)不同,分別以系統(tǒng)充電效率最大、系統(tǒng)充電效率與充電功率乘積最大為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略進(jìn)行了優(yōu)化研究[11]。張博等應(yīng)用PSAT前向仿真軟件及矩陣分割全局優(yōu)化算法,對(duì)并聯(lián)式Plug-in混合動(dòng)力汽車在不同電能消耗續(xù)駛里程下的能量管理策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[12]。

當(dāng)前混合動(dòng)力挖掘機(jī)的能量管理策略多為基于系統(tǒng)能耗將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在最佳工作區(qū)間[9],但這種策略往往對(duì)電機(jī)的效率考慮的不夠充分,結(jié)合電機(jī)特性的效率優(yōu)化是控制器設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。另外,轉(zhuǎn)矩的變化幅度是一個(gè)尚未充分考慮的目標(biāo),由于疲勞特性等的影響,該目標(biāo)將對(duì)系統(tǒng)的使用壽命和可靠性造成較大影響。本文針對(duì)液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作特性,提出了一種基于實(shí)時(shí)優(yōu)化的新型算法,以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

1 系統(tǒng)描述

本文所用的并聯(lián)式混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在動(dòng)力結(jié)構(gòu)上,采用了在一般挖掘機(jī)系統(tǒng)中通用的雙泵供油的方式。為了實(shí)現(xiàn)能量回收,在主泵上安裝了一個(gè)采用柴油機(jī)與電動(dòng)/發(fā)電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)液壓泵的混合動(dòng)力裝置,并通過一個(gè)包含能量回收功能的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)。該動(dòng)力源由變換器/逆變器、超級(jí)電容及蓄電池等共同構(gòu)成?；旌蟿?dòng)力裝置的機(jī)械能通過分動(dòng)箱直接驅(qū)動(dòng)主泵帶動(dòng)液壓系統(tǒng)做功。電動(dòng)/發(fā)電機(jī)可在柴油機(jī)的帶動(dòng)下處于發(fā)電狀態(tài),并經(jīng)過變換器/逆變器將這一部分能量存儲(chǔ)到超級(jí)電容中,超級(jí)電容處于充電狀態(tài),并可將電能儲(chǔ)存在電池中,也可使電動(dòng)/發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài),與柴油機(jī)一起驅(qū)動(dòng)主泵。主泵為液壓柱塞泵,其排量的調(diào)節(jié)通過對(duì)傾角液壓缸的位移進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)。

圖1 并聯(lián)式液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)

2 控制算法

2.1 實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略

本文提出的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略如圖2所示。操作者發(fā)出的控制指令通過挖掘機(jī)系統(tǒng)的逆模型轉(zhuǎn)化為動(dòng)力系統(tǒng)需要的輸出,在經(jīng)過負(fù)載工作區(qū)判斷后,獲得泵斜盤的期望角度和泵的期望轉(zhuǎn)速及期望轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)通過斜盤傾角回路和混合動(dòng)力系統(tǒng)回路實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的控制。期望轉(zhuǎn)矩經(jīng)優(yōu)化分配后,可獲得柴油機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩Tcd、電機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩Tdd或發(fā)電機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩Tgd,以這2個(gè)期望轉(zhuǎn)矩和泵的期望轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化變量設(shè)計(jì)控制器來完成對(duì)電機(jī)與柴油機(jī)的控制。

2.2 基于力矩分配的能量效率優(yōu)化

系統(tǒng)各動(dòng)力組成部分的能量效率的提高是節(jié)能的關(guān)鍵,因此本文優(yōu)化控制的核心便是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo),需要讓系統(tǒng)做的有用功達(dá)到最大,因此設(shè)定下面的目標(biāo)函數(shù)

J=min(kcPcd)2+(kdPdd)2+(kgPdg)2+

(ktcΔTtc)2+(ktdΔTtd)2+(ktgΔTtg)2

(1)

(a)控制總圖

(b)泵傾角控制器

(c)混合動(dòng)力系統(tǒng)回路圖2 實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略

