基于dSPACE的叉車自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)性能仿真和實(shí)驗(yàn)研究

張炳力 胡福建 董彥文 丁美玲

摘要：對(duì)叉車發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的參數(shù)進(jìn)行匹配，確定動(dòng)力性換擋曲線，采用區(qū)間信息值作為換擋邏輯輸入量，建立基于車速和油門開度的動(dòng)力性換擋規(guī)律；依據(jù)電磁閥工作特性及換擋執(zhí)行元件工作邏輯，建立電磁閥模型；通過(guò)基于dSPACE的叉車自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所建立的叉車自動(dòng)變速器控制模型的正確性，為叉車自動(dòng)變速器控制器的開發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：叉車自動(dòng)變速器；控制系統(tǒng)；換擋規(guī)律；快速原型

中圖分類號(hào)：U469.79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）02-0010-07

Performance Simulation and Test Research of Forklift

Trucks Automatic Transmission Control System Base on dSPACE

ZHANG Bing-li1，HU Fu-jian1，DONG Yan-wen1，DING Mei-ling2

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009， China；

2.Heifei Changhe Automobile Co.，LTD，Hefei 230009，China）

Abstract: By matching the parameters of the Forklift Trucks engine and hydraulic converter，we can make up the power shift curve. The power shifting schedule basing on the speed and throttle angle is built by using zone value as the input of shift logical model.According to the solenoid valves operating principle and the shifting executing components working logic， the solenoid valves control model is built. On dSPACE platform， the real-time simulation test of AT control system in Forklift Truck was performed. The test results verify that the models of transmission and the research can provide reference for the development of automatic transmission controller in Forklift Truck.

Key words: forklift trucks transmission；control system；shifting schedule；rapid control prototyping

叉車的使用環(huán)境和目的與普通汽車不同，其工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，而且車輛負(fù)載變化范圍很大，需要駕駛員頻繁操作換擋以滿足整車動(dòng)力性能的要求，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且難以保證行駛經(jīng)濟(jì)性［1］。叉車上采用自動(dòng)變速技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)［2］：①減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全性；②改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性；③降低了傳動(dòng)系的動(dòng)載荷，延長(zhǎng)了零部件的使用壽命；④可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在良好的工作狀態(tài)，從而改善車輛的排放性能，有利于保護(hù)環(huán)境。

目前國(guó)內(nèi)使用的多數(shù)是手動(dòng)擋叉車，只有少量進(jìn)口的自動(dòng)擋叉車，并且其自動(dòng)變速器控制規(guī)律多數(shù)采用的是基于車速或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的單參數(shù)控制，這種控制模式無(wú)論油門開度處于何種位置，換擋點(diǎn)總是保持不變。但是考慮到叉車的實(shí)際使用工況，主要是保持車輛的動(dòng)力性，對(duì)于不同的油門開度，車輛的最佳動(dòng)力性換擋點(diǎn)也應(yīng)不同，所以如果直接使用單參數(shù)控制規(guī)律來(lái)控制，往往無(wú)法解決叉車對(duì)動(dòng)力性的要求。

本文主要針對(duì)合力5~10 t叉車，叉車性能參數(shù)如表1所示，采用車速和油門開度兩參數(shù)控制，建立動(dòng)力性換擋規(guī)律。利用dSPACE的V型開發(fā)模式對(duì)叉車自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)進(jìn)行圖形化建模和仿真，并且完成叉車自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)快速原型實(shí)驗(yàn)。

1 換擋規(guī)律的建立

液力變矩器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入特性和叉車主要輸出特性有很大影響。叉車的動(dòng)力性在很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的共同工作是否良好，一臺(tái)性能良好的發(fā)動(dòng)機(jī)與一臺(tái)性能良好的液力變矩器如果匹配不當(dāng)，并不能使叉車獲得良好性能。因此，要想提高液力傳動(dòng)叉車的動(dòng)力性能，除了提高液力變矩器本身的性能外，還要實(shí)現(xiàn)最佳匹配。為此，必須研究發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的輸入特性、共同工作范圍及輸出特性。

最理想的匹配是發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作時(shí)，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)段，以滿足叉車的需要，必須滿足以下三點(diǎn)要求：

（1）在液力變矩器的整個(gè)工作范圍（或高效范圍）內(nèi)，應(yīng)能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的最大有效功率。這樣可以獲得較大的輸出功率，以提高車輛的平均行駛速度。因而希望液力變矩器高效區(qū)范圍處于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)附近。

（2）為使叉車具有良好的經(jīng)濟(jì)性，希望發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作范圍處于發(fā)動(dòng)機(jī)低燃油消耗率區(qū)段。

