基于模糊規(guī)則的發(fā)動機-發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制

徐浩軒，劉春光，趙其進

(陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系，北京 100072)

0 引 言

近年來，混合動力電傳動車輛成為電傳動車輛領(lǐng)域的研發(fā)重點，其中，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)在許多重型車輛中得到廣泛運用。自二十世紀(jì)末以來的重型電傳動車輛大多采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，即由發(fā)動機-發(fā)電機組、蓄電池或其他能量補償裝置并聯(lián)為車載綜合電力系統(tǒng)供電[1-2]。

發(fā)動機-發(fā)電機組作為串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中主要的電源類型之一，一般作為混合動力電傳動車輛的主動力源。當(dāng)車輛的負(fù)載需求發(fā)生變化時，發(fā)動機需要根據(jù)最佳功率-燃油特性曲線調(diào)整轉(zhuǎn)速以滿足負(fù)載功率需求的同時降低油耗[3]。此時，發(fā)動機與發(fā)電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速外特性的差異造成調(diào)速過程緩慢，車輛負(fù)載功率需求陡增時容易導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速震蕩甚至熄火。文獻[4]等從能量管理層面制訂了功率分配策略，減弱了負(fù)載變化帶來的沖擊，但從電機控制策略出發(fā)對協(xié)調(diào)控制策略的研究較少。文獻[5]則通過改進機械傳動裝置解決并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)發(fā)動機-發(fā)電機組的協(xié)調(diào)控制問題，但這種方法由于車載綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電氣傳動裝置的差異不適用于串聯(lián)式綜合電力系統(tǒng)。

本文針對發(fā)動機-發(fā)電機組在調(diào)速過程中的不協(xié)調(diào)問題，結(jié)合車載綜合電力系統(tǒng)的能量管理，設(shè)計了基于模糊規(guī)則的發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩控制策略，使發(fā)動機-發(fā)電機組在保證綜合電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的同時，加快調(diào)節(jié)速度，避免發(fā)動機轉(zhuǎn)速震蕩和熄火。并通過基于Matlab/Simuink的綜合電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真驗證了該控制策略。

1 發(fā)動機-發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制的基本原理

以一種由發(fā)動機-發(fā)電機組、蓄電池和超級電容器組成的典型串聯(lián)式車載綜合電力系統(tǒng)為例，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。多電源聯(lián)合為綜電系統(tǒng)母線供電，發(fā)動機-發(fā)電機組軸轉(zhuǎn)速由能量管理模塊根據(jù)功率-最佳燃油特性曲線查表給出，發(fā)動機-發(fā)電機組輸出功率通過控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩確定[6]。

圖1 綜合電力系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

當(dāng)負(fù)載需求功率大幅提高時，為滿足負(fù)載用電需求，發(fā)動機增大輸出轉(zhuǎn)矩進行調(diào)速，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩給定值增大，且同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度比發(fā)動機更快。如圖2所示，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩外特性高于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩外特性。

圖2 發(fā)動機與發(fā)電機轉(zhuǎn)矩外特性

發(fā)動機-發(fā)電機組調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系表達式為

(1)

式中,T為發(fā)動機輸出的動力矩，Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，J為發(fā)動機-發(fā)電機軸的轉(zhuǎn)動慣量，Δω為軸轉(zhuǎn)速變化量。由于電磁轉(zhuǎn)矩作為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在調(diào)速過程中大于發(fā)動機的動力矩，造成發(fā)動機軸轉(zhuǎn)速震蕩甚至堵轉(zhuǎn)。在這種綜合電力系統(tǒng)的控制模式下，要加快發(fā)動機的調(diào)速過程使之更快到達給定工作狀態(tài)，可以通過限制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩給定值來實現(xiàn)，通常設(shè)定相同轉(zhuǎn)速下電磁轉(zhuǎn)矩上限為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的K(0

(2)

Pe=ωTe

(3)

即：

(4)

Pe=KωT

(5)

式中，Pe為發(fā)電機輸出到母線的功率，其大小變化主要反映為母線電壓的變化。發(fā)電機輸出功率較小時，母線電壓下降；輸出功率滿足負(fù)載需求時，母線電壓穩(wěn)定在額定值?？梢钥闯?，K值越大，電磁轉(zhuǎn)矩給定的限幅對于發(fā)動機-發(fā)電機組的功率輸出限制越小，同時發(fā)動機調(diào)速也越慢；K值越小發(fā)動機調(diào)速越快，但對發(fā)動機-發(fā)電機的功率輸出限制越大，影響綜合電力系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定。因此，選擇發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩給定值的限幅必須同時考慮其對調(diào)速和穩(wěn)壓兩方面的影響，不宜太大也不宜太小。