式中:k(kc,kd,kg)為加權(quán)系數(shù);Pcd為柴油機(jī)消耗能量與最高效率狀態(tài)下消耗能量的差值;Pdd為電機(jī)消耗能量與最高效率狀態(tài)下消耗能量的差值;Pdg為發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)電量與最高效率狀態(tài)下發(fā)電量的差值。由于電機(jī)和發(fā)電機(jī)為一體,因此kd和kg必有一個(gè)為0。ΔT(ΔTc,ΔTd,ΔTg)為轉(zhuǎn)矩變化幅度的絕對(duì)值。kt(ktc,ktd,ktg)為懲罰函數(shù)式的加權(quán)系數(shù),在ΔT較小時(shí)為0,在ΔT超過一定幅度時(shí)以一定斜率增大,ktd和ktg必有一個(gè)為0。

函數(shù)J代表了系統(tǒng)柴油機(jī)和電機(jī)所耗費(fèi)的無用功能量之和。該函數(shù)的意義是使系統(tǒng)在維持既定的功率輸出的前提下,令系統(tǒng)的無用功總量達(dá)到最小,間接令系統(tǒng)能量效率達(dá)到最高。為了維持既定的功率輸出,系統(tǒng)需令混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率輸出與負(fù)載功率相等,即滿足負(fù)載功率約束

Pl=Pc+Pd-Pg

(2)

由于電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)角速度相同,該約束可轉(zhuǎn)化為

Tl=Tc+Td-Tg

(3)

式中:Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Tc、Td、Tg分別為柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

在角速度ω一定的前提下,柴油機(jī)的最高效率點(diǎn)時(shí)的功率Pcm為一個(gè)與轉(zhuǎn)矩Tc相關(guān)的函數(shù)

Pcm=Fc(Tc,ω)

(4)

損耗能量為

Pcd=Pcm-Pciηci

(5)

式中:Pci為柴油機(jī)的輸入功率;ηci為柴油機(jī)的能量效率參數(shù),如下文所述,在轉(zhuǎn)速一定的條件下,可以擬合為柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩Tc的函數(shù)。類似地,電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)在角速度ω時(shí)的損耗能量為

Pdd=Pdm-Pdiηdi

Pdg=Pdm-Pdiηdi

(6)

得到針對(duì)柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的優(yōu)化策略

J=minF(T,ω,ΔT)

stc.Tl=Tcd+Tdd-Tgd

Tcmin

Tdmin

Tgmin

ΔT<Δ

(7)

其中,F(T,ω,ΔT)=(kcPcd)2+(kdPdd)2+(kgPdg)2+(ktcΔTtc)2+(ktdΔTtd)2+(ktgΔTtg)2,T(Tcd,Tdd,Tgd)為柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩。由于Pcd、Pdd、Pdg等變量均可表示為轉(zhuǎn)矩的函數(shù),該函數(shù)事實(shí)上是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)對(duì)能量效率的優(yōu)化,Δ(Δc,Δd,Δg)為轉(zhuǎn)矩變化幅度閾值。

本文算法的優(yōu)越性在于采用了實(shí)時(shí)優(yōu)化函數(shù)的方法來設(shè)定期望轉(zhuǎn)矩。除實(shí)現(xiàn)本文的目標(biāo)外,還可針對(duì)油耗比、經(jīng)濟(jì)性等多種目標(biāo)需求進(jìn)行調(diào)整。如參照電池電量,可設(shè)定充電與發(fā)電的切換系數(shù)的取值范圍,結(jié)合燃油價(jià)格和電價(jià)格通過調(diào)節(jié)系數(shù)獲得最優(yōu)的價(jià)格比等[13]。

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

圖3 柴油機(jī)油耗特性曲線

本文需根據(jù)柴油機(jī)及電機(jī)的特性,依照前文所述的算法,對(duì)控制策略進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整。圖3所示為本系統(tǒng)所用的柴油機(jī)典型工況下的油耗特性曲線。通過對(duì)該圖進(jìn)行分析,可得到如下條件:柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 200～1 800 r/min、轉(zhuǎn)矩為250～400 N·m的范圍內(nèi),是高效率工作區(qū)。轉(zhuǎn)速為1 300 r/min、轉(zhuǎn)矩為270 N·m,轉(zhuǎn)速為1 700 r/min、轉(zhuǎn)矩為350 N·m分別是兩個(gè)高效率的工作點(diǎn),接近最高的效率,同時(shí)這兩個(gè)點(diǎn)相距足夠遠(yuǎn),可提供不同的功率輸出。因此,依照這兩個(gè)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置高功率工作模式和低功率工作模式。

