一種混合動(dòng)力城市公交車(chē)控制方法
專(zhuān)利匯可以提供一種混合動(dòng)力城市公交車(chē)控制方法專(zhuān)利檢索，專(zhuān)利查詢(xún)，專(zhuān)利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 公開(kāi)了一種混合動(dòng) 力 城市公交車(chē)控制方法，包括以下步驟：離線優(yōu)化和在線控制。本發(fā)明提出了控制策略切換的思想，建立了具有地域針對(duì)性、更加符合公交車(chē)實(shí)際行駛路線的行駛參考工況，并基于此工況進(jìn)行離線全局優(yōu)化，既可得到最優(yōu)控制效果，又避免了動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算量大而導(dǎo)致的不能用于在線實(shí)時(shí)控制的問(wèn)題；當(dāng)混合動(dòng)力公交車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在線識(shí)別實(shí)際運(yùn)行工況及道路預(yù)測(cè)工況與所構(gòu)建行駛參考工況的相似度，判別結(jié)果均為相似時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)在公交車(chē)主 控制器 的動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)控制參數(shù)對(duì)混合動(dòng)力城市公交車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩分配，否則切換控制策略采用具有自適應(yīng)性、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的 模糊邏輯 規(guī)則控制策略對(duì)公交車(chē)輛進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，從而提高了控制策略適應(yīng)性。，下面是一種混合動(dòng)力城市公交車(chē)控制方法專(zhuān)利的具體信息內(nèi)容。
1.一種混合動(dòng)力城市公交車(chē)控制方法，采用的混合動(dòng)力城市公交車(chē)控制系統(tǒng)包括道路工況遠(yuǎn)程自學(xué)習(xí)系統(tǒng)和車(chē)輛主控制器，所述的道路工況遠(yuǎn)程自學(xué)習(xí)系統(tǒng)包括車(chē)載信息單元和中央服務(wù)系統(tǒng)，所述的車(chē)載信息單元安裝在每一輛運(yùn)行的混合動(dòng)力城市公交車(chē)上，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集公交車(chē)當(dāng)前實(shí)時(shí)位置信息、車(chē)輛行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電池電壓信息并發(fā)送給中央服務(wù)系統(tǒng)，中央服務(wù)系統(tǒng)為遠(yuǎn)程終端，安裝在混合動(dòng)力公交車(chē)監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理采集到的車(chē)輛信息，所述的車(chē)載信息單元通過(guò)基站與GPRS/互聯(lián)網(wǎng)與中央服務(wù)系統(tǒng)聯(lián)系；所述的車(chē)輛主控制器安裝在每一輛運(yùn)行的混合動(dòng)力城市公交車(chē)上，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)離線構(gòu)建的行駛參考工況及最優(yōu)控制參數(shù)，負(fù)責(zé)對(duì)公交車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；
其特征在于：具體方法包括以下步驟：
A、離線優(yōu)化
A1、構(gòu)建行駛參考工況
鑒于城市混合動(dòng)力城市公交車(chē)運(yùn)行時(shí)段、路況信息不確定因素的影響，運(yùn)用由車(chē)載信息單元和中央服務(wù)系統(tǒng)組成的道路工況遠(yuǎn)程自學(xué)習(xí)系統(tǒng)以某路混合動(dòng)力城市公交車(chē)作為試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行行駛參考工況的構(gòu)建；將城市混合動(dòng)力公交車(chē)每天的運(yùn)行時(shí)間劃分為高峰期和非高峰期兩個(gè)時(shí)段；針對(duì)某路混合動(dòng)力城市公交車(chē)選取不同時(shí)段通過(guò)車(chē)載信息單元對(duì)車(chē)輛信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，所述的車(chē)輛信息包括車(chē)輛行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電池電壓，并將采集到的車(chē)輛信息由基站通過(guò)無(wú)線GPRS/互聯(lián)網(wǎng)傳送到中央服務(wù)系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件SQL軟件將采集到的兩個(gè)時(shí)段的原始數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)；
利用采集到的公交車(chē)實(shí)際行駛道路工況原始數(shù)據(jù)分高峰期時(shí)段和非高峰期時(shí)段構(gòu)建行駛參考工況，具體步驟如下：
提取采集到的混合動(dòng)力公交車(chē)運(yùn)行于高峰期時(shí)段或非高峰期時(shí)段的原始數(shù)據(jù)以車(chē)輛怠速狀態(tài)為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的劃分；
選取運(yùn)行距離、最大車(chē)速、運(yùn)行速度、平均速度、整車(chē)運(yùn)行速度標(biāo)準(zhǔn)偏差、運(yùn)行時(shí)間、加速時(shí)間、勻速時(shí)間、減速時(shí)間、怠速時(shí)間、最大加速度、加速階段內(nèi)的平均加速度、最小加速度、減速階段內(nèi)的平均減速度、加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差、0-10km/h速度段的比例、10-20km/h速度段的比例、20-30km/h速度段的比例、30-40km/h速度段的比例、40-50km/h速度段的比例、加速時(shí)間比例、減速時(shí)間比例、勻速時(shí)間比例、怠速時(shí)間比例共24個(gè)參數(shù)為特征參數(shù)來(lái)表征車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算每一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的特征值參數(shù)組成特征值參數(shù)矩陣，并對(duì)矩陣進(jìn)行主成分分析；