（3）為使車輛具有良好的起步性能，希望低速比工況下的泵輪負(fù)荷拋物線位于發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)附近。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器聯(lián)合輸入

發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器合理匹配就是在一定油門開度下，發(fā)動(dòng)機(jī)處在最大平均功率與液力變矩器最大效率工況下共同工作，此時(shí)的工作點(diǎn)為最佳工作點(diǎn)。而共同工作的輸入特性就是在不同油門開度和不同轉(zhuǎn)速情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性與不同速比下泵輪扭矩特性的組合，兩種特性的交點(diǎn)即為共同工作點(diǎn)。其共同工作的必要條件是：

Me=Mb，Ne=Nb（1）

根據(jù)提供的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和液力變矩器的原始特性數(shù)據(jù)，利用Matlab的M文件將聯(lián)合輸入相關(guān)公式［3］編寫成程序，并且利用多項(xiàng)式擬合命令polyfit，對(duì)液力變矩器的輸入特性和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性進(jìn)行5次多項(xiàng)式擬合，交點(diǎn)為對(duì)應(yīng)工況穩(wěn)定工作點(diǎn)，即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作特性，擬合結(jié)果如圖1所示。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器聯(lián)合輸出

共同工作的輸出特性是發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作時(shí)，渦輪輸出扭矩、輸出功率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等與渦輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系［2，3］。共同工作的輸出特性是進(jìn)行叉車牽引計(jì)算的基礎(chǔ)，因此，為使叉車獲得良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，共同工作的輸出特性必須滿足在共同工作輸出特性高效區(qū)工作范圍或整個(gè)工作范圍內(nèi)，應(yīng)保證獲得最高平均輸出功率。

根據(jù)共同工作時(shí)的輸入特性即可按照公式［3］推導(dǎo)出發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的輸出特性，如圖2所示以渦輪轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，渦輪轉(zhuǎn)矩為縱坐標(biāo)建立的聯(lián)合工作輸出特性圖。

1.3 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律

最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器聯(lián)合工作輸出特性，將渦輪轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)矩按照車輛不同擋位的傳動(dòng)比轉(zhuǎn)換成車速和驅(qū)動(dòng)力的曲線（見圖3），并且計(jì)算各擋位驅(qū)動(dòng)力的交點(diǎn)，以此交點(diǎn)作為動(dòng)力性換擋點(diǎn)，最終將各換擋點(diǎn)連接起來(lái)作為換擋曲線［4］，其中左側(cè)兩條換擋曲線為倒擋時(shí)的換擋曲線，右側(cè)兩條換擋曲線為前進(jìn)時(shí)的換擋曲線，如圖4所示。

2 建立自動(dòng)變速器控制模型

本文利用Matlab/Simulink對(duì)叉車自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)進(jìn)行建模［4］，建立的模型如圖5所示，包括數(shù)據(jù)采集模型和控制策略模型，其中N為空擋，F(xiàn)1為前進(jìn)一擋，F(xiàn)2為前進(jìn)二擋，R1為倒一擋，R2為倒二擋。

2.1 數(shù)據(jù)采集模型

本文采取的是基于兩參數(shù)的換擋控制規(guī)律，主要控制參數(shù)為車速、油門開度，利用車速和油門開度建立動(dòng)力換擋曲線。在快速原型階段利用dSPACE自帶的接口與車輛上的傳感器連接，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，主要采集車速、油門開度、前進(jìn)和后退的撥桿信號(hào)，采集模型如圖6所示。

2.2 控制策略模型

自動(dòng)變速器自動(dòng)換擋過(guò)程是從傳感器采集當(dāng)前車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，通過(guò)TCU進(jìn)行運(yùn)算和判斷，若符合換擋條件，則TCU向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行換擋信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。

本文制定的控制策略模型是模擬實(shí)際叉車的動(dòng)作狀態(tài)建立的，實(shí)際使用中駕駛員通過(guò)操作撥桿給TCU信號(hào)，由TCU檢測(cè)撥桿信號(hào)并識(shí)別車輛目前的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（前進(jìn)擋、空擋、倒擋），并且根據(jù)車輛的狀態(tài)參數(shù)（車速、油門等）判斷目前車輛的擋位，然后觸發(fā)相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的操控。根據(jù)這一思想，本文制定的控制策略模型利用撥桿的信號(hào)判斷車輛是處于前進(jìn)擋、空擋還是倒擋狀態(tài)，從而觸發(fā)相應(yīng)的前進(jìn)擋、空擋和倒擋控制模塊，并按照各模塊中制定的換擋規(guī)律進(jìn)行換擋，輸出合理的擋位，控制策略模型如圖7所示。

