一種高速公路重型卡車速度行駛優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，包括以下步驟：建立車輛的縱向動(dòng)力學(xué)模型、建立車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)模型、非線性模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用模型預(yù)測(cè)控制的策略，考慮高速公路重型卡車行駛的燃油經(jīng)濟(jì)性及物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)的約束，應(yīng)用非線性模型預(yù)測(cè)控制的方法優(yōu)化得到當(dāng)前階段道路信息下的最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而獲得燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的車輛速度，并且可以根據(jù)駕駛員對(duì)貨運(yùn)時(shí)效性的要求，對(duì)非線性模型預(yù)測(cè)控制器的時(shí)效系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而平衡貨運(yùn)時(shí)效及燃油經(jīng)濟(jì)兩者之間的關(guān)系，既可以有效降低高速公路重型卡車的燃油消耗又能保證貨運(yùn)的時(shí)效性，節(jié)約能耗降低溫室氣體的排放。
【專利說明】
一種高速公路重型卡車速度行駛優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高高速公路重型卡車燃油經(jīng)濟(jì)性的方法，具體的說是一種高速 公路重型卡車速度行駛優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車在給人們帶來方便與快捷的同時(shí)，也給世界各國能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)帶來了 巨大的壓力。貨物運(yùn)輸是全球經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部分，公路貨物運(yùn)輸?shù)男枨笾鹉暝黾?。然而?路交通的運(yùn)輸占全球能源的消耗以及溫室氣體的排放很大比例，大約占全球能源消耗的 26%，而高速公路的貨物運(yùn)輸又是道路交通運(yùn)輸?shù)闹饕问?。因此，大量的相關(guān)研究致力于 降低高速公路重型卡車的燃油消耗，以提高道路交通運(yùn)輸?shù)娜加徒?jīng)濟(jì)性。為了進(jìn)一步降低 高速公路重型卡車的燃油消耗，本發(fā)明對(duì)高速公路行駛的重型卡車進(jìn)行速度行駛優(yōu)化。
[0003] 國內(nèi)外目前針對(duì)車輛的速度優(yōu)化控制策略主要有定速巡航以及自適應(yīng)巡航控制。 定速巡航雖然可以將車輛的速度固定在特定值，使車輛保持勻速行駛，從一定程度上達(dá)到 降低燃油消耗的效果，但是速度卻不一定為當(dāng)前道路情況下的最佳燃油經(jīng)濟(jì)速度，并且定 速巡航的功能過于單一也存在一定的局限性。自適應(yīng)巡航控制是在傳統(tǒng)車輛定速巡航的基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種駕駛員輔助系統(tǒng)，可以通過檢測(cè)車輛的狀態(tài)信息（擋位、速度等信息） 自動(dòng)的調(diào)整車速，從而保證安全距離。然而高速公路行駛車輛相對(duì)較少，并且大型貨車應(yīng)行 駛在右側(cè)低速車道，涉及跟車、換擋的情況相對(duì)城市道路較少。自適應(yīng)巡航控制更適用于交 通流相對(duì)密集的乘用車輛，通過對(duì)前車的行駛狀態(tài)的判斷來決策自身車輛的行駛速度，而 高速公路重型卡車行駛時(shí)車流相對(duì)稀疏前車較少，更需要的是根據(jù)當(dāng)前的道路信息來決策 出最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)速度。所以本文提出了一種基于預(yù)測(cè)控制的方法對(duì)高速公路重型卡車的 速度進(jìn)行行駛優(yōu)化，根據(jù)車輛當(dāng)前道路信息以及駕駛員對(duì)貨運(yùn)時(shí)效性的需求，優(yōu)化出最佳 的燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩以降低車輛的燃油消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，采用模型預(yù)測(cè)控制的策 略，考慮高速公路重型卡車行駛的燃油經(jīng)濟(jì)性及物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)的約束，應(yīng)用非線性模型預(yù) 測(cè)控制的方法優(yōu)化得到當(dāng)前階段道路信息下的最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而獲得燃油經(jīng)濟(jì)性最佳 的車輛速度，并且可以根據(jù)駕駛員對(duì)貨運(yùn)時(shí)效性的要求，對(duì)非線性模型預(yù)測(cè)控制器的時(shí)效 系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而平衡貨運(yùn)時(shí)效及燃油經(jīng)濟(jì)兩者之間的關(guān)系，既可以有效降低高速公路 重型卡車的燃油消耗又能保證貨運(yùn)的時(shí)效性，節(jié)約能耗降低溫室氣體的排放。
[0005] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、建立車輛的縱向動(dòng)力學(xué)模型：忽略前后軸的軸荷轉(zhuǎn)移，用簡化的單自由度 模型表征車輛的縱向動(dòng)力學(xué)；
[0008] 步驟二、建立車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)模型:采集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗數(shù)值 模型，用以表示發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；
