Control strategy of hybrid electric high speed monorail crane based on deterministic rules
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摘要:
单轨吊作为煤矿井下辅助运输系统的重要设备形式之一，其运行速度普遍较低（满载＜2 m/s），且传统防爆柴油机或防爆蓄电池单一动力形式均难以满足单轨吊动力性能与环保需求。为提高单轨吊驱动性能并实现绿色矿山目标，在传统单轨吊结构基础上提出了一种新型分布式混合动力驱动系统，基于确定性规则建立其控制策略并进行建模和仿真试验。首先，结合单轨吊结构的多段性，在不同驱动端设置不同动力源，采用分布式架构作为高速单轨吊混合动力架构形式，并制定该架构下不同的工作模式，确定不同模式下的能量流向；其次，为了提高单轨吊动力性能以及改善防爆柴油机工作区间，根据常规工况制定工作模式切换逻辑策略与转矩分配策略，在此基础上设计了基于逻辑门限值的确定性规则控制策略并利用Matlab搭建整体切换逻辑仿真策略；然后，根据高速单轨吊的实际行驶情况，建立小坡度重载、小坡度轻载、大坡度轻载3种整机循环工况；最后，将控制策略导入AMESim仿真软件，对所搭建的高速单轨吊整机物理模型进行联合仿真。仿真结果表明，基于确定性规则的控制策略能够使防爆柴油机和防爆电动机的工作点均处于高效区间，并使单轨吊整机具有较好的速度跟随性；在小坡度重载工况下，电池组荷电状态（SOC）值消耗量仅为17.6%，满载最大运行速度达到了3.01 m/s，CO、HC、NOx尾气排放量相比传统单轨吊分别降低了67.3%、36.4%、49.4%和13.1%；在大坡度轻载工况下，电池组SOC值消耗量仅为13.1%，满载最大运行速度达到了2.29 m/s，CO、HC、NOx尾气排放量相比传统单轨吊分别降低了70.2%、58.1%、41.7%。研究结果对于提高煤矿井下单轨吊运输效率、降低尾气排放具有理论意义和实用价值。
Abstract:Monorail crane, as one of the important equipment forms of underground auxiliary transportation, has a generally low running speed (full load < 2 m/s), and the traditional single power drive is difficult to meet the power and environmental requirements of monorail crane. In order to improve the driving performance of monorail crane and achieve the goal of green mine, a new distributed hybrid power drive system is proposed based on the traditional monorail crane structure. Its control strategy is established based on the deterministic rules and its modeling and simulation tests are carried out. First of all, combined with the multi section of the monorail crane structure, different power sources are set at different drive ends, and a distributed architecture is adopted as the hybrid power architecture of the high-speed monorail crane. Different working modes under the architecture are formulated to determine the energy flow direction under different modes; Secondly, in order to improve the power performance of the monorail crane and the working range of the explosion-proof diesel engine, the working mode switching logic strategy and torque distribution strategy are formulated in the face of conventional working conditions. On this basis, the deterministic rule control strategy based on the logic threshold value is designed, and the overall switching logic simulation strategy is built using MATLAB; Then, according to the actual running situation of the high-speed monorail crane, three complete machine cycle conditions are established, namely, small slope heavy load, small slope light load and large slope light load; Finally, the control strategy is imported into AMESim simulation software, and the physical model of the high-speed monorail crane distributed hybrid power system is jointly simulated. The simulation results show that the designed control strategy based on the deterministic rules can make the working points of the explosion-proof diesel engine and explosion-proof motor of the monorail crane in the high efficiency range, and make the whole machine have a good speed following performance; Under the condition of small slope and heavy load, the state of charge (SOC) consumption of the battery pack is only 17.6%, the maximum operating speed under full load reaches 3.01 m/s, and the emissions of CO, HC and NOx are reduced by 67.3%, 36.4%, 49.4% and 13.1% respectively compared with the emissions of traditional monorail cranes; Under the working condition of large slope and light load, the consumption of SOC value of the battery pack is only 13.1%, the maximum operating speed under full load reaches 2.29m/s, and the emissions of CO, HC and NOx are 70.2%, 58.1% and 41.7% lower than those of traditional monorail cranes respectively. The research results are of great significance and practical value to improve the running speed of monorail crane, enhance its transportation efficiency, and reduce exhaust emissions to improve the downhole working environment.
