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1、摘要1Abstract2第一章引言31.1 混合动力汽车的发展背景和现状31.2 混合动力汽车的分类3121串联式混合动力汽车3122并联式混合动力汽车4123混联式混合动力汽车41.3 本文主要内容5第二章混合动力汽车的建模62.1 混合动力汽车的工作原理62.2 混合动力汽车行驶模型62.2.1 混合动力汽车的数学模型62.2.2 混合动力汽车的SimUlink模型7第三章控制器83.1 最优控制理论83.2 混合动力汽车的控制器设计8第四章观测器104.1 观测器理论104.2 基于控制律的观测器设计104.3 观测器的仿真实现11第五章结论16参考文献17致谢18随着全球环境问题和石油
2、资源紧缺日益突出，当前普遍使用的燃油动力汽车由于动力使用效率地下以及存在废气排放的弊病，越来越多的汽车厂商投入到新能源汽车的研发。由于短时间内电动汽车存在许多无法解决的技术问题，混合动力汽车(HybridElectricVehicle,HEV)成为目前的发展主流。90年代以来，混合动力汽车取得了阶段性的发展，诸多高新技术的研发使得其性能指标基本达到了燃油汽车的水平，如丰田、日产、本田等汽车研发企业已经对混合动力汽车进行批量生产。由于其不但具有环保节能的特点，又有着充足的动力和较好的经济性，混合动力汽车将会是目前汽车开发的主流方向。围绕着优化混合动力系统的能量管理策略以及提高燃油经济性，本文主要
3、研究内容为：首先，本文对于混合动力汽车进行仿真建模，建立了整车模型。接着确定最优控制目标驾驶平顺性，并根据最优控制理论得到最优控制律，设计控制器。最后，为了使系统控制指标达到研究目标，建立观测器进行跟踪观测。通过仿真得出，基于最优控制理论的混合动力汽车最优控制策略可以很好的跟踪控制律的变化过程，提高汽车的驾驶平顺性。关键词：混合动力汽车；最优控制；观测器AbstractWithglobalenvironmentalissuesandshortagesofoilresourcesbecomingincreasinglyprominent,thecurrentwidespreaduseoffuel
4、-poweredvehicleshascausedthedisadvantagesofpowerusageefficiencyandthepresenceofexhaustemissions.Moreandmoreautomanufacturershaveinvestedintheresearchanddevelopmentofnewenergyvehicles.Becausetherearemanyunsolvabletechnicalproblemsinelectricvehiclesinashortperiodoftime,hybridelectricvehicle(HEV)havebe
5、comethecurrentmainstreamofdevelopment.Sincethe1990s,hybridvehicleshaveachievedaphaseddevelopment.Manyhigh-techresearchanddevelopmenthavemadetheirperformanceindicatorshavebasicallyreachedtheleveloffuelvehicles.Forexample,Toyota,Nissan,HondaandotherautomotiveR&Dcompanieshavealreadymass-producedhybridv
6、ehicles.Becauseitnotonlyhasthecharacteristicsofenvironmentalprotectionandenergyconservation,butalsohassufficientpowerandgoodeconomy,hybridvehicleswillbethecurrentmainstreamofautomotivedevelopment.Focusingonoptimizingtheenergymanagementstrategyforhybridsystemsandimprovingfueleconomy,themainresearchco