[0009] 步驟三、非線性模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì):基于所述步驟一建立的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模 型以及步驟二建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，設(shè)計(jì)帶有約束的考慮柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的非線性模型預(yù) 測(cè)控制器，將當(dāng)前的道路信息及車輛自身速度輸入到非線性控制器中，利用模型預(yù)測(cè)控制 方法預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來動(dòng)態(tài)，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，決策出發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，并輸出至車輛系 統(tǒng)，使車輛以最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)速度行駛。
[0010] 本發(fā)明的有益效果為：
[0011 ] 1.本發(fā)明通過對(duì)道路信息及自身速度的采集，合理地優(yōu)化出燃油經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)矩，有效地降低了高速公路上行駛的重型卡車的燃油消耗。
[0012] 2.在一定程度上減輕了駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)，由于控制器直接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控 制從而改變車輛的速度，所以在此過程中駕駛員不需對(duì)油門和制動(dòng)踏板進(jìn)行操作，并且高 速公路大部分路況為直線，只需對(duì)方向盤進(jìn)行當(dāng)前方向的矯正。但是當(dāng)緊急狀況發(fā)生時(shí)，駕 駛員仍可踩下制動(dòng)踏板對(duì)車輛進(jìn)行控制。
[0013] 3.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三維map和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī) 節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及燃油消耗率的三維map對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合，得出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出 力矩、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩及燃油消耗率三者之間的數(shù)值關(guān)系，建立重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗 的精確數(shù)值模型以及發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線。
【附圖說明】
[0014] 圖1為車輛受力分析示意圖；
[0015] 圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度map;
[0016] 圖3為燃油消耗率-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度map;
[0017] 圖4為燃油消耗率-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)M合map;
[0018] 圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線；
[0019] 圖6為燃油消耗總量仿真對(duì)比圖；
[0020] 圖7為車輛行駛速度仿真對(duì)比圖；
[0021] 圖8為車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本發(fā)明提供了一種高速公路重型卡車速度行駛優(yōu)化的方法，該方法包括以下幾個(gè) 步驟：
[0023] 步驟一、為了便于對(duì)車輛系統(tǒng)的分析及控制，根據(jù)牛頓第二定律建立車輛縱向動(dòng) 力學(xué)模型，忽略前后軸的軸荷轉(zhuǎn)移，用簡化的單自由度模型表征車輛的縱向動(dòng)力學(xué)，如圖1， 其動(dòng)力學(xué)方程為：
[0024]
(1)
[0025] 其中，m為車輛質(zhì)量，單位kg; v為車輛縱向速度，單位m/s; Fengine > Fgrad > Frol ling '?Fair 分別是車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力、道路坡度阻力、滾動(dòng)阻力以及空氣阻力，單位都是N。
[0026]
(2)
[0027] 其中，Tt為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，單位Nm;igS車輛變速器傳動(dòng)比；io為車輛主減速器傳動(dòng) 比;％是整車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率;r是車輪的半徑，單位為m。
[0028] Fgrad=mg sin(9) (3)
[0029]其中，g為重力加速度，單位m/s2;9為道路坡度，單位 rad。
[0030] Frolling = mgCr C〇s(0) (4)
[0031] 其中，Cr表示滾動(dòng)阻力系數(shù)。
[0032]
(5)
[0033] 其中，CD為空氣阻力系數(shù);P為空氣密度，單位kg/m3;A是車輛迎風(fēng)面積，單位m2;v為 車輛縱向速度，單位m/s。
[0034]綜上所述，車輛的縱向動(dòng)力學(xué)方程可以表示成如下形式：
[0035]
(6)
[0036] 步驟二、建立車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)模型:采集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗數(shù)值 模型，用以表示發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；
[0037] 為了精確分析車輛的燃油消耗，建立重型卡車柴油機(jī)的精確燃油消耗數(shù)值模型。 提取某款重型卡車柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度三維map，如圖2,以及燃 油消耗率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度的三維 map，如圖3。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的數(shù)值模型表示的 是柴油機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