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0. 引 言
井下运输环节的工作方式与效率直接关系着煤矿企业的全局产能[1]。煤矿井下巷道环境复杂、路况平坦程度不同，单轨吊作为一种悬挂在煤矿巷道顶部的运输设备，对于大幅度爬坡、下坡等工况具有操作方便、不经转载可实现连续化运输等优点[2]。但根据多家煤矿企业和单轨吊研制厂家的调研分析，当前应用于煤矿辅助运输中单轨吊的全驱满载运行速度均未超过2 m/s[3-4]，实际运行速度多在1 m/s左右。因此，开展单轨吊提速技术研究对于提高煤矿辅助运输效率具有十分重要的意义。
目前，单一动力源驱动的单轨吊无法满足满载高速运行时功率需求：防爆柴油机型单轨吊存在有害气体排放量大、燃油效率低等缺点，防爆蓄电池型单轨吊存在续航能力较差、承载能力低、蓄电池使用寿命短等不足[5]。乘用汽车的混合动力技术已经日趋成熟，可同时利用内燃机和电机作为动力源，并可自由切换动力源，既能解决燃料尾气污染严重,也能解决纯电驱动续航里程短等问题[6]。混合动力技术融合内燃机和电动机驱动优点，避免了由单一动力源驱动时所带来的问题，且多个动力源的协同工作能够满足单轨吊高速行驶时的大功率需求，可解决上述单轨吊行驶过程中所存在的诸多问题。
针对单轨吊的混合动力技术，国内目前研究尚少。太原矿机电气股份有限公司[7]开展了串联式混合动力和单轨吊相结合的研究，设计了串联式混合动力单轨吊驱动系统以及整车电气系统，旨在降低单轨吊排放污染、提高单轨吊在井下续航时间；河北煤炭科学研究院[8]提出了一种油电混合动力单轨吊机车及其动力输出控制方法，实现了机车常规运行以蓄电池为主动力，在重载、大坡度工况下以柴油发电机组为主要动力源，以延长蓄电池续航时间、减少环境污染。前述研究均为将动力耦合后经减速器传至一根驱动轴上进行车辆驱动的单轨吊动力系统串联式改造，而分布式架构是通过灵活布置动力源将动力传输至不同驱动轴上或驱动轮上，并利用道路或轨道进行动力耦合[9]。分布式架构的动力源多段布置和不经耦合装置即可实现动力耦合更适合多轴、分段的机车运输设备。
控制策略是混合动力驱动系统的关键组成部分，它是以保证整车动力性能为前提，进一步提高整车的经济性及排放性能，在各种工况下根据车辆的能量需求实时匹配各动力源，满足车辆的行驶及作业性能[10-11]。目前，混合动力车辆控制策略主要有基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略[12-13]，随着能量管理策略的发展，出现了基于智能交通的能量管理策略[14]，其中基于规则（包括确定性规则和模糊规则）的能量管理策略由于成熟度高、计算量少，被广泛应用于混合动力驱动系统中，而基于确定性规则的控制策略因架构简单、设计方便、适应性强受到了广泛关注。如：潘彬彬[15]、兰昊[16]等建立了串联油电混合动力装载机试验平台，搭建了包括确定性规则和模糊规则在内的基于规则的控制策略，完成了控制策略的仿真及台架试验，实现了对发动机的工作区间的优化控制，验证了控制策略的节能性；宋强等[17]通过建立串联混合动力系统仿真模型，搭建基于确定性规则的能量管理控制策略模型，对串联油电混合动力推土机的能量管理问题进行了研究，并取得了良好的节能效果。RANA等[18]针对串联式混合动力汽车展开能量控制策略研究，根据分析对比电池荷电状态（State of Charge，SOC）值确定发动机最佳工作效率。
综上所述，混合动力技术应用于单轨吊的研究尚处于初步摸索阶段，缺乏理论基础和实际应用，且现有混合动力系统控制策略目标多面向地面道路环境，无法直接运用于井下单轨吊。开展井下单轨吊混合动力技术研究，既是解决煤炭运输问题的现实技术需求，也有助于弥补当前混合动力技术研究不足。针对柴油机型单轨吊污染严重、油耗高，蓄电池单轨吊续航能力短、动力不足等现实问题，基于混合动力的驱动原理和高速单轨吊的结构特殊性，提出了一种新型分布式混合动力驱动系统[19]，使其满足提速性能要求；制定此系统的工作模式，在此架构上设计基于确定性规则的控制策略，进行理论建模与仿真分析，并验证其正确性，从而为混合动力型单轨吊的应用与推广提供理论依据。
1. 高速单轨吊分布式混合动力系统设计
结合单轨吊结构的多段性，在不同驱动端设置不同动力源，能够更好地满足高速行驶动力需求。本文采用优化后即增加发电机的“发动机系统+电驱动系统”连接型分布式架构作为最终高速单轨吊混合动力架构形式。
1.1 高速单轨吊混动系统架构设计
传统单轨吊驱动系统如图1所示，其动力传输过程为防爆发动机带动液压泵为液压系统冲压，通过调节液压泵排量大小实现液压马达转速高低，进而实现车速高低。
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图 1 传统单轨吊动力传动系统结构原理Figure 1. Structural principle of power transmission system of traditional monorail crane结合连接型分布式混合动力系统优点以及传统单轨吊结构特点，提出了一种高速单轨吊分布式混合动力系统，如图2所示。与传统单轨吊动力传动系统不同，该架构在两端设置电机驱动部，中间设置液压驱动部，以实现“电为主，油为辅”的特点。其包含油液动力系统和电机动力系统2大动力系统和驱动控制系统，油液动力系统包括防爆发动机、液压泵和定量马达（液压驱动部）；电动机动力系统包括防爆电动机组（电机驱动部）、防爆发电机和动力电池组。二者既能单独工作，又可同时工作，通过协同工作能够满足单轨吊满载高速运行时的功率需求。该动力系统架构充分考虑分布式混合动力系统和单轨吊结构特点，灵活布置动力源，实现单轨吊多段、多动力源驱动的动力驱动特点。同时该架构保留传统单轨吊的甩驱功能，当系统甩驱工作时，仅由电动机动力系统进行驱动，当需求全驱时启动油液动力系统介入工作。驱动控制系统包括微控制单元（Micro Control Unit，MCU）、混合动力控制器（Hybrid Control Unit，HCU）、电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）。
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图 2 高速单轨吊分布式混合动力系统结构原理Figure 2. Structure and principle of high-speed monorail crane distributed hybrid power system1.2 高速单轨吊工作模式设计
