基于混合動力工程機(jī)械全功率模糊匹配設(shè)計

付瑩，胡恒

(廣西柳工機(jī)械股份有限公司 a裝載機(jī)研究院;b挖掘機(jī)研究院，廣西 柳州 545007)

0 引言

混合動力工程機(jī)械的出現(xiàn)是適應(yīng)當(dāng)代“節(jié)能”號召下工程機(jī)械界的產(chǎn)物，而油電混合動力又是其中運用較多的產(chǎn)品之一，它越來越受到各大工程機(jī)械廠家的青睞與重視。在油電混合動力工程機(jī)械中，挖掘機(jī)是其中較有代表性的一種。對于混合動力挖掘機(jī)而言，為了達(dá)到低油耗的目標(biāo)，通常采用的是調(diào)整液壓泵的排量從而實現(xiàn)動力源與液壓泵的功率匹配［1-3］。還有些較先進(jìn)的機(jī)型例如油電混合動力，采用的是調(diào)整電機(jī)的工作方式和輸出扭矩，當(dāng)外界負(fù)載較低時，將電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，將能量存在超級電容中。待遇到重載時，根據(jù)超級電容可用能量的大小，去填補(bǔ)發(fā)動機(jī)功率的差值或調(diào)整泵的排量，從而實現(xiàn)低油耗的目標(biāo)。這樣就可以達(dá)到發(fā)動機(jī)、泵、電動機(jī)三者間的功率匹配［4］。這種控制的方式通常是選擇電機(jī)的助力或調(diào)整泵的使用功率，對液壓泵與電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行同時調(diào)整的文章則比較少。

文章針對混合動力工程機(jī)械發(fā)動機(jī)、液壓泵與電容之間的功率匹配問題，提出了一種基于模糊理論的兩級模糊控制方法，這種方法根據(jù)泵功率的消耗情況、發(fā)動機(jī)的負(fù)荷狀況及電容的電量，進(jìn)行兩級模糊決策，同時調(diào)整泵功率與電動機(jī)的助力力矩，從而實現(xiàn)三者能量之間的動量平衡，達(dá)到整機(jī)的相對高作業(yè)效率與低油耗。

1 模糊控制器

模糊控制器主要由模糊輸入集合，MAMDANI推理及去模糊化三部分組成，它們是整機(jī)控制器的運算核心。模糊輸入集合是預(yù)先設(shè)定的一系列模糊化輸入域，這個輸入域包含了輸入量的對應(yīng)的整個范圍。MAMDANI推理則根據(jù)得出的適配度去計算相應(yīng)的輸出。去模糊化為將模糊參數(shù)處理成精確化的輸出參數(shù)。

對于混合動力挖掘機(jī)而言，確定助力時刻點是很重要的。首先需要知道發(fā)動機(jī)與泵的能量消耗信息，為此，將發(fā)動機(jī)的掉速率e(t)與泵的消耗功率x(t)作為模糊控制器的兩個基本輸入。為了保證發(fā)動機(jī)不會因為功率不足導(dǎo)致降速后冒黑煙現(xiàn)象，就需要在發(fā)動機(jī)即將降速之前進(jìn)行助力或調(diào)小泵功率，對此，就需要知道泵消耗功率的變化率dx(t)/dt，其控制原理圖見圖1所示。

圖1 模糊控制圖

圖1 中，為了能使整機(jī)的油耗達(dá)到較低的狀態(tài)，發(fā)動機(jī)儲備功率不足，就會掉速，當(dāng)?shù)羲俚揭欢ǔ潭葧r就會出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，為了防止冒黑煙的產(chǎn)生，就需要在發(fā)動機(jī)功率不足的情況下進(jìn)行輔助做功，做功的大小由泵瞬時消耗功率與發(fā)動機(jī)的輸出功率差值來決定。為此，第一級模糊控制首先根據(jù)輸入信號判斷發(fā)動機(jī)在重載時欠缺的力矩。隨后，將推算出的力矩與超級電容的能量作為第二級模糊控制器的輸入(若電量夠，則維持原先的助力力矩，不夠，需調(diào)低泵減壓閥電流或降低力矩)，最終推理出助力力矩及泵輸出電流，從而實現(xiàn)整機(jī)全功率匹配控制。通常用三角模糊數(shù)來表示發(fā)動機(jī)，泵等部件的輸入模糊數(shù)［5］。

為了驗證上述模糊算法的正確性，需要將它應(yīng)用在混合動力挖掘機(jī)具體的模型上。

2 混合動力挖掘機(jī)整機(jī)動力模型的建立

混合動力挖掘機(jī)的整機(jī)系統(tǒng)部件主要由發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、超級電容、恒功率變量泵和環(huán)境于一體的綜合性模型。這些部件有機(jī)配合，共同影響著整機(jī)的運轉(zhuǎn)。因此，可以說，部件的協(xié)調(diào)性越好，整機(jī)的綜合性能越高，油耗就會越低［6］。

