液壓機械無級傳動系統綜合控制策略研究

陸麗玲，曹沖

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013)

液壓機械無級傳動系統綜合控制策略研究

陸麗玲，曹沖

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013)

擬合出了發動機穩態輸出轉矩模型和燃油消耗率模型，給出了發動機最佳動力性和最佳燃油經濟性的目標速比。在此基礎上建立了液壓機械無級變速傳動系統和發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軟件建立系統仿真模型對其進行仿真分析，仿真結果表明:所設計的綜合控制策略能夠實現最佳動力性和最佳燃油經濟性控制。

液壓機械無級變速傳動;柴油發動機;綜合控制;仿真

目前無級變速的控制方案主要有發動機定轉速的一元調節和發動機定轉速、定功率的二元調節。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，變速器與發動機集成控制，動力性和經濟性更好，為無級變速控制的主要發展方向。筆者選用由整體式HST和機械變速箱串聯而成的液壓機械無級傳動系統，以提高拖拉機的燃油經濟性和動力性為目的，對液壓機械無級傳動系統與發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 發動機輸出轉矩與油耗模型

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

圖1 發動機穩態輸出轉矩模型Fig.1 Model of engine steady－state output torque

結合發動機在不同轉速下的燃油消耗率試驗數據，可獲得不同轉速下的燃油消耗率和發動機轉矩的關系，然后利用3次樣條插值的方法擬合出發動機燃油消耗率模型，如圖2。

圖2 發動機油耗數值模型Fig.2 Model of engine fuel consumption

1.2 變速器目標速比

以燃油經濟性最佳為例。當拖拉機在穩定狀態下以一定的車速行駛，以實現拖拉機的最佳燃油經濟性為目的，在發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。發動機特性圖上的任一點的工作狀態都是確定的，發動機油門開度、轉速、轉矩和變速器的速比都是一一對應的。發動機有效工作范圍內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］。根據發動機油門開度和發動機功率之間的對應關系，通過控制發動機油門開度和無級變速器速比，使發動機穩定在特定點工作，同時系統就達到了平衡。其表達式如下:

式中:Fq為驅動力;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為發動機轉速;rd為驅動輪動力半徑;ηδ為滑轉率;ib為變速器速比;i1為變速器到驅動輪的速比。

由式(2)可得變速器速比、車速和發動機轉速之間的關系:

最佳燃油經濟性曲線上轉速與油門開度的對應關系為:

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

將最佳經濟性工作區對應到拖拉機牽引特性圖上，在不同的車速下，根據不同的油門開度可得到實現發動機燃油經濟性最佳時的發動機目標轉速。再根據公式(6)得到實現燃油經濟性最佳的變速器目標速比。同理，根據實現發動機動力性最佳時的發動機油門和轉速的關系，以及拖拉機速度、變速器速比和發動機轉速之間的對應關系，就可以得到實現發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給出了發動機最佳動力性和最佳燃油經濟性變速器目標速比圖。

1.3 綜合控制方案

圖5給出了發動機與液壓機械無級變速傳動系統綜合控制的原理圖。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濟性的發動機目標功率;k為一常數;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。只有當系統時刻處于理想的穩態狀況時，這一對應關系才是理想的。而實際系統總是處于變化狀態中，需要考慮發動機轉速對目標油門的影響［4］，如式(7)。

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

在此控制系統中，根據加速踏板量確定發動機目標功率，在發動機萬有特性圖上根據目標功率及最佳動力性或最佳燃油經濟性曲線確定發動機目標轉速，然后根據式(7)確定發動機目標油門開度。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，然后根據拖拉機實際作業工況，通過控制變速器速比，就能實現發動機工作點的控制，從而實現其最佳動力性或最佳燃油經濟性的要求。

2 模糊自適應PID控制器

PID控制具有結構簡單、魯棒性好、工作可靠以及控制精度高的特點。但是對于工業過程中大滯后、時變、非線性的復雜系統，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、超調小、對參數的變化不敏感，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點以及模糊控制響應快和適應性強的優點的模糊自適應PID控制，可使系統的控制性能得到提高，是一種很實用的控制方法。其結構框圖如圖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 ΔKP，ΔKi，ΔKd為模糊控制器的輸出變量，然后采用PID控制，從而實現對控制對象的控制。

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

在實際作業中，由于發動機的動力輸出、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具有很強的非線性特征［6］。無級變速傳動系統的關鍵技術之一是它的控制問題。由于拖拉機和發動機是具有滯后的高階非線性系統，其參數隨環境和時間而變化，同時作為系統輸入量的發動機油門開度和變速器速比對車速和發動機轉速均有影響，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初始參數的整定、輸入輸出變量的模糊化、建立模糊控制規則，以及模糊推理和反模糊化。

其中，PID初始參數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)，保持系統穩定;

2)逐漸增大KP，直到系統出現等幅振蕩，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)按如下經驗公式計算參數的初始值: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，以此完成系統的模糊化。然后通過總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗建立模糊控制規則表。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、發動機模型模塊、無級變速傳動系統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%，此時發動機目標轉速為1 750 r/min，20 s后，油門開度增大到90%，此時發動機目標轉速為2 310 r/min。仿真結果如圖8。

仿真結果分析:在t=20 s時，發動機油門開度從60%突然增大到90%，通過調節變速器速比使發動機達到新的目標轉速。當發動機轉速達到新的目標轉速后，調節速比保持發動機轉速不變同時快速加速，直到達到新的功率平衡點。從仿真結果可以看出，發動機能夠一直維持在目標轉速工作，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 最佳動力性仿真結果Fig.8 Simulation result of optimal power

4 結語

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

［1］ 周美蘭.轎車無級變速器綜合模糊控制研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2007.

［2］王紅巖，秦大同.無級變速汽車綜合控制策略的仿真研究［J］.兵工學報，2000(2):5-10.

WANG Hong-yan，QIN Da-tong.Simulating study on the integrated control strategy of automobile with CVT［J］.ACTA Armamentar，2000(2):5-10.

［3］ 徐立友.拖拉機液壓機械無級變速器特性研究［D］.西安:西安理工大學，2007.

［4］ 劉修驥.車輛傳動系統分析［M］.北京:國防工業出版社，1998.

［5］侯國勇，苑士華.液壓機械無級變速器的速比調節規律研究［J］.工程機械，2004(6):36-39.

HOU Guo-yong，YUAN Shi-hua.Hydraulic machinery stepless transmission ratio regulation of laws［J］.Construction Machinery and Equipment，2004(6):36-39.

［6］張寶生，付鐵軍，周云山，等.金屬帶式無級變速傳動系統與發動機的匹配及其控制策略［J］.吉林大學學報:工學版，2004，34(1):65-70.

ZHANG Bao-sheng，FU Tie-jun，ZHOU Yun-shan，et al.Matching of v-belt type continuously variable transmission with engine and its control strategy［J］.Journal of Jilin University of Technology:Natural Science，2004，34(1):65-70.

［7］Dasgupta K.Analysis of a hydrostatic transmission system using low speed high torque motor［J］.Mechanism and Machine，2000，35(7):1481-1491.

［8］ 王軍，賈糧棉，杜榮.柴油機電液調速系統模糊自整定PID控制研究［J］.現代機械，2004(6):27-28.

WANG Jun，JIAN Liang-mian，DU Rong.The research on fuzzy self-adjusting PID control of electro-hydraulic speed governor system for diesel engine［J］.Modern Machinery，2004(6):27-28.

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。