7、ntentsofthispaperare:First,thispapersimulatesandmodelshybridvehiclesandbuildsacompletevehiclemodel.Thendeterminetheridecomfortoftheoptimalcontroltarget,andobtaintheoptimalcontrollawbasedontheoptimalcontroltheorytodesignthecontroller.Finally,inordertomakethesystemcontrolindexreachtheresearchgoal,anob
8、serverissetuptoperformtrackingobservation.Throughsimulation,theoptimalcontrolstrategyofhybridvehiclebasedontheoptimalcontroltheorycantrackthechangeprocessofthecontrollawandimprovethedrivingsmoothnessofthecar.Keywords:Hybridelectricvehicle,；Optimalcontrol；Observer第一章引言1.1 混合动力汽车的发展背景和现状由于能源短缺和环境污染对人类
9、社会发展的影响越来越大，在不同的领域实现环境保护以及资源合理利用的意义更加重大，在汽车生产制造业，全球领先的厂商如丰田、通用、福特等公司已经将混合动力汽车作为未来汽车研发生产的主流山。日本丰田公司研发的普锐斯（PriUS）作为全球第一款商业性混合动力汽车，1997年丰田首次对外公开其混合动力系统，展开了混合动力汽车发展的序幕，对亚洲以及全球的开发起到了推动作用，到2017年底，PriUS已经在全球范围销售超过268万辆。目前世界各大汽车公司正在对混合动力单元技术、能量存放技术和汽车集成电力电子模块等方面进行进一步研发，使其实现低成本，高效率的开发目标。我国自主研发混合动力汽车从90年代开始，工
10、业化发展造成了对自然环境不同程度的污染，为了实现可持续发展，新能源汽车的研发被放在了重要战略位置，在国家高技术研究发展计划中，新能源汽车被列为重大专项。国内如上汽集团研发的荣威550插电式强混轿车，中国长安研发的志翔混合动力出租车，比亚迪“唐”混合动力汽车等一系列HEV已经投入批量生产。开发尤其突出的是广汽丰田公司于2010年下线的凯美瑞混合动力款，作为一款中高端私家车，凯美瑞混合动力款不仅驾驶舒适，内饰高档，其动力性和燃油经济性都受到了市场的广泛关注，其搭载了2.4升发动机以及40马力的电池驱动组，百公里油耗为6L,动力强劲，9秒的百公里加速不逊色与燃油动力汽车。1.2 混合动力汽车的分类1
11、.2.1 串联式混合动力汽车（SHEV）串联式混合动力汽车（图1.1）可实现零排放工作模式，发动机直接驱动发电机进行发电，再对电池和电机供电。发动机运行独立于车速和道路条件，提高了效率，但是油耗高，适用于大型客车。图1.1串联式混合动力汽车结构1.2.2 并联式混合动力汽车（PHEV）并联式混合动力汽车（图1.2）特征是以机械形式复合，发动机和电驱动系统可以同时或者单独驱动起汽车，电驱动模式一般用于短程行驶，需要长时间行驶时主要由发动机提供动力，电动机作为辅助动力。该类型混合动力汽车一般使用小型电机,相对提高了燃油经济性。图1.2并联式混合动力汽车结构1.2.3 混联式混合动力汽车混联式混合动
12、力汽车（图1.3）同时具有串联和并联的特点，具有最好的综合性能，但是结构较为复杂，为了实现串联和并联的切换，要设计出最合理的控制策略和控制系统。图1.3混联式混合动力汽车结构1.3 本文主要内容本文首先对混合动力汽车进行仿真建模，建立了整车行驶模型。通过实验建模和理论建模相结合，搭建了混合动力汽车SimUIink模型。接着确定最优控制目标驾驶平顺性，并根据最优控制理论得到最优控制律，设计控制器。最后，为了使系统控制指标达到研究目标，建立观测器进行跟踪观测。通过仿真得出，基于最优控制理论的混合动力汽车最优控制策略可以很好的跟踪控制律的变化过程，提高汽车的驾驶平顺性。通过本文的研究,有望解决提高混
13、合动力汽车行驶平顺性,优化控制策略的问题。第二章混合动力汽车的建模在行驶的过程中，换挡后变速箱转速改变，动力恢复的速度决定了混合动力汽车驾驶的平顺性，因此本文首先对混合动力汽车换挡时的行驶状态进行仿真建模，通过Simulink搭建模型。本章对混合动力汽车的工作原理与行驶模型进行了详细的介绍。2.1 混合动力汽车的工作原理混合动力汽车通过使用燃料转换装置、储能（电池）装置、和电动机作为动力源，从广义上来说，通常称拥有至少两种动力源的汽车为混合动力汽车，但是在实际研发和生产中，目前混合动力汽车主要是指采用内燃机和电动机作为动力源的汽车，其基本构造如图1.1、图1.2、图1.3所示。车辆行驶时，蓄电
