并联式混合动力叉车模糊转矩控制仿真研究

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Abstract：With a hybrid forklift as study object，the vehicle backward simulation model is built in Matlab/Simulinkbased on the structural arangement and working principle of power-driven system，with the design of torque distributioncontrol strategy on the basis of the fuzzy logics followed.The membership function of the built fuzzy controller is optimizedwith the help of GA Toolbox.To verify the correctness of the model and control efectiveness of the mentioned strategy ，sim-ulation for the driving cycle of fuel consumption for forklifts is performed.The simulation result shows that the hybrid forkliftapplying such fuzzy torque control strategy is able to realize the optimum fuel economy under the desired battery chargestate。

Keywords：hybrid forklift；modeling and simulation；fuzzy control strategy ；genetic algorithm应用混合动力技术是未来工程车辆发展的-种趋势，混合动力叉车的发展也不例外。混合动力叉车能很好地避免在车辆爬坡、货物起升等负荷突然增加的工况下，内燃机出力不足而引起的燃料不能充分燃烧的缺点，通过电动机的能量补偿作用，使内燃机始终工作在稳定的功率范围内，从而提高燃料的利用率。同时，混合动力叉车通过电机回收制动减速时车辆的动能和货物下降时的势能，使能量利用率得到进-步提高。

混合动力叉车的设计要求在满足传统叉车功能的基础上，通过重新匹配动力系统并制定合理的控制策略，使动力系统各元件都处于高效的工作状态，以实现节能减排的效果。因其开发过程十分复杂，为节约成本，缩短开发周期，在研制混合动力叉车样机前，有必要对其进行建模仿真研究1 混合动力叉车的结构布置及测试工况所研究的并联式混合动力叉车结构方案如图1所示。该方案中叉车行走驱动系统中保留了发动机、- 22 - 液力变矩器的液力传动连接方式，电动机布置在变速箱后面，由变速器传递的发动机动力与电动机产生的动力通过转矩耦合方式共同驱动车辆。

图 1 并联式混合动力叉车结构示意图叉车的工作循环包括行车和货物举升两种工况。根据 JB/T 3300-1992标准中叉车整车试验方法，典型的叉车油耗测试工况如图 2所示，其过程可 以描述为：叉弱 物后满载前进-举升货物-降下货物-满载返回-卸下货物-空载行进- 空载举升-空载下降～空载返回 。

《起重运输机械》 2013(3)图2 叉车热平衡工况示意图2 混合动力叉车后向仿真模型的建立根据并联混合动力叉车的实际部件参数，建立基于 Matlab/Simulink的混合动力叉车动力驱动系统及液压举升系统的仿真模型，建立整车控制器模型，然后连接各子模型建立混合动力叉车的整车后向仿真模型，如图3所示。

该模型中，叉车整车行驶所需驱动力按照循环工况车速进行每-时间步的实时计算，控制器根据预先制定的能量分配策略，将传动部件传送的整车需求功率进行分配，以需求值的形式提交给--] ---. r c m Tc OUt T gin T B Out T einlv(m/s)Fl 1、v T flnT f outN c OⅢ Ng-in Pc(kW]L-徊 I L v N w NflnNf out N c in N B OUt N elnl T m out 团圆).- spedT车丁二况模 央 整 车阻力计算拈 匝). soc lOad Lml0 徊 T eln2 l0ad 车轮拈 主减速器拈 N 1 out 回匝》l-匝 gearratio TInch out --(XD 自动变速器拈 回' N eln2T ixie Q(L/h)转矩偶台器拈 41 '发动机拈画 motorl协Iuue --饲engine speed 回- motorl speed L谊swnchs0cI I- -(XD engile toque 十徊c m l l sol I产 -口 Cur ntl 。

L--- 示渡器3 Liftingsignal motor speg motor2 spedLoad signalmotortorque motor2torque举行工况拈 蓄电池拈举行装置拈 Voltage电机拈图3 并联式混合动力叉车系统 Matlab/Simulink仿真模型动力源，各动力源则根据当前工作状态与控制器规则输出或吸收工作转矩。在叉车举升及下降过程中，由于采用双泵合流的方式驱动举升装置，举升所需功率由发动机和液压泵电机根据设定的分配比例共同承担，在货物下降时通过液压泵电机回收货物势能。

