機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實時功率分配優(yōu)化控制研究分析

張慶華

摘 要：本文結(jié)合機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配工作特征，根據(jù)最優(yōu)功率分配策略理論，實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建，并結(jié)合其動態(tài)規(guī)劃與預(yù)測規(guī)律，進行計算求解，得出機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實施功率分配優(yōu)化控制策略，通過實驗驗證其在實際控制應(yīng)用的可行性，為機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實施功率分配優(yōu)化控制提供參考和依據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：機電復(fù)合傳動系統(tǒng)；實時；功率分配；優(yōu)化控制

機電復(fù)合傳動系統(tǒng)主要是指以電力與機械作為傳動動力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它在機電裝置中設(shè)計應(yīng)用，能夠有效提升機電裝置的動力性能，在滿足機電裝置與設(shè)備傳動運行中的動力能源需求同時，提高其傳動運行的經(jīng)濟性效益，作為一種傳動系統(tǒng)動力裝置形式，具有較為突出的作用優(yōu)勢。通常情況下，機電復(fù)合傳動系統(tǒng)在實現(xiàn)功率分配過程中，主要結(jié)合驅(qū)動以及用電功率需求進行分配，并且根據(jù)傳動系統(tǒng)驅(qū)動即用電需求合理有效的實現(xiàn)功率分配，是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，也是核心技術(shù)部分。下文結(jié)合機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配特征，根據(jù)最優(yōu)功率分配策略，通過多目標(biāo)優(yōu)化功率分配模型構(gòu)建，對其動態(tài)規(guī)劃與動態(tài)預(yù)測變化規(guī)律進行總結(jié)分析基礎(chǔ)上，進行計算求解，得出機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實施功率分配優(yōu)化控制策略，并對其實際應(yīng)用可行性進行實驗驗證，為其在機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配優(yōu)化控制設(shè)計應(yīng)用提供依據(jù)支持和參考。

1、機電復(fù)合傳動系統(tǒng)與功率分配特征分析

一般情況下，機電復(fù)合傳動系統(tǒng)中功率分配是通過功率耦合以及功率分配兩個結(jié)構(gòu)單元共同作用完成實現(xiàn)。其中，功率耦合結(jié)構(gòu)主要進行機械功率的分流與匯流實現(xiàn)，而功率分配結(jié)構(gòu)則是進行電力功率的分流與匯流實現(xiàn)。如下圖1所示，即為機電復(fù)合傳動系統(tǒng)及其功率分配工作結(jié)構(gòu)示意圖。

值得注意的是，機電復(fù)合傳動系統(tǒng)的這種機械與電力驅(qū)動結(jié)合的動力結(jié)構(gòu)形式，在特定功率條件下，傳動系統(tǒng)中發(fā)動機的不同運行狀態(tài)，就導(dǎo)致了機電復(fù)合傳動系統(tǒng)需要針對功率分配問題進行最優(yōu)化設(shè)計，以確保傳動系統(tǒng)功率最優(yōu)分配與控制運行。此外，在實現(xiàn)機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配過程中，由于傳統(tǒng)系統(tǒng)運行所需的驅(qū)動功率與用電功率情況，是呈現(xiàn)動態(tài)變化的，在不同功率需求下動力裝置中的發(fā)電運行狀態(tài)不同，因此，要想實現(xiàn)動力系統(tǒng)發(fā)動機最佳運行狀態(tài)的選擇控制，需要結(jié)合機電復(fù)合傳動系統(tǒng)的實時運行工況，對發(fā)動機與電機運行功率需求進行確定，并制定最優(yōu)控制策略，以對其運行協(xié)調(diào)控制。

其中，機電復(fù)合傳動系統(tǒng)中功率耦合結(jié)構(gòu)的功率平衡關(guān)系可以采用下式（1）進行表示，其中，Pe為發(fā)動機功率，而PA與PB則分別表示兩個電機的功率值，ηec與ηAc、ηBc分別表示各元件傳至功率耦合機構(gòu)的傳動效率大小，此外，Pd表示機電符合傳動系統(tǒng)的驅(qū)動功率，也就是系統(tǒng)的輸出功率，而ηcd表示傳動系統(tǒng)中功率耦合結(jié)構(gòu)至驅(qū)動輪之間的傳動效率，sgn表示符號函數(shù)。

（1）

根據(jù)上式（1），在假設(shè)機電復(fù)合傳動系統(tǒng)中電機為電動運行狀態(tài)時，功率值為正，而電機為發(fā)電運行狀態(tài)時，功率值為負(fù)，并且功率流動方向出現(xiàn)變化，傳動效率用符號函數(shù)表示。那么，在機電復(fù)合傳動系統(tǒng)在正常驅(qū)動運行狀態(tài)下，Pd就為正數(shù)值，而在制動能量回收時為負(fù)數(shù)值，其傳動效率也可以采用符號函數(shù)進行表示。這也是機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率平衡分配的基本原則與工作原理。

需要注意的是，應(yīng)用于車輛制造的的機電復(fù)合傳動系統(tǒng)，其驅(qū)動功率包含用于車輛行駛阻力克服以及車輛加速行駛的兩種功率行駛，因此，對于這種情況下的機電復(fù)合傳動系統(tǒng)驅(qū)動功率需求，可以采用下列公式（2）進行計算求取。

