陸麗玲，曹沖

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

液壓機械無級傳動系統(tǒng)綜合控制策略研究

陸麗玲，曹沖

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

擬合出了發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩模型和燃油消耗率模型，給出了發(fā)動機最佳動力性和最佳燃油經(jīng)濟性的目標速比。在此基礎上建立了液壓機械無級變速傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的綜合控制方案，給出了相應的油門-速比綜合控制策略框圖。最后應用Matlab/Simulink軟件建立系統(tǒng)仿真模型對其進行仿真分析，仿真結(jié)果表明:所設計的綜合控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)最佳動力性和最佳燃油經(jīng)濟性控制。

液壓機械無級變速傳動;柴油發(fā)動機;綜合控制;仿真

目前無級變速的控制方案主要有發(fā)動機定轉(zhuǎn)速的一元調(diào)節(jié)和發(fā)動機定轉(zhuǎn)速、定功率的二元調(diào)節(jié)。前者加速踏板與油門剛性連接，變速器獨立控制;后者加速踏板不與油門直接連接，僅反映駕駛意圖，變速器與發(fā)動機集成控制，動力性和經(jīng)濟性更好，為無級變速控制的主要發(fā)展方向。筆者選用由整體式HST和機械變速箱串聯(lián)而成的液壓機械無級傳動系統(tǒng)，以提高拖拉機的燃油經(jīng)濟性和動力性為目的，對液壓機械無級傳動系統(tǒng)與發(fā)動機的綜合控制策略進行研究，并運用Matlab/Simulink軟件進行仿真分析，驗證了本文所提出的綜合控制策略的可行性。

1 控制策略研究

1.1 發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩與油耗模型

發(fā)動機作為拖拉機動力傳動系統(tǒng)的核心動力裝置，是一個復雜的系統(tǒng)，其工作過程較為復雜，簡單的數(shù)學公式難以精確表述其工作性能，所以發(fā)動機模型一般都是在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)的基礎上，采用數(shù)表或擬合公式來描述［1］。實驗研究表明，發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩是油門開度和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。本文以型號為403D-15的發(fā)動機為研究對象。其穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩模型如圖1。

圖1 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩模型Fig.1 Model of engine steady－state output torque

結(jié)合發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率試驗數(shù)據(jù)，可獲得不同轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的關系，然后利用3次樣條插值的方法擬合出發(fā)動機燃油消耗率模型，如圖2。

圖2 發(fā)動機油耗數(shù)值模型Fig.2 Model of engine fuel consumption

1.2 變速器目標速比

以燃油經(jīng)濟性最佳為例。當拖拉機在穩(wěn)定狀態(tài)下以一定的車速行駛，以實現(xiàn)拖拉機的最佳燃油經(jīng)濟性為目的，在發(fā)動機的特性圖上有靠近理想工作線的唯一一點與拖拉機的行駛狀況對應。發(fā)動機特性圖上的任一點的工作狀態(tài)都是確定的，發(fā)動機油門開度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和變速器的速比都是一一對應的。發(fā)動機有效工作范圍內(nèi)的每一點都與牽引特性圖上的牽引力和拖拉機速度一一對應［2-3］。根據(jù)發(fā)動機油門開度和發(fā)動機功率之間的對應關系，通過控制發(fā)動機油門開度和無級變速器速比，使發(fā)動機穩(wěn)定在特定點工作，同時系統(tǒng)就達到了平衡。其表達式如下:

式中:Fq為驅(qū)動力;Ff為滾動阻力;Fj為加速阻力;Ft為牽引力;Fi為坡度阻力;Fw為空氣阻力;ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;rd為驅(qū)動輪動力半徑;ηδ為滑轉(zhuǎn)率;ib為變速器速比;i1為變速器到驅(qū)動輪的速比。

由式(2)可得變速器速比、車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關系:

最佳燃油經(jīng)濟性曲線上轉(zhuǎn)速與油門開度的對應關系為:

將式(5)代入式(4)可得發(fā)動機最佳燃油經(jīng)濟性運轉(zhuǎn)時的目標速比。它是油門開度和車速的函數(shù)，即:

將最佳經(jīng)濟性工作區(qū)對應到拖拉機牽引特性圖上，在不同的車速下，根據(jù)不同的油門開度可得到實現(xiàn)發(fā)動機燃油經(jīng)濟性最佳時的發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速。再根據(jù)公式(6)得到實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性最佳的變速器目標速比。同理，根據(jù)實現(xiàn)發(fā)動機動力性最佳時的發(fā)動機油門和轉(zhuǎn)速的關系，以及拖拉機速度、變速器速比和發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的對應關系，就可以得到實現(xiàn)發(fā)動機動力性最佳時的目標速比和油門開度及車速的對應關系。圖3和圖4給出了發(fā)動機最佳動力性和最佳燃油經(jīng)濟性變速器目標速比圖。

1.3 綜合控制方案

圖5給出了發(fā)動機與液壓機械無級變速傳動系統(tǒng)綜合控制的原理圖。圖5中:αg為踏板量;E/D為模式開關;Pd為對應最佳動力性或最佳燃油經(jīng)濟性的發(fā)動機目標功率;k為一常數(shù);αd為目標油門開度;eα為目標油門開度與實際油門開度的差值;id為目標速比;ei為目標速比與實際速比的差值。

在理想的E/D模式下，目標油門開度只取決于目標功率，目標功率和油門開度按照工作模式對應的理想工作線所決定的關系變化。只有當系統(tǒng)時刻處于理想的穩(wěn)態(tài)狀況時，這一對應關系才是理想的。而實際系統(tǒng)總是處于變化狀態(tài)中，需要考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)速對目標油門的影響［4］，如式(7)。

圖5 傳動系統(tǒng)綜合控制圖Fig.5 Integrated control of transmission system

在此控制系統(tǒng)中，根據(jù)加速踏板量確定發(fā)動機目標功率，在發(fā)動機萬有特性圖上根據(jù)目標功率及最佳動力性或最佳燃油經(jīng)濟性曲線確定發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)式(7)確定發(fā)動機目標油門開度。將目標油門開度和實際油門開度的差值作為油門模糊自適應PID控制器的輸入量，驅(qū)動步進電機控制油門開度。同時，將圖3和圖4存儲在控制器中作為變速器目標速比查詢表，然后根據(jù)拖拉機實際作業(yè)工況，通過控制變速器速比，就能實現(xiàn)發(fā)動機工作點的控制，從而實現(xiàn)其最佳動力性或最佳燃油經(jīng)濟性的要求。

2 模糊自適應PID控制器

PID控制具有結(jié)構簡單、魯棒性好、工作可靠以及控制精度高的特點。但是對于工業(yè)過程中大滯后、時變、非線性的復雜系統(tǒng)，則難以保證在任何工況下都能達到理想的控制效果。模糊控制響應快、超調(diào)小、對參數(shù)的變化不敏感，能夠克服非線性因素的影響，但其控制精度不太理想［5］。因此，綜合了PID控制可靠性和精確度高的優(yōu)點以及模糊控制響應快和適應性強的優(yōu)點的模糊自適應PID控制，可使系統(tǒng)的控制性能得到提高，是一種很實用的控制方法。其結(jié)構框圖如圖6。其工作原理是:以輸入量的偏差e與偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，PID 修正參數(shù) ΔKP，ΔKi，ΔKd為模糊控制器的輸出變量，然后采用PID控制，從而實現(xiàn)對控制對象的控制。

圖6 模糊自適應PID控制器結(jié)構框Fig.6 Structure of fuzzy self－ adaptive PID controller

在實際作業(yè)中，由于發(fā)動機的動力輸出、無級變速器的速比和外界負載都是不斷變化的，因此整個無級變速傳動系統(tǒng)具有很強的非線性特征［6］。無級變速傳動系統(tǒng)的關鍵技術之一是它的控制問題。由于拖拉機和發(fā)動機是具有滯后的高階非線性系統(tǒng)，其參數(shù)隨環(huán)境和時間而變化，同時作為系統(tǒng)輸入量的發(fā)動機油門開度和變速器速比對車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速均有影響，形成耦合作用［7-8］。因此，本文選用模糊自適應PID控制，并設計了油門-速比綜合控制策略對系統(tǒng)進行控制。

