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液压挖掘机混合动力系统的控制策略与参数匹配研究

肖清  
【摘要】: 液压挖掘机是一种用量大、能耗高、排放差的工程机械,因此研究液压挖掘机的节能在当前社会能源紧缺和环境恶化问题日趋严重的情况下具有重要的现实意义。并且作为一种典型的工程机械,液压挖掘机的节能研究将为同类型的其它工程机械相关问题的解决提供借鉴。 在液压挖掘机上,全部的排放以及很大部分能量转换效率低的环节都在其动力系统,因此对其节能的研究主要应集中于其动力系统。影响动力系统效率的主要因素有动力系统的结构、参数优化匹配以及控制策略。 论文通过对液压挖掘机进行能耗分析,提出了相应的节能方法,确立了其混合动力驱动结构,并根据液压挖掘机的工况制定了相应的控制策略,对动力系统进行了参数匹配研究,在此基础上提出了液压挖掘机混合动力系统的设计规程。论文为进一步研究高效节能的液压挖掘机动力系统提供了一定的理论和实验依据。 各章内容分述如下: 第一章论述了在当前能源紧缺、环境恶化的情况下研究液压挖掘机动力系统的控制与匹配的重要意义。介绍了对液压挖掘机动力系统进行控制与匹配研究的发展概况;分析比较了各种动力系统控制与匹配方法的特点;在此基础上,提出了液压挖掘机采用混合动力系统的驱动方案,介绍了液压挖掘机混合动力系统控制与匹配的研究现状;提出了本课题的研究内容及论文的研究工作。 第二章分析了液压挖掘机的结构组成,建立了液压挖掘机的仿真模型。基于仿真模型及液压挖掘机工作中的实测数据,分析了液压挖掘机的典型工况,并归纳了其特点。在此基础上,提出了一种液压挖掘机混合动力驱动结构,该方案通过分析对比各种混合动力驱动方式的优缺点,确定了并联混合动力驱动的方式;根据液压挖掘机工作中可回收能量多的特点,采用了液压马达—发电机进行能量回收;针对液压挖掘机的工况特点,选取了电容器为动力系统的蓄能装置。在所建立的模型上对该液压挖掘机混合动力驱动结构进行了仿真分析。 第三章对第二章所提出的液压挖掘机混合动力系统进行了建模和分析。将动力系统分为发动机单元和电容器两部分,分别建立了其中发动机、液压泵、电动机、整流/逆变器、发电机、电容器等元件的模型,对动力系统两大部分的特性进行了分析,为制定液压挖掘机混合动力系统的控制策略和进行参数匹配提供了依据。 第四章基于第三章对液压挖掘机混合动力系统的建模及分析,研究并提出了其控制策略。在课题的前期研究中,已提出了初步的液压挖掘机混合动力系统控制策略,本章对这些控制策略进行了对比分析,结合液压挖掘机混合动力系统的特点,提出了发动机自判断分段式多工作点切换控制策略和动态工作点控制策略,并对这两种控制策略进行了仿真和试验研究。 第五章为进一步优化液压挖掘机混合动力系统,提出了以动力系统效率为优化目标函数、以满足负载驱动需求和最小化装机功率为约束条件函数的基于遗传算法的参数匹配方法。在前述液压挖掘机混合动力系统的结构、工况及控制策略的基础上,确立满足优化目标和约束条件的基于遗传算法的参数匹配方法。利用该匹配方法对混合动力系统中发动机、电动机、发电机和电容器等主要元件进行了参数匹配,在所建立的混合动力液压挖掘机模型上对匹配结果进行了分析。结果表明,进行参数匹配后系统的效率有了显著的提高. 第六章在前述几章的基础上,系统的提出了液压挖掘机混合动力系统的设计规程。该设计规程首先通过对设计对象的分析确立其动力系统结构,然后制定相应的控制策略,在此基础上对动力系统进行参数匹配,从而完成动力系统的设计。以7t液压挖掘机为对象,利用该规程设计了其混合动力系统和控制策略,并进行了参数匹配。在所建立的模型上对设计结果进行了仿真分析,结果表明,该混合动力系统具有较好的节能效果,表明了该设计规程的可行性。 第七章概括了论文的主要研究工作和成果,并展望了今后的研究工作和方向。


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