[0038] 由于圖2和圖3兩張柴油機(jī)機(jī)特性map均包含發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，所以可對(duì)兩張 map 的數(shù)據(jù)在MATLAB中通過interpl函數(shù)進(jìn)行線性插值，消去共有的節(jié)氣門開度，再利用MATLAB 工具箱cftool對(duì)整合出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及燃油消耗率的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到精 度為1〇-6的歸一化燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的多項(xiàng)式函數(shù)：
[0039] ffueirate(n,T) =ρ〇ο+ρι〇η+ρ〇ιΤ+ρ2〇η2+ριιηΤ+ρ〇2Τ2+ρ2?η2Τ+ρ?2ηΤ 2+ρ〇3Τ3 (7)
[0040] 其中MATLAB工具箱cftool得出的擬合參數(shù)如表1所示：
[0041 ]表1發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗數(shù)值模型擬合參數(shù)
[0042]
[0043] 根據(jù)整合出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及燃油消耗率的數(shù)據(jù)，繪制燃油消耗率與 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三維map，如圖4所示。對(duì)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗map進(jìn)行x-y平面 的投影，即可得到重型卡車柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線，如圖5所示。
[0044] 得出發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗數(shù)值模型，在已知任意時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的 情況下，即可方便地求得當(dāng)前時(shí)刻的燃油消耗率以及單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗總量。
[0045] 步驟三、非線性模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì):基于步驟一中建立的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型 以及步驟二中建立的燃油消耗數(shù)值模型，設(shè)計(jì)帶有約束的考慮高速公路實(shí)際駕駛情況的非 線性模型預(yù)測(cè)控制器，根據(jù)當(dāng)前的道路信息及車輛的自身速度，利用模型預(yù)測(cè)控制方法預(yù) 測(cè)系統(tǒng)的未來動(dòng)態(tài)，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，決策出最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，并輸出至車輛系統(tǒng)，從而使 車輛獲得當(dāng)前的最佳燃油經(jīng)濟(jì)速度。
[0046] 上述步驟三中的非線性模型預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)包括以下步驟：
[0047] (1)控制問題描述：
[0048]在進(jìn)行高速公路重型卡車行駛速度優(yōu)化時(shí)，本發(fā)明選取發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tt作為控制 變量，即u = Tt，選取車輛的縱向車速作為狀態(tài)量，即x = v。為了滿足速度優(yōu)化過程中車輛的 燃油經(jīng)濟(jì)性及時(shí)效性，本發(fā)明采用模型預(yù)測(cè)控制的方法對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化，從而 達(dá)到對(duì)車輛速度進(jìn)行優(yōu)化的目的。根據(jù)車輛的縱向動(dòng)力學(xué)方程，整理得出優(yōu)化過程中采用 的預(yù)測(cè)模型，如下所示：
[0049] (8)
[0050] 在步驟二中已經(jīng)對(duì)式子中的各個(gè)參數(shù)的具體含義進(jìn)行了介紹，在此就不在重復(fù)。 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗模型，并將歸一化后的參數(shù)代入，整理得出優(yōu)化過程中的能耗模型，如 下所示：
[0051 ] ffueirate(n ,T) =0.002892+0.00209n+0.001245T+0.0005709n2+0.0009704nT- 0 · 0004742T2+0 · 0002978n2T-0 · 0002978nT2+7 · 293e-5T3 (9)
[0052] 由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車輛速度存在著如下關(guān)系：
[0053] (10)
[0054] 其中，η為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min，〇0為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度單位，rad/s。
[0055] 所以燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的函數(shù)關(guān)系式，可以轉(zhuǎn)化成燃油消耗 率與車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系式。
[0056] 至此可以將高速公路重型卡車速度優(yōu)化整理成下面的形式：
[0062]式（11)是高速公路重型卡車速度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，其中N為模型預(yù)測(cè)控制方法中
