CN108762113B - 一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法。通过获取液力缓速器气压、传动轴转速和扭矩等控制参数，以MATLAB/Simulink为工具对参数进行深入分析，研究不同类型缓速器扭矩特性曲线的最优拟合算法。将缓速器扭矩特性数据应用于RCU(Retarder Control Unit)控制模型，搭建缓速器扭矩特性计算模型，实现扭矩的可靠计算，达到精确控制和反馈的效果。基于缓速器扭矩特性计算模型，搭建全类型缓速器档位计算模型，满足整车制动***联动缓速器控制扭矩数据的需求，有效提升缓速器匹配整车的制动性能，进而实现缓速器产品的升级优化，一方面有助于日后其他类型液力缓速器产品的研发，另一方面有利于赢得客户良好口碑，使公司的品牌形象和市场份额不断提升。
Description
【技术领域】
本发明属于车辆制动技术领域，具体涉及一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法。
【背景技术】
液力缓速器较其它辅助制动(发动机制动，电涡流缓速器)，具有制动力矩大，制动平稳，噪声小，寿命长等优点，可实现恒速和分级制动功能，能有效减少主制动的压力。目前，国外液力缓速器技术相对成熟，但是成本较高，因此国内主机厂商未能进行大规模的匹配。
为进一步提升液力缓速器产品的性能，满足整车制动***联动缓速器控制扭矩数据的需求，需要将缓速器扭矩特性数据应用到控制模型中。扭矩特性曲线亦称外特性曲线，指的是气压-转速-扭矩关系曲线，它可以从一定层面上反映缓速器的一些性能和特点。通过台架实验能够测定液力缓速器在汽车上的工作情况，并获取控制***的一些重要参数，如气压、转速、扭矩等，提取并分析这些控制参数能够使扭矩计算和压力计算的结果更加可靠，从而准确地实现制动力控制和反馈，进而有效地提升缓速器匹配整体的制动性能。
但由于台架实验数据较为复杂、不便使用，因此需要基于先进的数据算法及仿真工具来研究不同类型缓速器扭矩特性曲线的最优拟合算法，进而搭建缓速器扭矩特性计算模型，实现扭矩的可靠计算，从而实现联动控制。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种缓速器扭矩特性计算模型及其建立方法与应用。本发明通过将台架实验测得气压、转速和扭矩数据值输入至MATLAB/Simulink中，建立缓速器扭矩特性计算模型，并进一步构建全类型缓速器档位计算模型。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法，包括以下步骤：
(1)采集数据信号：通过实验采集气压、转速和扭矩的数据信号；每一个气压采集N组转速和扭矩的数据信号，共采集M个气压下的转速和扭矩的数据信号；M和N均为大于1的整数；
(2)信号预处理：将步骤(1)采集到的数据信号滤除脉冲噪声，减少振动信号中的高频随机噪声，得到M个滤波后数据组；每一个数据组包括设定气压值下测得的N组转速值及其对应的扭矩值；
(3)曲线拟合：从滤波数据中提取特征点，基于特征点拟合不同气压下，每一条转速和扭矩的关系曲线，同一气压对应N组曲线；选取并记录每一个气压对应的拟合程度最佳的扭矩特性曲线，共记录M个最佳的扭矩特性曲线；
(4)数值计算：根据步骤(3)记录的M个最佳扭矩特性曲线，计算目标气压范围及目标转速范围内的扭矩值，将结果记录在数据表中；
(5)模型建立：将步骤(4)记录的数据表导入至MATLAB/Simulink中，通过三维制表，建立缓速器扭矩特性计算模型，缓速器扭矩特性计算模型还设定有插值查表功能。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤(1)中采用台架实验采集气压、转速和扭矩的数据值。
优选的，步骤(2)中选用中值滤波滤除脉冲噪声；选用五点三次滤波和MATLAB中的smooth平滑滤波减少混入振动信号中的高频随机噪声。
优选的，步骤(2)中选用moving移动平均法进行smooth平滑滤波，滤波窗口长度为15。
优选的，步骤(3)中选用MATLAB的Curve Fitting Toolbox拟合不同气压下每一条的转速和扭矩关系曲线；依次通过目视检查、验证和回归评价指标评价三个步骤选取最佳的扭矩特性曲线。
优选的，步骤(3)中Curve Fitting Toolbox工具拟合扭矩特性曲线时，回归评价指标包括R平方、误差平方和、均方根误差和自由度；记录时，每一条最佳拟合曲线对应有一个1*1的cfit量，同时对应有一个自定义名称，共M个cfit量，均保存在mat文件中。
优选的，步骤(4)中扭矩值的计算方法为：用户自定义输入传动轴转速和气压，若气压小于步骤(1)实验中最低气压值，利用线性比例关系计算扭矩值；若气压大于步骤(1)实验中最高气压值，通过边界法计算出最高气压对应的扭矩值；若气压值在实验的气压范围内，通过步骤(3)得到的最佳扭矩特性曲线计算对应扭矩值；计算过程通过M文件执行。