高速单轨吊分布式混合动力系统具有多种工作模式，根据实际行驶时的性能需要，预先设定与之匹配的工作模式。在合适的时机进行不同的工作模式之间的切换,从而优化车辆行驶中的动力性、经济性、环保性。针对结构和能量流向特点，设置5种工作模式，并确定不同模式下的能量流向，如图3所示。
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图 3 分布式混合动力系统各工作模式能量流动示意Figure 3. Schematic diagram of energy flow in various operating modes of distributed hybrid power system1）纯电驱动模式。纯电驱动模式一般适用于启动起步或动力需求较低且动力电池组SOC值较高的状态，此时可解决由防爆发动机启动带来的尾气排放严重及工作效率低的问题，在此模式中防爆发动机处于不工作状态、液压泵及液压马达处于不运转状态，高速单轨吊整机需求动力均由防爆电动机组提供。
2）混合驱动模式。混合驱动模式适用于高速单轨吊行驶过程中动力需求过大，防爆电动机组无法满足动力需求，且由防爆发动机单独提供动力时会超过其最高效率区间上限值的情况，此时防爆电动机组、防爆发动机、液压系统同时参与工作。利用防爆电动机输出转矩调节防爆发动机工作区间，保证其工作于最高效率区间，在该模式下一般会采用牺牲防爆电动机最佳效率区间以满足防爆发动机工作于最佳工作区间。
3）行车充电模式。当高速单轨吊由于轻载始终工作在纯电驱动工作模式时，随着工作时间的增加，动力电池组SOC值会逐渐降低，当降低至一定阈值时，电池组所剩余电量无法支撑防爆电动机正常工作或者动力电池持续放电会对其寿命造成影响，此时防爆发动机接通充电系统而处于行车充电模式。
4）极限模式。当井下运输工作繁重，需要高速单轨吊长时间处于高强度工作状态时，相应地对高速单轨吊动力供给以及续航能力有较高要求。当运输工况中出现极端情况，即电池组SOC值不足、纯电驱动工作模式无法满足动力需求，此时需要防爆发动机既要参与驱动工作又要利用富裕转矩进行发电，工作于极限工作模式。
5）制动模式。设计再生制动和机械制动2种制动模式，当高速单轨吊处于高速运行状态且需要制动时，此时利用防爆电动机制动特性反向对动力电池组进行充电，当电池组电量充足或者速度较低时进行机械制动。
2. 基于确定性规则的高速单轨吊混合动力系统控制策略设计
常规工况是单轨吊井下运输时的一般工况，对其展开确定性规则控制策略设计研究，以达到该工况下单轨吊最佳工作效果。
2.1 混合动力系统控制策略设计
对工程车辆和矿山车辆等特殊车辆进行混合动力系统控制策略开发时，常采用基于确定性规则的控制策略，即通过控制发动机工作在最优工作区间达到提高整车性能指标的目标。基于确定性规则控制策略凭借简单实用、稳定可靠、应用较为成熟等优点，成为混动车辆采用较多的策略。
基于确定性规则的控制策略可分为恒温器控制策略、功率跟随控制策略、逻辑门限值控制策略等。选用基于转矩的门限值控制策略作为确定性规则控制策略，可通过转矩需求来分配发动机和电机之间的转矩，以保证发动机在其高效率区工作。该策略所设计过程共包括模式切换逻辑策略和转矩分配策略两大设计过程。
2.1.1 模式切换逻辑策略制定
根据所搭建物理模型，选取逻辑门限值见表1，所设计不同工作模式切换逻辑如图4所示。
表 1 工作模式切换逻辑变量名及门限值Table 1. Logical variable name and threshold value for working mode switching变量符号 变量含义 门限值 BatSoc_e 最小充电阈值、防爆电动机组单驱最小电量 60% Vmin 允许再生制动能量回收的最小驱动轮转速 120 r/min BatSoc_max 允许动力电池充电的最大电荷量 90% Tm_max 防爆电动机组最大输出转矩 查表 混合动力系统详细的工作模式切换逻辑如下：
当系统无制动信号（BrkPedal）输入、有加速信号（AccPedal）输入、且经过驾驶员需求转矩计算模块计算得出的整机需求转矩在防爆电动机组可输出转矩范围之内、电池组SOC值大于防爆电动机组单独驱动时设定的荷电量阈值时，高速单轨吊进入纯电驱动模式。逻辑条件如式（1）。
$$\left\{ \begin{array}{l} BatS oc > BatS oc\_e\\ {T_{{\rm{req\_drive}}}} < {T_{\rm{{m\_max}}}}\\ AccPedal > 0\\ BrkPedal = 0 \end{array} \right.$$ (1) 式中：Treq_drive为行驶所需求转矩，N·m。
当系统无制动信号输入、加速踏板信号处于驱动状态、高速单轨吊整机需求转矩超出防爆电动机组可输出转矩的范围、并且动力电池SOC值大于最小充电阈值时，高速单轨吊进入混合驱动模式。逻辑条件如式（2）。
$$ \left\{ \begin{array}{l} BatS oc > BatS oc\_e\\ {T_{{\rm{req\_drive}}}} > {T_{{\rm{m\_max}}}}\\ AccPedal > 0\\ BrkPedal = 0 \end{array} \right. $$ (2) 当系统无制动信号接入、有驱动信号接入、动力电池SOC值低于最小充电阈值、并且此时单轨吊整机系统需求驱动转矩未超出防爆电动机组所能输出转矩的范围时，驱动系统需要启动柴油机进行发电，降低电池组的损耗，此时系统转入行车充电模式。逻辑条件如式（3）。
$$\left\{ \begin{array}{l} BatSoc < BatSoc\_e\\ {T_{{\rm{req\_drive}}}} < {T_{{\rm{m\_max}}}}\\ AccPedal > 0\\ BrkPedal = 0 \end{array} \right. $$ (3) 当系统始终处于驱动状态、所需轴端转矩超过防爆电动机组最大转矩范围、动力电池SOC值低于最小充电阈值时，系统进入极限工作模式。此时启动防爆柴油机参与工作，以满足驱动需求为前提，多余能量用于发电。逻辑条件如式（4）。
$$ \left\{ \begin{array}{l} BatS oc < BatS oc\_e\\ {T_{{\rm{req\_drive}}}} > {T_{{\rm{m\_max}}}}\\ AccPedal > 0\\ BrkPedal = 0 \end{array} \right. $$ (4) 当系统输入制动踏板信号、无加速踏板信号、当前车速大于行车充电最小车速时，系统进入再生制动模式进行能量回收。当车速低于行车充电最小车速时，系统进行机械制动，采用摩擦制动的方式进行制动。逻辑条件如式（5）。