3 混合动力叉车转矩控制策略的研究转矩控制策略是混合动力叉车控制策略的核心，合理的控制策略能最大程度发挥混合动力叉车的优势，从而达到节能、环保的 目的。转矩控制策略的目标是实现最佳燃油经济性并兼顾整车的排放及电池荷电状态 (SOC)，-般采用发动机最优曲线能量管理策略。

发动机最优曲线能量管理策略的实现方式主要有两种 ：-种是让发动机通常工作在发动机最《起重运输机械》 2013(3)优曲线上，其功率和车辆需求功率的差值依靠电动机来填补，只有当电池 SOC不足或过高以及电动机的填补能力不能满足正常功率要求时，发动机的工作点才偏离最优曲线以调整蓄电池的状态。

另-种是采用模糊逻辑的控制方法，动态协调发动机最优工作点与蓄电池高效率工作区之间的平衡，以避免前-种控制方式中由于进入强制充电或禁止充电模式而引起的模式切换振荡。本文基于以上控制 目标及策略思想设计了模糊逻辑转矩控制策略。

3.1 叉车动力传动系统的特性分析叉车动力传动系统主要包括发动机、液力变矩器、变速器、电机及 电池等。为达到发动机最佳的燃油经济性，需控制发动机使之工作于燃油消耗率最低的区域附近，分析发动机万有特性曲线可以得到发动机最优工作转矩曲线，如图4所示。

～ 23 - l300 l400 1500 l600 1700 1800 1900 2000 210O 2200 2300 2400转速n/(r.min )图4 发动机万有特性曲线将发动机最优转矩曲线与液力变矩器特性曲线进行匹配分析 (图5a)，得到 1条涡轮输出转矩曲线，如图5b所示，作为模糊转矩控制策略中的优化 目标转矩曲线。

(a)发动机与液力变矩器匹配曲线(b)液力变矩器涡轮输出转矩曲线图5 模糊逻辑控制优化目标转矩曲线- 24 - 3.2 模糊转矩控制器的设计模糊逻辑控制作为-种智能控制方式，能够模仿人的决策思维过程，它以设计者所制定的-系列规则集为依据，通过模糊化和解模糊的方式自动响应和处理系统的输入，从而使系统的输出尽可能满足设计者所设定的优化 目标。利用 Matlab中的模糊逻辑工具箱设计的模糊控制器如图6所示。

图6 模糊转矩控制模型在模糊转矩控制系统中，输入参数为需求转矩Troq与优化 目标转矩 的差值△ 以及 当前电池SOC，输出参数为发动机实际提供的转矩 .，电机的输出转矩为需求转矩与发动机提供的转矩的差值。

将模糊控制器的输人、输出参数进行尺度变换处理，使参数的模糊论域分别位于[-2，2]、[0，1]和[-2，2]的范围内，并采用模糊语言如 VS，S，M，B，VB来表示参数值的大小量，如 很小，小，中等，大，很大，建立的输入、输出变量的隶属度函数分别如图7和图8所示。

fb1(a)输入转矩差值△ 的隶属函数(b)输入参数 SOC的隶属函数图7 输入参数的隶属函数《起重运输机械》 2013(3)图8 输出参数 的隶属函数模糊控制器控制规则的主要依据如下：1)当需求转矩较小且电池电量水平很高时，由牵引电机单独驱动车辆；而当电池电量很低时，控制发动机运行在经济区并为蓄电池充电。2)当需求转矩在优化转矩附近时，由发动机单独驱动车辆。

3)当需求转矩较高且电池电量水平较高时，控制发动机运行在经济区，由牵引电机提供辅助动力共同驱动车辆。

该控制规则以燃油消耗最小为目标，同时实现电池的充放电平衡 ，具体模糊规则见表 1。

表 1 模糊逻辑控制规则△VS S M B VBVS M M M VB VBS M M M B VBS0C M M S M M BB VS S M M BVB VS VS M M M3.3 模糊控制器隶属度函数的参数优化模糊控制器的性能与隶属度函数的参数有密切的关系，隶属度函数的参数-般都依据设计者的目的进行反复修改才能最终确定。而采用遗传算法进行寻优计算可以有效而快速确定模糊逻辑控制器的参数 J。用遗传算法优化模糊控制器隶属度函数的-般流程如图9所示。

对输出参数 等腰三角形隶属度函数的宽度参数进行调整，以期得到特定条件下的燃油经济性最小值。拟优化调整的隶属度参数有 (1)、(2)、 (3)、 (4)，女口图10所示。