模糊自適應PID控制器的設計主要包括PID初始參數(shù)的整定、輸入輸出變量的模糊化、建立模糊控制規(guī)則，以及模糊推理和反模糊化。

其中，PID初始參數(shù)的整定選用臨界比例法，其具體步驟如下:

1)將 Ki，Kd設為0，KP的值較小(記為 K)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定;

2)逐漸增大KP，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即臨界振蕩，記錄此時的臨界振蕩增益K和臨界振蕩周期T;

3)按如下經(jīng)驗公式計算參數(shù)的初始值:同時，為了提高精度，設定輸入輸出變量的離散論域為13 個等級，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，設定輸入輸出變量的模糊子集為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，并選用靈敏度高的三角形隸屬函數(shù)，以此完成系統(tǒng)的模糊化。然后通過總結(jié)工程設計人員的技術知識和實際操作經(jīng)驗建立模糊控制規(guī)則表。最后采用MIN-MAX-重心法完成模糊推理及其模糊量的反模糊化。

3 綜合控制策略的仿真研究

3.1 仿真模型的建立

本文使用以加速踏板對應的目標功率為目標控制量的油門模糊自適應PID控制和速比模糊自適應PID控制的綜合控制策略。其控制系統(tǒng)模型如圖7所示。圖中包括油門模糊自適應PID控制器模塊、發(fā)動機模型模塊、無級變速傳動系統(tǒng)模型模塊和速比模糊自適應PID控制器模塊等。

圖7 綜合控制系統(tǒng)模型Fig.7 Integrated control system model

3.2 仿真分析

以最佳動力性為例，利用在Matlab/Simulink中建立的模型對整車性能進行仿真。設定起步時油門開度為60%，此時發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速為1 750 r/min，20 s后，油門開度增大到90%，此時發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速為2 310 r/min。仿真結(jié)果如圖8。

仿真結(jié)果分析:在t=20 s時，發(fā)動機油門開度從60%突然增大到90%，通過調(diào)節(jié)變速器速比使發(fā)動機達到新的目標轉(zhuǎn)速。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到新的目標轉(zhuǎn)速后，調(diào)節(jié)速比保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變同時快速加速，直到達到新的功率平衡點。從仿真結(jié)果可以看出，發(fā)動機能夠一直維持在目標轉(zhuǎn)速工作，拖拉機能按設定的速度行駛，且速比沒有明顯的振動和跳躍現(xiàn)象。這說明所提出的綜合控制策略是可行的，能夠滿足控制要求。

圖8 最佳動力性仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result of optimal power

4 結(jié)語

為實現(xiàn)發(fā)動機動力性和燃油經(jīng)濟性的要求，擬定了發(fā)動機和液壓機械無級變速傳動系統(tǒng)綜合控制策略，并給出了油門-速比綜合控制的系統(tǒng)框圖，實現(xiàn)了發(fā)動機油門和變速器速比的綜合控制。最后運用Matlab/Simulink軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，并對仿真結(jié)果進行分析，驗證所提出的控制策略。結(jié)果表明:所設計的綜合控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的控制要求，并為進一步的研究提供了依據(jù)。

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Study on Integrated Control Strategy of Hydro－mechanical Continuously Variable Transmission

LU Li-ling1，CAO Chong2
(School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，212013，Jiangsu，China)

The engine steady-state output torque model and the fuel consumption model were established based on the engine test results.The target transmission ratio of optimal power and best fuel economy were also established.On the basis of these models，the throttle-ratio integrated control strategy of hydro-mechanical continuously variable transmission system and engine was proposed.At last，the simulation models were established by Matlab/Simulink.The simulation results indicated that the optimal power performance and the optimal fuel economy can be achieved by this integrated control strategy.

hydro-mechanical continuously variable transmission;diesel engine;integrated control;simulation

U463.2

A

1674-0696(2011)03-0476-05

2011-02-23;

2011-04-02

陸麗玲(1985-)，女，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要從事液壓機械無級變速傳動方面的研究。E-mail:yutong1125616@163.com。