汽车系统优化与最优控制

　　本书介绍了优化技术的使用，这些技术对于满足汽车系统日益严格和多样化的要求变得至关重要。它向读者展示了如何从基于某种程度的启发式的早期方法转向使用越来越普遍的系统方法，并收集了来自优化的理论、方法和实际汽车工程应用的成果。 更高的燃油经济性、允许排放量的显著减少、新的驾驶性能要求以及汽车系统普遍增加的复杂性都是工程技术人员的目标。在许多情况下，多个且经常相互冲突的需求会导致多目标约束优化问题，这些问题也被考虑在内。其中一些问题属于将传统的多学科优化方法应用于基于系统模型的系统、子系统或组件参数设计的领域；另一些问题则需要将优化直接应用于实验系统，以确定*佳校准或*佳控制轨迹并得出控制规律。 本书讨论了汽车系统优化的基本方法并展示在汽车系统设计和控制问题中的实际优化方法和具体应用，反映并促进汽车系统优化的综合方法。本书适用于优化研究及汽车行业学术研究人员，也可供汽车工程师和汽车设计师阅读使用。

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前言
绪论1
第一部分优化方法
第1章轨迹优化综述5
1.1引言5
1.2轨迹优化问题6
1.3轨迹优化数值方法6
1.4微分方程数值解7
1.4.1配置方法8
1.4.2函数积分8
1.5非线性优化9
1.6轨迹优化问题的求解方法10
1.6.1间接方法10
1.6.2直接方法12
1.7轨迹优化问题求解软件13
1.8方法选择14
1.9汽车系统应用15
1.10结论15
参考文献16
第2章汽车标定在线极值搜索方法20
2.1引言20
2.2极值搜索综述22
2.2.1黑箱极值搜索23
2.2.2灰箱极值搜索25
2.2.3抽样数据方法26
2.3汽车发动机标定应用26
2.4约束合并30
2.5结论31
参考文献31
第3章自动驾驶车辆的模型预测控制34
3.1引言34
3.2控制和估计问题34
3.2.1非线性模型预测控制35
3.2.2滚动时域估计35
3.3快速NMPC和MHE的有效算法36
3.3.1动态优化问题在线求解36
3.3.2基于自动代码生成的快速求解器37
3.4车辆模型37
3.4.1底盘动力学38
3.4.2轮胎接触力：Pacejka魔术公式38
3.4.3车轮动力学39
3.4.4垂向力和悬架模型39
3.4.5动力学的空间重构40
3.5自动驾驶车辆的控制40
3.5.1MHE描述41
3.5.2NMPC描述41
3.5.3仿真结果42
3.5.4换档策略43
3.6结论44
参考文献44
第4章HJBE的近似解和内燃机优控制47
4.1引言47
4.2HJB方程和优控制48
4.3动态值函数与代数P解49
4.3.1动态值函数定义49
4.3.2一类正则动态值函数51
4.3.3扩展成本小化53
4.4内燃机试验台的优控制54
4.5结论58
参考文献58
第二部分车辆内部和内部系统优化
第5章基于协同交通场景确定的智能速度推荐61
5.1引言61
5.2智能速度适应系统62
5.3设计过程62
5.4方法：第一阶段63
5.4.1下一个目标点和近车辆选择63
5.4.2车辆密度估计63
5.4.3交通场景确定64
5.5方法：第二阶段67
5.5.1虚拟近车辆更新速度67
5.5.2推荐速度方案68
5.5.3推荐距离方案68
5.6验证69
5.6.1交通场景确定70
5.6.2推荐速度71
5.6.3推荐距离72
5.7结论73
参考文献73
第6章应用于车道变换的驾驶员控制和轨迹优化75
6.1引言75
6.1.1经验工程75
6.1.2车道变换问题76
6.2基于模型的工程环境客观评价76
6.2.1驾驶员控制的确定76
6.2.2优化问题78
6.2.3离线优化结果79
6.3虚拟样机环境的主观评价81
6.4驾驶模拟器结果（在线）84
6.5结论86
参考文献86
第7章激进车辆机动的实时近似优反馈控制87
7.1引言87
7.2超速车辆的激进横摆机动89
7.2.1问题描述89
7.2.2车辆和轮胎模型90
7.2.3优控制描述92
7.3应用高斯过程的统计插值94
7.3.1基础理论94
7.3.2相关函数的选择96
7.4车辆激进机动生成的在线应用98
7.4.1反馈控制器的综合98
7.4.2数值结果99
7.5结论101
参考文献101
第8章计算优控制在车辆动力学中的应用104
8.1引言104
8.2前期优化和评估结果综述105
8.2.1优化算法105
8.2.2车辆模型105
8.2.3优化问题描述107
8.2.4优化和评估结果108
8.3主动转向构型的详细优化111
8.3.1优化算法111
8.3.2主动后轮转向111
8.3.3主动前轮转向114
8.3.4四轮转向114
8.4结论115
参考文献116
第9章车辆速度的随机燃油效率优控制117
9.1引言117
