多挡位液力平地机自动换挡控制方法

李申申，姚 阳，贾 莉

（长安大学工程机械学院，陕西西安 710064）

作者简介：李申申（1990－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，机械工程专业。

姚 阳（1991－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，机械电子工程专业。

贾 莉（1991－），女，长安大学工程机械学院硕士研究生，机械制造及其自动化专业。

摘 要：液力传动相对于机械传动效率较低，目前提高液力式平地机的传动效率的有效方法是增加变速器的档位。但挡位的增加，必然会增加驾驶员的劳动强度，且驾驶员操作不当会严重影响作业质量。所以对于多挡位液力式平地机而言，自动换挡是十分重要的。基于现有车辆的换挡规律制定了动力换挡规律，同时对变矩器的锁止规律进行了研究；制定了锁止离合器及换挡离合器的控制策略；采用了模糊辨识的方法对驾驶员的操作意图进行辨识。

关键词：液力平地机；自动换挡；驾驶员意图模糊辨识；换挡离合器控制；锁止离合器控制

Abstract：In comparison with mechanical transmission，the transmission efficiency of hydraulic transmission is lower．At present the effective method to improve the transmission efficiency of hydraulic grader is to increase the transmission gears． However the driver＇s intensity of labor will be increased with the increases of gears．Meanwhile the driver＇s improper opera－tion will affect the operation quality seriously．So automatic shift is very important for the multi－gears hydraulic grader．Ac－cording to the existing vehicles shift schedule，the power shift schedule are made．Meanwhile the lock schedule of hydraulic converter is researched．The control strategy of lock－up clutch and shift clutch are formulated．Using the fuzzy identification method toidentify the driver＇s operation intention．

Key words：hydraulic grader；automatic shift；fuzzy identification of driver intention；shift clutch control；lock－up clutch control

1 引言

为了使多挡位液力平地机适应不同的工况，减轻驾驶员的操作强度，本文基于210马力液力平地机对自动换挡的控制方法进行了研究。将现有的换挡规律与驾驶员意图模糊辨识相结合，有效解决了循环换挡的问题；换挡过程采用滑差控制，使换挡过程更平顺；变矩器的闭锁控制提高了平地机的传动效率及动力性。

2 自动换挡方案设计

本文对前进6挡后退3挡液力平地机进行研究。平地机1至3挡为手动换挡，3挡以上进行自动换挡。控制系统主要对变速器及变矩器的锁止离合器进行控制。自动换挡位变换关系及变矩器锁止离合器控制情况如表1所示。

