عنوان : طراحی استراتژی کنترل سلسله مراتبی زمان واقعی در خودروهای هایبرید برقی

دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده برق

 پایان نامه کارشناسی ارشد

 برق- قدرت

 عنوان:

طراحی استراتژی کنترل سلسله مراتبی زمان واقعی در خودروهای هایبرید برقی

 استاد راهنما:

دکترسیّد محمد تقی بطحایی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
(مقدمه)
انواع خودروهای هایبرید…………………….. 1
استراتژی های کنترلی در خودروهای هایبرید برقی………………………. 4
محتوای فصلهای بعدی………………………. 5
(فصل اوّل)…………………….. 6
استراتژیهای کنترلی در خودرو های هایبرید برقی………………………. 6
مقدمه……………………… 7
1-1) استراتژی های کنترلی بر پایه قوانین تجربی………………………. 8
2-1) استراتژی کنترل مبتنی بر بهینه سازی استاتیکی………………………. 19
1-2-1) تعریف مسئله……………………… 21
3-1) استراتژی کنترل مبتنی بر کنترل بهینه……………………… 37
1-3-1) فرمول بندی مسئله……………………… 41
2-3-1)بهینه سازی براساس برنامه ریزی پویا……………………..46
3-3-1) نتایج شبیه سازی………………………. 48
4-3-1)شناسایی الگوی رانشی………………………. 55
4-1) استراتژی کنترل مبتنی بر مدلسازی دینامیکی………………………. 62
(فصل دوّم )…………………….. 72
استراتژی های کنترل هوشمند……………………… 72
مقدمه……………………… 73
(فصل سوّم) ……………………..90
ساختار کنترل سلسله مراتبی در خودرو های هایبرید برقی و مدلسازی آن….. 90
مقدمه……………………… 91
1-3) سیستم های دینامیکی هایبرید……………………… 91
مثال(1-3)…………………….. 94
مثال(2-3)…………………….. 95
2-3) ساختار سلسله مراتبی خودرو هایبرید برقی………………………. 96
3-3) مدلسازی دینامیکی سیستم محرکه رانشی خودرو هایبرید برقی………. 102
1-3-3)مدل دینامیکی موتور الکتریکی………………………. 102
2-3-3)مدل دینامیکی موتور احتراقی………………………. 104
3-3-3) مدلسازی دینامیکی باتری………………………. 105
4-3-3) مدل سازی دینامیکی خودرو…………………….. 105
5-3-3)  محاسبه گشتاور درخواستی………………………. 106
4-3)سیستم محرکه رانشی خودرو هایبرید سری  و معادلات حاکم بر مدهای عملکردی….. 107
1-4-3) مد الکتریکی………………………. 107
2-4-3) مد هایبرید……………………… 108
5-3) روابط دینامیکی مربوط به حالتهای عملکردی در خودرو هایبرید برقی موازی…… 108
1-5-3) مد موتور الکتریکی………………………. 109
2-5-3) مد هایبرید……………………… 110
3-5-3) مد ترمزی………………………. 110
شکل(9-3) مدهای کنترلی در خودرو هایبرید برقی………………………. 111
(فصل چهارم)…………………….. 112
طراحی و شبیه سازی استراتژی کنترل هوشمند سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید برقی…… 112
مقدمه……………………… 113
1-4) طراحی استراتژی کنترل نظارتی هوشمند براساس منطق فازی برای خودرو هایبرید موازی…….. 113
2-4) طراحی استراتژی کنترل سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید سری براساس مدلسازی دینامیکی زیر سیستمها….. 122
3-4) نتایج شبیه سازی………………………. 128
(فصل پنجم)…………………….. 130
دست یابی به استراتژی کنترل سلسله مراتبی زمان واقعی برای خودرو هایبرید برقی……. 130
نتایج و شبیه سازی………………………. 130
مقدمه……………………… 131
1-5)پیاده سازی استراتژی کنترل سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید موازی………………. 134
