混合系统、最优控制和混合动力车辆 理论、方法和应用

　　本书描述了一种新方法，首次向汽车工程师展示了如何将混合动力汽车配置建模为具有离散和连续控制的系统。本书向读者展示了如何制定和解决满足多个目标的控制问题，这些目标可能是任意的、复杂的，并且对油耗、排放和驾驶性能产生相互矛盾的影响。本文向工程师，研究生和研究人员介绍了混合*优控制问题的理论。一系列新颖的算法开发为解决混合动力汽车领域日益复杂的工程问题提供了工具。在教科书和科技专著中很少发现真正相关的重要主题，包括对转换成本、离散决策的敏感性，以及对节油的影响等进行讨论，并得到实际应用的支持。这些证明了*佳混合动力控制在预测能源管理、先进的动力总成校准，以及在燃油经济性、*低排放量和*平稳驾驶性能方面优化车辆配置方面的贡献。处理诸如计算资源、简化和稳定性之类的数字问题，使读者能够评估这种复杂的系统。为了帮助工业工程师和管理人员进行项目决策，从要求，收益和风险方面提供了混合动力汽车控制中许多重要问题的解决方案。本书适合汽车行业工程师、车辆工程及控制工程专业师生阅读，也适合研究人员参考使用。

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前言
致谢
第1章绪论1
1.1动机、挑战和目标1
1.2车辆设计方面3
1.2.1能量转换阶段3
1.2.2现实世界的驾驶概况、消耗和排放6
1.3过程模型、控制策略和优化8
1.3.1一般问题陈述8
1.3.2能量管理10
1.3.3数值解13
1.4相关研究15
参考文献16
第一部分理论和表示
第2章非线性规划导论22
2.1引言22
2.2无约束非线性优化24
2.2.1优性的充分必要条件25
2.2.2Newton-Raphson方法25
2.2.3Newton-Raphson方法的全局化27
2.2.4拟Newton方法29
2.3约束非线性优化31
2.3.1优性必要条件和充分条件32
2.3.2投影Hessian矩阵35
2.3.3序列二次规划36
2.4灵敏度分析42
2.4.1目标函数和约束的灵敏度分析46
2.4.2线性摄动49
2.4.3摄动解的近似50
2.4.4置信区域的近似52
2.5多目标优化52
2.5.1精英多目标进化算法54
2.5.2MOGA的评价58
2.6相关研究58
参考文献60
第3章混合系统与混合优化控制63
3.1引言63
3.2系统定义63
3.2.1连续系统63
3.2.2混合系统66
3.2.3控制混合系统和切换系统69
3.2.4允许状态及控制的存在性和唯一性69
3.2.5控制和状态约束、允许集和允许的函数空间72
3.2.6切换系统的重构74
3.3优控制问题75
3.3.1泛函76
3.3.2边界条件76
3.3.3连续优控制问题77
3.3.4混合优控制问题78
3.3.5切换优控制问题79
3.3.6二元切换优控制问题81
3.3.7优控制问题的转换81
3.4相关研究86
参考文献88
第4章小原理和Hamilton-Jacobi-Bellman方程91
4.1引言91
4.1.1变分法91
4.1.2优控制问题极值一阶必要条件的推导93
4.2小值原理97
4.2.1具有控制约束的优控制问题的必要条件100
4.2.2具有状态约束的优控制问题的必要条件102
4.2.3具有仿射控制的优控制问题的必要条件106
4.3Hamilton-Jacobi-Bellman方程108
4.4混合小原理113
4.4.1无状态跳跃的切换优控制问题的必要条件117
4.4.2有状态跳跃的切换优控制问题的必要条件118
4.4.3重新审视：状态约束优控制问题的必要条件119
4.5存在性122
4.6相关研究124
参考文献125
第二部分优控制方法
第5章混合优控制问题的离散化和积分方法130
5.1引言130
5.2初值问题的离散化130
5.3Runge-Kutta积分方法132
5.4Runge-Kutta方法的一致性阶数135
5.5稳定性143
5.6一些低阶的Runge-Kutta积分方法144
5.6.1显式Runge-Kutta方法145
5.6.2隐式Runge-Kutta方法147
5.7不连续切换系统积分方法的注释151
5.8离散化对优控制问题的影响152
5.9相关研究153
参考文献154
第6章动态规划156
6.1引言156
6.2连续系统的优控制156
6.3混合系统的优控制161
6.4讨论165
6.5相关研究167
参考文献168