在上述主成分分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段特征值矩陣的特點(diǎn)，通過(guò)聚類(lèi)技術(shù)自動(dòng)地將所有的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段分為三類(lèi)，形成類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)：第一類(lèi)代表低速工況的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段，第二類(lèi)代表中速狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段，第三類(lèi)代表高速狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段；
最后找出上述三類(lèi)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段中每一類(lèi)最具代表性的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段，運(yùn)用概率與統(tǒng)計(jì)學(xué)原理完成針對(duì)混合動(dòng)力公交車(chē)運(yùn)行于高峰期時(shí)段或非高峰期時(shí)段的行駛參考工況的構(gòu)建；
將上述構(gòu)建的混合動(dòng)力城市公交車(chē)運(yùn)行于高峰期時(shí)段和非高峰期時(shí)段的兩個(gè)行駛參考工況通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下載到車(chē)輛主控制器中，為公交車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)工況選擇及工況相似度判斷做準(zhǔn)備；
A2、運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行離線全局優(yōu)化
分別對(duì)構(gòu)建的公交車(chē)運(yùn)行于高峰期時(shí)段和非高峰期時(shí)段的兩個(gè)行駛參考工況運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行離線全局優(yōu)化，并將優(yōu)化得到的針對(duì)高峰期行駛參考工況和非高峰期行駛參考工況的控制參數(shù)分別下載到車(chē)輛主控制器中對(duì)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；
以高峰期時(shí)段和非高峰期時(shí)段兩個(gè)行駛參考工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，具體步驟如下：
將整個(gè)高峰期時(shí)段或非高峰期時(shí)段行駛參考工況分成N階段，用階段變量k來(lái)表示階段序號(hào)，k=0、1、2、…、N，采樣時(shí)間設(shè)定為1s，即Δt=1，采用逆向求解方法從第N階段開(kāi)始逐步向前計(jì)算，在每一階段計(jì)算時(shí)以發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量最低以及維持電池荷電狀態(tài)SOC在特定目標(biāo)值為控制目標(biāo)函數(shù)，而每一階段的目標(biāo)函數(shù)值取決于當(dāng)前階段的狀態(tài)變量x(k)和控制變量u(k)，這里狀態(tài)變量選擇為電池荷電狀態(tài)SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωe(r/min)，控制變量選擇電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm(N·m)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te(N·m)；
則第k階段的控制目標(biāo)函數(shù)表示為：
整個(gè)循環(huán)的總體控制目標(biāo)函數(shù)為：
其中， 為第k階段發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，單位為g/(kw·h)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩查表取得，即 α為懲罰因子，SOCk為第k階段的電池荷電
*
狀態(tài)SOC值，SOC 為目標(biāo)SOC值，同時(shí)滿足以下等式約束和不等式約束條件：
式中，T需為駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Tm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Te_min為發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Tm_max為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；ωwh為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，單位為rad/s；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為rad/s；ωm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為rad/s；ηt為傳動(dòng)系的效率；ik是變速器檔位為k時(shí)的傳動(dòng)比，此傳動(dòng)比包含主減速器的傳動(dòng)比；ρ為扭矩合成器的傳動(dòng)比；SOCk_min為第k階段SOC的最小值；SOCk_max為第k階段SOC的最大值，其中SOCk_min、SOCk_max為均為初始SOC的函數(shù)；將第k階段的SOC維持在特定范圍[SOCk_min，SOCk_max]內(nèi)；
其動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的計(jì)算步驟如下：
A21、給定逆向求解的初始點(diǎn)k=N，初始條件車(chē)速Vk，電池荷電狀態(tài)SOC在第k階段的值SOCk， inf代表無(wú)窮大的數(shù)；
