本发明涉及混合动力船舶的能量管理领域，具体涉及一种基于切换系统理论的混合动力船舶能量管理方法。
背景技术：
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混合动力船舶能量管理方法作为混合动力船舶的关键技术，其好坏很大程度关系到船舶运行的安全性、动力性和经济性。能量管理策略既要满足船舶航行的动力需求，又要优化多种能量分配使得燃油消耗最少。
目前使用较多的混合动力船舶的能量管理方法主要有：基于规则的能量管理策略，其中包括基于确定规则的能量管理策略和模糊逻辑的能量管理策略；基于优化的能量管理策略，包括基于全局优化的能量管理策略和基于实时优化的能量管理策略。
基于规则的能量管理策略，其控制方法较为简单，容易实现，被较早地应用在混合动力船舶中的控制策略。基于确定规则的能量管理策略，往往需要根据理论分析与工程经验来制定规则，且不能适应多种运行状况。基于模糊逻辑规则的能量管理策略对系统模型的精确程度要求不高，能较好的处理较为复杂的混合动力系统。但其仍需按照工程经验来制定相应的规则，也不能确保控制最优。基于全局优化的能量管理策略，需要事先知道船舶航行过程中的所有参数，且计算很大量大，很难应用于现实的混合动力船舶的能量管理中。基于实时优化的能量管理策略是通过计算瞬时代价函数值来确定每个控制步长内的最佳动力分配，包括瞬时等效燃油最小消耗、鲁棒控制、模型预测控制等方法，计算量相对较小，比较容易实现。基于此，本发明提出一种基于切换系统理论的能量管理方法。
技术实现要素：
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本发明针对混合动力船舶的能量管理问题，采用切换系统理论的思路，提出了一种基于切换系统理论的能量管理方法；本发明构建的混合动力系统为一种典型的串联混合动力系统，两组动力源分别为锂电池组和柴油发电机组；
锂电池组通过双向dc/dc装置与直流母线相连，柴油发电机组产生的交流电经过ac/dc装置送到直流母线；直流母线与dc/ac装置相连，给推进电机供电来带动螺旋桨运转；
对于已知循环工况的船舶，为减小控制算法复杂度，将混合动力船舶模式切换归类为混杂系统中的切换控制问题，采用切换系统理论，将不同运行模式视为切换系统的不同子域，对混合动力两种能源进行运行模式的优化管理；
该方法包括以下步骤：
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)为系统的状态；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系统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,tf]上，找到合适的连续控制量ui(t)，切换时刻(t1,t2,…,tk)和切换总次数k，使得式(2)所示的代价函数最小；
s.t.τ1+τ2+…+τk+1＝tf-t0,τj＞0
k0≤k<k0+(tf-t0)/τa-1
其中ψ(x(tf))表示与最终状态有关的代价函数；li(x(t),ui(t))是基于控制量与状态量的运行代价函数，τa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)根据柴油机发动机的效率图，以让发动机运行在高效率区为原则确定发动机的转矩运行区间，即
2)推进电机需满足
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：
hi(x,p,ui)＝li(x,ui)+pt(t)fi(x,ui)(3)
将代价函数转化为无约束条件优化问题：
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
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；
附图说明：
图1是本发明所提出的基于切换系统理论的混合动力船舶的能量管理方法的流程图；
图2是本发明中串联式混合动力系统；
具体实施方式：
以下结合附图，对本发明做进一步阐述。
图1是本发明所提出的基于切换系统理论的混合动力船舶的能量管理方法的流程图，具体包括以下步骤：
一、将如图2所示的串联式混合动力系统等效为切换非线性系统；
图2为串联式混合动力船舶的典型结构，主要包括两种动力源，分别为柴油发电机组和并联电池组，动力系统的运行模式主要可分三种：柴油发电机组单独供电，并联电池组单独供电，柴油发电机组与并联电池组共同供电；
切换非线性系统离散化后，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)为系统的状态；u(k)为连续控制量；m(k)为每一种运行模式；
二、列出系统的代价函数；
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系统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,tf]上，找到合适的连续控制量，即发电机组的输出转矩ui(t)，切换时刻(t1,t2,…,tk)和切换总次数k，使得式(2)所示的代价函数最小；
s.t.τ1+τ2+…+τk+1＝tf-t0,τj＞0
k0≤k<k0+(tf-t0)/τa-1
其中ψ(x(tf))表示与最终状态有关的代价函数；li(x(t),ui(t))是基于控制量与状态量的运行代价函数，τa为平均驻留时间，需要根据系统稳定性条件求取；
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)根据柴油机发动机的效率图，以让发动机运行在高效率区为原则确定发动机的转矩运行区间，即
2)推进电机需满足
3)通过对电池充放电内阻的分析，为使电池工作于高效区，设置电池soc的允许工作范围；
四、优化求解；
定义哈密顿函数：
hi(x,p,ui)＝li(x,ui)+pt(t)fi(x,ui)(3)
将代价函数转化为无约束条件优化问题：
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，即发电机组的输出转矩
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，若符合约束条件，则求出的是最优解，若不符合约束条件，则返回步骤三、四、五进行重新求解，直到符合为止。