$$ \left\{ \begin{array}{l} BatSoc < BatSoc\_{\rm{max}}\\ AccPedal < 0\\ BrkPedal > 0\\ {V_{{\rm{vehicle}}}} > {V_{{\rm{min}}}} \end{array} \right. $$ (5) ![]()
图 4 不同工作模式切换逻辑AccPedal—加速踏板信号；BatSoc—电池阈值；Tm_req—需求转矩；Vvehicle—驱动轮转速。Figure 4. Switching logic of different working modes2.1.2 转矩分配策略
1）纯电驱动模式。该模式下动力需求仅由防爆电动机组提供，因此该模式下转矩分配策略如式（6）—式（8）所示。
$$ T_{ {{\rm{req{\_drive}}} }}=f\left(N_{ {{\rm{wheelSpd}} }}, { AccPedal }\right) $$ (6) $$ T_{{\mathrm{m}}_{-} {\mathrm{r e q}}}=\frac{T_{ {\rm{req{\_drive}}}}}{n \cdot i} $$ (7) $$ T_{{\rm{m_- t a r}}}=\min \left(T_{{\rm{m_- r e q}}}, T_{{\rm{m_- \max }}}\right) $$ (8) 式中：f(·)为查表函数，表示当前驱动轮转速和加速踏板信号下经查表得到的所需驱动转矩；NwheelSpd为单轨吊驱动轮转速，r/min；Tm_req为单个防爆电动机输出转矩，N·m；Tm_tar为单个防爆电动机最终目标转矩，N·m；i为减速器速比；n为防爆电动机转速，r/min。
2）混合驱动模式。该模式下为了防止直接夹紧导致液压系统元件损坏的风险，当由纯电模式切换至混合模式时，应先启动油液动力系统使液压马达转速与驱动轮转速一致时进入转矩分配阶段，否则进入同步阶段。
在同步阶段中，控制防爆发动机工作驱动液压马达工作，使得液压马达转速跟随驱动轮转速，具体发动机控制策略如式（9）—式（11）所示。通过柴油机实际转速与液压马达实际转速之间的实际速比和最佳速比的比值确定当前液压泵的控制信号。
$$N_{\rm{e}}= \begin{cases}1\;400 & \left(N_{\text {wheelSpd }} \cdot 12 < 1\;400\right) \\ N_{\text {wheelSpd }} \cdot 12 & \left(N_{\text {wheelSpd }} \cdot 12 > 1\;400\right)\end{cases}$$ (9) $$ T\mathrm{_{out}}=T\mathrm{_{maxc}}\cdot T\mathrm{_{load}}\text{ + }T\mathrm{_{minc}}\left(1-T\mathrm{_{load}}\right) $$ (10) $$ T\mathrm{_{load}}=\frac{T\mathrm{_{out}}-T_{\mathrm{minc}}}{T\mathrm{_{maxc}}-T\mathrm{_{minc}}} $$ (11) 式中：Ne为同步阶段中防爆柴油机目标转速，r/min；Tload为柴油机控制信号转矩，N·m。
在转矩分配阶段，主要控制防爆发动机以最佳工作曲线工作，额外需求转矩由防爆电动机组提供，其防爆发动机转矩分配策略如式（12）所示，防爆电动机转矩分配策略如式（13）所示。
$$ \left\{\begin{array}{*{20}{l}}N_{\rm{e_-tar}}=\left\{\begin{array}{*{20}{l}}1\;400 & \left(N_{\mathrm{wheelSpd}}\cdot12 < 1\;400\right) \\ N_{\rm{wheelSpd}}\cdot12 & \left(N_{\rm{wheelSpd}}\cdot12 > 1\;400\right)\end{array}\right. \\ T_{\rm{req{\_drive}}}=f\left(N_{\rm{wheelSpd}},{AccPedal}\right) \\ T_{\rm{e}_-\rm{req}}=\dfrac{\min\left(T_{\rm{req{\_drive}}},T_{\mathrm{e_-\rm{opt}}}\right)}{i_{\mathrm{v}}\cdot\eta_{\mathrm{p}}\cdot\eta_{\mathrm{m}}} \\ T_{\rm{e}_-\rm{tar}}=\min\left(T_{{\mathrm{e}}_-\rm{req}},T_{\mathrm{e_-\rm{opt}}}\right)\end{array}\right. $$ (12) 式中：Ne_tar为防爆柴油机目标转速，r/min；Te_tar为防爆柴油机目标转矩，N·m；Te_opt为防爆柴油机当前转速下最佳输出转矩，N·m；ηp为电机效率；ηm为机械效率；iv为防爆柴油机和液压马达转速之比。
$$ \left\{\begin{array}{l} T_{{\rm{m}}_{-} \text {req }}=\dfrac{T_{\rm{req{\_drive}}}-T_{{\rm{e}}_{-} {\rm{a c t}}} i_{\rm{v}} \eta_{\rm{p}} \eta_{\rm{m}}}{i_{\mathrm{g}} \cdot n} \\ T_{{\rm{m}}_{-} {\rm{t a r}}}=\min \left(T_{{\rm{m}}_{-} {\rm{r e q}}}, T_{{\rm{m}}_{-} \max }\right) \end{array}\right. $$ (13) 式中：Te_act为防爆柴油机输出转矩，N·m；ig为防爆柴油机和电动机转速之比。
3）行车充电模式。该模式下单轨吊需求转矩由防爆电动机组提供，此时防爆发动机仅用于发电。并以防爆发动机最佳转速点（
1400 r/min，640 N·m）为控制目标，同时为了吸收发动机输出功率，防爆发电机也采用相同工作点控制。4）极限工作模式。该阶段与混合动力驱动阶段相类似，也主要分为同步阶段和转矩分配阶段。在同步阶段中主要控制防爆发动机以最大功率点（
