混合系統、最優控制和混合動力車輛理論、方法和應用

本書描述了一種新方法，首次向汽車工程師展示瞭如何將混合動力汽車配置建模為具有離散和連續控制的系統。
本書向讀者展示瞭如何制定和解決滿足多個目標的控制問題，
這些目標可能是任意的、複雜的，並且對油耗、排放和駕駛性能產生相互矛盾的影響。
本文向工程師，研究生和研究人員介紹了混合*優控制問題的理論。
一系列新穎的算法開發為解決混合動力汽車領域日益複雜的工程問題提供了工具。
在教科書和科技專著中很少發現真正相關的重要主題，包括對轉換成本、離散決策的敏感性，
以及對節油的影響等進行討論，並得到實際應用的支持。
這些證明了*佳混合動力控制在預測能源管理、先進的動力總成校準，以及在燃油經濟性、
*低排放量和*平穩駕駛性能方面優化車輛配置方面的貢獻。
處理諸如計算資源、簡化和穩定性之類的數字問題，使讀者能夠評估這種複雜的系統。
為了幫助工業工程師和管理人員進行項目決策，從要求，收益和風險方面提供了混合動力汽車控制中許多重要問題的解決方案。
本書適合汽車行業工程師、車輛工程及控制工程專業師生閱讀，也適合研究人員參考使用。
 

前言
致謝
第1章緒論1
1.1動機、挑戰和目標1
1.2車輛設計方面3
1.2.1能量轉換階段3
1.2.2現實世界的駕駛概況、消耗和排放6
1.3過程模型、控制策略和優化8
1.3.1一般問題陳述8
1.3.2能量管理10
1.3.3數值解13
1.4相關研究15
參考文獻16
第一部分理論和表示
第2章非線性規劃導論22
2.1引言22
2.2無約束非線性優化24
2.2.1優性的充分必要條件25
2.2.2Newton-Raphson方法25
2.2.3Newton-Raphson方法的全局化27
2.2.4擬Newton方法29
2.3約束非線性優化31
2.3.1優性必要條件和充分條件32
2.3.2投影Hessian矩陣35
2.3.3序列二次規劃36
2.4靈敏度分析42
2.4.1目標函數和約束的靈敏度分析46
2.4.2線性攝動49
2.4.3攝動解的近似50
2.4.4置信區域的近似52
2.5多目標優化52
2.5.1精英多目標進化算法54
2.5.2MOGA的評價58
2.6相關研究58
參考文獻60
第3章混合系統與混合優化控制63
3.1引言63
3.2系統定義63
3.2.1連續系統63
3.2.2混合系統66
3.2.3控制混合系統和切換系統69
3.2.4允許狀態及控制的存在性和唯一性69
3.2.5控制和狀態約束、允許集和允許的函數空間72
3.2.6切換系統的重構74
3.3優控制問題75
3.3.1泛函76
3.3.2邊界條件76
3.3.3連續優控制問題77
3.3.4混合優控制問題78
3.3.5切換優控制問題79
3.3.6二元切換優控制問題81
3.3.7優控制問題的轉換81
3.4相關研究86
參考文獻88
第4章小原理和Hamilton-Jacobi-Bellman方程91
4.1引言91
4.1.1變分法91
4.1.2優控制問題極值一階必要條件的推導93
4.2小值原理97
4.2.1具有控制約束的優控制問題的必要條件100
4.2.2具有狀態約束的優控制問題的必要條件102
4.2.3具有仿射控制的優控制問題的必要條件106
4.3Hamilton-Jacobi-Bellman方程108
4.4混合小原理113
4.4.1無狀態跳躍的切換優控制問題的必要條件117
4.4.2有狀態跳躍的切換優控制問題的必要條件118
4.4.3重新審視：狀態約束優控制問題的必要條件119
4.5存在性122
4.6相關研究124
參考文獻125
第二部分優控制方法
第5章混合優控制問題的離散化和積分方法130
5.1引言130
5.2初值問題的離散化130
5.3Runge-Kutta積分方法132
5.4Runge-Kutta方法的一致性階數135
5.5穩定性143
5.6一些低階的Runge-Kutta積分方法144
5.6.1顯式Runge-Kutta方法145
5.6.2隱式Runge-Kutta方法147
5.7不連續切換系統積分方法的註釋151
5.8離散化對優控制問題的影響152
5.9相關研究153
參考文獻154
第6章動態規劃156
6.1引言156
6.2連續系統的優控制156
6.3混合系統的優控制161
6.4討論165
6.5相關研究167
參考文獻168
第7章優控制的間接方法169
7.1引言169