為了獲取最優(yōu)轉(zhuǎn)矩,可以通過多項(xiàng)式曲線擬合的方式獲得在這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的柴油機(jī)的工作效率與力矩之間的特性。使用類似的方法,分別構(gòu)建了1 200和1 800 r/min情況下,電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩與效率的關(guān)系特性曲線。如圖4所示分別為轉(zhuǎn)速在1 200和1 800 r/min情況下,柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與效率的關(guān)系特性曲線,擬合公式為

η=k1τ5+k2τ4+k3τ3+k4τ2+k5τ+k6

(8)

式中:η為效率;τ為轉(zhuǎn)矩;k1～k6為多項(xiàng)式系數(shù)。表1給出了轉(zhuǎn)矩與效率的關(guān)系特性曲線中的參數(shù)。其中:ηcl、ηdl、ηgl分別為柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min下的效率;ηch、ηdh、ηgh分別為柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min下的效率。

圖4 轉(zhuǎn)矩與效率的關(guān)系特性曲線

本算法的目標(biāo)函數(shù)為一個(gè)二次型函數(shù),經(jīng)微分后結(jié)合轉(zhuǎn)矩約束可化為一個(gè)高次多項(xiàng)式,求取其為0時(shí)的根,并結(jié)合轉(zhuǎn)矩范圍約束和最高效率點(diǎn)位置可獲得最優(yōu)解或邊界次優(yōu)解。負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl的調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)柱塞泵的斜盤傾角實(shí)現(xiàn)。

表1 效率轉(zhuǎn)矩特性擬合參數(shù)值

電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)本身為一個(gè)無刷直流電機(jī),本文采用文獻(xiàn)[14]中的直接轉(zhuǎn)矩(direct torque control, DTC)控制器來對(duì)其進(jìn)行控制。柴油機(jī)的控制由一種簡單而高效的PID控制器來實(shí)現(xiàn)

(9)

式中:ui為控制輸出;ωi和αi分別為實(shí)際的角速度和其積分;下標(biāo)d代表期望值;kPi、kIi、kDi為PID控制器系數(shù)。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了對(duì)算法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,運(yùn)用MATLAB/simulink程序搭建了實(shí)驗(yàn)程序。該程序在考慮初始條件和邊界條件下建立包含柴油機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)及泵等系統(tǒng)的仿真模型,并可將實(shí)際功率需求加載到模型中,對(duì)同一工況進(jìn)行多次的重復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)。圖5為用于實(shí)驗(yàn)的負(fù)載模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了由電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)和能量回收系統(tǒng)構(gòu)成的混合動(dòng)力系統(tǒng),并采用PWM對(duì)電比例溢流閥進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)負(fù)載壓力的模擬。通過工控機(jī)將在實(shí)體車上采集到的各種工況下不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)負(fù)載讀入生成流量和壓力曲線,將其輸入仿真程序和實(shí)驗(yàn)平臺(tái),即可實(shí)現(xiàn)工況模擬和復(fù)現(xiàn),并在近似的工況下進(jìn)行控制策略的比較實(shí)驗(yàn)。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

為了考察新策略的效果,以某7 t挖掘機(jī)(柴油機(jī)額定功率160 kW)為原型。使用純柴油機(jī)、固定比例轉(zhuǎn)矩策略(柴油機(jī)與電動(dòng)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別為總轉(zhuǎn)矩的70%和30%)與多目標(biāo)優(yōu)化策略進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖6 系統(tǒng)50 s內(nèi)的功率需求