2-5)شرایط گذر بین مدهای کنترلی………………………. 136
3-5) نتایج شبیه سازی………………………. 143
نتیجه گیری………………………. 149
نظرات و پیشنهادات………………………. 151
مراجع………………………152
ضمائم……………………… 158
آلودگی شهرهای بزرگ سالهاست که به یک مسئله حاد تبدیل شده می باشد. تحقیقات کارشناسی نشان می دهد که علّت اصلی آلودگی شهرها، خودروهایی با موتور احتراق داخلی می باشند. خودروهای احتراقی معایب فراوانی دارند که از آن جمله می توان به مورد هایی زیرا وابستگی به یک نوع انرژی خاص (نفت)، تولیدگازهای گلخانه ای مانند ،تولید گازهای سمی مانند،و، تولید آلودگی صوتی، راندمان پائین سیستم و در نتیجه اتلاف انرژی تصریح نمود. با در نظر داشتن موردها فوق خودروهای برقی از دهه 1890مطرح شده و تا دهه 1930 پر طرفدار بوده اند. با پیشرفت خودروهای احتراقی، خودروهای برقی کم کم به فراموشی سپرده شدند تا اینکه در سال 1960 به بعد مجدداً با در نظر داشتن معضلات خودروهای احتراقی، محققین به فکر چاره افتادند و تحقیقات مختلفی را در مورد خودروهای برقی آغاز نموده اند. خودروهای هایبرید برقی نوع تعمیم یافته خودروهای برقی خالص می باشند که معایب خودروهای برقی خالص تا حدودی در آنها برطرف گردیده می باشد. در حقیقت این خودروها حد واسطی بین خودروهای متداول با موتور احتراقی و خودروهای برقی خالص می باشند.بهره گیری از موتور الکتریکی با راندمان بالا، امکان بازیابی انرژی و قابلیت جابجائی نقطه کار موتور احتراقی به نواحی با راندمان بهینه،کاهش آلودگی و افزایش راندمان کلی این خودروها را فراهم ساخته می باشد.
انواع خودروهای هایبرید:
به گونه کلی یک خودروی هایبرید از یک سیستم ذخیره ساز انرژی، یک واحد تولید قدرت و یک سیستم انتقال تشکیل شده می باشد. موتورهای احتراق داخلی جرقه زن، موتورهای تزریق مستقیم احتراقی، توربینهای گازی و پیل های سوختی می توانند به عنوان واحد تولید قدرت ایفای تأثیر کنند که با ترکیب مختلف آنها و بهره گیری از یک موتور الکتریکی می توان نیروی محرکه رانشی خودرو را فراهم نمود.
برای واحد ذخیره انرژی می توان فلای ویل، خازن ها، باتریها را مد نظر داشت. اما در میان این انتخاب ها باتریها بیشترین کاربرد را دارند. سیستم انتقال متشکل از ادوات مکانیکی جعبه دنده، چرخ دنده ها، دیفرانسیل، کلاچ و… می باشد.
با در نظر داشتن ساختار کنترلی و روش اتصال اجزاء به یکدیگر خودروهای هایبرید به سه دسته زیر تقسیم می شوند:
1-خودروهای هایبرید سری
2-  خودروهای هایبرید موازی
3-خودروهای هایبرید ترکیبی(سری-موازی)
در خودروهای سری موتور الکتریکی محرک اصلی رانشی می باشد. در واقع مجموعه باتریها،موتور الکتریکی با توان نسبتاً بالا را تغذیه می کنند. در شرایطی که حالت شارژ باتری از کمترین مقدار مجاز کاهش پیدا کند در این موقع موتور احتراقی شروع بکار کرده و با چرخاندن ژنراتور باعث شارژ شدن باتری ها می گردد.طبیعی می باشد که این اقدام باعث افزایش محدوده رانشی خودرو می گردد.