14、池电量充足，其输出功率可以满足车辆行驶需求，此时为单发动机驱动模式，在低速行驶时，使用这一模式可以实现零排放；当需要大量动力供给的情况如加速或爬坡时，汽车进入混合牵引模式，此时两个动力系统同时向汽车提供动力；当电动机动力不足时，车辆由燃油发动机提供动力，此时电动机运行在发电机状态，汽车行驶过程中动力得以回收，此时蓄电池为充电状态，储存的电能用于以后的重复利用。混合动力汽车的工作原理使其按行驶所需要的平均功率来确定发动机的最大功率，因此当其处于平均功率时，混合动力汽车在最优工况下工作，油耗低，污染小。2.2 混合动力汽车行驶模型2.2.1 混合动力汽车的数学模型根据混合动力汽车的结构和性能，建立
15、行驶动力学数学模型，研究车辆在换挡过程中的行驶平顺性。通过此数学模型，对己有的控制策略进行优化。对行驶换挡过程中的混合动力汽车，建立如下的状态变量：xI=%(2-1)2=7n(2-2)%3=uz(2-3)c+TmTrwilg(2-4)其中3l是传动系统的形变，3rn是变速箱输入转速，3w是车轮转速，兀+%-TkHL是变速箱输入转矩减去等效的行驶阻力。通过这些状态变量可以建立出关于行驶平顺度的状态模型：rO1OikdCdJCdl917X+00QCd_d00IgJmTgJWJwLiJLOOO0其中，A是离合器转矩，7是电机转矩，Tk）i是汽车车轮阻力矩，G是变速箱和主减速器的总传动比，ym是总惯量
16、，九是车轮和车身的等效惯量，储是传动轴刚度，Cd是传动轴阻尼，n是电机转动惯量，上是离合器的转动惯量，人是变速箱的转动惯量，儿是车身的转动惯量，煮、几的具体表达形式如下：Jm=JC+Jm+Jt（2-6）Jw=r11vehrw+w（2-7）2.2.2 混合动力汽车的SimlIIink模型图2.1混合动力汽车行驶Simulink模型第三章控制器3.1 最优控制理论在现代自动控制技术中，最优控制理论主要用于对各种控制系统的优化，从多种控制方案中设计出最优解，是控制理论的一个重要组成。1948年，维纳首次提出信息、反馈以及控制的概念，而应用最广泛的是由贝尔曼提出的动态规划和庞特里亚金的极大值原理，立足
17、于状态变量法，让系统达到最优指标。本文中所使用的最优控制原理即为极大值原理，通过极值确立最优控制指标的算法。从数学意义上看，最优控制是通过求极值，即用等式或不等式作为约束条件，使系统的目标函数达到所需的极大或极小值。从现实意义来看，最优控制是在一定的资源条件约束下使的系统的效率最高，消耗最少。要使得系统达到最优控制目标，必须建立描述系统运动过程的数学模型，通过控制变量的变化，让系统在运行过程中达到指定的目标状态，并且用一个可以判断系统品质好坏的参数指标作为标准。通过系统性能与该参考指标的比较，保证其运动状态受到控制器的约束，从而达到在允许控制的范围内使得系统的性能指标函数按照需要取极大或极小值
18、。3.2 混合动力汽车的控制器设计混合动力汽车换挡过程中，行驶平顺性的优劣会随着系统各基本不见输出变化的不动产生波动，为了使整车系统平顺性的变化在一定目标范围内，本文建立如下的性能指标参数：J=(7(/2+v+)d(3-1)目标函数中，是换挡时间，V是车辆的冲击度和换挡时间指标间的权值系数，这里用驾驶员的踏板开度来定义；4表示与控制相关的权值系数。/表示纵向加速度的变化情况，即本文所研究的行驶平顺性，具体表达形式如下：且Wi，1%满足:修=皿1 %)(3-3)修气(宜(六+Jid)(3-4)由上述可知，若以行驶平顺性为控制目标，则整车控制系统行驶平顺性的最优控制问题可转化为求式3.1的极小值问
19、题。minj=f(J2+V+u2)dtj(3-5)且初始状态和最终状态满足：f-(N(曲，M=O对于上述所提出的换挡控制策略中优化的性能指标，采用极小值原理，设系统为无约束控制进行求解，根据式2.5和式3.1,定义如下形式的哈密尔顿数：H(x,u)=r+V+u2+Xrf(lu)(3-7)通过对式3.7的哈密尔顿函数求导，可以得到系统的状态方程和协态方程：为了确定系统在上述目标函数下的最优控制律，在t%切的任意时刻，均满足存在最优控制变量优U,使得系统从初始状态xQo)转移到终端状态x(t),此时哈密尔顿函数H(A*Qt)为系统最优解，即min/(x*ut)=H(x*u*t)(3-9)UEU在无