A22、計(jì)算第k階段電池荷電狀態(tài)SOC的上限值SOCk_max、下限值SOCk_min、如果Vk＝0，則各部件發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均為0，電池荷電狀態(tài)SOCk維持不變， 優(yōu)化第k階段結(jié)束，轉(zhuǎn)步驟A27，否則轉(zhuǎn)步驟A23；
A23、計(jì)算第k階段整車(chē)需求功率 電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)功率 及電機(jī)轉(zhuǎn)速 若此
時(shí)需求功率 轉(zhuǎn)步驟A24，否則轉(zhuǎn)步驟A26；
A24、根據(jù)第k階段電池荷電狀態(tài)SOC取值范圍[SOCk_min，SOCk_max]計(jì)算電池功率 若則 此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，電機(jī)理想功率等于輸出功率，進(jìn)
而求出電機(jī)的理想轉(zhuǎn)矩，利用求出的電機(jī)理想轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步求得電池荷電狀態(tài)SOC修正值，優(yōu)化第k階段結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟A25；
A25、在等式約束（3）和不等式約束（4）范圍內(nèi)進(jìn)行二維搜索，選擇滿足條件的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)理想轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，代入目標(biāo)函數(shù)式（1），獲得使 成立的狀態(tài)變量和控制變量，優(yōu)化第k階段結(jié)束；
A26、此時(shí)車(chē)輛處于制動(dòng)工況，若車(chē)輛需求制動(dòng)功率 滿足條件 則由電
機(jī)提供所需制動(dòng)功率，即電機(jī)理想功率等于輸出功率，進(jìn)而求出電機(jī)的理想轉(zhuǎn)矩，若不滿足上述等式條件，則由機(jī)械制動(dòng)提供不足制動(dòng)功率，優(yōu)化第k階段結(jié)束；
A27、令k=k-1，若此時(shí)k≠0，轉(zhuǎn)到步驟A22，開(kāi)始下一步優(yōu)化計(jì)算，若此時(shí)k=0，循環(huán)結(jié)束；
A3、將所得數(shù)據(jù)和控制參數(shù)下載到車(chē)輛主控制器
將上述利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行全局優(yōu)化得到的車(chē)輛運(yùn)行于高峰時(shí)段行駛參考工況和非高峰時(shí)段行駛參考工況的每一時(shí)刻的控制變量進(jìn)行存儲(chǔ)，并將所得的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下載到車(chē)輛主控制器，為車(chē)輛在線實(shí)時(shí)控制做準(zhǔn)備；
B、在線控制
B1、選擇行駛參考工況
當(dāng)混合動(dòng)力城市公交車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)公交車(chē)運(yùn)行時(shí)間選擇高峰期行駛參考工況或非高峰期行駛參考工況，通過(guò)車(chē)載信息單元采集車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，所述的車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息包括距離出發(fā)點(diǎn)的距離、車(chē)輛速度和加速度，公交車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行位置由采集到的距離出發(fā)點(diǎn)的里程信息得到；
B2、工況相似度判斷
B21、實(shí)際運(yùn)行道路工況與離線構(gòu)建的行駛參考工況相似度判斷
取公交車(chē)當(dāng)前位置及該位置前10米為一個(gè)里程片段，與事先構(gòu)建的存儲(chǔ)于車(chē)輛主控制器的行駛參考工況在相應(yīng)的里程片段以平均速度、速度標(biāo)準(zhǔn)差、平均加速度、加速度標(biāo)準(zhǔn)差、平均減速度、減速度標(biāo)準(zhǔn)差為特征參數(shù)進(jìn)行相似程度的比較；為了消除量綱的影響、方便判斷規(guī)則制定，這里采用一種夾角余弦相似度判斷的距離度量方法，原理如下：
對(duì)于兩個(gè)n維樣本向量x1=（x11,x12,……x1n）,x2=（x21,x22,……,x2n），其余弦相似度計(jì)算公式為：
夾角余弦取值范圍為[-1,1]，夾角余弦的絕對(duì)值越大表示兩個(gè)向量的夾角越小，相似程度越大；反之相似程度越?。挥?jì)算實(shí)際運(yùn)行時(shí)里程片段內(nèi)的上述六個(gè)特征參數(shù)值組成的樣本特征值矩陣，與構(gòu)建的相應(yīng)行駛參考工況的特征參數(shù)矩陣形成的樣本比較相似度；比較規(guī)則如下：若兩矩陣向量的夾角余弦值cosθ滿足條件0.9≤cosθ≤1，則認(rèn)為兩樣本矩陣是相似的，即車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行道路工況與離線構(gòu)建的行駛參考工況是相似的，否則認(rèn)為不相似；實(shí)際執(zhí)行時(shí)運(yùn)用軟件Matlab中自帶的計(jì)算函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；
B22、預(yù)測(cè)運(yùn)行道路工況與離線構(gòu)建的行駛參考工況相似度判斷
由于公交車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的道路工況的某些參數(shù)與未來(lái)行駛工況具有某種非線性函數(shù)的相互關(guān)系，所以在進(jìn)行車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行道路工況與離線構(gòu)建的行駛參考工況相似度判斷的同時(shí)還需判斷預(yù)測(cè)工況與行駛參考工況的相似度；采用一種徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近上述非線性函數(shù)的方法構(gòu)建工況預(yù)測(cè)模型，在公交車(chē)運(yùn)行時(shí)根據(jù)最近一段時(shí)間內(nèi)的速度信息預(yù)測(cè)車(chē)輛未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的行駛工況得到預(yù)測(cè)運(yùn)行道路工況；取預(yù)測(cè)運(yùn)行道路工況中對(duì)應(yīng)于公交車(chē)當(dāng)前行駛位置后10米為一個(gè)里程片段，與行駛參考工況的相應(yīng)片段進(jìn)行相似度比較，比較方法同步驟B21；
