并联混合动力液压挖掘机的动态仿真和优化控制策略 机械专业毕业设计外文翻译_精品.doc

外文资料译文 浙江大学学报 自然科学版 ISSN 1673-565X; SSN 1862-1775 并联混合动力液压挖掘机的 动态仿真和优化控制策略 【摘要】本文的重点是对用于液压挖掘机的一种混合系统的研究。首先，对混合动力液压挖掘机的结构和评价目标进行分析；其次建立包括蓄电池、电动机和发动机的动态系统模型作为仿真环境来获得控制的结果；然后提出了一种既具有闭环比例积分控制又具有直接转矩控制的所谓的多工作点动态控制策略，并且在仿真模型的基础上对该策略进行分析研究，最终仿真结果表明通过该控制策略控制的混合系统可以满足功率的要求，并且能够达到更好的系统稳定性和更高的效率。 【关键词 简介： 人们对提高燃料效率和减少排放的渴望促进了更多混合动力汽车的出现。此外，在过去的五年中有相当数量的研究都是关于混合动力系统的。然而，这些研究并没有对混合动力的工程机械加以重视，尤其是混合动力的液压挖掘机。 实际的实验和文献数据表明液压挖掘机所要求的能量具有短的周期性和剧烈的波动性，因此发动机就不能持续的工作在它的高的燃油效率边界处，这样就必须对具有混合动力系统的液压挖掘机加以研究以节约能源和减少排放。 通常，一个混合动力系统是由一个串联或者并联有一个电动机或发电机的内燃机来驱动的。发动机提供主要的能量，同时电动机提供可以通过再次产生或是存储来自发动机的额外的能量提高系统稳定性和燃油效率的波动性能量。 由于在液压挖掘机和汽车之间负载的不同要求，这种应用于混合动力汽车的控制策略不能简单的直接应用于液压挖掘机。这样提出一种新的适合液压挖掘机的混合动力控制方法就显得非常的重要了。近期，有关液压挖掘机混合动力系统的结构、控制策略和能量管理的研究已经在实施中。Kagoshima eta1.(2003)和Takao eta1.(2004)展示了一种装备有串联结构液压挖掘机，通过这种结构液压挖掘机具有更少的燃油消耗，在全工况下可以节省40%-50%的能量。然而，他们仅仅开发了一个单工作点的控制方法，这种方法很难获得最佳的效果。更重要的是这种单工作点控制策略不能够满足在所有工作状况下的要求。Wang et a1.(2005) 和Xiao et a1．(2007)提出了主要关于并联式混合动力液压挖掘机仿真的课题和对节省能量的评估。这种双工作点的控制策略也得到了分析，但是通过这种方法控制的发动机只有两种功率输出不能满足燃油高效性的要求。 本文讨论了一种控制策略，就是所谓的多工作点动态控制方法，这种控制方法引入了四种工作方式，分别是空载模式、轻载模式、中载模式和重载模式，同时该方法还确定了个工作方式间相互转换的策略。仿真结果表明这种控制方法能够提高效率和稳定性。本文致力于提出一种混合动力的液压挖掘机的最优控制策略和能量分布方法。通过对液压挖掘机的工况进行分析，可以采用闭环速度比例积分法对其进行控制。但由于在只使用这种方法控制的系统中，系统的响应特性不能满足个模式之间转换或是特殊工作点对系统性能的要求，这样就需要加入直接转矩控制以改善系统性能。另一方面，通过对子系统工作数据的计算直接转矩控制将会被采用直到中心控制器发现特殊工况，否则闭环速度比例积分控制将会被采用。 本文结构如下所述，第二节总体上描述了系统结构，包括混合动力系统的结构并探讨了怎样对系统性能进行评估。第三节致力于利用Matlab/Simulink组件讨论的系统模型,并对控制系统的结构进行分析。在第四节中提出了多工作点动态控制策略，同时在该节中对策略的控制效果进行了分析并提出了该策略需要进行的改进尤其是在工矿进行转换时。最后，第五节对本文进行了总结并提出了对本文的展望。 混合动力系统的结构和评估目标： 考虑到系统的效率和成本，选用并行并行混合动力液压挖掘机作为我们的系统工程，如图1所示。该并行混合动力液压挖掘机不单单有一个发动机同时还有一个联接在最终传动轴上的电动机。这种配置使发动机和电动机可以以混合或者各自单独的方式向液压泵传递能量。同样电动机可以捕获发动机额外的能量。几年以前一个5吨的液压挖掘机已经在我们实验室制造成功。本课题的目的是制造一台5吨的混合动力的液压挖掘机。 在混合动力液压挖掘机系统中，我们把重点放在燃油效率和于传统液压挖 掘机相比有少的排放上边。更重要的是， 图1 我们应用Matlab/Simulink组建对所提出的控制策略和系统的动态响应特性进行仿真分析以确定在该系统控制下的发动机能否工作于其燃油高效边界上。并联混合动力液压挖掘机有一个发动机和一个电动机，发动机和电动机都通过联轴器联接在同一根轴上，以同样的速度运作。在忽略系统损耗的情况下负载转矩、电动机转矩和发动机转矩之间的平衡如等式（1）保持不变并使Tm跟随Tl波动。