液压机械无级传动系统综合控制策略研究

陆丽玲，曹冲

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013)

液压机械无级传动系统综合控制策略研究

陆丽玲，曹冲

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013)

拟合出了发动机稳态输出转矩模型和燃油消耗率模型，给出了发动机最佳动力性和最佳燃油经济性的目标速比。在此基础上建立了液压机械无级变速传动系统和发动机的综合控制方案，给出了相应的油门-速比综合控制策略框图。最后应用Matlab/Simulink软件建立系统仿真模型对其进行仿真分析，仿真结果表明:所设计的综合控制策略能够实现最佳动力性和最佳燃油经济性控制。

液压机械无级变速传动;柴油发动机;综合控制;仿真

目前无级变速的控制方案主要有发动机定转速的一元调节和发动机定转速、定功率的二元调节。前者加速踏板与油门刚性连接，变速器独立控制;后者加速踏板不与油门直接连接，仅反映驾驶意图，变速器与发动机集成控制，动力性和经济性更好，为无级变速控制的主要发展方向。笔者选用由整体式HST和机械变速箱串联而成的液压机械无级传动系统，以提高拖拉机的燃油经济性和动力性为目的，对液压机械无级传动系统与发动机的综合控制策略进行研究，并运用Matlab/Simulink软件进行仿真分析，验证了本文所提出的综合控制策略的可行性。

1 控制策略研究

1.1 发动机输出转矩与油耗模型

发动机作为拖拉机动力传动系统的核心动力装置，是一个复杂的系统，其工作过程较为复杂，简单的数学公式难以精确表述其工作性能，所以发动机模型一般都是在发动机稳态实验数据的基础上，采用数表或拟合公式来描述［1］。实验研究表明，发动机稳态输出转矩是油门开度和转速的函数。本文以型号为403D-15的发动机为研究对象。其稳态输出转矩模型如图1。

图1 发动机稳态输出转矩模型Fig.1 Model of engine steady－state output torque

结合发动机在不同转速下的燃油消耗率试验数据，可获得不同转速下的燃油消耗率和发动机转矩的关系，然后利用3次样条插值的方法拟合出发动机燃油消耗率模型，如图2。

图2 发动机油耗数值模型Fig.2 Model of engine fuel consumption

1.2 变速器目标速比

以燃油经济性最佳为例。当拖拉机在稳定状态下以一定的车速行驶，以实现拖拉机的最佳燃油经济性为目的，在发动机的特性图上有靠近理想工作线的唯一一点与拖拉机的行驶状况对应。发动机特性图上的任一点的工作状态都是确定的，发动机油门开度、转速、转矩和变速器的速比都是一一对应的。发动机有效工作范围内的每一点都与牵引特性图上的牵引力和拖拉机速度一一对应［2-3］。根据发动机油门开度和发动机功率之间的对应关系，通过控制发动机油门开度和无级变速器速比，使发动机稳定在特定点工作，同时系统就达到了平衡。其表达式如下:

式中:Fq为驱动力;Ff为滚动阻力;Fj为加速阻力;Ft为牵引力;Fi为坡度阻力;Fw为空气阻力;ne为发动机转速;rd为驱动轮动力半径;ηδ为滑转率;ib为变速器速比;i1为变速器到驱动轮的速比。

由式(2)可得变速器速比、车速和发动机转速之间的关系:

最佳燃油经济性曲线上转速与油门开度的对应关系为:

将式(5)代入式(4)可得发动机最佳燃油经济性运转时的目标速比。它是油门开度和车速的函数，即:

将最佳经济性工作区对应到拖拉机牵引特性图上，在不同的车速下，根据不同的油门开度可得到实现发动机燃油经济性最佳时的发动机目标转速。再根据公式(6)得到实现燃油经济性最佳的变速器目标速比。同理，根据实现发动机动力性最佳时的发动机油门和转速的关系，以及拖拉机速度、变速器速比和发动机转速之间的对应关系，就可以得到实现发动机动力性最佳时的目标速比和油门开度及车速的对应关系。图3和图4给出了发动机最佳动力性和最佳燃油经济性变速器目标速比图。

1.3 综合控制方案

图5给出了发动机与液压机械无级变速传动系统综合控制的原理图。图5中:αg为踏板量;E/D为模式开关;Pd为对应最佳动力性或最佳燃油经济性的发动机目标功率;k为一常数;αd为目标油门开度;eα为目标油门开度与实际油门开度的差值;id为目标速比;ei为目标速比与实际速比的差值。

在理想的E/D模式下，目标油门开度只取决于目标功率，目标功率和油门开度按照工作模式对应的理想工作线所决定的关系变化。只有当系统时刻处于理想的稳态状况时，这一对应关系才是理想的。而实际系统总是处于变化状态中，需要考虑发动机转速对目标油门的影响［4］，如式(7)。

图5 传动系统综合控制图Fig.5 Integrated control of transmission system

在此控制系统中，根据加速踏板量确定发动机目标功率，在发动机万有特性图上根据目标功率及最佳动力性或最佳燃油经济性曲线确定发动机目标转速，然后根据式(7)确定发动机目标油门开度。将目标油门开度和实际油门开度的差值作为油门模糊自适应PID控制器的输入量，驱动步进电机控制油门开度。同时，将图3和图4存储在控制器中作为变速器目标速比查询表，然后根据拖拉机实际作业工况，通过控制变速器速比，就能实现发动机工作点的控制，从而实现其最佳动力性或最佳燃油经济性的要求。