2200 r/min，600 N·m）工作。而在转矩分配阶段中，防爆发动机仍以最大功率点工作，若此时防爆发动机输出转矩不够，则由防爆电动机组提供，此时防爆电动机转矩控制策略如式（14）所示。若此时防爆发动机存在富裕转矩，则用于发电，此时防爆发电机转矩控制策略如式（15）所示。$$ \left\{\begin{array}{l}T_{\rm{req{\_drive}}}=f\left(N_{\rm{wheelSpd}},{AccPedal}\right) \\ T\mathrm{_{e_-h_-\rm{req}}}=\left(T_{{\mathrm{e_-act}}}-T_{{\mathrm{g_-act}}}\right) i_{\rm{v}}\eta_{\rm{p}}\eta_{\rm{m}} \\ T\mathrm{_{m_-\rm{tar}}}=\dfrac{T\mathrm{_{{\rm{req{\_drive}}}}}-T\mathrm{_{e_-h_-req}}}{i\mathrm{_g}\cdot n}\end{array}\right. $$ (14) $$ \left\{\begin{array}{l}T_{\mathrm{{req{\_drive}}}}=f(N\mathrm{_{wheelSpd}},AccPedal) \\ T\mathrm{_{e{\_h}\_req}}=\min(T_{{\mathrm{{req{\_drive}}}}},N\mathrm{_{\text{m}}}\cdot T_{\mathrm{e\_{h}\_max}}) \\ T\mathrm{_{e\_tar}}=\dfrac{T\mathrm{_{e\_{h}\_max}}}{i\mathrm{_v}\eta\mathrm{_p}\eta\mathrm{_m}} \\ T_{\mathrm{g\_tar}}=-(T\mathrm{_{e\_act}}-T\mathrm{_{e\_tar}}) \\ \end{array}\right. $$ (15) 5）制动模式。处于制动模式时，防爆柴油机处于不工作状态，即目标转矩均为0。当高速单轨吊驱动系统满足再生制动模式逻辑要求时，将进入再生制动模式，根据所需制动转矩是否大于防爆电动机组最大发电转矩，再生制动模式分为2种情况。当所需制动转矩低于防爆电动机组发电转矩时，防爆电动机组能够提供全部的需求制动转矩，此时不需要进行机械制动；反之，由于防爆电动机组发电转矩较小，需要采用机械制动方式弥补剩余制动转矩需求。此时防爆电动机、机械制动的目标转矩可由式（16）确定。
$$ \left\{ \begin{gathered} {T_{{\rm{m\_tar}}}} = \min ({T_{{\rm{req\_brake}}}}/(i \cdot n),{T_{{\rm{m\_\max}} }}) \\ {T_{{\rm{me\_tar}}}} = 0 \\ \end{gathered} \right. $$ 或
$$ \left\{ \begin{gathered} {T_{{\rm{m\_tar}}}} = {T_{{\rm{m\_\max}} }} \\ {T_{{\rm{me\_tar}}}} = {T_{{\rm{{\rm{req\_brake}}}}}} - i n {T_{{\rm{m\_tar}}}} \\ \end{gathered} \right. $$ (16) 式中：i为减速器速比。
2.2 基于确定性规则控制策略的整机建模
根据上述控制策略，可得到高速单轨吊整机顶层控制模型，如图5所示。该顶层控制模型包括“TrqReq（需求转矩计算模块）”、“ModeSelect（模式切换逻辑模块）”和“Torque distribution（转矩分配模块）”三大主要控制模块。
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图 5 基于确定性规则的整机控制策略模型Figure 5. Whole machine control strategy model based on deterministic rules在AMESim软件中建立高速单轨吊整机模型，将当前机车状态信号（图5中左侧信号，如车速、SOC值、加减速踏板信号等）传输至该控制模型，先经“TrqReq”模块实现当前机车所需驱动转矩的计算，在将所求需求驱动转矩连通机车状态信号传至“ModeSelect”模块进行工作模式的确定，后将所处工作模式信号传至“Torque distribution”模块解算得出当前各动力源部件控制信号（图5中右侧信号），将解算控制信号传至AMEsim中，以实现整机控制。
3. 混合动力型高速单轨吊建模及仿真
3.1 高速单轨吊模型建立
3.1.1 关键部件选取
根据所设计单轨吊分布式混合动力系统架构，可知所需关键部件主要包括油液动力系统中的防爆发动机、液压泵、液压马达和电机动力系统中的防爆电动机、防爆电动机、动力电池组。具体型号及参数见表2。
表 2 关键部件型号及参数Table 2. Model and parameters of key components部件 动力系统 类型 参数 防爆发动机 油液 柴油机 额定功率140 kW，额定转速 2200 r/min，隔爆型液压泵 油液 轴向柱塞变量泵 输出流量600 L/min，最大排量280 mL/r 液压马达 油液 柱塞式定量马达 几何排量560 mL/r，最高转速200 r/min 防爆电动机 电机 交流异步电机 额定功率22 kW，额定转矩176 N·m 防爆发电机 电机 永磁同步电机 额定功率125 kW 动力电池 电机 锂电池 功率173 kW，容量320 Ah 3.1.2 联合模型建立
结合所选动力部件以及分布式混合动力系统架构，利用AMESim仿真软件建立分布式混合动力高速单轨吊整机物理模型，将图5中的控制策略导入其中进行联合仿真，如图6所示。其中包括电机动力系统、油液动力系统、驾驶员、单轨吊车体、联合仿真等五大模块。由于在AMESim-IFP/drive库中并不包含单轨吊车体物理模型，因此根据高速单轨吊所需驱动力计算公式采用数学建模方式搭建单轨吊车体物理模型，主要包含制动力模块、摩擦阻力和坡道阻力模块。
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图 6 分布式混合动力高速单轨吊整机联合仿真模型Figure 6. Joint simulation model of distributed hybrid high-speed monorail crane3.2 单轨吊井下循环工况
单轨吊作为一种悬挂于巷道顶部的辅助运输设备，其运输路线由悬挂于顶部的轨道所决定，通常线路简单，主要行驶工况类型与坡度和载重相关联。
单轨吊的行驶巷道环境若以坡度划分可分为大坡度和小坡度；若以载荷大小可分为重载和轻载；以单轨吊运行时载重、坡度为依据，可将单轨吊运行工况设计为小坡度重载、小坡度轻载、大坡度轻载3种常规工况，根据本文所选单轨吊类型，所设计运输工况参数见表3。
