混合动力电动汽车驱动系统优化控制策略研究

【摘要】：作为一种新型的多能量源交通工具,混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)的驱动系统独特复杂,其控制是HEV的核心技术,也是提高整车经济性、动力性、舒适性的关键所在。为了提高HEV电驱动系统的控制精度和舒适性,本论文基于Hamilton系统理论研究了考虑铁损的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的镇定控制和H∞控制问题。然而,HEV驱动系统的控制问题不仅包括底层各执行部件(电机、发动机、离合器、变速器等)的控制,还包括HEV模式切换动态过程中电机、发动机、离合器等动力源和动力传递部件之间的协调控制。为了提高HEV驱动系统模式切换动态过程的舒适性、快速性和经济性,本论文采用预测控制理论研究了HEV驱动系统在模式切换期间的转矩协调控制问题。主要研究内容如下：1.为了提高HEV电驱动系统的控制性能和控制精度,首次提出采用Hamilton系统理论实现考虑铁损的永磁同步电机的镇定控制。首先,建立了考虑铁损的永磁同步电机的完整动态数学模型及其端口受控Hamilton模型。然后,利用互联和阻尼配置及能量整形方法实现了考虑铁损的永磁同步电机的Hamilton镇定控制；最后,分析了阻尼参数和铁损对电机转速的影响。仿真结果表明：Hamilton控制可实现系统的快速镇定并可有效抑制负载扰动。2.针对HEV用永磁同步电机在实际工况中存在的负载扰动问题,首次提出了一种基于Hamilton系统H∞控制理论的扰动抑制算法。首先,在己有的考虑铁损的永磁同步电机的Hamilton实现及镇定控制的基础上,设计了永磁同步电机的Hamilton H∞控制器。然后,分析了负载扰动情况下,采用Hamilton系统H∞控制前后以及不同干扰抑制水平下,各电流分量、转速和电磁转矩的响应情况。仿真结果表明：Hamilton系统H∞控制具有很好的负载扰动抑制能力,有助于提高HEV的驾乘舒适性。3.提出采用模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)与模型参考控制相结合的方法研究HEV模式切换期间的转矩协调控制问题。首先,借鉴了模型参考控制的思想,建立从纯电动到混合驱动这一模式切换动态过程的参考模型,用以产生模型预测控制所需的参考信号。其次,设计了从纯电动到混合驱动这一模式切换动态过程的模型预测控制器。然后,将所提出的策略与基于实际驾驶经验的传统控制方法进行了比较,仿真结果表明：所提策略不仅可以实现更小的车辆冲击度、更少的驱动系转矩中断和更小的离合器滑摩损耗,还对车辆行驶阻力的变化以及驾驶风格的变化具有很好的适应性。4.首次提出基于数据驱动预测控制(Data-driven Predictive Control,D-DPC)方法研究HEV模式切换期间的转矩协调控制问题,以提高HEV的模式切换品质。首先,在专业汽车分析软件CRUISE平台上搭建了HEV的整车模型,并且设计了能够充分激励系统特性的系统输入数据。其次,获得了所设计的输入数据作用下的HEV动态模型的输出和受约束的输出数据,直接基于上述输入输出数据辨识得到了子空间预测模型并利用另外一组输入输出数据予以验证。然后,显式考虑输入输出约束,将该转矩协调控制问题转化为一个二次规划问题并且在Matlab/Simulink环境下实现了该控制策略。最后,Cruise与Matlab/Simulink的联合仿真结果验证了所提转矩协调控制策略的有效性,并且证明：与模型预测控制方法相比,数据驱动预测控制方法的冲击度更小、模式切换时间更短、离合器滑摩损耗更小,提高了模式切换品质。 【关键词】：转矩协调控制 混合动力电动汽车 模型预测控制 数据驱动预测控制 永磁同步电机 Hamilton系统 能量整形 H_∞控制
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 课题背景16-18
• 1.2 HEV驱动系统控制策略概述18-23
• 1.2.1 永磁同步电机控制策略国内外研究进展18-21
• 1.2.2 HEV转矩协调控制策略国内外研究进展21-23
• 1.3 理论基础23-32
• 1.3.1 Hamilton系统理论23-27
• 1.3.2 模型预测控制理论27-31
• 1.3.3 数据驱动预测控制理论31-32
• 1.4 本文研究内容与主要工作32-34
• 第二章 考虑铁损的HEV用永磁同步电机Hamilton镇定控制34-44
• 2.1 引言34-35
• 2.2 考虑铁损的永磁同步电机的动态数学模型35-36
• 2.3 考虑铁损的永磁同步电机的PCHD模型36-38
• 2.4 Hamilton镇定控制器设计及稳定性分析38-40
• 2.4.1 平衡点的求解38
• 2.4.2 镇定控制器设计及稳定性分析38-40
• 2.5 仿真实验与分析40-42
• 2.6 小结42-44
• 第三章 基于Hamilton系统理论的HEV用永磁同步电机H_∞控制44-58
• 3.1 引言44-45
• 3.2 考虑铁损的永磁同步电机的端口受控耗散Hamilton模型45-46
• 3.3 考虑铁损的永磁同步电机的Hamilton H_∞控制46-52
• 3.4 仿真实验与分析52-56
• 3.5 小结56-58
• 第四章 基于模型预测控制的HEV转矩协调控制策略研究58-78
• 4.1 引言58-59
• 4.2 HEV驱动系统的动态数学建模59-62
• 4.2.1 车辆阻转矩模型60
• 4.2.2 离合器模型60-61
• 4.2.3 HEV驱动系统不同运行模式下的动态模型61-62
• 4.3 模型预测控制器的设计62-69
• 4.4 仿真结果69-77
• 4.4.1 所提转矩协调控制策略与传统方法的比较70-74
• 4.4.2 所提转矩协调控制策略的敏感性分析74-75
• 4.4.3 所提转矩协调控制策略的适应性分析75-77
• 4.5 小结77-78
• 第五章 基于数据驱动预测控制方法的HEV转矩协调控制策略研究78-110
• 5.1 引言78-79
• 5.2 基于Cruise的HEV整车建模79-82
• 5.3 数据驱动预测控制器设计82-99
• 5.3.1 子空间预测方程的推导82-88
• 5.3.2 子空间矩阵的辨识88-90
• 5.3.3 子空间预测方程的验证90-92
• 5.3.4 最优控制问题的描述92-94
• 5.3.5 预测输出方程94-96
• 5.3.6 考虑约束的数据驱动预测控制器96-99
• 5.4 仿真结果与讨论99-108
• 5.4.1 数据驱动预测控制方法的仿真结果99-100
• 5.4.2 数据驱动预测控制方法与模型预测控制方法的比较100-108
• 5.5 小结108-110
• 第六章 结论与展望110-112
• 6.1 结论110-111
• 6.2 展望111-112
• 参考文献112-126
• 致谢126-128
• 攻读博士学位期间发表、撰写的科研论文及参与的科研项目128-130
• 附录130-149
• 学位论文评巧及答辩情况隶149

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