در نوع موازی، خودرو علاوه بر محرکه رانشی الکتریکی (موتور الکتریکی) از موتور احتراقی نیز سود می برد. در این نوع، موتور الکتریکی در حالتی که خودرو در مد احتراقی تنها کار می کند در تأثیر یک ژنراتور باعث شارژ شدن باتریها خواهد گردید. بسته به نوع استراتژی کنترلی ممکن می باشد در ابتدای امر،موتور الکتریکی شروع بکار نموده ( در سرعتهای پائین ) و بعد از آن موتور احتراقی وارد سیستم خواهد گردید.( در سرعتهای بالا) .
خودروی هایبرید ترکیبی در واقع ترکیبی از دو سیستم سری-موازی می باشد. مولفه های سیستم رانشی در خودروهای هایبرید ترکیبی عبارتند از:
1-دو منبع تولید توان،یک موتور احتراقی یا پیل سوختی و… بهمراه یک موتور ترکشن جهت ایجاد نیروی محرکه و بازیابی انرژی.
2-سیستم انتقال متغیر پیوسته،CVT[1]
3- یک کلاچ الکترو مغناطیسی برای سیستم انتقال توان
4-یک موتور الکتریکی کوچک برای تولید انرژی الکتریکی(شارژ)و استارت موتور احتراقی
5- باتریها
چگونگی ارتباط اجزاء این سیستم در حالتهای مختلف حرکتی ،توسط واحد های کنترل کننده صورت می پذیرد. دو نکته ای که بایستی در مورد خودروهای برقی هایبرید مورد توجه قرار گیرد یکی مسئله بازیابی انرژی در طریقه کاهش سرعت و ترمز  توسط موتور الکتریکی می باشد که می تواند به نوعی باعث بهبود در مصرف انرژی گردد . نکته دوم عدم آلایندگی بخاطر عدم مصرف سوخت در شرایط توقف می باشد.در این حالت ، که ناشی از مسئله ترافیک شهری می باشد خودرو در مد الکتریکی کار می کند و در نتیجه باعث کاهش آلودگی خواهد گردید.
استراتژی های کنترلی در خودروهای هایبرید برقی:
تا کنون استراتژیهای کنترلی مختلفی برای مدیریت بهینه انرژی در خودرو های هایبرید برقی ارائه شده می باشد. استراتژیهای کنترلی یا مدیریت انرژی برای خودرو های هایبرید برقی اساساً برای برآورده کردن چندین هدف همزمان بکار می طریقه. نخستین هدف معمولاً مینیمم کردن مصرف سوخت می باشد و همچنین کوشش برای کاهش آلودگی و برآورده کردن قابلیت رانشی خودرو از اهداف اصلی می باشد. بدون در نظر داشتن ساختار خودرو هایبرید برقی، هدف اصلی استراتژی کنترل، مدیریت لحظه ای انتقال توان بین منابع انرژی و دست یابی به اهداف کنترلی اصلی می باشد. یکی از مشخصه های مهم استراتژی کنترل ، این می باشد که اهداف کنترلی اکثراً بصورت انتگرالی هستند (مصرف سوخت و آلودگی در هر مایل مسیر) یا بصورت شبه محلّی در زمان هستند (قابلیت رانشی در هر بازه زمانی). در حالیکه عملکرد های کنترلی بصورت محلّی در زمان هستند. به علاوه اهداف کنترلی اغلب تحت قید های انتگرالی ، نظیر نگداشتن حالت شارژ باتریها در محدوده مطلوب ، هستند. طبیعت کلّی همه اهداف و قیدها  نمی تواند منجر به تکنیکهای بهینه سازی کلّی گردد ، زیرا که آینده در یک شرایط حرکت واقعی نامشخص می باشد. برای این مقصود بعضی از روشها هست که براساس نتایج حاصل از بهینه سازی کلّی  روی یک سیکل از پیش تعیین شده ، استراتژی کنترل را بنا می نهند. اما این روشها بطور مستقیم منجر به پیاده سازی عملی نمی شوند، زیرا مسئله اصلی با معیار بهینه سازی کلّی این می باشد که کلّ برنامه رانشی بایستی از پیش تعیین شده باشد و در این حالت استراتژی کنترل زمان واقعی به آسانی پیاده سازی نمی گردد. برای این مقصود در این پایان نامه، با در نظر داشتن پیچیدگی سیستم محرکه رانشی خودرو هایبرید برقی  به مطالعه یک استراتژی کنترل سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید برقی پرداخته شده می باشد. برای این مقصود آغاز مدلسازی دینامیکی زیر سیستم ها انجام گرفته ، سپس برای هر یک از زیر سیستم ها کنترل کننده محلّی مربوط به خودش طراحی می گردد. پس از آن برای دستیابی به اهداف عملکردی، استراتژی سوئیچینگ بین زیر سیستمها برای رسیدن به استراتژی کنترل زمان واقعی طراحی می گردد.