表 3 3种工况下参数设置Table 3. Parameter setting under three working conditions工况类型 参数（坡度、载重） 最大运行速度/（m·s−1） 小坡度轻载 10°、20 t 3 小坡度重载 10°、40 t 3 大坡度轻载 25°、20 t 2 结合单轨吊在井下实际运输工况特点，对其行驶工况进行设计[20]。单轨吊运行速度虽慢，但应考虑其加速至最大速度的时间。根据经验值，可知单轨吊在空载时加速度不大于0.3 m/s2、重载时加速度不大于0.015 m/s2。分析单轨吊行驶工况类型，可知小坡度重载工况（10°、40 t）涵盖了小坡度轻载（10°、20 t）工况，结合提速目标，可将这2种工况下的行驶速度图设置相同，如图7所示；大坡度轻载工况可按照性能提升目标以及工况特点进行设计，如图8所示。其中，Ⅰ：停车等待物料装载；Ⅱ：装载完毕后，启动加速驶离装载区；Ⅲ：最大速度匀速行驶；Ⅳ：降低单轨吊行驶速度以较低速度匀速通过道岔、风门；Ⅵ：遇到红灯需进行制动操作，甚至停车等待绿灯前进；Ⅶ：待信号灯允许通行后，加速至最大运行速度后匀速行驶；Ⅷ：进行减速制动操作，降低车速，卸载物料。
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图 8 大坡度（10°～25°）循环工况Figure 8. Cycle working condition diagram of large slope(10°～25°)3.3 小坡度重载工况仿真试验分析
图9和图10分别表示小坡度重载中高速单轨吊在确定性规则控制策略下的速度跟随和速度误差图。
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图 9 小坡度重载控制策略下速度跟随图Figure 9. Speed following diagram under small slope heavy load control strategy![]()
图 10 小坡度重载控制策略下速度误差图Figure 10. Speed error diagram under small slope heavy load control strategy如图9所示，确定性规则控制策略下高速单轨吊满载运行速度均能较好跟随目标速度，使得满载最大行驶速度提升至3 m/s，相比原车满载行驶速度提高了1.4 m/s。通过观察确定性规则控制策略下速度误差变化可知，其误差范围基本在0.11 m/s之内。
小坡度重载工况防爆柴油机工作点分布如图11所示，蓝色表示防爆柴油机工作点。在确定性规则控制策略下，防爆柴油机主要工作于高效率点（1 400 r/min，640 N·m）、最佳工作曲线以及最高功率点（2 200 r/min，600 N·m）三块高效率区域，该工作点分布情况符合对防爆柴油机的控制要求，表明控制策略使防爆柴油机在满足动力需求的前提下能够工作在高效低耗区间，优化了传统防爆柴油机工作点分布。
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图 11 小坡度重载工况防爆柴油机工作点分布Figure 11. Working point distribution diagram of explosion-proof diesel engine under small slope and heavy load conditions小坡度重载工况防爆电动机工作点分布图如图12所示。蓝色圆圈表示防爆电动机工作点。在确定性规则控制策略下，防爆电动机工作点主要分布为恒转矩和变转矩2大部分。恒转矩区域内是由防爆电动机组单独驱动高速单轨吊，在此驱动阶段为了提高防爆柴油机的效率从而牺牲了防爆电动机的效率，因此在该工作区域内防爆电动机有部分工作点分布在低效率区域。在变转矩区域内，结合控制策略以及工作模式可知，此时由防爆柴油机和防爆电动机组共同驱动高速单轨吊，由图可知控制策略下防爆电动机工作效率基本在88%以上。
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图 12 小坡度重载工况防爆电动机工作点分布Figure 12. Working point distribution diagram of explosion-proof motor under small slope and heavy load conditions确定性规则控制策略下动力电池SOC值变化如图13所示。经仿真试验后，确定性规则策略下动力电池组所剩电量为52.4%，消耗电量为17.6%。
传统动力与确定性规则策略2种模式下防爆柴油机尾气排放量对比图如图14所示，确定性规则控制策略相比传统单轨吊尾气CO、HC、NOx分别降低67.3%、36.4%、49.4%。
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图 14 小坡度重载工况尾气排放对比Figure 14. Comparison diagram of exhaust gas emission under small slope and heavy load conditions小坡度重载工况控制策略最大运行速度图如图15所示，在确定性规则控制策略下的高速单轨吊满载最高运行速度可以达到3.01 m/s，满足所设计3 m/s的性能目标值。
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图 15 小坡度重载工况控制策略最大运行速度Figure 15. Diagram of maximum operating speed of control strategy under small slope and heavy load conditions3.4 大坡度轻载工况仿真试验分析
大坡度轻载控制策略下速度跟随图如图16所示，确定性规则控制策略下高速单轨吊满载运行速度能较好跟随目标速度，使得满载最大行驶速度提升至2 m/s，相比原车满载行驶速度提高了1.2 m/s。由图17可知，控制策略下高速单轨吊速度跟随误差在0.1 m/s以内。
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图 16 大坡度轻载控制策略下速度跟随Figure 16. Speed following diagram under large slope light load control strategy![]()
