CC BY
176
УДК 681.5
СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ ГИБРИДНОГО АВТОМОБИЛЯ
С.А. Сериков, к. т. н., доцент, Ю.Н. Бороденко, к. ф.-м. н., доцент, А.А. Дзюбенко, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрена одна из концепций создания автоматической систе-мыуправления в терминах нечеткой логики. Представлена иерархическая структура системы. Приведены результаты моделирования.
Ключевые слова: гибридный автомобиль, система автоматического управления,
силовая установка, нейро — фаззи регулирование, нечеткая логика, нейронные сети.
Введение
Одними из главных направлений развития автомобильного транспорта на данный момент являются повышение экономичности и экологической безопасности. Мировой опыт показывает, что наиболее перспективными в этом направлении является использование альтернативных видов топлива и разработка гибридных силовых установок. Такие установки позволяют оптимизировать режим работы ДВС, и аккумулировать излишки кинетической энергии транспортного средства при торможении, что оказываются чрезвычайно эффективными в городском цикле движения.
В рамках программы Министерства образования и науки Украины работы по созданию экологически чистого автомобиля с гибридной силовой установкой ведутся в Харьковском национальном автомобильно-дорожном университете. Упрощенная схема силовой установки гибридного автомобиля приведена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема силовой установки гибридного автомобиля
Основным двигателем гибридной силовой установки является газовый двигатель внутреннего сгорания. В качестве вспомогательного двигателя используется либо пневматический двигатель, либо синхронный двигатель переменного тока, либо двигатель постоянного тока. Контур рекуперации энергии состоит из компрессора, баллонов, редуктора, при использовании пневматического вспомогательного двигателя, или генератора, аккумулятора, преобразователя напряжения, инвертора, в случае использования электрического вспомогательного двигателя. Ключевым элементом гибридной силовой установки является распределитель мощности, обеспечивающий перераспределение потоков мощности между ходовой частью автомобиля, основным двигателем, вспомогательным двигателем и контуром рекуперации энергии.
Анализ публикаций
Известны три схемы построения гибридных силовых установок [1, 2]. При использовании электродвигателя в качестве вспомогательного двигателя схемы характеризуются следующей конфигурацией.
Последовательная схема. Нагрузкой ДВС выступает генератор, при этом выбирается наиболее экономичный режим работы ДВС. Энергия, вырабатываемая генератором, подается либо на тяговый электродвигатель, либо в накопитель энергии и на тяговый электродвигатель, либо только в накопитель энергии. Тяговый электродвигатель обеспечивает все необходимые силовые и скоростные режимы транспортного средства, а при замедлении автомобиля, работает в режиме генератора, обеспечивая рекуперацию кинетической энергии. Достоинством такой схемы являются простота управления силовой установкой, отсутствие специальных узлов трансмиссии, возмож-
ность использования ДВС малой мощности в экономичных режимах. Недостаток такого варианта - малый КПД.
Параллельная схема. ДВС и тяговый электродвигатель с аккумуляторной батареей через трансмиссию связаны с ведущими колесами. Общий вращающий момент определяется как сумма вращающих моментов ДВС и электродвигателя. В такой схеме более высокий КПД и используется одна электрическая машина в режимах тягового электродвигателя и генератора. К недостаткам такого варианта следует отнести усложнение трансмиссии, системы управления, отклонение от экономичного режима работы ДВС при регулировании скорости транспортного средства.
Смешанная схема. Комбинация последовательной и параллельной схем. В зависимости от условий движения привод ведущих колес может осуществляться от вспомогательной силовой установки, ДВС или от вспомогательной силовой установки и ДВС, включенных параллельно. В этом случае достигается максимальная эффективность силовой установки. Такая схема построения силовой установки применена на автомобилях Lexus RX400h, Lexus GS450h, Toyota Рпш. Особенностями силовой установки гибридного автомобиля как объекта управления являются переменная структура, неопределенность управляющих и возмущающих воздействий. Основные составные элементы такой силовой установки характеризуются нелинейностью и существенной параметрической неопределенностью.
Сложности формального описания силовой установки гибридного автомобиля как объекта управления, с учетом структурных и параметрических неопределенностей делает целесообразным применение в алгоритмах управления методов нейро
- фаззи регулирования. Такой подход позволяет сформировать алгоритм управления силовой установкой в терминах нечеткой логики в результате формализации экспертных заключений, а также осуществить настройку полученного алгоритма в процессе испытаний и дальнейшей эксплуатации гибридного транспортного средства.
Начиная с 1991 года ведущими компаниями по разроботке систем управления агрегатами автомобиля широко применются компоненты нечеткой логики и искусственные нейронные сети [3]. Системами с использованием нечеткой логики оснащались автомобили Nissan, Mitsubishi, Но^а, BMW, Hyundai, Mazda, Mercedes, Peugeot.