3 210马力液力式平地机自动换挡规律研究

换挡规律是指相邻两排挡间自动换挡时随控制参数变化的规律。换挡规律是自动换挡的核心，它直接影响车辆的动力性、经济性及对环境的适应能力。

表1 挡位变换关系

注：⊙～变矩器工况；○～变矩器允许自锁工况

根据换挡优化的目标不同，自动换挡规律可以分为效率换挡规律、最佳动力性换挡规律以及最佳经济性换挡规律。本文采用最佳动力性换挡规律。

最佳动力性换挡规律，换挡前后使平地机的加速度相等，即：

an＝an＋1 　（1）

由于平地机是工程作业车辆，车速相对较低，理想的换挡点只要保证换挡前后的牵引力和速度相同即可满足要求。即：

Fn＝Fn＋1 　（2）

一定油门开度下由变矩器泵轮输出的扭矩传递到平地机车轮的驱动力为：

F＝MTizηz／r 　（3）

式中：MT——液力变矩器的泵轮转矩（N·m）；

iz——传动系的总传动比；

ηz——传动系的总效率；

r——平地机车轮的动力半径（m）

由式（2）及（3）可得：

MTnin＝MTn＋1in＋1 　（4）

式中：MTn——换挡时刻点n挡的液力变矩器涡轮输出扭矩；

MTn＋1——换挡时刻点n＋1挡的液力变矩器输出扭矩；

in——变速器n挡的变速比；

in＋1——变速器n＋1挡时的变速比。

变矩器涡轮输出转矩为：

MT＝K MB 　（5）

式中：MT——涡轮输出转矩；

K——变矩系数；

MB——泵轮转矩。

样机变矩器的变矩系数与转速比的关系拟合方程为：

k＝－0．5437×i2TB－0．6197×i TB＋1．9454　（6）

将式（5）、（6）代入式（4）可得：

式中：i TBn——换挡时刻点n挡转速比。

由于前进1至3挡及倒退挡为手动换挡，故只需计算前进3至6挡的换挡点。将样机变速器的变速比带入式（7）可得出换挡点的转速比，如表2所示。

表2 动力换挡规律换挡点

当变矩器转速比小于0．5时，平地机进行降挡处理。

4 驾驶员意图的辨识

自动换挡系统正确判别驾驶员的意图对于自动换挡平地机是至关重要的。控制器只有正确判别出驾驶员的驾驶意图，才能正确的自动升降挡。

对于平地机而言，驾驶员的主要驾驶意图有：停车、减速、滑行、正常加速、强动力输出。本文采用模糊推理器来辨别驾驶员的操纵意图。其输入参数为：油门开度、油门开度变化率、制动踏板开度；输出为驾驶员操纵意图的参数因子。

4．1 模糊推理算法

（1）输入输出的模糊化

模糊化过程中，控制器将采集到的输入量转化为模糊量。对于油门开度采用四个模糊集合描述：零（ZO）、小（PS）、大（PM）、极大（PB）；油门开度变化率采用五个模糊集合描述：负大（NB）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正大（PB）；制动踏板开度采用四个模糊集合描述：零（ZO）、小（PS）、大（PM）、极大（PB）；驾驶员意图采用五个模糊集合描述：停车（NB）、减速（NS）、滑行（ZO）、正常加速（PS）、强动力输出（PB）。

将采样的真实论域转化为控制器内部论域：｛0，1，2，3，4，5，6，｝、｛－4，－3，－2，－1，0，1，2，3， 4｝、｛0，1，2，3，4，5，6｝、｛－4，－3，－2，－1，0，1，2， 3，4｝，分别对应油门开度、油门开度变化率、制动器开度、驾驶员意图。分别对油门开速、油门开度变化率、制动踏板开度、驾驶员意图建立隶属度函数，本文都采用三角型隶属度函数，利用MAT－LAB可得到其隶属度函数，如图1所示。由隶属度函数可得各变量参数的划分表（表3～表6）：

图1 输入输出隶属度

表3 油门开度变化划分表

表4 油门开度变化率划分表

表5 制动器开度变化划分表

表6 驾驶员意图划分表

（2）规则库

本文所描述的模糊控制系统中，知识前提有三个，即油门开度、油门开度变化率、制动器开度。它们分别有四个、五个、四个模糊集合。根据驾驶员的经验得出规则库，共有80个规则与五个驾驶员意图相对应。可用if…then…表达如下：

ifαiandγjandβkthen aijk

其中：αi——油门开度的模糊矢量；

γj——油门开度变化率的模糊矢量；

βk——制动器开度的模糊矢量；

aijk——对应于αi、γj、βk的驾驶员意图

模糊矢量。

（3）模糊关系

任意一条规则对应的模糊关系为：

Rn＝αi×γj×βk×aijk（i＝0，1，2，3；j＝－2，－1，0，1，2；k＝0，1，2，3，n＝1，2……，80）　（8）

式中：×为模糊直积运算。

任一条模糊关系的隶属度函数为：

μRn＝min｛μαi，μγj，μβk，μaijk｝ 　（9）

总的模糊关系为：

（4）模糊推理与反模糊化

根据模糊推理合成法则可得任意输入情况下的输出：

aijk＝（αi×γj×βk）·R 　（11）

式中：·为模糊合成运算。

反模糊化是对模糊的反过程，为系统确定唯一确定的输出值。本文采用“隶属度最大原则”进行反模糊化。即选取推理结果模糊集合中隶属度最大的矢量值作为其输出值，即

aijk＝maxμa 　（12）

根据驾驶员经验经模糊推理得到的驾驶员意图辨识查询表如表7所示。

表7 驾驶员意图模糊辨识查询表

将离线生成的模糊查询表存入控制器，控制器即可根据实际的油门开度、油门开度变化率、制动器开度查询表中的数据进行驾驶员意图辨识。控制器通过不同的驾驶员意图智能控制平地机的换挡。