محتوای فصل های بعدی:
هدف اصلی این پایان نامه دست یابی به یک استراتژی کنترل زمان واقعی برای خودرو هایبرید برقی می باشد. برای این مقصود آغاز در فصل اوّل به شناسایی استراتژیهای کنترلی موجود پرداخته شده می باشد. در فصل دوّم ، به علت اینکه در انجام این پایان نامه از روشهای هوشمند نیز بهره گیری شده می باشد، استراتژی های کنترل هوشمند مطالعه گردیده می باشد. در فصل سوم ساختار کنترل سلسله مراتبی خودرو هایبرید برقی به عنوان یک سیستم هایبرید با تاکید بر مدلسازی دینامیکی زیر سیستمها، مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در فصل چهارم به طراحی استراتژی کنترل هوشمند سلسله مراتبی برای خودرو هایبرید برقی پرداخته شده می باشد و در فصل پنجم استراتژی کنترل سلسله مراتبی زمان واقعی برای خودرو هایبرید برقی و شبیه سازی آن تبیین داده شده می باشد.
فصل اول:استراتژیهای کنترلی در خودروهای هایبرید برقی
مقدمه:
با در نظر داشتن پیچیدگی خودرو هایبرید برقی تاکنون روش ها و الگوریتم های کنترلی متفاوتی برای کنترل آن بکار رفته می باشد. در یک دسته بندی کلّی می توان استراتژیهای کنترلی در خودروهای هایبرید برقی را به پنج دسته  تقسیم نمود:
1) استراتژی کنترلی تجربی
این روش بر پایه نتایج بدست آمده از اطلاعات تجربی و آزمایشگاهی می باشد وبراساس مدلهای استاتیکی سیستم می باشد. در این روش مدهای عملکردی سیستم خودرو هایبرید قابل شناسایی بوده و می توان به آسانی این روش را در اقدام پیاده سازی نمود.
2) استراتژی کنترلی مبتنی بر بهینه سازی استاتیکی
در این روش از فرض های استاتیکی و شبه استاتیکی برای مدلسازی بهره گیری شده و با بهره گیری از نقشه های بازده موتور احتراقی و سایر زیر سیستمهای نیرومحرکه رانشی خودرو ، استراتژی کنترل بنا می گردد.
3) استراتژی کنترلی مبتنی بر کنترل بهینه
این روش مبتنی بر طبیعت دینامیکی و شبه استاتیکی زیر سیستم ها بوده و بر پایه روش های برنامه ریزی دینامیکی و تئوری کنترل بهینه استوار می باشد.
4) استراتژی کنترل مبتنی بر کنترل دینامیکی
این روشها بر پایه معادلات حالت سیستم دینامیکی خودرو هایبرید برقی بنا نهاده شده می باشد و از روشهایی زیرا تئوری لیاپانوف ، کنترل تطبیقی و …  برای تحلیل پایداری سیستم بهره گیری می گردد.
5 ) استراتژی کنترل مبتنی بر روشهای هوشمند
در این روش از روشهای هوشمند مانند الگوریتم ژنتیک، کنترل فازی ، شبکه عصبی و… بهره گیری می گردد. استراتژیهای هوشمند در فصل دوّم بصورت کلّی آمده می باشد.
1-1) استراتژی های کنترلی بر پایه قوانین تجربی