Цель и постановка задачи
Основной задачей САУ силовой установки гибридного автомобиля является обеспечение наиболее экономичного и экологически безопас-
ного режима работы ДВС за счет перераспределения нагрузки между ДВС, вспомогательным двигателем и контуром рекуперации энергии. Дополнительными задачами данной САУ являются:
- обеспечение рекуперации энергии торможения транспортного средства;
- обеспечение необходимой разгонной динамики транспортного средства за счет использования вспомогательной силовой установки и накопителя энергии;
- обеспечение режима старт - стоп с миними-мальным периодом холостого хода ДВС в случае кратковременных остановок транспортного средства.
Удельный эффективный расход топлива определяется с учетом теплоты его сгорания Ни; индикаторного п и механического пт КПД двигателя
=
3,6-103 ни * Пт-П
(1)
Расход топлива будет уменьшаться с увеличением нагрузки за счет увеличения пт. При некоторой нагрузке, соответствующей моменту вращения ДВС МДВС , уменьшение %е прекратится и начнет возврастать из-за уменьшения п, вследствие понижения коэффициента избытка воздуха. Наряду с этим значение МДВС увеличивается с ростом частоты вращения коленчатого вала ю . Приращение частоты вращения определяется алгебраической суммой моментов
d ю dt
=м дВс + м элрдв - МдсоР - м г,нер
(2)
где МДДВс - момент вращения ДВС; М^рдв - момент вращения вспомогательного двигателя (электродвигателя); Мд - момент сопротивления, оказываемый дорогой с учетом передаточного отношения коробки передач; М^р - момент сопротивления, оказываемый генератором.
Задача синтеза САУ силовой установки может быть сформулирована следующим образом. При всех допустимых изменениях тягово-скоростного режима силовой установки обеспечить управление частотой вращения коленчатого вала ю, минимизирующее среднеквадратичную ошибку регулирования ое и среднеквадратическое отклонение момента вращения ДВС от оптимального значения ам при наличии ограничений на управляющие воздействия.
ав =.1М
^М = ЛМ
(М ДВС (')- М ДВс (' ))2
(3)
(4)
где юз - заданная частота вращения коленчатого вала.
Принципы построения САУ гибридной силовой установки
Особенности объекта управления предполагают иерархическую организацию системы управления силовой установкой гибридного автомобиля. Необходимые режимы работы каждого агрегата силовой установки обеспечиваются соответствующими регуляторами и блоками управления, которые учитывают особенности построения конкретных узлов и агрегатов и составляют первый уровень иерархии.
Поддержание оптимального режима работы ДВС на различных режимах автомобиля за счет перераспределения нагрузки между ДВС, вспомогательным двигателем и контуром рекуперации энергии обеспечивается элементами САУ второго уровня иерархии.
Структурная схема силовой установки гибридного автомобиля с использованием электродвигателя в качестве вспомогательного агрегата приведена на рис. 2.
Формальное описание принципов работы САУ гибридной силовой установки заключается в следующем.
1. Начало движения. Движение с малой нагрузкой, небольшой скоростью или под небольшой уклон. Поскольку ДВС имеет низкий КПД при малых нагрузках, движение обеспечивается за счет вспомогательного двигателя, если запас энергии в накопителе достаточный. В противном случае движение осуществляется с использованием ДВС.
2. Равномерное движение. САУ обеспечивает наиболее эффективный режим работы ДВС. В случае если вращающий момент ДВС меньше момента сопротивления, недостающая мощность обеспечивается за счет подключения вспомогательного двигателя. Если оптимальный вращающий момент больше момента сопротивления, избыток мощности отводится контуром рекуперации энергии.
3. Разгон. Необходимая разгонная динамика обеспечивается в основном за счет вспомогательной двигателя при поддержании наиболее экономичного режима основного ДВС. При недостаточном запасе энергии в накопителе или недостатке мощности вспомогательного двигателя дополнительная мощность обеспечивается основным ДВС.
4. Торможение. Излишек кинетической энергии транспортного средства утилизируется в контуре рекуперации. При недостаточной эффективности рекуперативного торможения подключается система гидравлического торможения.
Рис. 2. Структурная схема силовой
5. При остановке и наличии энергии в накопителе, достаточной для трогания, ДВС отключается. Если запасенной энергии недостаточно, ДВС продолжает работать до ее необходимого пополнения.
Нечеткая модель системы управления
Приведенное описание работы САУ гибридной силовой установки формализовано в виде базы правил нечетких продукций. При этом определены следующие входные лингвистические переменные:
Е^ (ЫВ, ЫМ, 1, РМ, РВ} . - ошибка регулирования по скорости; dErW {N5”, 1, PS} - производная от ошибки регулирования;
,Е^ (N5,1, Р5} - интеграл от ошибки регулирования; ДМДВС (ЫВ, ЫМ, 1, РМ, РВ} - отклонение момента вращения ДВС от оптимального значения; МДВС {1Р, РМ, РВ} - момент вращения
ДВС; Мэврдв (1Р, РМ, РВ} - момент вращения электродвигателя; Мгсенер (1Р, РМ, РВ} - момент сопротивления генератора; иАБ (Р5, РМ, РВ} -степень заряда АКБ; 1Д (Р5, РВ} - ток дополнительных потребителей. Выходными лингвистическими переменными САУ являются величины приращений моментов электродвигателя ДМ^',
ДВС ДМДрВСд- и генератора ДМгсезндр .
