控制系统的建模与仿真

系统的建模与仿真在混合动力汽车的研究中的应用

一、对系统建模与仿真的认识

1、计算机仿真技术的概念和特点

仿真技术是计算机技术的一种，它的产生和发展有着浓厚的工程实际应用背景。所谓仿真，就是指通过研究一个能代表所研究对象的模型来代替实际对象的研究。计算机仿真就是在计算机上用数字形式表达实际系统的运动规律。

计算机仿真技术具有如下特点：

（1）利用对系统和过程的仿真模拟方法取代传统的实验方法，可以节省大量人力物力，同时还能提高开发效率，缩短开发时间。

（2）加强了对过程特性的研究和分析，即逐步以动态分析方法取代传统的静态分析方法，使建立的数学模型更加接近实际的系统或过程，准确性提高。

（3）对单个部件的仿真和对整个系统的仿真使得人们对部件特性和系统特性均能进行比较详尽的研究，可对产品开发和改进提供方向性指导。

（4）最优化方法的广泛应用，包括最优化设计和最佳工况调节和控制等，大大提高了系统设计和过程控制的质量。

（5）变以往的典型工况设计为全过程工况设计，提高了系统的可靠性、可调性和系统运行的效率。

2、建模方法

系统模型的建立是系统仿真的核心问题。系统模式是实际系统或过程在某些方面特性的一种表现形式，它能反映出系统和过程的行为特性。围绕着系统应该有什么样的模型，如何建立或获取模型以及所建模型是否真实地反映了实际系统运行特性等问题，人们展开了大量的工作。

系统建模方法主要有机理建模方法和辨识建模方法两种。

（1）机理建模方法

机理建模方法就是根据实际系统工作的物理过程的机理，在某种假定的条件下，按照相应的理论（如质量守恒、能量守恒定律，运动学、动力学、热力学、流体力学的基本原理等），学出代表其物理过程的方程，结合其边界条件于初始条件，再采用适当的数学处理方法，来得到能够正确反映对象动静态特性的数学模型。其模型形式有代数方程、微分方程、查分方程、偏微分方程等，系统可以是线性系统、非线性系统、离散系统、分布参数系统等。

（2）辨识建模方法

辨识建模方法就是采用系统辨识技术，根据系统实际运行或试验过程中所取得的输入、输出数据，利用各种辨识算法来建立模型的动静态数学模型，近十几年来，尤其是近几年，系统辨识技术得到飞速发展。

系统辨识有四个方面的主要研究内容：系统辨识的实验设计，系统模型结构辨识，系统模型参数辨识（也叫参数估计），系统模型检验。根据问题的研究性质不同，系统辨识可以分为：线性系统辨识，非线性系统辨识，静态（稳态）系统模型辨识，动态系统模型辨识，连续系统辨识，离散系统模型辨识。

二、混合动力汽车的建模与仿真

混合动力汽车系统的结构构件图如下图所示：

混合动力汽车控制系统的研究主要是建立在数学模型的基础上的，主要是对整车系统中的发动机、电动机、蓄电池、离合器和变速器模块以及汽车动力学模型进行建模仿真。

汽车动力学模块主要是根据牛顿定理的知识建立数学模型，发动机仿真模型的建立可以采用数学模型描述法和数据查表法相结合的方法，大量研究表明，发动机的外特性和负载特性可以表示为发动机节气门开度α和发动机转速n的函数。实际中多采用高阶多项式近似方程来对发动机实验数据进行拟合，构造发动机稳态输出转矩、油门开度以及发动机转速的关系，进而查表求得其油耗和排放。电动机模型只需考虑其输入、输出量，而不必考虑其内部工作机制，即假定电动机控制器/逆变器总能按需求控制电机以实现指定的输入量和输出量的关系。主要用到的数学模型是应用克希荷夫第二定律（电流节点定律），建立q轴、d轴定子、转子电流方程组计算得到电机的电磁转矩。蓄电池组模型包括三个主要子模块：电池组温度计算模块、电池组SOC值计算模块及电池组电压计算模块，蓄电池组模型输入为电力附件需求电流，输出为电池组端电压。

整车系统中各个模块的模型建立后，在matlab中的advisor环境下，通过对其中已建好的模型进行修改，载入自己建立的系统模型，同时还需要编写一些相应的m文件，然后就可以进行仿真对比实验，以获得期望达到的效果。