目前，電磁轉(zhuǎn)矩限幅參數(shù)K的取值一般通過經(jīng)驗選取適當(dāng)?shù)某Ｖ?但這種轉(zhuǎn)矩限幅方法在發(fā)動機-發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)幅度較大時，無法充分利用綜合電力系統(tǒng)中的其他能量補償裝置，快速完成調(diào)速；在功率調(diào)節(jié)幅度較小時，又過分限制了發(fā)動機-發(fā)電機組的輸出功率造成母線電壓不必要的跌落。

因此，在綜合電力系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)下選取不同的電磁轉(zhuǎn)矩限幅條件對于發(fā)動機-發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制、提高母線電能質(zhì)量具有重要意義。

2 電磁轉(zhuǎn)矩的模糊控制

為更好的控制發(fā)動機-發(fā)電機組根據(jù)能量管理策略進行調(diào)速和功率輸出，就必須根據(jù)綜合電力系統(tǒng)的狀態(tài)，調(diào)整發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩限幅參數(shù)K，維持發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩在可控范圍。協(xié)調(diào)控制的主要目標(biāo)：

(1)發(fā)動機-發(fā)電機軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)盡量快，快速達到能量管理策略給定的轉(zhuǎn)速以降低油耗。

(2)母線電壓波動盡量小，保持較高的電能質(zhì)量，維持車輛運行的安全穩(wěn)定。

在實際控制中，由于“母線電壓波動范圍大”、“發(fā)動機-發(fā)電機調(diào)速快”等概念并沒有嚴(yán)格的約束條件來界定，采用模糊控制對此類問題有較好的魯棒性和適應(yīng)性，因此本文采用Mamdani型模糊控制調(diào)整K值實現(xiàn)發(fā)動機-發(fā)電機組的協(xié)調(diào)控制。

模糊控制系統(tǒng)采用兩輸入一輸出的Mamdani型模糊控制器，輸入為調(diào)速幅度Δn的表達式和母線電壓偏離值ΔU的表達式，輸出為電磁轉(zhuǎn)矩限幅系數(shù)K。調(diào)速幅度Δn和母線電壓偏離值ΔU的表達式為

(6)

(7)

式中,ngd為發(fā)動機-發(fā)電機組調(diào)速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，n為實際轉(zhuǎn)速，U為母線電壓，U0為母線電壓的穩(wěn)壓目標(biāo)值。Δn與ΔU分別反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速和母線電壓與調(diào)速完成后穩(wěn)定狀態(tài)值的偏差。模糊控制器中輸入輸出變量的模糊集及論域如下：

(1)調(diào)速幅度Δn的模糊集及論域

模糊集為：VS，S，M，B，VB；

論域：{2，3.5，5.5，7.5，9}

(2)電壓偏離量ΔU的模糊集及論域

模糊集為：VL，L，Z，H，VH；

論域：{-4，-2，0，2，4}

(3)電磁轉(zhuǎn)矩限幅參數(shù)K的模糊集及論域

模糊集為：OVS，OS，OM，OB，OVB；

論域：{0，0.3，0.5，0.7，1}

各模糊子集隸屬度函數(shù)和隸屬度分布如圖3所示。

圖3 模糊控制器輸入輸出的隸屬度函數(shù)

由圖4所示模糊控制器輸入輸出關(guān)系可知，模糊規(guī)則是模糊控制器設(shè)計的核心，根據(jù)模糊輸入輸出的定義和對調(diào)速與功率輸出綜合優(yōu)化的總體思想，制定了如表1所示的模糊規(guī)則。

圖4 模糊控制器輸入輸出關(guān)系

表1 模糊規(guī)則

各命題模糊蘊含關(guān)系的計算公式為

R(x,y,z)=X(x)∧Y(y)∧Z(z)=

(X(x)∧Y(y))∧Z(z)

(8)

近似推理算法采用Zadeh算法，即取大-取小算法，計算公式為

(9)