图 17 大坡度轻载控制策略下速度误差Figure 17. Speed error diagram under large slope light load control strategy大坡度轻载中防爆柴油机在确定性规则控制策略下工作点分布情况图如图18所示，相比传统单轨吊，实现了对柴油机工作点的改善。确定性规则控制策略下防爆柴油机主要工作在1 400～1 500 r/min之间和2 200 r/min附近，均是工作在最佳工作曲线上以及效率较高区域，根据所设计大坡度轻载工况可知防爆柴油机和液压马达转速之比基本小于最小转速比，通过设计的控制策略可知防爆柴油机工作点基本分布在1 400 r/min转速点附近，而1 600～2 100 r/min高速段之间基本没有工作点分布，在仿真后半段时间高速单轨吊驱动系统处于极限工作模式，此时要求防爆柴油机以最大功率工作，故在图18中防爆柴油机工作点也分布在2 200 r/min转速点附近。
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图 18 大坡度轻载工况防爆柴油机工作点分布Figure 18. Working point distribution diagram of explosion-proof diesel engine under large slope and light load conditions图19为大坡度轻载中防爆电动机在控制策略下的工作点分布图，控制策略下的防爆电动机主要工作在恒转矩和变转矩两大区域，防爆电动机在变转矩区域基本分布在效率大于88%的高效区域。
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图 19 大坡度轻载工况防爆电动机工作点分布Figure 19. Working point distribution diagram of explosion-proof motor under large slope and light load conditions图20为控制策略下动力电池SOC值变化图。经仿真试验后，控制策略下动力电池组所剩电量为56.9%，消耗电量为13.1%。
图21为传统动力与确定性规则控制策略下防爆柴油机尾气排放量对比图，确定性规则控制策略相比传统单轨吊尾气CO、HC、NOx分别降低70.2%、58.1%、41.7%。
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图 21 大坡度轻载工况尾气排放对比Figure 21. Comparison diagram of tail gas emission under large slope and light load conditions图22为大坡度轻载工况控制策略最大运行速度图，在控制策略下高速单轨吊满载最大运行速度为2.29 m/s。控制策略可使高速单轨吊满足大坡度轻载工况下2 m/s的性能目标。
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图 22 大坡度轻载工况控制策略最大运行速度Figure 22. Diagram of maximum operating speed of control strategy under large slope and light load conditions4. 结 论
1）采用确定性规则控制策略，可使混动型高速单轨吊具有良好的速度跟随特性，防爆柴油机主要工作于高效率区域，防爆电动机工作效率高达88%，动力电池组工作在高效区间，SOC值保持在相对稳定的范围内，在小坡度重载和大坡度轻载下的消耗量分别仅为17.6%和13.1%，实现了运输距离的提升。
2）在最大速度方面，混动型高速单轨吊在小坡度重载和大坡度轻载循环工况下的满载最大运行速度分别为3.01 m/s、2.29 m/s，实现了速度提升的性能目标。
3）在尾气排放方面，混动型高速单轨吊的CO、HC、NOx尾气排放量相比于传统单轨吊，在小坡度重载工况下分别降低67.3%、36.4%、49.4%，在大坡度轻载工况下分别降低了70.2%、58.1%、41.7%，实现了减排环保目标。
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图 1 传统单轨吊动力传动系统结构原理
Figure 1. Structural principle of power transmission system of traditional monorail crane
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图 2 高速单轨吊分布式混合动力系统结构原理
Figure 2. Structure and principle of high-speed monorail crane distributed hybrid power system
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图 3 分布式混合动力系统各工作模式能量流动示意
Figure 3. Schematic diagram of energy flow in various operating modes of distributed hybrid power system
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图 4 不同工作模式切换逻辑
AccPedal—加速踏板信号；BatSoc—电池阈值；Tm_req—需求转矩；Vvehicle—驱动轮转速。
Figure 4. Switching logic of different working modes
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图 5 基于确定性规则的整机控制策略模型
Figure 5. Whole machine control strategy model based on deterministic rules
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图 6 分布式混合动力高速单轨吊整机联合仿真模型
Figure 6. Joint simulation model of distributed hybrid high-speed monorail crane
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图 8 大坡度（10°～25°）循环工况
Figure 8. Cycle working condition diagram of large slope(10°～25°)
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图 9 小坡度重载控制策略下速度跟随图