(1)發(fā)動機(jī)模型

(2)ISG電機(jī)助力模型

(3)超級電容模型

超級電容是回轉(zhuǎn)電機(jī)的能源機(jī)構(gòu)，放電量的大小決定著回轉(zhuǎn)電機(jī)的最大回轉(zhuǎn)力矩，其放電曲線為:

(4)恒功率變量泵模型的消耗力矩

因此，其整機(jī)約束模型為:

因此，發(fā)動機(jī)的最大輸出力矩可表示為:

3 仿真驗證及試驗結(jié)果輸出

MATLAB與AMESIM在仿真方面各自都具有較強(qiáng)的分析處理性，前者在設(shè)計控制算法中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，而后者在模型關(guān)系處理中比較清晰明朗。二者之間可通過聯(lián)合仿真，能較準(zhǔn)確的對系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。因此，仿真模型的建立以二者作為建模平臺。

3.1 混合動力挖掘機(jī)仿真模型建立

為了驗證所提出的雙層式模糊控制器的可行性，在MATLAB中構(gòu)建雙層式模糊控制器如圖2所示。該圖中的S_FUNCTION為部件的挖掘機(jī)硬件的反饋參數(shù)，反饋參數(shù)輸出的四個參數(shù)(pressure，distance，Volt，eng_spd)，經(jīng)過兩級模糊控制器(fuzzy calculate與fuzzy decision)運算后，將運算的結(jié)果再輸入到硬件模型所描述的S_FUNCTION中去，從而達(dá)到精確的控制。對于硬件模型而言，如發(fā)動機(jī)、超級電容、電動機(jī)、液壓泵之間連接的關(guān)系圖見圖3所示。控制器(Double fuzzy controller)接收四個輸入信號(pressure，distance，Volt，eng_spd)，見圖3 中虛線箭頭所示，經(jīng)過計算后輸出兩路控制信號給電機(jī)系統(tǒng)與液壓泵比例電磁閥(current，torque)，見圖3中實線箭頭所示。從而實線兩級模糊控制。

圖2 MATLAB控制系統(tǒng)建模

3.2 仿真輸出及實驗分析

為了驗證二級模糊混合動力控制系統(tǒng)的控制效果，在設(shè)置相同的負(fù)載前提下，將所建的混合動力模型與傳統(tǒng)的液壓模型兩類模型進(jìn)行對比仿真。他們配置了相同的液壓系統(tǒng)參數(shù)與負(fù)載輸入。設(shè)置第一級模糊控制器中發(fā)動機(jī)的掉速模糊數(shù)為差額x(t)的模糊輸入集合為泵消耗功率的變化率dx(t)/dt的模糊輸入集合為超級電容電壓的3個模糊輸入集合為;第二級模糊決策器中力矩的模糊輸入集合為;進(jìn)行仿真測試。兩種仿真模型的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動曲線如圖4、圖5所示。綜合對比情況見表1。

從表1可以看出，二級模糊決策的混合動力控制系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的最大降速為90 r/min，小于傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)140;超調(diào)量與回調(diào)時間也較小。此外，在油耗上，二級模糊控制的一個循環(huán)周期油耗為15.3 g，小于傳統(tǒng)對泵調(diào)節(jié)的液壓系統(tǒng)22 g，從而驗證，二級模糊控制系統(tǒng)在仿真模型上對于傳統(tǒng)的液控系統(tǒng)而言，具有較高的能量利用率及節(jié)油性。

圖3 混合動力液壓系統(tǒng)部件關(guān)系圖

圖4 混合動力模型轉(zhuǎn)速波動圖

圖5 液壓模型轉(zhuǎn)速波動圖

表1 仿真結(jié)果輸出對比表

4 結(jié)束語

針對混合動力挖掘機(jī)部件間的能量匹配問題，文章從混合動力挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)，液壓泵，超級電容三者之間的能量匹配出發(fā)，主要研究了以下幾點:

(1)設(shè)計了一種二級模糊控制系統(tǒng)，這種模糊控制系統(tǒng)能夠根據(jù)部件及實際負(fù)載的狀況動態(tài)的調(diào)整泵電流與電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩，在保證整機(jī)一定的工作效率的同時，達(dá)到了發(fā)動機(jī)，液壓泵與超級電容三者之間能量的有效利用。

(2)通過仿真及試驗對比，對二級模糊控制系統(tǒng)的正確性與有效性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，這種控制策略能夠有效的降低發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速波動，從而極大的降低整機(jī)的燃油消耗，達(dá)到能量的高利用率目的。

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