通過這種方法，可以得出根據(jù)調(diào)速幅度和功率輸出能力制訂的電磁轉(zhuǎn)矩限幅K，并控制它根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)變化以滿足系統(tǒng)需求，基本實現(xiàn)發(fā)動機-發(fā)電機在車輛需求功率變化過程中的協(xié)調(diào)控制。

3 建模與仿真驗證

3.1 仿真模型的建立

本文采用Matlab/Simlink搭建如圖1中控制結(jié)構(gòu)的綜合電力系統(tǒng)模型，選定各元件參數(shù)如表2所示,發(fā)電機仿真模型框圖如圖5所示,轉(zhuǎn)矩限幅的模糊控制模塊如圖6所示。

表2 參數(shù)選定

圖5 發(fā)電機仿真模型

圖6 轉(zhuǎn)矩限幅的模糊控制

3.2 仿真實驗驗證

仿真實驗通過對比發(fā)動機-發(fā)電機組的調(diào)速性能和綜合電力系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定性來評測不同控制方法下的電磁轉(zhuǎn)矩限幅策略。本文選取：最有利于發(fā)動機調(diào)速的電磁轉(zhuǎn)矩低限幅策略，即在調(diào)速過程中電磁轉(zhuǎn)矩限幅參數(shù)取較小值，實驗中取K=0.2；根據(jù)經(jīng)驗得出的最優(yōu)限幅值K=0.78；和根據(jù)模糊規(guī)則控制的限幅參數(shù)來進行對比。

圖7 發(fā)動機-發(fā)電機組軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

對于調(diào)速性能來說，不同控制策略對于小幅度調(diào)速影響不顯著，因此本文僅對比從怠速狀態(tài)到最大轉(zhuǎn)速的大幅度調(diào)速過程。如圖7所示，發(fā)動機-發(fā)電機組起動后在1s時達到怠速狀態(tài)下的1000r/min，在2s時，負(fù)載需求功率陡增，能量管理策略給定發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速為2100r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)矩限幅參數(shù)K=0.2時發(fā)動機-發(fā)電機組調(diào)速最快，采用模糊控制略慢于低限幅條件下的調(diào)節(jié)速度，K=0.78則更多的考慮母線電壓的穩(wěn)定性，因此調(diào)節(jié)最緩慢。雖然采用低限幅的電磁轉(zhuǎn)矩限幅參數(shù)調(diào)速較快，但還應(yīng)考慮其對母線電壓的影響，如圖8所示。

圖8 大幅度調(diào)速時的母線電壓變化

可以看出，雖然低限幅條件下調(diào)速較快，但母線電壓下降嚴(yán)重，甚至低于蓄電池的輸出電壓650V，導(dǎo)致電流變換裝置處于失控狀態(tài),對蓄電池壽命造成損害。而K=0.78時，母線電壓相對可以維持在安全范圍內(nèi)，這也是選擇它作為經(jīng)驗最優(yōu)值的原因。但由于發(fā)動機-發(fā)電機組的調(diào)速性能差，回升至穩(wěn)態(tài)的速度緩慢。采用模糊控制既保持了電壓穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，又極大的加快了電壓回升至穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)速度。

同時，在發(fā)動機小幅度調(diào)速時，雖然各方法對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間影響并不顯著，但對母線電能質(zhì)量的影響不能忽略，如圖9所示。

圖9 小幅度調(diào)速時的母線電壓變化

此時，采用小限幅系數(shù)限制了發(fā)電機的輸出能力，母線電壓振幅較大，而采用較大限幅系數(shù)和采用模糊控制的限幅使母線電壓變化較為平緩。

綜上所述，采用基于模糊規(guī)則的電磁轉(zhuǎn)矩限幅策略能夠加快發(fā)動機-發(fā)電機組的調(diào)節(jié)速度，穩(wěn)定母線電壓，相比其他控制方式，更有利于實現(xiàn)發(fā)動機-發(fā)電機組的協(xié)調(diào)控制。

4 結(jié) 論

通過仿真驗證，采用模糊控制的方法控制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩對于優(yōu)化發(fā)動機-發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制效果顯著，為通過調(diào)節(jié)電機工作狀態(tài)以維持發(fā)動機工作在低油耗狀態(tài)、提高混合動力電傳動車輛的母線電能質(zhì)量提供了依據(jù)和參考。