張慶華

摘 要：本文結(jié)合機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建，并結(jié)合其動(dòng)態(tài)規(guī)劃與預(yù)測(cè)規(guī)律，進(jìn)行計(jì)算求解，得出機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施功率分配優(yōu)化控制策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在實(shí)際控制應(yīng)用的可行性，為機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)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(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)；實(shí)時(shí)；功率分配；優(yōu)化控制

機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)主要是指以電力與機(jī)械作為傳動(dòng)動(dòng)力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它在機(jī)電裝置中設(shè)計(jì)應(yīng)用，能夠有效提升機(jī)電裝置的動(dòng)力性能，在滿(mǎn)足機(jī)電裝置與設(shè)備傳動(dòng)運(yùn)行中的動(dòng)力能源需求同時(shí)，提高其傳動(dòng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性效益，作為一種傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力裝置形式，具有較為突出的作用優(yōu)勢(shì)。通常情況下，機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)功率分配過(guò)程中，主要結(jié)合驅(qū)動(dòng)以及用電功率需求進(jìn)行分配，并且根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)即用電需求合理有效的實(shí)現(xiàn)功率分配，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是核心技術(shù)部分。下文結(jié)合機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)功率分配特征，根據(jù)最優(yōu)功率分配策略，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化功率分配模型構(gòu)建，對(duì)其動(dòng)態(tài)規(guī)劃與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算求解，得出機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施功率分配優(yōu)化控制策略，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為其在機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)功率分配優(yōu)化控制設(shè)計(jì)應(yīng)用提供依據(jù)支持和參考。

1、機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)與功率分配特征分析

一般情況下，機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)中功率分配是通過(guò)功率耦合以及功率分配兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元共同作用完成實(shí)現(xiàn)。其中，功率耦合結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行機(jī)械功率的分流與匯流實(shí)現(xiàn)，而功率分配結(jié)構(gòu)則是進(jìn)行電力功率的分流與匯流實(shí)現(xiàn)。如下圖1所示，即為機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)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(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的這種機(jī)械與電力驅(qū)動(dòng)結(jié)合的動(dòng)力結(jié)構(gòu)形式，在特定功率條件下，傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)，就導(dǎo)致了機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)需要針對(duì)功率分配問(wèn)題進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保傳動(dòng)系統(tǒng)功率最優(yōu)分配與控制運(yùn)行。此外，在實(shí)現(xiàn)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)功率分配過(guò)程中，由于傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)功率與用電功率情況，是呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的，在不同功率需求下動(dòng)力裝置中的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)不同，因此，要想實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳運(yùn)行狀態(tài)的選擇控制，需要結(jié)合機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)運(yùn)行功率需求進(jìn)行確定，并制定最優(yōu)控制策略，以對(duì)其運(yùn)行協(xié)調(diào)控制。

其中，機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)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(jìn)行表示，其中，Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而PA與PB則分別表示兩個(gè)電機(jī)的功率值，ηec與ηAc、ηBc分別表示各元件傳至功率耦合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率大小，此外，Pd表示機(jī)電符合傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率，也就是系統(tǒng)的輸出功率，而ηcd表示傳動(dòng)系統(tǒng)中功率耦合結(jié)構(gòu)至驅(qū)動(dòng)輪之間的傳動(dòng)效率，sgn表示符號(hào)函數(shù)。

（1）

根據(jù)上式（1），在假設(shè)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，功率值為正，而電機(jī)為發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，功率值為負(fù)，并且功率流動(dòng)方向出現(xiàn)變化，傳動(dòng)效率用符號(hào)函數(shù)表示。那么，在機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)在正常驅(qū)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，Pd就為正數(shù)值，而在制動(dòng)能量回收時(shí)為負(fù)數(shù)值，其傳動(dòng)效率也可以采用符號(hào)函數(shù)進(jìn)行表示。這也是機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)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(chē)輛制造的的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)功率包含用于車(chē)輛行駛阻力克服以及車(chē)輛加速行駛的兩種功率行駛，因此，對(duì)于這種情況下的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率需求，可以采用下列公式（2）進(jìn)行計(jì)算求取。