不同的驾驶员意图对应的换挡情况如表8所示。

表8 不同的驾驶员意图对应的换挡情况

4．2 利用MATLAB模糊控制工具箱进行动态仿真

（1）利用MATLAB模糊控制工具箱建立三输入单输出的模型如图2所示

各输入输出的隶属度函数如上文的图1所示。

（2）向控制器输入其模糊推理语句如图3所示

（3）动态仿真

利用View命令下的Rules命令可调出动态仿真图，如图4所示。输入油门开度的论域值为6、油门开度变化率论域值为4、制动器开度论域值为0，对应的模糊矢量分别为PB、PB、ZO，对应的输出值为3．36，输出值为3．36时对应的输出隶属度为0．68。由隶属度最大原则可得，对应的驾驶员输出模糊矢量为PB，即驾驶员需要车辆有较大的动力输出。

图2 驾驶员意图模糊控制模型

图3 模糊推理语句

5 换挡离合器的控制

液力平地机换挡过程实际上是对换挡离合器的控制，离合器所传递的转矩与油缸压力成正比，而油缸压力与加到电磁阀PWM信号的占空比成正比。控制器通过改变PWM的占空比控制油缸的压力，从而控制离合器的动作。

升挡过程离合器的换挡策略如图5所示。A阶段为升挡前；B阶段为换挡准备期；C、D阶段为转矩交换阶段；E阶段为高挡离合器完全接合，换挡结束。

降挡过程离合器控制策略如图6所示。A阶段为升挡前；B阶段为换挡准备期；C、D阶段为转矩交换阶段；E阶段为低挡离合器完全接合，换挡结束。

图4 动态仿真模糊系统

图5 升挡过程离合器控制策略

6 210马力液力式平地机锁止离合器的控制

液力传动效率低，高效范围不大，相比之下其平均效率比机械传动低10％～20％，这导致车辆燃料经济性下降。为解决这一问题，采用变矩器闭锁控制。

6．1 液力变矩器锁止离合器的闭锁点的选取

液力变矩器锁止规律直接影响液力平地机传动系的效率及其动力性、经济性。本文采用涡轮转速与泵轮转速（即变矩器的转速比）来制定变矩器的锁止规律。为了减小锁止前后发动机转速的波动及保证平地机的动力输出，基于变矩器锁止前后输出转矩变化不大以及发动机释放的惯性能量相对较小两方面因素来制定锁止规律［8－9］。

图6 降挡过程离合器控制策略

（1）锁止前（液力工况）液力变矩器输出转矩MT为：

MT＝K MB 　（13）

式中：K——变矩比，为转速比i TB的函数，且i TB

MB——变矩器泵轮转矩；

MT——变矩器涡轮转矩。

锁止前液力变矩器输出转矩函数为：

MHT＝f H（i TB） 　（14）

式中：n B——泵轮转速；

n T——涡轮转速。

（2）锁止后变矩器涡轮轴输出转矩等于泵轮轴输入转矩且为确定值

确定目标函数为：

（3）锁止前发动机的惯性能为：

式中：JE——发动机的转动惯量；

WE——发动机的角速度；

n E——发动机的转速；

i1——发动机转速到变矩器泵轮转速的传

动比。

（4）锁止后发动机的惯性能为：

当f取最小值时所得出的转速比i TB即为变矩器的最佳锁止点。

锁止离合器到达最佳锁止点的前提是：油门开度不变、车速稳定。当控制器判断出油门变化率为NB、NS、PS、PB时，锁止离合器解锁。

6．2 锁止离合器接合及分离过程离合器电磁阀的控制策略

锁止离合器接合过程PWM占空比控制策略如图7所示。A阶段闭锁前；B阶段为闭锁准备期；C、D阶段为滑磨阶段；E阶段为锁止离合器完全接合。

锁止离合器分离过程PWM占空比控制策略如图8所示。A阶段解锁前；B、C阶段为滑磨阶段；D阶段为锁止离合器完全接合。

7 结论

液力使平地机自动换挡控制系统将动力换挡规律与驾驶员意图模糊辨识、换挡离合器的滑差控制、变矩器的闭锁控制有效结合，提高了液力使平地机的工作效率，改善了其动力性，换挡过程更为平顺，循环换挡问题得到了有效的解决，将驾驶员从繁琐的换挡操作中解放了出来。

图7 锁止离合器接合过程PWM占空控制策略

图8 锁止离合器分离过程PWM占空比控制策略

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