Функции принадлежности каждого из термов каждой лингвистической переменной являются гауссовскими функциями с центром с и вариацией ст :
ц( х; ст, c) = exp
-( х - c ) 2ст2
(5)
Параметры с и ст подбираются, исходя из физического смысла соответствующих переменных.
Нечеткая модель системы управления, реализующая задачи оптимизации работы ДВС на различных режимах, разработана с использованием пакета Fuzzy Logic Toolbox системы MATLAB. Для нечеткого вывода использованы алгоритмы Mamdani и Sugeno. В целях уменьшения размерности проведена декомпозиция задачи, которую поясняет рис.3. При этом были введены промежуточные лингвистические переменные:
AMtf {NB, NM, Z, PM, PB} - требуемое приращение момента вращения для поддержания заданного скоростного режима; АМДВС {NB, NM, Z,
установки гибридного автомобиля
РМ, РВ} - желаемое приращение момента вращения ДВС; ЕЗП - запас энергии в контуре рекуперации; 5КпК - состояние контура рекуперации.
Рис. 3. Схема алгоритмической декомпозиции вычисления задаваемых моментов вращения и момента сопротивления
Simulink - модель данной системы управления приведена на рис. 4. На модели модуль вычисления требуемого приращения момента вращения ( AMtf ) заменен ПИД-регулятором, оптимизированным при помощи пакета Nonlinear Control Design Blockset системы MATLAB. Для описания объекта управления в составе электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, генератора и автомобиля используются апериодические звенья первого порядка с соответствующими постоянными времени.
На рис. 5а, б приведен результат моделирования для случая ступенчатых управляющего (ю3) и
возмущающего (M Сор) воздействий при
иАБ = 0,5 и 1д = 0,1, что соответствует среднему
запасу энергии в контуре рекуперации. Видно, что силовая установка отрабатывает управляющие воздействия при удержании значения МДВС
ДВС
близким к оптимальному (МДВС = 1).
На рис.5в проиллюстрирован вариант при избыточном запасе энергии в контуре рекуперации (иАБ = 0,98; 1Д = 0,01). На отдельных участках не
удается отрабатывать управляющее воздействие без включения гидравлического торможения (невозможность тормозить генератором). Момент вращения ДВС близок к оптимальному значению на отдельных участках осциллограммы. Рис.5г демонстрирует поведение системы при недостаточном запасе энергии в контуре рекуперации, когда UАБ = 0,01, а /Д = 0,98. В данном случае
невозможно задействовать электродвигатель для увеличения момента вращения, на одном из
участков осциллограммы, а следовательно, не мента вращения ДВС. удается поддерживать оптимальное значение мо-
Рис. 4. Simulink - модель системы управления
т(
шТР
'S
Мр.
D
2
Мр ■
МДВС
D
2
Метр.
I 1 1— Lvy-V—^- 15 1 0 —t* 2 о A F~\ ■ 1 МРв. 1 и "•А L—-;r ^ г
: 1—: U1 ; ; т" 2 Mtn 1 . ■ . ■ : . ■ ; . JL 1 2 ML, 1 ; ■ 1 ! .; ■ . ■ И.
За £ тдор ■05 П i ! ü 0
! ■ ■, ¡..| 15 1 i Мс' ..! ::.т ¡. i i i... 2 Мс i ' ■ 1
ф 0 0 0 1 М"-!. г П
; 1 1 7j др ^ 5 0 11 я я я 1.3 со Ü5 faM 15 1 со 1)5
с. 10 15 X, Е 30 ■5S, ■ i ■ 1 i Ц ill гц M S W -*■■■» 1 •
б
а
в
г
Рис. 5. Результаты моделирования силовой установки при различном запасе энергии в контуре рекуперации: а, б - средний запас; в - избыточный запас; г - недостаточный запас
Выводы
Несмотря на принятые допущения, результаты моделирования позволяют использовать методы нечеткого управления для решения поставленных задач. Достоинством данного метода является возможность формализации и использования эмпирических знаний и практических навыков специалистов различного профиля при подготовке базы правил нечетких продукций.
Литература
1. Говорущенко Н.Я. Основные направлення развития автомобильного транспорта в XXI веке
// Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. Харьков: РИО ХНАДУ. - 2003. - Вып. 13. -С. 7-11.
2. Смирнов О.П. Тенденщя створення еколопчно
чистого транспортного засобу // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: РИО ХНАДУ. - 2005. - Вып. 17. - С 17-21.
3. http://www.kinnet.ru/cterra/415/13082.html.
4. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в
среде MATLAB и fuzzy TECH. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.
Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 октября 2006 г.