（2）

這也是考慮運行工況的機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率需求計算公式。該公式中，Pf為阻力克服需要的功率，即阻力功率；而Pm為慣性功率，f表示滾動阻力的系數(shù)，m表示車輛的質(zhì)量，g為重力加速度，v為車輛行駛速度，Cd為風(fēng)阻系數(shù)，A表示的是迎風(fēng)的面積情況，ρ為空氣密度大小。

此外，對于機電復(fù)合傳動系統(tǒng)中功率分配結(jié)構(gòu)的功率平衡關(guān)系采用以下公式（3）進行計算表示。該公式中，Pb表示電動功率，而Pc表示系統(tǒng)的用電功率需求，ηA與ηB表示的是電機的傳動效率，也就是實現(xiàn)機械功率與電功率轉(zhuǎn)化的效率。

（3）

根據(jù)上示公式（3）在假設(shè)電動裝置充電狀態(tài)下的功率為正數(shù)值，就可以根據(jù)相應(yīng)的內(nèi)阻模型對其功率值進行計算求取，從而可得出傳動系統(tǒng)中電動裝置荷電狀態(tài)計算公式，如下（4）所示。其中，t表示時間，S表示的是電動裝置的荷電狀態(tài)，Cb表示的是電動裝置的電容量，S0表示電動裝置初始時刻荷電狀態(tài)。

（4）

2、機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實時功率分配優(yōu)化控制策略

結(jié)合上文對于機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配工作原理及特征的分析，在實現(xiàn)機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實時功率分配優(yōu)化控制中，需要結(jié)合最優(yōu)化功率分配策略的模型原理，實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建，并在動態(tài)規(guī)劃與動態(tài)預(yù)測基礎(chǔ)上，形成機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實時功率分配優(yōu)化控制的計算模型，從而實現(xiàn)功率分配優(yōu)化控制。如下圖2所示，即為機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配的多元目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建流程示意圖。

根據(jù)上圖所示的多元目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建流程，在構(gòu)建以發(fā)電能力以及驅(qū)動能力、電動裝置電池壽命、燃油經(jīng)濟性等多元目標(biāo)優(yōu)化計算模型后，結(jié)合機電復(fù)合傳動系統(tǒng)在重型車輛動力裝置設(shè)計應(yīng)用實際情況，以發(fā)電能力與驅(qū)動能力作為其傳動系統(tǒng)主要目標(biāo)，忽略其他目標(biāo)作用，形成以動力性能優(yōu)化與經(jīng)濟性能優(yōu)化的優(yōu)化計算模型。如下式（5）和（6）所示，其中，（5）為動力性能優(yōu)化計算模型，該模型中將傳動系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟型與電池組壽命進行忽略不計，以發(fā)電能力與驅(qū)動能力作為綜合性動力性能進行計算模型構(gòu)建，而（6）中以車輛燃油經(jīng)濟性與電池壽命作為綜合性經(jīng)濟性指標(biāo)進行計算模型構(gòu)建。

（5）

（6）

根據(jù)上述多元目標(biāo)優(yōu)化計算模型，在以電機轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化變量的動力性能優(yōu)化計算與以發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化變量的經(jīng)濟性能優(yōu)化計算中，對于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速約束條件表示為如下式（7）所示，其中，Δt表示的是仿真步長。而電機轉(zhuǎn)矩根據(jù)電機運行中動力響應(yīng)狀態(tài)，不需要進行動態(tài)變化量選取限制。

（7）

結(jié)合上述對于多目標(biāo)優(yōu)化模型及其動態(tài)變量約束條件，根據(jù)電池組上一時刻工作狀態(tài)進行當(dāng)前電動裝置電池荷電狀態(tài)預(yù)測情況下，采用動態(tài)規(guī)劃的反向遞推計算方法，形成如下（8）所示的傳動系統(tǒng)電動裝置電池荷電狀態(tài)動態(tài)預(yù)測計算公式。

（8）

在該動態(tài)預(yù)測計算公式中，后期決策滿足該計算公式的約束范圍，即表示有效，反之則表示無效。由此，就可以在動態(tài)預(yù)測計算方法下對其運行軌跡進行預(yù)測，然后利用動態(tài)規(guī)劃的反向遞推計算確定出其最優(yōu)運行控制策略。如下圖3所示，為動態(tài)規(guī)劃計算方法的計算過程示意圖。

根據(jù)上述機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配優(yōu)化控制計算策略，通過實例代入計算后，就可以得到相應(yīng)的傳動系統(tǒng)發(fā)動機以及電池組、電機功率分配曲線變化結(jié)果，根據(jù)該曲線變化結(jié)果，在傳動系統(tǒng)實時功率分配控制中，提供有效的依據(jù)參考。

3、結(jié)語

總之，進行機電復(fù)合傳動系統(tǒng)實時功率分配優(yōu)化控制的研究分析，能夠為機電復(fù)合傳動系統(tǒng)功率分配及優(yōu)化控制設(shè)計提供相應(yīng)的依據(jù)參考，促進機電復(fù)合傳動系統(tǒng)在實際中的推廣應(yīng)用，具有積極作用和意義。

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