机电复合传动系统实时功率分配优化控制研究分析

张庆华

摘 要：本文结合机电复合传动系统功率分配工作特征，根据最优功率分配策略理论，实现多目标优化模型构建，并结合其动态规划与预测规律，进行计算求解，得出机电复合传动系统实施功率分配优化控制策略，通过实验验证其在实际控制应用的可行性，为机电复合传动系统实施功率分配优化控制提供参考和依据支持。

关键词：机电复合传动系统；实时；功率分配；优化控制

机电复合传动系统主要是指以电力与机械作为传动动力的系统结构，它在机电装置中设计应用，能够有效提升机电装置的动力性能，在满足机电装置与设备传动运行中的动力能源需求同时，提高其传动运行的经济性效益，作为一种传动系统动力装置形式，具有较为突出的作用优势。通常情况下，机电复合传动系统在实现功率分配过程中，主要结合驱动以及用电功率需求进行分配，并且根据传动系统驱动即用电需求合理有效的实现功率分配，是整个系统设计的关键，也是核心技术部分。下文结合机电复合传动系统功率分配特征，根据最优功率分配策略，通过多目标优化功率分配模型构建，对其动态规划与动态预测变化规律进行总结分析基础上，进行计算求解，得出机电复合传动系统实施功率分配优化控制策略，并对其实际应用可行性进行实验验证，为其在机电复合传动系统功率分配优化控制设计应用提供依据支持和参考。

1、机电复合传动系统与功率分配特征分析

一般情况下，机电复合传动系统中功率分配是通过功率耦合以及功率分配两个结构单元共同作用完成实现。其中，功率耦合结构主要进行机械功率的分流与汇流实现，而功率分配结构则是进行电力功率的分流与汇流实现。如下图1所示，即为机电复合传动系统及其功率分配工作结构示意图。

值得注意的是，机电复合传动系统的这种机械与电力驱动结合的动力结构形式，在特定功率条件下，传动系统中发动机的不同运行状态，就导致了机电复合传动系统需要针对功率分配问题进行最优化设计，以确保传动系统功率最优分配与控制运行。此外，在实现机电复合传动系统功率分配过程中，由于传统系统运行所需的驱动功率与用电功率情况，是呈现动态变化的，在不同功率需求下动力装置中的发电运行状态不同，因此，要想实现动力系统发动机最佳运行状态的选择控制，需要结合机电复合传动系统的实时运行工况，对发动机与电机运行功率需求进行确定，并制定最优控制策略，以对其运行协调控制。

其中，机电复合传动系统中功率耦合结构的功率平衡关系可以采用下式（1）进行表示，其中，Pe为发动机功率，而PA与PB则分别表示两个电机的功率值，ηec与ηAc、ηBc分别表示各元件传至功率耦合机构的传动效率大小，此外，Pd表示机电符合传动系统的驱动功率，也就是系统的输出功率，而ηcd表示传动系统中功率耦合结构至驱动轮之间的传动效率，sgn表示符号函数。

（1）

根据上式（1），在假设机电复合传动系统中电机为电动运行状态时，功率值为正，而电机为发电运行状态时，功率值为负，并且功率流动方向出现变化，传动效率用符号函数表示。那么，在机电复合传动系统在正常驱动运行状态下，Pd就为正数值，而在制动能量回收时为负数值，其传动效率也可以采用符号函数进行表示。这也是机电复合传动系统功率平衡分配的基本原则与工作原理。

需要注意的是，应用于车辆制造的的机电复合传动系统，其驱动功率包含用于车辆行驶阻力克服以及车辆加速行驶的两种功率行驶，因此，对于这种情况下的机电复合传动系统驱动功率需求，可以采用下列公式（2）进行计算求取。

（2）

这也是考虑运行工况的机电复合传动系统功率需求计算公式。该公式中，Pf为阻力克服需要的功率，即阻力功率；而Pm为惯性功率，f表示滚动阻力的系数，m表示车辆的质量，g为重力加速度，v为车辆行驶速度，Cd为风阻系数，A表示的是迎风的面积情况，ρ为空气密度大小。

此外，对于机电复合传动系统中功率分配结构的功率平衡关系采用以下公式（3）进行计算表示。该公式中，Pb表示电动功率，而Pc表示系统的用电功率需求，ηA与ηB表示的是电机的传动效率，也就是实现机械功率与电功率转化的效率。

（3）

根据上示公式（3）在假设电动装置充电状态下的功率为正数值，就可以根据相应的内阻模型对其功率值进行计算求取，从而可得出传动系统中电动装置荷电状态计算公式，如下（4）所示。其中，t表示时间，S表示的是电动装置的荷电状态，Cb表示的是电动装置的电容量，S0表示电动装置初始时刻荷电状态。

（4）

2、机电复合传动系统实时功率分配优化控制策略

结合上文对于机电复合传动系统功率分配工作原理及特征的分析，在实现机电复合传动系统实时功率分配优化控制中，需要结合最优化功率分配策略的模型原理，实现多目标优化模型构建，并在动态规划与动态预测基础上，形成机电复合传动系统实时功率分配优化控制的计算模型，从而实现功率分配优化控制。如下图2所示，即为机电复合传动系统功率分配的多元目标优化模型构建流程示意图。

根据上图所示的多元目标优化模型构建流程，在构建以发电能力以及驱动能力、电动装置电池寿命、燃油经济性等多元目标优化计算模型后，结合机电复合传动系统在重型车辆动力装置设计应用实际情况，以发电能力与驱动能力作为其传动系统主要目标，忽略其他目标作用，形成以动力性能优化与经济性能优化的优化计算模型。如下式（5）和（6）所示，其中，（5）为动力性能优化计算模型，该模型中将传动系统的燃油经济型与电池组寿命进行忽略不计，以发电能力与驱动能力作为综合性动力性能进行计算模型构建，而（6）中以车辆燃油经济性与电池寿命作为综合性经济性指标进行计算模型构建。

（5）

（6）

根据上述多元目标优化计算模型，在以电机转矩为优化变量的动力性能优化计算与以发动机转速转矩为优化变量的经济性能优化计算中，对于发动机的转速约束条件表示为如下式（7）所示，其中，Δt表示的是仿真步长。而电机转矩根据电机运行中动力响应状态，不需要进行动态变化量选取限制。

（7）

结合上述对于多目标优化模型及其动态变量约束条件，根据电池组上一时刻工作状态进行当前电动装置电池荷电状态预测情况下，采用动态规划的反向递推计算方法，形成如下（8）所示的传动系统电动装置电池荷电状态动态预测计算公式。

（8）

在該动态预测计算公式中，后期决策满足该计算公式的约束范围，即表示有效，反之则表示无效。由此，就可以在动态预测计算方法下对其运行轨迹进行预测，然后利用动态规划的反向递推计算确定出其最优运行控制策略。如下图3所示，为动态规划计算方法的计算过程示意图。

根据上述机电复合传动系统功率分配优化控制计算策略，通过实例代入计算后，就可以得到相应的传动系统发动机以及电池组、电机功率分配曲线变化结果，根据该曲线变化结果，在传动系统实时功率分配控制中，提供有效的依据参考。

3、结语

总之，进行机电复合传动系统实时功率分配优化控制的研究分析，能够为机电复合传动系统功率分配及优化控制设计提供相应的依据参考，促进机电复合传动系统在实际中的推广应用，具有积极作用和意义。

参考文献：

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