Figure 9. Speed following diagram under small slope heavy load control strategy
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图 10 小坡度重载控制策略下速度误差图
Figure 10. Speed error diagram under small slope heavy load control strategy
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图 11 小坡度重载工况防爆柴油机工作点分布
Figure 11. Working point distribution diagram of explosion-proof diesel engine under small slope and heavy load conditions
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图 12 小坡度重载工况防爆电动机工作点分布
Figure 12. Working point distribution diagram of explosion-proof motor under small slope and heavy load conditions
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图 14 小坡度重载工况尾气排放对比
Figure 14. Comparison diagram of exhaust gas emission under small slope and heavy load conditions
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图 15 小坡度重载工况控制策略最大运行速度
Figure 15. Diagram of maximum operating speed of control strategy under small slope and heavy load conditions
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图 16 大坡度轻载控制策略下速度跟随
Figure 16. Speed following diagram under large slope light load control strategy
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图 17 大坡度轻载控制策略下速度误差
Figure 17. Speed error diagram under large slope light load control strategy
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图 18 大坡度轻载工况防爆柴油机工作点分布
Figure 18. Working point distribution diagram of explosion-proof diesel engine under large slope and light load conditions
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图 19 大坡度轻载工况防爆电动机工作点分布
Figure 19. Working point distribution diagram of explosion-proof motor under large slope and light load conditions
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图 21 大坡度轻载工况尾气排放对比
Figure 21. Comparison diagram of tail gas emission under large slope and light load conditions
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图 22 大坡度轻载工况控制策略最大运行速度
Figure 22. Diagram of maximum operating speed of control strategy under large slope and light load conditions
表 1 工作模式切换逻辑变量名及门限值
Table 1 Logical variable name and threshold value for working mode switching
变量符号 变量含义 门限值 BatSoc_e 最小充电阈值、防爆电动机组单驱最小电量 60% Vmin 允许再生制动能量回收的最小驱动轮转速 120 r/min BatSoc_max 允许动力电池充电的最大电荷量 90% Tm_max 防爆电动机组最大输出转矩 查表 
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表 2 关键部件型号及参数
Table 2 Model and parameters of key components
部件 动力系统 类型 参数 防爆发动机 油液 柴油机 额定功率140 kW，额定转速 2200 r/min，隔爆型液压泵 油液 轴向柱塞变量泵 输出流量600 L/min，最大排量280 mL/r 液压马达 油液 柱塞式定量马达 几何排量560 mL/r，最高转速200 r/min 防爆电动机 电机 交流异步电机 额定功率22 kW，额定转矩176 N·m 防爆发电机 电机 永磁同步电机 额定功率125 kW 动力电池 电机 锂电池 功率173 kW，容量320 Ah
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表 3 3种工况下参数设置
Table 3 Parameter setting under three working conditions
工况类型 参数（坡度、载重） 最大运行速度/（m·s−1） 小坡度轻载 10°、20 t 3 小坡度重载 10°、40 t 3 大坡度轻载 25°、20 t 2
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