2 模糊自适应PID控制器

PID控制具有结构简单、鲁棒性好、工作可靠以及控制精度高的特点。但是对于工业过程中大滞后、时变、非线性的复杂系统，则难以保证在任何工况下都能达到理想的控制效果。模糊控制响应快、超调小、对参数的变化不敏感，能够克服非线性因素的影响，但其控制精度不太理想［5］。因此，综合了PID控制可靠性和精确度高的优点以及模糊控制响应快和适应性强的优点的模糊自适应PID控制，可使系统的控制性能得到提高，是一种很实用的控制方法。其结构框图如图6。其工作原理是:以输入量的偏差e与偏差变化率ec作为模糊控制器的输入量，PID 修正参数 ΔKP，ΔKi，ΔKd为模糊控制器的输出变量，然后采用PID控制，从而实现对控制对象的控制。

图6 模糊自适应PID控制器结构框Fig.6 Structure of fuzzy self－ adaptive PID controller

在实际作业中，由于发动机的动力输出、无级变速器的速比和外界负载都是不断变化的，因此整个无级变速传动系统具有很强的非线性特征［6］。无级变速传动系统的关键技术之一是它的控制问题。由于拖拉机和发动机是具有滞后的高阶非线性系统，其参数随环境和时间而变化，同时作为系统输入量的发动机油门开度和变速器速比对车速和发动机转速均有影响，形成耦合作用［7-8］。因此，本文选用模糊自适应PID控制，并设计了油门-速比综合控制策略对系统进行控制。

模糊自适应PID控制器的设计主要包括PID初始参数的整定、输入输出变量的模糊化、建立模糊控制规则，以及模糊推理和反模糊化。

其中，PID初始参数的整定选用临界比例法，其具体步骤如下:

1)将 Ki，Kd设为0，KP的值较小(记为 K)，保持系统稳定;

2)逐渐增大KP，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡，记录此时的临界振荡增益K和临界振荡周期T;

3)按如下经验公式计算参数的初始值:同时，为了提高精度，设定输入输出变量的离散论域为13 个等级，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，设定输入输出变量的模糊子集为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，并选用灵敏度高的三角形隶属函数，以此完成系统的模糊化。然后通过总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验建立模糊控制规则表。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 综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对应的目标功率为目标控制量的油门模糊自适应PID控制和速比模糊自适应PID控制的综合控制策略。其控制系统模型如图7所示。图中包括油门模糊自适应PID控制器模块、发动机模型模块、无级变速传动系统模型模块和速比模糊自适应PID控制器模块等。

图7 综合控制系统模型Fig.7 Integrated control system model

3.2 仿真分析

以最佳动力性为例，利用在Matlab/Simulink中建立的模型对整车性能进行仿真。设定起步时油门开度为60%，此时发动机目标转速为1 750 r/min，20 s后，油门开度增大到90%，此时发动机目标转速为2 310 r/min。仿真结果如图8。

仿真结果分析:在t=20 s时，发动机油门开度从60%突然增大到90%，通过调节变速器速比使发动机达到新的目标转速。当发动机转速达到新的目标转速后，调节速比保持发动机转速不变同时快速加速，直到达到新的功率平衡点。从仿真结果可以看出，发动机能够一直维持在目标转速工作，拖拉机能按设定的速度行驶，且速比没有明显的振动和跳跃现象。这说明所提出的综合控制策略是可行的，能够满足控制要求。

图8 最佳动力性仿真结果Fig.8 Simulation result of optimal power

4 结语

为实现发动机动力性和燃油经济性的要求，拟定了发动机和液压机械无级变速传动系统综合控制策略，并给出了油门-速比综合控制的系统框图，实现了发动机油门和变速器速比的综合控制。最后运用Matlab/Simulink软件搭建系统仿真模型，并对仿真结果进行分析，验证所提出的控制策略。结果表明:所设计的综合控制策略能够实现系统的控制要求，并为进一步的研究提供了依据。

［1］ 周美兰.轿车无级变速器综合模糊控制研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2007.

［2］王红岩，秦大同.无级变速汽车综合控制策略的仿真研究［J］.兵工学报，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.拖拉机液压机械无级变速器特性研究［D］.西安:西安理工大学，2007.

［4］ 刘修骥.车辆传动系统分析［M］.北京:国防工业出版社，1998.

［5］侯国勇，苑士华.液压机械无级变速器的速比调节规律研究［J］.工程机械，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］张宝生，付铁军，周云山，等.金属带式无级变速传动系统与发动机的匹配及其控制策略［J］.吉林大学学报:工学版，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］ 王军，贾粮棉，杜荣.柴油机电液调速系统模糊自整定PID控制研究［J］.现代机械，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

陆丽玲(1985-)，女，江苏苏州人，硕士研究生，主要从事液压机械无级变速传动方面的研究。E-mail:yutong1125616@163.com。