9.2SDP策略生成的建模118
9.2.1车辆纵向动力学118
9.2.2参考车速和道路坡度的随机模型119
9.2.3成本函数组成120
9.3随机动态规划122
9.4仿真案例研究122
9.4.1交通中的驾驶123
9.4.2优车辆跟随125
9.5车辆试验126
9.6结论128
参考文献128
第10章预测协同自适应巡航控制：燃油消耗效益和可实施性130
10.1引言130
10.2问题描述131
10.3潜力评估132
10.4非线性滚动优化134
10.5线性MPC架构内的近似控制律136
10.6利用辨识的Hammerstein-Wiener模型的近似控制律137
10.7基于数据的交通预测模型139
10.8结论141
参考文献142
第三部分动力传动优化
第11章混合动力传动系统的拓扑优化145
11.1引言145
11.1.1协同设计方法146
11.1.2问题定义：系统设计优化146
11.1.3本章概述147
11.2控制设计优化：具有舒适性约束的混合动力车辆换档策略149
11.2.1双层优化：控制问题150
11.2.2仿真结果：双层控制设计154
11.3控制和驱动系统设计优化：混合动力车辆的拓扑、变速器、规格和控制优化155
11.4结论158
参考文献158
第12章基于模型的混合动力车辆优能量管理策略160
12.1引言160
12.2HEV中的优化问题160
12.3案例研究：前置变速器并联混合动力161
12.4问题描述163
12.5有限时间范围的能量管理策略164
12.6无限时间范围优化的动机166
12.7从有限时间范围到无限时间范围的优控制问题167
12.8无限时间非线性优控制策略169
12.9策略比较：仿真结果172
12.10结论174
参考文献174
第13章包含热动力学和老化的汽车电池系统优能量管理176
13.1引言176
13.2案例研究和动机177
13.3优控制问题描述178
13.3.1动力传动建模179
13.3.2电池建模180
13.3.3电池老化建模181
13.4优控制问题求解 183
13.4.1动态规划183
13.4.2PMP183
13.5优控制问题结果184
13.5.1动态规划结果184
13.5.2PMP结果187
13.6结论188
参考文献189
第14章具有余热回收系统的柴油发动机优控制190
14.1引言190
14.2系统描述191
14.2.1仿真模型192
14.2.2控制模型193
14.3控制策略193
14.3.1IPC优控制方法194
14.3.2优IPC策略195
14.3.3实时IPC策略195
14.3.4基准策略196
14.4控制设计196
14.4.1优IPC策略197
14.4.2实时IPC策略198
14.5仿真结果198
14.5.1动力传动总体结果199
14.5.2冷循环结果199
14.6结论202
参考文献203
第四部分发动机运行优化
第15章基于学习的发动机映射和标定优化方法207
15.1引言207
15.2数学问题表示208
15.3基于Jacobi矩阵学习的优化算法209
15.4案例研究1：发动机映射的应用211
15.5案例研究2：串联HEV的车载燃料消耗优化213
15.6预测－校正算法215
15.7案例研究2（续）：串联HEV的车载燃料消耗优化216
15.8结论218
参考文献218
第16章相关输出范围的在线试验设计220
16.1引言220
16.2先进的开发方法221
16.3COR设计的数学背景224
16.3.1局部模型架构224
16.3.2先进设计225
16.3.3在线过程225
16.4设计策略226
16.4.1乘积空间的距离准则226
16.4.2自定义输出区域227
16.4.3iDoE策略227
16.5应用COR设计的改进开发方法228
16.6进一步改进229
16.7结论233
参考文献233
第17章HCCI的优控制234
17.1引言234
17.2HCCI的优控制设计235
17.2.1HCCI的多输出MPC235
17.2.2基于物理的HCCI燃烧定时MPC235
17.2.3排气再压缩HCCI的混合MPC237
17.2.4应用极值搜索的HCCI的优化增益和燃料消耗238
17.5结论240
参考文献240
第18章考虑发动机和涡轮限制的轮式装载机优举升和路径241
18.1引言241
18.2系统模型246
18.2.1动力传动和纵向动力学247
18.2.2转向和地面位置249
18.2.3举升系统250
18.3优控制问题表示251
18.4结果253
18.4.1从负载点到负载接收点的WL优轨迹253
18.4.2Min Mf和Min T的系统瞬态254
18.4.3延迟举升255
18.4.4功率中断257
18.5结论259
参考文献259