B3、切換控制策略
判斷公交車(chē)實(shí)際運(yùn)行道路工況中，當(dāng)前位置前10米形成的里程片段以及預(yù)測(cè)運(yùn)行道路工況中對(duì)應(yīng)于公交車(chē)當(dāng)前位置后10米形成的里程片段與行駛參考工況的相應(yīng)位置的里程片段的相似度，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行道路工況與行駛參考工況、預(yù)測(cè)運(yùn)行道路工況與行駛參考工況在相應(yīng)位置的里程片段均相似時(shí)調(diào)用基于行駛參考工況的離線動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)控制參數(shù)對(duì)公交車(chē)進(jìn)行下一步實(shí)時(shí)控制，否則切換控制策略采用模糊邏輯控制策略對(duì)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；
所述的模糊邏輯控制策略即對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的策略，鑒于公交車(chē)行駛時(shí)頻繁啟停的特點(diǎn)，將模糊邏輯控制策略分為正常行駛能量分配控制策略和制動(dòng)能量回饋控制策略?xún)纱蟛糠郑?br/>所述的模糊控制規(guī)則包括正常行駛能量分配控制規(guī)則和制動(dòng)能量回饋控制規(guī)則：
B31、當(dāng)公交車(chē)正常行駛時(shí)，能量分配控制規(guī)則如下：
B311、考慮車(chē)輛運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速的最低車(chē)速限制，當(dāng)公交車(chē)運(yùn)行速度小于最低車(chē)速時(shí)完全由電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
B312、當(dāng)電池電量處于正常值范圍內(nèi)時(shí)，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線進(jìn)行輸出，超出部分由電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)或向電機(jī)發(fā)電；
B313、當(dāng)電池電量高于最高限值時(shí)，若需求轉(zhuǎn)矩處于發(fā)動(dòng)機(jī)最小工作轉(zhuǎn)矩和最優(yōu)工作轉(zhuǎn)矩之間，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線上，電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩；
B314、當(dāng)電池電量較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能提供大于車(chē)輛需求轉(zhuǎn)矩為電池充電，但當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩限制時(shí)只能由電機(jī)一起提供輔助助力保證車(chē)輛驅(qū)動(dòng)需求；
B315、考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)效率的影響，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)使電機(jī)的負(fù)荷增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時(shí)使電機(jī)的負(fù)荷較低從而獲得更高的電機(jī)效率；
B32、當(dāng)公交車(chē)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量回饋控制規(guī)則如下：
B321、為使電機(jī)能夠有效地進(jìn)行能量回饋，限制當(dāng)車(chē)速大于最低車(chē)速時(shí)才進(jìn)行制動(dòng)能量回收；
B322、車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足條件Te≤Te_max，即電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)能夠提供的最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩時(shí)，進(jìn)行制動(dòng)能量回收；
B323、限制車(chē)輛運(yùn)行時(shí)電池荷電狀態(tài)SOC的工作范圍，當(dāng)電池電量超出最大限值時(shí)不進(jìn)行制動(dòng)能量回收，由機(jī)械制動(dòng)控制車(chē)輛停靠；
基于上述模糊控制規(guī)則最終得到公交車(chē)行駛過(guò)程中當(dāng)實(shí)際道路工況或預(yù)測(cè)運(yùn)行道路工況與所構(gòu)建行駛參考工況不相符時(shí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而求得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，并發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和電動(dòng)機(jī)控制單元分別控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而完成對(duì)整車(chē)進(jìn)行控制。
一種混合動(dòng)力城市公交車(chē)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
池荷電狀態(tài)SOC值，SOC 為目標(biāo)SOC值，同時(shí)滿足以下等式約束和不等式約束條件：
具體實(shí)施方式
池荷電狀態(tài)SOC值，SOC 為目標(biāo)SOC值，同時(shí)滿足以下等式約束和不等式約束條件：
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后主減速器熱門(mén)專(zhuān)利