20、约束控制条件下，系统在最优控制轨线上满足H_贰二0(3-10)根据上述公式，利用系统的初试条件、终端条件和横截条件可以计算出系统的最优控制律：本章确定了最优控制目标行驶平顺性，并通过最优控制原理得到了混合动力汽车行驶平顺性的最优控制律。第四章观测器4.1 观测器原理在现代控制理论中，控制的目标一般有两种，一种是使系统更加稳定，另一种是使系统在参数变动并存在干扰的情况下达到目标值。而为了达到这样的控制要求，现代控制采用内状态反馈来设计反馈控制系统，状态反馈问题是现代控制理论的基础。观测器也称滤波器或者估计器，其主要有两种思想，一种是基于现代控制理论的，另一种是基于扰动估计的。60年代初期，为了对
21、控制系统实现状态反馈以及其他控制需要，D.G.吕恩伯格、R.W.巴斯和J.E.贝特朗等人提出状态观测器的概念和构造方法，通过重构的途径解决了状态的不能直接量测的问题。状态观测器的出现，不但为状态反馈的技术实现提供了实际可能性，而且在控制工程的许多方面也得到了实际应用，例如复制扰动以实现对扰动的完全补偿等。本文所使用的的观测器设计是基于输出的状态观测器(OBE)o4.2 基于控制律的观测器设计最优控制律是一个关于时间的函数，属于开环控制，因此其稳定性和抗干扰性比较差，因此在确定了目标函数的基础上，为保证所得出的最优控制律能够使系统的控制指标达到指定研究目标，需要构造观测器对上述最优控制律进行跟踪
22、控制。从式3.11可以看出，最优控制的控制律是很难直接测出的，因此为了得到系统行驶平顺性的最优控制律，需要设计一种基于最优控制的状态观测器，以此得到最优控制律的数值解。设被跟踪观测的原系统为(XAx(4-1)(y=Cx构造线性系统4.1的状态观测器：i=Ax+Ky-Cx(4-2)其中重构状态分为观测器的输出,若存在实对称矩阵P,Q和矩阵R满足线性矩阵不等式(式4.3),则状态观测器(式4.2)能够实现对原系统(式4.1)的跟踪，且观测器参数矩阵K满足K=QTRo有线性矩阵不等式：PA+APOO(4-3)OQA-RC+A-CRC为验证所设计的观测器(4.2)可以跟踪上原系统(4.1),定义式(4
23、.2)中观测器与原系统的误差为元=T-%,则系统误差为：i=Ax-KCx(4-4)定义李雅普洛夫函数：.XPOlrxV=lxQIxl(4-5)由式4.1,式4.4可以得到：V=xPA+AP)x+x(QA-QKC+AQ-CKQ)x(4-6)定义K=QTR并代入式4.6得：V=xA+AP)x+x(QA-RC+AQ-CR)x(4-7)基于线性矩阵不等式(式4.3)得吠0,所以系统是渐近稳定的，这意味着观测器(式4.2)能够实现对原系统(式4.1)的跟踪，且观测器参数矩阵K=QTR。4.3仿真实现为了验证所设计观测器是否可以较好的跟踪原系统最优控制律的变化过程，本文通过Matlab进行仿真实现。在混合
24、动力汽车原系统中，相关参数如下表所示：变速箱与主减速器总传动比弓4电机转动惯量0.13kg*n2传动轴阻尼Q150车身转动惯量Jw9.83kg*m2离合器转动惯量/c0.003kg*m2变速箱转动惯量九0.1kg*mz传动轴刚度Zd24300车轮半径加0.4917整车质量11e13500kg权值系数50表4.1混合动力汽车相关参数根据式3.8可以得到整个系统的行驶平顺性控制，即：XAx(4-8)其中：X%2%3%4入1入2入3入4(4-9)为了设计基于最优控制的状态观测器，系数矩阵A和C设置如下:O1-400000-6518-401604.29000020.01-0.04500000A=000
25、0000-0.001-271050-202206518-20-202-14-0.03-1-40-0.102-0.030.13-0.0010-4.2900r000000Oi0000000000000000C=00000000000000000000000000000000-01000000-由于y=%2=%是整车系统中变速箱的输入转速，且比较容易跟踪测出，根据式4.3中的线性矩阵方程，可以计算出矩阵K,即：54.39606.4633-40.1528-44.68660.8511-46.19521.8657-2.6635278.830433.1260-205.8186-229.02274.3136-
26、236.77829.5174-0.0062-16.1575-1.919611.926613.2561-0.250013.7207-0.55152.0219108.926212.9408-80.4039-89.47041.6851-92.49833.71802.0291-73.0850-8.682753.947760.0310-1.130762.0626-2.4946-0.00263.27000.3885-2.4137-2.68590.0506-2.77680.111651.6780-45.8111-5.442533.815537.6286-0.708738.9021-1.5637-215.70