（2）

這也是考慮運(yùn)行工況的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)功率需求計(jì)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(dòng)阻力的系數(shù)，m表示車(chē)輛的質(zhì)量，g為重力加速度，v為車(chē)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(duì)于機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)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(jìn)行計(jì)算表示。該公式中，Pb表示電動(dòng)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(jī)的傳動(dòng)效率，也就是實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)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(duì)其功率值進(jìn)行計(jì)算求取，從而可得出傳動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)裝置荷電狀態(tài)計(jì)算公式，如下（4）所示。其中，t表示時(shí)間，S表示的是電動(dòng)裝置的荷電狀態(tài)，Cb表示的是電動(dòng)裝置的電容量，S0表示電動(dòng)裝置初始時(shí)刻荷電狀態(tài)。

（4）

2、機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率分配優(yōu)化控制策略

結(jié)合上文對(duì)于機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)功率分配工作原理及特征的分析，在實(shí)現(xiàn)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建，并在動(dòng)態(tài)規(guī)劃與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，形成機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率分配優(yōu)化控制的計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)功率分配優(yōu)化控制。如下圖2所示，即為機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)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(dòng)能力、電動(dòng)裝置電池壽命、燃油經(jīng)濟(jì)性等多元目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模型后，結(jié)合機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)在重型車(chē)輛動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)際情況，以發(fā)電能力與驅(qū)動(dòng)能力作為其傳動(dòng)系統(tǒng)主要目標(biāo)，忽略其他目標(biāo)作用，形成以動(dòng)力性能優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化的優(yōu)化計(jì)算模型。如下式（5）和（6）所示，其中，（5）為動(dòng)力性能優(yōu)化計(jì)算模型，該模型中將傳動(dòng)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)型與電池組壽命進(jìn)行忽略不計(jì)，以發(fā)電能力與驅(qū)動(dòng)能力作為綜合性動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算模型構(gòu)建，而（6）中以車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性與電池壽命作為綜合性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算模型構(gòu)建。

（5）

（6）

根據(jù)上述多元目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算模型，在以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化變量的動(dòng)力性能優(yōu)化計(jì)算與以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化變量的經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化計(jì)算中，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)。而電機(jī)轉(zhuǎn)矩根據(jù)電機(jī)運(yùn)行中動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)，不需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化量選取限制。

（7）

結(jié)合上述對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化模型及其動(dòng)態(tài)變量約束條件，根據(jù)電池組上一時(shí)刻工作狀態(tài)進(jìn)行當(dāng)前電動(dòng)裝置電池荷電狀態(tài)預(yù)測(cè)情況下，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的反向遞推計(jì)算方法，形成如下（8）所示的傳動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)裝置電池荷電狀態(tài)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)計(jì)算公式。

（8）

在該動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)計(jì)算公式中，后期決策滿(mǎn)足該計(jì)算公式的約束范圍，即表示有效，反之則表示無(wú)效。由此，就可以在動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)計(jì)算方法下對(duì)其運(yùn)行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的反向遞推計(jì)算確定出其最優(yōu)運(yùn)行控制策略。如下圖3所示，為動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算方法的計(jì)算過(guò)程示意圖。

根據(jù)上述機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)功率分配優(yōu)化控制計(jì)算策略，通過(guò)實(shí)例代入計(jì)算后，就可以得到相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及電池組、電機(jī)功率分配曲線(xiàn)變化結(jié)果，根據(jù)該曲線(xiàn)變化結(jié)果，在傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率分配控制中，提供有效的依據(jù)參考。

3、結(jié)語(yǔ)

總之，進(jìn)行機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率分配優(yōu)化控制的研究分析，能夠?yàn)闄C(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)功率分配及優(yōu)化控制設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的依據(jù)參考，促進(jìn)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際中的推廣應(yīng)用，具有積極作用和意義。

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