بسیاری از استراتژیهای کنترلی عملکردی برپایه مشاهدات و قوانین تجربی می باشد. در این راستا استراتژی های کنترلی ساده ای در مراکز تحقیقاتی دنیا برروی خودروهای هایبرید برقی اعمال شده می باشد. به عنوان نمونه در مرجع[1]، در شرایطی که حالت شارژ[1] باتری ها در حد بالایی می باشد خودرو به صورت الکتریکی خالص اقدام می کند و در بزرگراهها و یا در شرایط کاهش SOC از موتور احتراقی برای جبرانسازی SOC باتریها بهره گیری می گردد. نتایج تجربی نشان می دهد که در این شرایط خودرو قادر به طی مسافت رانشی معادل 400  کیلومتر در سیکل شهری می باشد. در مرجع[2] استراتژی مدیریت انرژی براساس استراتژی ثابت نگهداشتن حالت شارژ باتریها ارائه شده می باشد. در این حالت آغاز مدهای عملکردی خودرو براساس قوانین تجربی شناسایی شده ، سپس کنترلر خودرو فرامین کنترلی را براساس فیدبک پارامترهایی نظیر ،حالت شارژ باتریها، سرعت موتور احتراقی و سرعت خودرو به کنترل کننده موتور احتراقی،کنترل کننده موتور الکتریکی ،کنترل کننده باتری و کنترل کننده ترمزها صادر می کند. در این حالت مد های عملکردی خودرو براساس قوانین انتخاب می گردد. شکل (1-1) ساختار سیستم کنترل خودرو هایبرید برقی که براساس آن استراتژی کنترل بنا نهاده شده می باشد، نشان می دهد. همانطور که نظاره می گردد، کنترل کننده اصلی خودرو بر اساس سیگنال شتاب گیری و ترمز گیری،  به هر یک از کنترل کننده های زیر سیستم ها، فرمانهای کنترلی را اعمال می کند . در این حالت مد های عملکردی سیستم آغاز تعیین شده و سپس بر این اساس فرمانهای کنترلی اعمال می گردد. در این قسمت به مطالعه مدهای عملکردی می پردازیم:
1-1-1) مد رانشی:
فرض کنید La که بین صفر و یک می باشد ، سیگنال موقعیت شتاب دهنده باشد که به کنترل کننده سیستم خودرو فرستاده می گردد. در حالتی که شتاب دهنده کاملاً آزاد باشد، La=0 و تقاضای گشتاور صفر می باشد. حالتی که شتاب دهنده کاملاٌ فشرده باشد، La=1 و نشان دهنده ماکزیمم تقاضای گشتاور (Mamax) می باشد. در این حالت گشتاور مورد نیاز در حالت شتابگیری بصورت ارتباط (1-1) تعریف می گردد:
Ma=La´Mamax
فرض کنید که Le سیگنال فرمان توان موتور احتراقی باشد که توسط کنترلر سیستم خودرو اعمال می گردد و بین صفر و یک می باشد.دریچه هوا موتور احتراقی اگر کاملاٌ بسته باشد ، Le=0 و هیچ توانی تولید نمی گردد. اگر دریچه هوا کاملاً باز باشد، Le=1 و ماکزیمم توان توسط موتور احتراقی تولید می گردد(Memax) . پس گشتاور موتور احتراقی در سرعت w بصورت ارتباط(2-1) می باشد:
(2-1)Me=Le´Memax(w) اگر Lm سیگنال فرمان توان موتور الکتریکی که توسط کنترلر خودرو به کنترل کننده موتور الکتریکی اعمال می گردد. اگر Lm<0 عملکرد موتور به گونه ای می باشد که تأثیر ژنراتوری دارد و به عنوان شارژ کننده باتری و یا در حالت بازیافت انرژی ترمزی اقدام می کند. وقتی که Lm>0 باشد، موتور الکتریکی تأثیر موتوری در رانش خودرو دارد. پس گشتاور موتور الکتریکی در سرعت w بصورت ارتباط (3-1) می باشد:
(3-1)  Mm=Lm´Mmmax(w)
که در آن Mmmax ماکزیمم گشتاور موتور الکتریکی می باشد.
[1] State Of Charge (SOC)
1-Continuos Variable Transmission
تعداد صفحه : 196
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار ارشد رشته برق قدرت: تحلیل و تنظیم رله های حفاظتی واحدهای سیکل ترکیبی

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  **** ***

دسته‌ها: مهندسی برق