本文選題：混合動力　切入點：挖掘機　出處：《浙江大學》2017年博士論文

【摘要】：能量管理系統(tǒng)是混合動力挖掘機的核心,能量管理策略的好壞直接影響著混合動力系統(tǒng)的性能�；旌蟿恿ν诰驒C能量管理系統(tǒng)研究對提高系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性以及降低排放有著重要的意義,同時該研究也為其他類型混合動力工程機械提供了一定的參考和借鑒。對于混合動力挖掘機,電輔助驅(qū)動系統(tǒng)、電回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)以及動臂能量回收系統(tǒng)的加入,使原有的能量管理系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的變化。因此,需要對混合動力挖掘機能量管理系統(tǒng)進行深入研究,開發(fā)合適的能量管理策略,進而提高系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性。論文對混合動力挖掘機的能量管理系統(tǒng)進行了相關(guān)研究,主要包括:通過對混合動力挖掘機能量流的分析,得出混合動力挖掘機能量管理策略的設(shè)計要求和要點。針對混合動力挖掘機能量管理系統(tǒng)非線性、多輸入、多輸出、多條件約束的特點,從能量角度對混合動力挖掘機能量系統(tǒng)進行建模,并給出能量管理問題的數(shù)學表達。應用數(shù)值動態(tài)規(guī)劃算法求出離線最優(yōu)能量管理策略,并歸納最優(yōu)控制規(guī)律,輔助在線能量管理策略的開發(fā)。為了解決動態(tài)規(guī)劃不能應用于在線控制的問題,應用極大值原理對能量管理問題進行解析求解,并在此基礎(chǔ)上提出帶在線更新、SOC反饋控制及能量回收補償?shù)脑诰�自適應能量管理策略。針對挖掘機典型工況下循環(huán)往復周期性的特點,提出典型工況下的能量管理策略,進一步提高系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性。論文提出的混合動力挖掘機能量管理策略,可以在保證儲能元件能量平衡的前提下,有效提高系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性。論文各章內(nèi)容如下:第一章論述了在當前節(jié)能減排大環(huán)境下,開展混合動力挖掘機能量管理系統(tǒng)研究的重要意義;概述了當前國內(nèi)外對混合動力系統(tǒng)能量管理策略的研究現(xiàn)狀;分析了混合動力汽車能量管理系統(tǒng)的特點,介紹了國內(nèi)外混合動力汽車能量管理策略的研究現(xiàn)狀;分析了混合動力挖掘機能量管理系統(tǒng)的特點,介紹了國內(nèi)外混合動力工程機械尤其是混合動力挖掘機能量管理策略的研究現(xiàn)狀;闡述了挖掘機能量管理系統(tǒng)與汽車能量管理系統(tǒng)的差別,最后提出了本課題的研究內(nèi)容。第二章中通過對混合動力挖掘機結(jié)構(gòu)類型及作業(yè)工況的研究,得出能量管理系統(tǒng)的特點及節(jié)能潛力。并在此基礎(chǔ)上對混合動力挖掘機的能量流進行分析,歸納混合動力挖掘機能量管理策略的設(shè)計目標和要點。從能量角度對系統(tǒng)進行建模,給出能量管理問題的數(shù)學表達,將其看作一個非線性的、有限時間域的、帶約束的最優(yōu)化問題。第三章對混合動力挖掘機能量管理的動態(tài)規(guī)劃研究。對第二章提出的能量管理問題進行了離散化處理,并對離散過程中的插值、離散間隔以及狀態(tài)約束等問題進行了討論。采用數(shù)值動態(tài)規(guī)劃算法對離散的能量管理問題進行求解。通過與傳統(tǒng)挖掘機對比,得出了混合動力挖掘機的節(jié)能機理,以及各環(huán)節(jié)的節(jié)能比例。通過與基于規(guī)則的能量管理策略對比,得出了離線最優(yōu)能量管理策略的一些控制規(guī)律。第四章對在線能量管理策略進行了研究。提出了一種在線自適應能量管理策略,在該策略設(shè)計過程中,首先應用極大值原理對簡化的能量管理問題進行求解,根據(jù)求得的解析解歸納一般的控制規(guī)律;然后依次考慮電氣元件效率、能量回收以及狀態(tài)約束的影響,對得出的控制規(guī)律進行修正;最后根據(jù)所得的控制規(guī)律開發(fā)在線能量管理策略。由于開發(fā)過程中應用了極大值原理最優(yōu)控制理論,因此該策略具有一定的理論依據(jù),且能夠保證一定的最優(yōu)性。在該策略中對臨界值的控制包括三部分:根據(jù)挖掘機操作模式選擇相應的初始臨界值,并根據(jù)負載的歷史信息對其進行在線更新;根據(jù)SOC的狀態(tài)值對臨界值進行實時調(diào)節(jié),以滿足系統(tǒng)的狀態(tài)約束要求;為了防止SOC在能量回收情況下劇烈變化,引入了能量回收補償控制。仿真和試驗結(jié)果表明,該在線能量管理策略能夠有效提高混合動力挖掘機的燃油經(jīng)濟性,同時也具有很強的工況適用性。第五章對典型工況下的能量管理策略進行了研究�；旌蟿恿ν诰驒C在典型工況下具有循環(huán)往復周期性操作的特點,可以利用此特點開發(fā)適用于特定工況的能量管理策略,進一步提高系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性。本章提出了基于強化學習的典型工況下的能量管理策略。將負載功率需求看作系統(tǒng)的隨機狀態(tài)變量,混合動力挖掘機能量管理問題被視為一個馬爾科夫決策過程。利用強化學習算法求解馬爾科夫決策過程可以得到與時間無關(guān)的能量管理策略,因此所得的控制策略可以直接應用于在線控制。仿真和試驗結(jié)果表明,提出的能量管理策略在典型工況下能夠得到比在線自適應能量管理策略更好的燃油經(jīng)濟性。同時該策略也具有一定的工況適用性,可以應用于同類作業(yè)任務下的各種工況。第六章將能量管理與動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合,提出了一種基于能量管理的混合動力挖掘機動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。該方法能夠使動力系統(tǒng)在元件成本和燃油消耗兩方面同時達到最優(yōu)。與僅考慮負載功率需求的傳統(tǒng)設(shè)計方法相比,該方法綜合考慮了燃油經(jīng)濟性、元件成本、負載功率需求和作業(yè)工況等因素。設(shè)計結(jié)果表明,所提出的優(yōu)化設(shè)計方法可以在保證工作效率的前提下兼顧燃油經(jīng)濟性和元件成本,因此它更適合于混合動力挖掘機動力系統(tǒng)的設(shè)計。該研究的另一個貢獻是歸納了挖掘機動力系統(tǒng)的通用設(shè)計規(guī)則,通過引入'發(fā)動機高效操作點'的概念,來確定輔助電機和超級電容的最佳參數(shù)。利用該設(shè)計規(guī)則可以減少所提設(shè)計方法的計算時間。第七章對論文的研究工作和創(chuàng)新點進行了總結(jié),并展望了課題的后續(xù)研究方向。
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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU621

【參考文獻】

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本文編號：1686775