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061] 的預(yù)測(cè)步長，A t是預(yù)測(cè)時(shí)域每一步向前預(yù)測(cè)的時(shí)長，燃油消耗率與預(yù)測(cè)步長每一步時(shí)長的 乘積進(jìn)行N步累加，并通過優(yōu)化算法使累加值最小，從而達(dá)到預(yù)測(cè)時(shí)域燃油消耗最少，也就 直接地反映了速度優(yōu)化過程中的燃油經(jīng)濟(jì)性;式（12)是對(duì)優(yōu)化過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的約束， 由于發(fā)動(dòng)機(jī)固有屬性的限制所以轉(zhuǎn)矩存在最大值和最小值的限制，其中Tmin和Im ax分別是發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩能達(dá)到的最小值和最大值，單位N;式（13)是對(duì)重型卡車在高速公路行駛時(shí)速度的 限制，根據(jù)《高速公路交通管理辦法》，貨運(yùn)車輛應(yīng)在慢車道行駛，限速60km/h-100km/h，其 中 Vmi4PVmax分別車輛的最小和最大行駛速度，單位m/s;式（14)是對(duì)車輛行駛的時(shí)效約束， 平衡貨物運(yùn)輸時(shí)間以及燃油消耗兩者之間的關(guān)系，如果單純地為了降低燃油消耗可以讓車 輛行駛盡可能的慢，但這對(duì)貨物運(yùn)輸是十分不合理的，很可能會(huì)導(dǎo)致貨物的逾期送達(dá)，所以 既要降低車輛行駛的燃油消耗，又要保證貨物運(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性，式（14)中各變量的表達(dá)式如 下所示：
[0063] s = v · (N · At) (15)
[0064] 其中，s是預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)車輛以當(dāng)前速度行駛在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)行駛的距離，單位m;
[0065] Smin = Vmin · (N · Δ t) (16)
[0066] 其中，Smin是預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)車輛以限定的最小速度行駛在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)行駛的距離，即 車輛在預(yù)測(cè)時(shí)域能行駛的最小距離，單位m;
[0067] Smax = Vmax · (N · Δ t) (17)
[0068] 其中，Smax是預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)車輛以限定的最大速度行駛在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)行駛的距離，即 車輛在預(yù)測(cè)時(shí)域能行駛的最大距離，單位m;
[0069] 式（14)中的κ為人為控制的比例系數(shù)，可以在最優(yōu)燃油消耗和最短時(shí)間到達(dá)指定 地點(diǎn)之間進(jìn)行人為控制，κ越大燃油消耗越低到達(dá)目的地的時(shí)間越長，反之燃油消耗高時(shí)間 短。
[0070] (2)控制問題求解：
[0071] 在高速公路重型卡車速度優(yōu)化過程中，本發(fā)明利用MATLAB中fmincon函數(shù)對(duì)所設(shè) 計(jì)的非線性模型預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行求解，控制器的參數(shù)如表2所示：
[0072]表2非線性模型預(yù)測(cè)控制器參數(shù)
[0073]
?〇〇74?~由于在實(shí)際的行車過程中不可避免的存在外界環(huán)境的干擾，預(yù)測(cè)^莫型僅僅考慮了· 車輛的縱向動(dòng)力學(xué)，沒有考慮行車過程中外界干擾的影響。因此，在優(yōu)化過程中，如果直接 將計(jì)算得到的最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩序列的N個(gè)速度值全部作用于控制車輛，將會(huì)導(dǎo)致模型失 配現(xiàn)象，優(yōu)化的速度效果變差。因此在實(shí)際的求解過程中，我們結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制的思想， 將每一時(shí)刻得到的最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩序列的第一個(gè)值作用于車輛，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化，從而減少 其他干擾因素的影響。
[0075] (3)控制算法仿真驗(yàn)證
[0076]為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的高速公路重型卡車速度優(yōu)化方案的功能性，在M A T L A B / S頂U(kuò)LINK中搭建非線性模型預(yù)測(cè)控制器，并與高精度卡車仿真軟件TRUCKS頂一起進(jìn)行聯(lián)合 仿真，TRUCKS頂提供高精度的卡車模型作為被控對(duì)象，最大程度地模擬現(xiàn)實(shí)情況中的卡車 行駛狀態(tài)。
[0077] 在上述聯(lián)合仿真平臺(tái)下，進(jìn)行模擬高速公路工況仿真實(shí)驗(yàn)，在坡度0.03753,高速 公路直線行駛300m，并設(shè)置車輛初速度為70km/h，控制器時(shí)效系數(shù)κ選取為70;為了直觀地 驗(yàn)證在非線性模型預(yù)測(cè)控制器作用下高速公路重型卡車行駛時(shí)燃油消耗的減少，在相同的 道路工況下沒有控制器的作用，讓重型卡車以恒速70km/h行駛，將有控制器作用和沒有控 制器作用下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6-8。
[0078] 從仿真結(jié)果可以看出在控制器的作用下有效地降低了重型卡車高速公路行駛時(shí) 的燃油消耗，從圖6中可以看出，在控制器控制下的燃油消耗總量低于不施加控制的情況， 油耗量分別為〇. 