[发明专利]一种基于切换系统理论的混合动力船舶能量管理方法

权利要求书

1.一种基于切换系统理论的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、系统等效；

将混合动力系统视为切换非线性系统，将其离散化后，用如下分段光滑的差分方程来描述：

x(k+1)＝f(x(k),u(k),m(k)) (1)

其中，x(k)表示为混合动力系统的状态；u(k)为连续控制量；m(k)为每一种运行模式；

步骤二、构建系统的代价函数；

切换系统理论应用于混合动力系统能量管理，即是将混合动力系统能量管理的最优控制问题看作切换系统的最优控制问题；对于切换系统，在给定的时间段[t₀,t_f]上，找到合适的连续控制量u_i(t)，切换时刻(t₁,t₂,…,t_k)和切换总次数k，使得式(2)所示的代价函数最小；

其中ψ(x(t_f))表示与最终状态有关的代价函数；L_i(x(t),u_i(t))是基于控制量与状态量的运行代价函数，τ_f在此处表示为t_f-t₀，τ_a为平均驻留时间；

步骤三、确定船舶自身的约束条件；

船舶运行时，需要考虑其自身器件的限制，所以在优化控制时需要考虑以下约束条件：

1)根据柴油发动机的效率图，以让柴油发动机运行在高效率区为原则确定柴油发动机的转矩运行区间，即表示柴油发动机在i时刻的转矩，与分别表示柴油发动机高效率区的最低转矩与最高转矩；

2)推进电机需满足式中表示推进电机在i时刻的转矩，与分别是推进电机在转速n(t)时所输出的转矩的最小值与最大值；

3)设置电池soc的允许工作范围；

步骤四、优化求解；

定义哈密顿函数：

H_i(x,p,u_i)＝L_i(x,u_i)+p^T(t)f_i(x,u_i) (3)

将代价函数转化为无约束条件优化问题：

式中：C₁、C₂为系数

求J′的一次变分，可得：

由lagrange定理，优化问题存在最优解的必要条件是：

正则方程：

边界条件：x(t₀)＝x₀ (8)

极值条件：

连续条件：

各子系统的最优连续控制量由式(10)极值条件与u_i(t)的限定条件共同决定；

步骤五、最优解的可行性分析；

将求出的最优解与船舶自身的约束条件进行比较，如满足步骤三中柴油发动机的转矩运行区间、推进电机在转速区间、soc工作范围的约束条件，直接得到最优解，如不满足，重复步骤三、四、五继续进行求解。