27、071-222.3784-26.4193164.1486182.6584-3.4403188.8401-7.59050.3056最后通过仿真得出整车系统换挡过程中变速箱输入转速以及行驶平顺性的变化过程，如图4.1和4.2所示：-60-40-5000.10.20.30.40.50.60.70.80.9时间(S)10变速箱转速Oooo -1-2-3 (WEM)幽解提酒椒图4.1变速箱转速变化图曰三受*二图4.2行驶平顺性变化图本文中将行驶平顺性定义为汽车换挡时所受冲击度对于整车系统来说，要提高换挡过程中的舒适性，降低冲击度，首先要对其进行跟踪控制，而变速系统输入转速的变化直接影响其行驶平顺性，因此
28、需要对转速变化控制在一定范围内，而图4.1清晰的显示出输入转速的变化在一定范围内基本上没有太大的波动变化。图4.2反映的是行驶平顺性J的变化情况，可以看出在输入转矩的变化逐渐减小至没有变动时，行驶平顺性同样在一定范围内保持稳定，达到了本文预期的研究目标。在整个换挡过程中，由于最优控制项很难直接测出，所以采用通过对观测器的跟踪误差来判断是否可以跟踪上原系统最优控制律的变化过程。图4.3中可以看出最优控制律优的观测值，图4.4中可以看出系统最优控制的估计误差变化过程。图4.3最优控制律优变化图图4.4最优控制估计误差变化图很明显可以看出，由图4.3和图4.4可知，基于原系统最优控制律所设计的观测器
29、可以很好的跟踪原系统中最优控制律Ir的变化过程，而观测误差在预期的时间内逐渐趋近于零，较好实现了本文研究目标。综上，最优控制策略下混合动力汽车的行驶仿真结果表明，基于最优控制律的控制器可以有效控制变速箱输入转矩以及保持较优的行驶平顺性，而状态观测器也可以对控制律进行跟踪，仿真结果对研究目标有较好的验证。第五章总结全球工业化进程带来的环境与资源问题让混合动力汽车的研发生产在近十年达到高峰，越来越多的国家将混合动力汽车的发展放在重要战略地位，在不久的未来,它将会完全取代传统汽车，实现新能源汽车发展的重大跨越。在1997年12月的电动汽车国际会议上，大多数汽车工程师认为，在未来十年中，世界上新生产的
30、汽车中至少有40%是混合动力汽车。因此，在纯电动汽车发展还未能解决其开销巨大、建设困难等挑战时，混合动力汽车的研发显得尤为重要。虽然当前主流的混合动力汽车能够基本满足人们的行驶需求，在性能上也几乎和传统汽车一致，但是仍然存在许多技术上的难题，比如混合动力单元在将燃油转化为有用功时效率不高；能量储存装置功率低，使用寿命短；驱动系统数学模型不够完善等。本文研究了混合动力汽车的最优控制策略，有效的控制了混合动力汽车的行驶平顺性本文以并联混合动力汽车为背景，以汽车的行驶平顺性为控制目标提出了混合动力汽车的换挡控制策略的优化与跟踪控制算法。首先通过建立数学模型，对混合动力汽车的行驶过程进行数学仿真，确立
31、各状态变量，并进行Simulink仿真，为后面的控制器和观测器设计奠定了基础。针对本文建立的汽车行驶数学模型，确定了最优控制目标行驶平顺性，并通过最优控制原理得到了混合动力汽车换挡行驶过程中行驶平顺性的最优控制律。接着为了对最优控制律进行跟踪观测，设计出状态观测器并进行仿真，通过仿真对控制结果进行研究验证，验证了本文设计的以最优控制理论为基础的混合动力汽车最优控制器的正确性，根据仿真得出的行驶平顺性曲线与最优控制律误差曲线分析得出，本文的设计可以较好的优化控制策略，达到了预期的。致谢大学的最后五个月在毕业设计的紧张忙碌中飞快度过，转眼间到了和大学生活说再见的口子。在这最后的五个月，我的毕业设计
32、指导老师黄俊副教授对我的指导与帮助让我无以回报，从选题到资料收集、撰写、修改到最后的论文定稿，整个毕业设计的完成离不开黄教授耐心的指导和热情的帮助。黄教授的对于学术和科研的巨大热情和精益求精给我留下了深刻的印象，我会将这种精神带进以后的学习生活中。同时，大学四年的学习生活即将落下帷幕，回顾四年的生活,充满了回忆与感慨。这四年里我既有成功的喜悦，也有失败的沮丧，有铭记一生的经历，更有无法弥补的遗憾。在这里，我要感谢指明我人生方向的导师们，感谢辛勤培育我的辅导员顾正磊老师，班主任高瑜老师，王家善老师，叶萍老师，余雷老师等等，你们的教诲我将受益终生。感谢我的同学，在困难时所有帮助过我、关心过我的人，是他们让我大学四年的生活变得更加充实，更加美好。大学本科的生活结束了，我即将进入更高要求的研究生生活，学习永远没有终点。长风破浪会有时，直挂云帆济沧海，向着更高的人生目标出发！再次感谢各位老师！
