汽車系統優化與最優控制 Optimization and Optimal Control in Automotive Systems

本書介紹了優化技術的使用，這些技術對於滿足汽車系統日益嚴格和多樣化的要求變得至關重要。
它向讀者展示瞭如何從基於某種程度的啟發式的早期方法轉向使用越來越普遍的系統方法，
並收集了來自優化的理論、方法和實際汽車工程應用的成果。

更高的燃油經濟性、允許排放量的顯著減少、新的駕駛性能要求以及汽車系統普遍增加的複雜性都是工程技術人員的目標。
在許多情況下，多個且經常相互衝突的需求會導致多目標約束優化問題，這些問題也被考慮在內。
其中一些問題屬於將傳統的多學科優化方法應用於基於系統模型的系統、子系統或組件參數設計的領域；
另一些問題則需要將優化直接應用於實驗系統，以確定*佳校准或*佳控制軌跡並得出控制規律。

本書討論了汽車系統優化的基本方法並展示在汽車系統設計和控制問題中的實際優化方法和具體應用，反映並促進汽車系統優化的綜合方法。
本書適用於優化研究及汽車行業學術研究人員，也可供汽車工程師和汽車設計師閱讀使用。

前言
緒論1
第一部分優化方法
第1章軌跡優化綜述5
1.1引言5
1.2軌跡優化問題6
1.3軌跡優化數值方法6
1.4微分方程數值解7
1.4.1配置方法8
1.4.2函數積分8
1.5非線性優化9
1.6軌跡優化問題的求解方法10
1.6.1間接方法10
1.6.2直接方法12
1.7軌跡優化問題求解軟件13
1.8方法選擇14
1.9汽車系統應用15
1.10結論15
參考文獻16
第2章汽車標定在線極值搜索方法20
2.1引言20
2.2極值搜索綜述22
2.2.1黑箱極值搜索23
2.2.2灰箱極值搜索25
2.2.3抽樣數據方法26
2.3汽車發動機標定應用26
2.4約束合併30
2.5結論31
參考文獻31
第3章自動駕駛車輛的模型預測控制34
3.1引言34
3.2控制和估計問題34
3.2.1非線性模型預測控制35
3.2.2滾動時域估計35
3.3快速NMPC和MHE的有效算法36
3.3.1動態優化問題在線求解36
3.3.2基於自動代碼生成的快速求解器37
3.4車輛模型37
3.4.1底盤動力學38
3.4.2輪胎接觸力：Pacejka魔術公式38
3.4.3車輪動力學39
3.4.4垂向力和懸架模型39
3.4.5動力學的空間重構40
3.5自動駕駛車輛的控制40
3.5.1MHE描述41
3.5.2NMPC描述41
3.5.3仿真結果42
3.5.4換檔策略43
3.6結論44
參考文獻44
第4章HJBE的近似解和內燃機優控制47
4.1引言47
4.2HJB方程和優控制48
4.3動態值函數與代數P解49
4.3.1動態值函數定義49
4.3.2一類正則動態值函數51
4.3.3擴展成本小化53
4.4內燃機試驗台的優控制54
4.5結論58
參考文獻58
第二部分車輛內部和內部系統優化
第5章基於協同交通場景確定的智能速度推薦61
5.1引言61
5.2智能速度適應系統62
5.3設計過程62
5.4方法：第一階段63
5.4.1下一個目標點和近車輛選擇63
5.4.2車輛密度估計63
5.4.3交通場景確定64
5.5方法：第二階段67
5.5.1虛擬近車輛更新速度67
5.5.2推薦速度方案68
5.5.3推薦距離方案68
5.6驗證69
5.6.1交通場景確定70
5.6.2推薦速度71
5.6.3推薦距離72
5.7結論73
參考文獻73
第6章應用於車道變換的駕駛員控制和軌跡優化75
6.1引言75
6.1.1經驗工程75
6.1.2車道變換問題76
6.2基於模型的工程環境客觀評價76
6.2.1駕駛員控制的確定76
6.2.2優化問題78
6.2.3離線優化結果79
6.3虛擬樣機環境的主觀評價81
6.4駕駛模擬器結果（在線）84
6.5結論86
參考文獻86
第7章激進車輛機動的實時近似優反饋控制87
7.1引言87
7.2超速車輛的激進橫擺機動89
7.2.1問題描述89
7.2.2車輛和輪胎模型90
7.2.3優控制描述92
7.3應用高斯過程的統計插值94
7.3.1基礎理論94
7.3.2相關函數的選擇96
7.4車輛激進機動生成的在線應用98
7.4.1反饋控制器的綜合98
7.4.2數值結果99
7.5結論101
參考文獻101
第8章計算優控制在車輛動力學中的應用104
8.1引言104
8.2前期優化和評估結果綜述105
8.2.1優化算法105
8.2.2車輛模型105
8.2.3優化問題描述107
8.2.4優化和評估結果108
8.3主動轉向構型的詳細優化111
8.3.1優化算法111
8.3.2主動後輪轉向111
8.3.3主動前輪轉向114
8.3.4四輪轉向114
8.4結論115
參考文獻116
第9章車輛速度的隨機燃油效率優控制117