(a)仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化結(jié)果

(b)模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化結(jié)果

(c)總體能量的消耗

(d)燃油消耗圖7 50 s仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

圖6為在典型工況下,系統(tǒng)50 s內(nèi)的實(shí)際需求功率載荷譜曲線,圖7為系統(tǒng)50 s內(nèi)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7a和圖7b分別為仿真及實(shí)驗(yàn)中的轉(zhuǎn)矩分配的結(jié)果,由圖可知,由于使用了多目標(biāo)優(yōu)化控制策略,柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩被很好地控制在了高效的轉(zhuǎn)矩區(qū)域,并且在工作過程中也在一定程度上兼顧了電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作效率。最大的轉(zhuǎn)矩變化出現(xiàn)在約35 s處。固定比例轉(zhuǎn)矩策略中,柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩幅度為61.7 N·m/s,發(fā)電機(jī)為26.5 N·m/s,而此時(shí)柴油機(jī)最大幅度為29.4 N·m/s,發(fā)電機(jī)最大幅度為38.3 N·m/s,最大轉(zhuǎn)矩變化幅度降低了37.9%,可見新算法不僅降低了轉(zhuǎn)矩的變化幅度,同時(shí)也考慮了電機(jī)響應(yīng)速度較快的特性,并且兩個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩變化較為均衡。圖7c為能量損耗結(jié)果,圖7d為燃油消耗結(jié)果,由圖可見,使用混合動(dòng)力系統(tǒng)的能耗比使用純柴油機(jī)的能耗有所降低,而使用多目標(biāo)優(yōu)化的控制策略后,系統(tǒng)的能耗得到了更大的降低,同時(shí)也降低了燃油的損耗。與固定比例轉(zhuǎn)矩策略相比,新策略的總體能量損耗降低了8.74%,燃油損耗降低了8.9%。相對(duì)來說,模擬實(shí)驗(yàn)中的轉(zhuǎn)矩結(jié)果存在一定干擾及延遲,因此效果略遜于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 轉(zhuǎn)矩變化結(jié)果

圖8為150 s左右出現(xiàn)的較為典型的轉(zhuǎn)矩變化結(jié)果。在圖8a處,通過對(duì)電機(jī)和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩分別調(diào)節(jié),使二者均衡變化,避免了轉(zhuǎn)矩變化過快;在圖8b處,目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化超出了閾值,因此只令電機(jī)和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩以閾值上限變化。這雖然使系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能有所降低,但對(duì)機(jī)械系統(tǒng)起到了較好的保護(hù)作用,同時(shí)考慮泵的特性,這種劇烈變化一般只在剛性碰撞等特殊狀況下發(fā)生,此時(shí)泵的輸出變化在事實(shí)上對(duì)系統(tǒng)的性能影響較小。

4 結(jié) 論

以采用電容蓄能進(jìn)行能量回收的并聯(lián)式液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象,提出了一種基于轉(zhuǎn)矩分配的多目標(biāo)優(yōu)化策略,提高系統(tǒng)的能量效率并降低轉(zhuǎn)矩變化幅度以保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)。基于Matlab/simulink的仿真平臺(tái)和包含負(fù)載模擬系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行本文所提策略與固定比例轉(zhuǎn)矩策略的對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)通過對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化控制,不僅可實(shí)現(xiàn)各部分能量效率及總體能量效率的提高,還可以改善系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩變化特性,以保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu),提高機(jī)械系統(tǒng)可靠性。

(2)使用了新策略的系統(tǒng)與使用固定比例轉(zhuǎn)矩控制策略的系統(tǒng)相比,其轉(zhuǎn)矩變化幅度、總體能量消耗和燃油消耗均得到了改善。

(3)改變優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中的加權(quán)系數(shù)和約束,可以針對(duì)不同的工況和工作需求對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

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(編輯 武紅江)

A Multi-Object Optimal Control Strategy for a Parallel Hybrid Power System in Hydraulic Excavators

CUI Ning1,2,QIN Sicheng1,ZHAO Dingxuan1

(1. College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhuhai City Polytechnic, Zhuhai, Guangdong 519000, China)

A novel optimal torque control allocation strategy for the control of the power system that consists of the DC motor/generator and the diesel engine is proposed to improve the energy efficiency and to decrease the torque amplitude of variation for a parallel hybrid power system with an energy regenerator by capacitor for hydraulic excavator. Two work areas with different rotate speeds are built based on load forces. Curve fitting is used to model the character between the torque and the energy efficiency, and a penalty function is built to decrease torque range, then multi-object optimal cost functions are put forward. Experiments are performed by simulation program on a simulated experiment platform. The results and a comparison with the constant torque strategy show that the proposed strategy decreases the torque amplitude of variation by 37.9%, the whole energy by 8.74%, and the fuel consumption by 8.9%. It can be concluded that the new strategy improves the energy consumption, the fuel consumption and the impact on mechanics system caused by torque range.

energy efficiency; parallel hybrid system; hydraulic excavator; control strategy

2016-01-12。 作者簡介:崔寧(1973—),男,博士生;趙丁選(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA044403)。

時(shí)間:2016-04-15

10.7652/xjtuxb201606018

TP137.51

A

0253-987X(2016)06-0116-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160415.1612.012.html