7.2連續系統的優控制170
7.2.1間接打靶方法170
7.2.2間接多重打靶方法173
7.3混合系統的優控制177
7.4討論180
7.5相關研究182
參考文獻183
第8章優控制的直接方法184
8.1引言184
8.2連續系統的優控制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較196
8.2.4由直接打靶和直接配置的共態恢復197
8.3切換系統的優控制198
8.3.1嵌入優控制問題199
8.3.2兩階段算法201
8.3.3具有參數化切換間隔的切換時間優化205
8.4獲得二元可行控制函數的數值方法209
8.5討論212
8.6相關研究213
參考文獻215
第三部分數值實現
第9章大型優控制求解器的實際實現220
9.1稀疏線性代數220
9.1.1稀疏矩陣格式220
9.1.2大型線性系統的數值解221
9.1.3大型矩陣的正定性檢驗225
9.2計算導數226
9.2.1計算圖226
9.2.2稀疏模式確定227
9.2.3壓縮導數計算230
9.2.4有限差分233
9.3稀疏擬Newton更新237
9.3.1部分可分函數的擬Newton更新237
9.3.2弦稀疏結構的簡單擬Newton更新237
9.3.3弦稀疏結構的擬Newton更新240
9.3.4擬Newton更新的修正242
9.3.5離散優控制問題的擬Newton更新242
9.4相關研究244
參考文獻245
第四部分混合動力車輛控制建模
第10章作為切換系統的混合動力車輛建模250
10.1引言250
10.2車輛動力學251
10.3機電系統254
10.3.1內燃機255
10.3.2電機258
10.3.3變速器264
10.3.4離合器269
10.3.5電池269
10.4混合動力車輛構型275
10.4.1並聯混合276
10.4.2功率分流混合281
10.4.3串聯混合295
10.4.4組合混合299
10.4.5插電混合300
10.4.6純電動車輛300
10.5混合動力車輛模型301
10.5.1並聯混合準靜態模型301
10.5.2採用火花點火發動機並聯混合的熱力學模型305
10.5.3功率分流混合準靜態模型308
10.5.4並聯混合的擴展準靜態模型310
10.6行駛循環310
10.7靜態函數表示315
10.8切換成本316
10.9相關研究317
參考文獻318
第五部分應用
第11章先進車輛標定324
11.1引言324
11.2已知行駛循環的切換優控制問題的離線解324
11.2.1無狀態跳躍問題324
11.2.2更多離散決策：檔位選擇329
11.2.3狀態跳躍330
11.2.4優催化轉化器加熱331
11.3基於規則的能量管理分析標定334
11.3.1常共態假設335
11.3.2切換成本的影響336
11.3.3查表計算339
11.4基於規則選擇共態的策略341
11.4.1基於規則選擇使用共態映射341
11.4.2優CO2排放的共態341
11.5實施問題342
11.6相關研究344
參考文獻345
第12章預測實時能量管理347
12.1引言347
12.2實際的基準循環348
12.3智能交通系統350
12.3.1基於時間的駕駛員模型351
12.3.2基於空間的駕駛員模型353
12.3.3停車事件的估計355
12.4純電動車輛的預測能量管理356
12.4.1車輛模型357
12.4.2用於大速度限制的動態規劃358
12.4.3瞬時速度限制校正360
12.4.4試驗結果360
12.5混合動力車輛的預測能量管理362
12.5.1事件觸發的預測能量管理364
12.5.2長預測範圍能量管理373
12.6相關研究385
參考文獻387
第13章混合動力傳動構型的優化設計390
13.1引言390
13.2過程描述391
13.2.1駕駛性能指標391
13.2.2設計參數392
13.2.3動力傳動動力學392
13.3動力傳動多目標設計394
13.3.1主問題395
13.3.2動力傳動部件的映射縮放396
13.3.3批處理優控制子問題398
13.4P2混合設計研究404
13.5後優化參數靈敏度分析412
13.6進一步的研究417
13.6.1算法的加速417
13.6.2模型複雜性的增加418
13.7相關研究419
參考文獻420
附錄稀疏矩陣圖論基礎422
參考文獻426