2.2.1 換擋邏輯輸入?yún)?shù)

本文依據(jù)車速和油門開度建立的兩參數(shù)換擋模型，模型的自動(dòng)換擋功能是通過(guò)換擋邏輯模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且利用車速和油門兩參數(shù)將輸入的車輛運(yùn)行狀態(tài)信息劃分為兩個(gè)區(qū)域，作為自動(dòng)變速器換擋模型中換擋邏輯模塊的輸入量。在此針對(duì)前進(jìn)控制模型加以說(shuō)明，如圖8所示。

2.2.2 換擋邏輯模型

以駕駛員的實(shí)際操作行為為依據(jù)，建立換擋邏輯模塊如圖9所示，通過(guò)將實(shí)際車輛的運(yùn)行狀態(tài)與換擋規(guī)律中預(yù)設(shè)的換擋時(shí)刻的車輛狀態(tài)相比較，從而決定應(yīng)該升擋、降擋還是保持當(dāng)前擋位。

換擋邏輯模塊采用Stateflow［5］建立。模塊采用兩個(gè)并行的狀態(tài)圖：擋位轉(zhuǎn)移狀態(tài)圖（shift）和擋位控制狀態(tài)圖（shift_control）。在shift狀態(tài)圖中，有兩個(gè)擋位狀態(tài)，定義了upshift和downshift兩個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移事件作為擋位變換的條件。shift_control狀態(tài)圖包含有三個(gè)狀態(tài)：擋位保持（steady），升擋（upshifting）和降擋（downshifting）。當(dāng)shift_control被激活后，無(wú)條件轉(zhuǎn)移激活steady，然后通過(guò)判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件是否滿足，如果滿足則激活upshifting或者downshifting狀態(tài)；如果不滿足條件，則維持steady狀態(tài)。

2.3 自動(dòng)變速器控制模型離線仿真

進(jìn)行自動(dòng)變速器控制模型離線仿真是實(shí)現(xiàn)控制快速原型的基礎(chǔ)。自動(dòng)變速器控制模型離線仿真采用的輸入信號(hào)是根據(jù)實(shí)際車輛運(yùn)行狀況采集的數(shù)據(jù)，主要輸入量為車速、油門開度和撥桿信號(hào)。其中撥桿信號(hào)直接輸入常值，如前進(jìn)擋為1，后退擋為0；實(shí)驗(yàn)輸入的油門開度、車速以及換擋結(jié)果如圖10所示。

從0~20 s模擬叉車執(zhí)行裝載、倒車等動(dòng)作，隨著油門開度變化，車速不斷變化，對(duì)應(yīng)擋位也發(fā)生變化，在6 s左右擋位升為2擋，但由于車速變化迅速，很快降為1擋；從20 s到36 s模擬的是車輛平路加速行駛后滑行直到停車，在此階段，隨著油門開度的增加，車速迅速上升，在23 s擋位升為2擋，之后油門將為0，叉車處于滑行狀態(tài)，車速不斷減小，在38 s左右擋位降為1擋；從36 s到44 s車輛處于舉升階段，雖然油門開度不斷增加，但是車速很小，所以擋位維持1擋不變，這與實(shí)際操作是相符的。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，所建立的基于油門開度和車速的兩參數(shù)控制規(guī)律基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋的功能，但是模型的實(shí)際控制效果還有待在快速原型實(shí)驗(yàn)中來(lái)驗(yàn)證。

3 自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)快速原型

3.1 電磁閥動(dòng)作邏輯

本實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行原件動(dòng)作是由電磁閥來(lái)控制的，實(shí)驗(yàn)車輛具有空擋、兩個(gè)前進(jìn)擋和兩個(gè)后退擋，通過(guò)三個(gè)開關(guān)閥和一個(gè)節(jié)流閥控制。不同擋位時(shí)各電磁閥動(dòng)作狀態(tài)如表2所示。其中需要注意的是在空擋狀態(tài)所有的電磁閥均不工作；擋位開關(guān)閥上電為2擋，不上電為1擋；節(jié)流閥為常開閥，在1擋和2擋之間進(jìn)行切換時(shí)，先延遲，后上電延遲，再斷電，目的是為了降低換擋瞬間的油壓波動(dòng)，降低換擋沖擊。

3.2 電磁閥模型

將建立的自動(dòng)變速器控制模型編譯到dSPACE中，模擬TCU控制自動(dòng)變速器的運(yùn)行，圖11給出了對(duì)應(yīng)的電磁閥模型和實(shí)現(xiàn)dSPACE與電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片之間連接的RTI接口。