为使 Matlab仿真软件中的遗传算法工具箱(gatoo1)能够调用所设计的混合动力叉车仿真程《起重运输机械》 2013 (3)遗传优化L.--. .-图9 遗传算法优化隶属度函数流程图 1O 隶属度函数拟优化参数序，并可反复修改模糊控制器参数，编写如下 m文件作为遗传算法目标函数，供工具箱调用。

function gga(X)；areadfis(a)；%读入模糊控制器模型asetfis(X(1))； %更新隶属度函数[ttime，x-state，Y-out]sim(model，[0，t])；%调用仿真模型为保证蓄电池 SOC平衡 ，添加如下惩罚约束：Jyout(end，3)；if j<0.7；gyout(end，2)10；else gy out(end，2)；end；同时为了满足隶属度函数完备性要求，添加约束条件如下：r 2 3≥ 1 3 4≥11≤ ≤20≤ 2≤20≤ ≤20≤轧 ≤2其中，gY-out(end，2)，表示以燃油消耗仿真结果最小为优化目标。

运行优化仿真，结果如图 11所示。优化后的隶属度函数参数分别为：1.441、0.499、1.627、- 25 - 1.089，优化后的燃油消耗为 8.44 L/h，隶属度函数图形如图 12所示。

1o 58遗传代数0 l 2 3 4函数变量标号图 11 隶属度函数参数优化结果图 l2 优化后的输出 隶属度函数4 仿真及结果分析为了分析模糊控制策略的控制效果，在叉车油耗测试工况下进行仿真，仿真时间设置为 8个循环工况，即 8×112896 S，电池组的初始 SOC值设定为0.7。混合动力叉车的具体仿真参数如表2所示 ，仿真结果如图 13和图 14所示。

表2 混合动力叉车仿真参数参数名称 数 值叉车净重 8 500 kg额定起重量 6 000 kg发动机功率 44 kW (2 500 r/rain)电动机功率 15 kW (1 230 r/rain)电池组容量 120 Ah/75 V- 26 - I： I I I I I I ：：-- 士 I I I I I I I时间f/s(a16O5O4o3020100薹槲(b)- O 20 40 60 8O lO0时间f/s(c)- - 旭 -l 丌 .：； ----1.- 二-- - - - O 2O 40 6O 8O 1OO时间 s(d)(a)蓄电池 SOC变化曲线图(b)燃油消耗变化曲线图(c)发动机功率变化曲线图(d)电机功率变化曲线图图13 模糊逻辑控制策略仿真结果图从图13可以看出，整个循环工况运行结束后，燃油消耗量为2.1 L，蓄电池 SOC从初始值0.7变为 0.703。

蓄电池 SOC、发动机功率、电机功率在各工作阶段的变化趋势符合设计的控制策略。观察循《起重运输机械》 2013(3)U0∽ 1/糕辱环工况下前 1 12 s中的发动机与电机功率曲线变化趋势，在 0～22 S车辆行驶时间段，电机先是以功率为正值的电动状态运行且功率随需求功率的变化而变化，之后由于车辆减速制动而转换为以负值发电状态运行；在 22～35 S举升工况时间段，液压泵电机先以电动机状态提供辅助举升力，之后由于回收重物势能运行在发电状态。

从图 l4可以看出，模糊转矩控制策略下的发动机工作点位于优化转矩附近的机会较多。当需求转矩较高时，发动机工作点在最优燃油经济性曲线上方附近波动；而当需求转矩较低时，发动机工作点在最优燃油经济性曲线下方附近波动。

300 1400 l500 l600 1700 1800 1900 2000 21OO 2200 23002400转速n/(r·rain )图 14 模糊逻辑控制策略下发动机工作点把工作循环的燃油消耗量换算到每小时燃油量，得到如下对 比数据：传统叉车燃油消耗量为12.98 L/h，混合动力叉车燃油消耗量为8.44 I/h。

可以看出，采用模糊逻辑转矩控制策略的混合动力叉车仿真得到的每小时燃油消耗量明显少于传统内燃叉车燃油量，计算可得混合动力叉车节油率可达 34%，说明混合动力叉车在节油、减排方面比传统内燃叉车有明显的优势。

5 总结针对混合动力叉车的特点，提出了模糊控制转矩分配策略，并利用遗传算法工具箱对模糊控制输出参数 的隶属度函数进行了优化，然后利用叉车油耗循环工况仿真分析了模糊转矩控制策略下混合动力叉车的燃油消耗和电池电量变化的趋势，为混合动力叉车控制策略的制定及动力装置的选配提供了参考。