9.1引言117
9.2SDP策略生成的建模118
9.2.1車輛縱向動力學118
9.2.2參考車速和道路坡度的隨機模型119
9.2.3成本函數組成120
9.3隨機動態規劃122
9.4仿真案例研究122
9.4.1交通中的駕駛123
9.4.2優車輛跟隨125
9.5車輛試驗126
9.6結論128
參考文獻128
第10章預測協同自適應巡航控制：燃油消耗效益和可實施性130
10.1引言130
10.2問題描述131
10.3潛力評估132
10.4非線性滾動優化134
10.5線性MPC架構內的近似控制律136
10.6利用辨識的Hammerstein-Wiener模型的近似控制律137
10.7基於數據的交通預測模型139
10.8結論141
參考文獻142
第三部分動力傳動優化
第11章混合動力傳動系統的拓撲優化145
11.1引言145
11.1.1協同設計方法146
11.1.2問題定義：系統設計優化146
11.1.3本章概述147
11.2控制設計優化：具有舒適性約束的混合動力車輛換檔策略149
11.2.1雙層優化：控制問題150
11.2.2仿真結果：雙層控制設計154
11.3控制和驅動系統設計優化：混合動力車輛的拓撲、變速器、規格和控制優化155
11.4結論158
參考文獻158
第12章基於模型的混合動力車輛優能量管理策略160
12.1引言160
12.2HEV中的優化問題160
12.3案例研究：前置變速器並聯混合動力161
12.4問題描述163
12.5有限時間範圍的能量管理策略164
12.6無限時間範圍優化的動機166
12.7從有限時間範圍到無限時間範圍的優控制問題167
12.8無限時間非線性優控制策略169
12.9策略比較：仿真結果172
12.10結論174
參考文獻174
第13章包含熱動力學和老化的汽車電池系統優能量管理176
13.1引言176
13.2案例研究和動機177
13.3優控制問題描述178
13.3.1動力傳動建模179
13.3.2電池建模180
13.3.3電池老化建模181
13.4優控制問題求解 183
13.4.1動態規劃183
13.4.2PMP183
13.5優控制問題結果184
13.5.1動態規劃結果184
13.5.2PMP結果187
13.6結論188
參考文獻189
第14章具有餘熱回收系統的柴油發動機優控制190
14.1引言190
14.2系統描述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優控制方法194
14.3.2優IPC策略195
14.3.3實時IPC策略195
14.3.4基準策略196
14.4控制設計196
14.4.1優IPC策略197
14.4.2實時IPC策略198
14.5仿真結果198
14.5.1動力傳動總體結果199
14.5.2冷循環結果199
14.6結論202
參考文獻203
第四部分發動機運行優化
第15章基於學習的發動機映射和標定優化方法207
15.1引言207
15.2數學問題表示208
15.3基於Jacobi矩陣學習的優化算法209
15.4案例研究1：發動機映射的應用211
15.5案例研究2：串聯HEV的車載燃料消耗優化213
15.6預測－校正算法215
15.7案例研究2（續）：串聯HEV的車載燃料消耗優化216
15.8結論218
參考文獻218
第16章相關輸出範圍的在線試驗設計220
16.1引言220
16.2先進的開發方法221
16.3COR設計的數學背景224
16.3.1局部模型架構224
16.3.2先進設計225
16.3.3在線過程225
16.4設計策略226
16.4.1乘積空間的距離準則226
16.4.2自定義輸出區域227
16.4.3iDoE策略227
16.5應用COR設計的改進開發方法228
16.6進一步改進229
16.7結論233
參考文獻233
第17章HCCI的優控制234
17.1引言234
17.2HCCI的優控制設計235
17.2.1HCCI的多輸出MPC235
17.2.2基於物理的HCCI燃燒定時MPC235
17.2.3排氣再壓縮HCCI的混合MPC237
17.2.4應用極值搜索的HCCI的優化增益和燃料消耗238
17.5結論240
參考文獻240
第18章考慮發動機和渦輪限制的輪式裝載機優舉升和路徑241
18.1引言241
18.2系統模型246
18.2.1動力傳動和縱向動力學247
18.2.2轉向和地面位置249
18.2.3舉升系統250
18.3優控制問題表示251
18.4結果253
18.4.1從負載點到負載接收點的WL優軌跡253
18.4.2Min Mf和Min T的系統瞬態254
18.4.3延遲舉升255
18.4.4功率中斷257
18.5結論259
參考文獻259