3.3 快速原型實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)變速器控制規(guī)律快速原型實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，在快速原型實(shí)驗(yàn)中，dSPACE用來(lái)模擬車輛的TCU控制單元，在這個(gè)階段主要是處理兩個(gè)問(wèn)題，一是對(duì)建立的自動(dòng)變速器進(jìn)行在線驗(yàn)證，另一方面對(duì)換擋曲線進(jìn)行調(diào)整，使換擋時(shí)刻符合車輛的實(shí)際運(yùn)行工況和駕駛員的操作習(xí)慣。

3.3.1 快速原型實(shí)驗(yàn)流程

快速原型實(shí)驗(yàn)流程如圖12所示，首先利用PC機(jī)將自動(dòng)換擋控制模型（含電磁閥模型）編譯下載到dSPACE中，并且將電磁閥驅(qū)動(dòng)程序下載到電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中；dSPACE根據(jù)從實(shí)車上采集到的傳感器信號(hào)執(zhí)行控制策略，并將電磁閥控制信號(hào)輸入到電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)于驅(qū)動(dòng)電路中的電磁閥驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ蒬SPACE傳來(lái)的控制信號(hào)進(jìn)行處理，最終向?qū)嵻嚿系碾姶砰y輸入電磁閥動(dòng)作信號(hào)，電磁閥接收到控制信號(hào)后，作出相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。這樣就形成了快速原型控制［6-8］，實(shí)物如圖13所示。

3.3.2 快速原型實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果分析

快速原型實(shí)驗(yàn)主要分為兩部分：一是叉車正常（平路）行駛實(shí)驗(yàn)；二是叉車在特殊工況行駛實(shí)驗(yàn)，如急加速急減速工況。快速原型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用ControlDesk綜合實(shí)驗(yàn)和測(cè)試平臺(tái)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控。采集的數(shù)據(jù)主要有油門、車速和擋位。

3.3.2.1 正常行駛實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要目的是為了驗(yàn)證車輛在正常行駛過(guò)程中能否嚴(yán)格按照換擋規(guī)律進(jìn)行換擋，實(shí)驗(yàn)曲線圖如圖14所示。

從0 s到10 s叉車啟動(dòng)為空擋N，10 s開始叉車掛前進(jìn)擋，叉車以前進(jìn)一擋F1向前行駛，車速不斷升高，在30 s左右車速達(dá)到與此刻油門開度相對(duì)應(yīng)的換擋點(diǎn)，擋位升為前進(jìn)二擋F2，在40 s油門開度降低，但是車速始終高于與油門開度對(duì)應(yīng)的換擋車速，所以叉車始終保持以F2向前行駛。

可以證明叉車在正常行駛時(shí)自動(dòng)變速器嚴(yán)格按照換擋規(guī)律中的換擋點(diǎn)進(jìn)行換擋，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋功能。

3.3.2.2 特殊工況實(shí)驗(yàn)

特殊工況實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證處于急加速急減速工況中的叉車能否按照換擋規(guī)律正確換擋，實(shí)驗(yàn)曲線圖如圖15所示。

從0 s到7 s叉車啟動(dòng)為空擋N，7 s叉車掛倒擋，迅速加大油門開度，7 s到17 s叉車以倒一擋R1行駛，在17 s車速達(dá)到與此刻油門開度相對(duì)應(yīng)的換擋點(diǎn)，擋位升為倒二擋R2，之后在很短的時(shí)間里，叉車由于車速降到對(duì)應(yīng)的降擋點(diǎn)以下，擋位由R2換為R1，并且迅速帶制動(dòng)停車并掛前進(jìn)擋，急加速讓車速迅速提高，在34 s左右擋位由F1換為F2，并且保持不變，53 s左右車速迅速降低到降擋點(diǎn)之下，擋位換為F1，之后油門開度急速增大，車速隨之升高，擋位換為F2。

根據(jù)上述分析叉車在特殊工況中可以按照制定的換擋策略動(dòng)作，所以上述制定的換擋策略對(duì)叉車特殊行駛工況也是適用的。

4 結(jié)論

本文對(duì)叉車的發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的性能進(jìn)行匹配，建立基于車速和油門的自動(dòng)變速器最佳動(dòng)力性控制模型，并基于dSPACE對(duì)控制模型進(jìn)行快速原型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所建立的控制系統(tǒng)模型正確，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)換擋，效果良好，為開發(fā)叉車自動(dòng)變速器控制器提供了參考。

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