035031kg和0.038101kg，節(jié)油約7.35%，并且在此種工況下有控制器作用 的車速始終高于沒用控制器的情況，也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的非線性控制器的時(shí)效性，證明了所 設(shè)計(jì)的控制器對(duì)于高速公路重型卡車行駛時(shí)速度優(yōu)化的有效性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、建立車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型； 步驟二、建立車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)模型：采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗數(shù)值模型，用 以表示發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系； 步驟三、非線性模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì):基于所述步驟一建立的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型以 及步驟二建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，設(shè)計(jì)帶有約束的考慮柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的非線性模型預(yù)測(cè)控 制器，將當(dāng)前的道路信息及車輛自身速度輸入到非線性控制器中，利用模型預(yù)測(cè)控制方法 預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來動(dòng)態(tài)，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，決策出發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，并輸出至車輛系統(tǒng)，使 車輛以最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)速度行駛。2. 如權(quán)利要求1所述的一種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步驟 一建立的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型為：其中，m為車輛質(zhì)量，單位kg; v為車輛縱向速度，單位m/s; Tt為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，單位Nm; ig為 車輛變速器傳動(dòng)比；i〇為車輛主減速器傳動(dòng)比；nt是整車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率;r是車輪的半 徑，單位為m; g為重力加速度，單位m/s2; Θ為道路坡度，單位rad; Cr表示滾動(dòng)阻力系數(shù);Cd為 空氣阻力系數(shù);P為空氣密度，單位kg/m3; A是車輛迎風(fēng)面積，單位m2。3. 如權(quán)利要求1所述的一種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步驟 二建立車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)模型為： f fueirate(n, T) = 0.002892+0.00209n+0.001245T+0.0005709n2+0.0009704nT- 0.0004742T2+0.0002978n2T-0.0002978nT2+7.293e- 5T34. 如權(quán)利要求3所述的一種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步驟 二建立車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的具體過程為： 提取重型卡車柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度三維map，以及燃油消耗 率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度的三維map; 對(duì)兩張三維map的數(shù)據(jù)在MATLAB中通過interp 1函數(shù)進(jìn)行線性插值，消去共有的節(jié)氣門 開度，再利用MATLAB工具箱cftool對(duì)整合出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及燃油消耗率的數(shù) 據(jù)進(jìn)行擬合，得到精度為1〇_ 6的歸一化燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的多項(xiàng)式函 數(shù)； 根據(jù)整合出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及燃油消耗率的數(shù)據(jù)，繪制燃油消耗率與發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三維map，對(duì)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗map進(jìn)行x-y平面的投影，即可得 到重型卡車柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線。5. 如權(quán)利要求1所述的一種高速公路重型卡車速度優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步驟 三非線性模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)包括以下步驟： (1)控制問題描述： 將高速公路重型卡車速度優(yōu)化整理成以下形式：) UD S . t . (14) Tt min ^ Tt ^ Tt max ( 12) Vmin ^ V ^ Vmax(13) 所述式（11)是高速公路重型卡車速度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，其中N為模型預(yù)測(cè)控制方法中 的預(yù)測(cè)步長，A t是預(yù)測(cè)時(shí)域每一步向前預(yù)測(cè)的時(shí)長； 所述式（12)是對(duì)優(yōu)化過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的約束，其中Tmin和Tmax分別是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩能達(dá) 到的最小值和最大值，單位N; 所述式（13)是對(duì)重型卡車在高速公路行駛時(shí)速度的限制，其中Vmi4PVmax分別為車輛的 最小和最大行駛速度，單位m/s; 所述式（14)是對(duì)車輛行駛的時(shí)效約束，式中：S = V · (N · Δ t) ;Smin = Vmin · (N · Δ t); Smax = Vmax · (N · Δ t) ;K為人為控制的比例系數(shù)； (2)控制問題求解。
【文檔編號(hào)】B60W30/18GK105857312SQ201610356264
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】郭洪艷, 郝寧峰, 王秋, 陳虹
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)