第7章优控制的间接方法169
7.1引言169
7.2连续系统的优控制170
7.2.1间接打靶方法170
7.2.2间接多重打靶方法173
7.3混合系统的优控制177
7.4讨论180
7.5相关研究182
参考文献183
第8章优控制的直接方法184
8.1引言184
8.2连续系统的优控制189
8.2.1直接打靶方法190
8.2.2直接配置194
8.2.3直接打靶和直接配置的比较196
8.2.4由直接打靶和直接配置的共态恢复197
8.3切换系统的优控制198
8.3.1嵌入优控制问题199
8.3.2两阶段算法201
8.3.3具有参数化切换间隔的切换时间优化205
8.4获得二元可行控制函数的数值方法209
8.5讨论212
8.6相关研究213
参考文献215
第三部分数值实现
第9章大型优控制求解器的实际实现220
9.1稀疏线性代数220
9.1.1稀疏矩阵格式220
9.1.2大型线性系统的数值解221
9.1.3大型矩阵的正定性检验225
9.2计算导数226
9.2.1计算图226
9.2.2稀疏模式确定227
9.2.3压缩导数计算230
9.2.4有限差分233
9.3稀疏拟Newton更新237
9.3.1部分可分函数的拟Newton更新237
9.3.2弦稀疏结构的简单拟Newton更新237
9.3.3弦稀疏结构的拟Newton更新240
9.3.4拟Newton更新的修正242
9.3.5离散优控制问题的拟Newton更新242
9.4相关研究244
参考文献245
第四部分混合动力车辆控制建模
第10章作为切换系统的混合动力车辆建模250
10.1引言250
10.2车辆动力学251
10.3机电系统254
10.3.1内燃机255
10.3.2电机258
10.3.3变速器264
10.3.4离合器269
10.3.5电池269
10.4混合动力车辆构型275
10.4.1并联混合276
10.4.2功率分流混合281
10.4.3串联混合295
10.4.4组合混合299
10.4.5插电混合300
10.4.6纯电动车辆300
10.5混合动力车辆模型301
10.5.1并联混合准静态模型301
10.5.2采用火花点火发动机并联混合的热力学模型305
10.5.3功率分流混合准静态模型308
10.5.4并联混合的扩展准静态模型310
10.6行驶循环310
10.7静态函数表示315
10.8切换成本316
10.9相关研究317
参考文献318
第五部分应用
第11章先进车辆标定324
11.1引言324
11.2已知行驶循环的切换优控制问题的离线解324
11.2.1无状态跳跃问题324
11.2.2更多离散决策：档位选择329
11.2.3状态跳跃330
11.2.4优催化转化器加热331
11.3基于规则的能量管理分析标定334
11.3.1常共态假设335
11.3.2切换成本的影响336
11.3.3查表计算339
11.4基于规则选择共态的策略341
11.4.1基于规则选择使用共态映射341
11.4.2优CO2排放的共态341
11.5实施问题342
11.6相关研究344
参考文献345
第12章预测实时能量管理347
12.1引言347
12.2实际的基准循环348
12.3智能交通系统350
12.3.1基于时间的驾驶员模型351
12.3.2基于空间的驾驶员模型353
12.3.3停车事件的估计355
12.4纯电动车辆的预测能量管理356
12.4.1车辆模型357
12.4.2用于大速度限制的动态规划358
12.4.3瞬时速度限制校正360
12.4.4试验结果360
12.5混合动力车辆的预测能量管理362
12.5.1事件触发的预测能量管理364
12.5.2长预测范围能量管理373
12.6相关研究385
参考文献387
第13章混合动力传动构型的优化设计390
13.1引言390
13.2过程描述391
13.2.1驾驶性能指标391
13.2.2设计参数392
13.2.3动力传动动力学392
13.3动力传动多目标设计394
13.3.1主问题395
13.3.2动力传动部件的映射缩放396
13.3.3批处理优控制子问题398
13.4P2混合设计研究404
13.5后优化参数灵敏度分析412
13.6进一步的研究417
13.6.1算法的加速417
13.6.2模型复杂性的增加418
13.7相关研究419
参考文献420
附录稀疏矩阵图论基础422
参考文献426