优选的，步骤(4)中目标气压范围为：0-300KPa，目标转速范围为：0-1800rpm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法，通过将实验测得的气压、转速和扭矩的数据信号滤除噪声后，进行曲线拟合得出每一个气压下的最佳扭矩特性曲线，同时将计算出的扭矩值记录在数据表中，将得到的数据表通过MATLAB/Simulink中三维制表和插值查表，建立缓速器扭矩特性计算模型。本发明旨在提取并分析气压、转速和扭矩这些控制参数，使扭矩计算的结果更加可靠，从而准确地实现制动力控制和反馈，有效地提升液力缓速器匹配整车的制动性能。本发明以MATLAB/Simulink为工具，深入研究缓速器扭矩特性曲线的拟合算法，建立缓速器扭矩特性计算模型，立足于通过对缓速器扭矩的精确控制与计算来提高产品的可靠性和稳定性，进而实现缓速器产品的升级优化，一方面有助于日后其他类型液力缓速器产品的研发，另一方面有利于赢得客户良好口碑，使公司的品牌形象和市场份额不断提升。
进一步的，本发明的滤波过程分为两个阶段，第一阶段选用中值滤波滤除脉冲噪声，第二阶段选用五点三次滤波或smooth平滑滤波减少高频随机噪声。采集到的数据信号未处理前毛刺较大，中值滤波对脉冲噪声有良好的滤除效果，特别是在滤除噪声的同时，能够保护信号的边缘，使之不被模糊。五点三次滤波能够去除小毛刺且不改变曲线变化规律，当使用五点三次滤波去除噪声后，曲线仍存在细微毛刺，选用smooth平滑滤波进一步去除毛刺，对曲线进行滤波。
进一步的，本发明通过Curve Fitting Toolbox工具拟合不同气压下转速和扭矩的关系曲线；拟合出每一个气压下的N条转速和扭矩关系曲线后，首先目视检查拟合出的曲线与数据点的重合情况，筛选出重合度良好的，再利用回归评价指标中的R平方、误差平方和等统计评价参数，选择出拟合度最好的曲线作为最佳的扭矩特性曲线；选出来的每一条最佳拟合曲线对应有一个cfit量，保存在MATLAB的mat文件中，cfit量包含有每一条最佳拟合曲线的拟合方程及其系数。
进一步的，建立缓速器扭矩特性计算模型时，通过上述步骤拟合出的最佳拟合曲线计算出气压范围在0-300Kpa，转速范围在0-1800rpm之间的扭矩；具体算法以输入气压为分界线，将输入的转速值和气压值通过不同的算法得出扭矩值；用户输入的气压和转速小于实验范围时，通过线性比例关系计算扭矩值；用户输入的气压和转速大于实验范围时，通过取边界值的方法直接输出最大扭矩值；在精确计算扭矩值的同时，保证输出的最大扭矩不会超过缓速器的额定最大扭矩；实际使用时，用户只需输入气压和转速值，模型通过插值查表的方式即可精确得到缓速器的扭矩值，计算速度快，且能够达到精确控制和反馈的效果。
【附图说明】
图1为本发明的扭矩特性计算模型图；
图2为本发明的扭矩特性计算模块图；
图3为本发明的全类型缓速器档位计算模型图；
图4为本发明的全类型缓速器扭矩特性计算模块图；
图5为本发明的扭矩百分比转化模块图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明公开的缓速器扭矩特性计算模型的建立方法，包括以下步骤：
(1)采集信号：每一台缓速器有一定的工作气压范围、转速范围和扭矩范围；通过台架实验采集数据时，首先设定M个常用的工作气压值，针对每一个气压值测定N组对应的转速和扭矩，采集测得的所有数据值输入到MATLAB程序中，即转化为数据信号；M和N均为大于1的整数，具体选择根据实际实验需要；如：缓速器工作气压为0-300KPa，则气压的选择可以以10为间距，M取30；以5为间距，M取60；N可以根据实验需要测得的组数确定。
(2)信号预处理：该步骤分为两个阶段，第一阶段是对台架实验采集到的数据信号进行中值滤波，作为一种非线性平滑技术它能有效地滤除脉冲噪声，特别是在滤除噪声的同时能够保护信号的边缘。第二阶段是做五点三次滤波，这种处理方法对时域信号的作用主要在于减少混入振动信号中的高频随机噪声，得到更为光滑的气压-转速-扭矩关系曲线。考虑到部分数据信号仍存在较多细小的波形抖动，会影响后续的处理效果，针对这种情况采取smooth平滑滤波；
smooth平滑滤波包含的处理方法有六种：'moving'、'lowess'、'loess'、'sgolay'、'rlowess'、'rloess'，经过验证得到这六种方法中moving移动平均法的效果最好，因此选用该方法进行平滑滤波，滤波窗口长度设置为15。
该步骤得到M个滤波后数据组；每一个数据组包括设定气压值下测得的N组转速值及其对应的扭矩值。
(3)曲线拟合：在步骤(2)中的滤波数据提取若干个特征点，因拟合出的曲线多为同样的变化规律，根据曲线的变化规律，每一条曲线可分为若干个阶段，特征点即在每一个阶段内选取一个点，该点可以是该阶段内代表曲线斜率保持不变的点或斜率发生突变的拐点；基于这些特征点数据利用MATLAB的CurveFitting Toolbox工具对不同气压下的每一条转速和扭矩关系曲线进行拟合。每种类型缓速器的扭矩特性曲线拟合到一个数据集，然后目视检查和验证拟合出的曲线与数据点的重合情况，筛选出重合度好的拟合曲线，综合考量MATLAB工具提供的一系列回归评价指标，包括R平方、误差平方和、均方根误差和自由度等指标评估拟合优度，综合此类评价指标的大小来选取拟合程度最佳的扭矩特性曲线；每一条最佳拟合曲线对应有一个1*1的cfit量，这个量包含有曲线拟合的方程及其系数的所有信息，同时对应有一个自定义名称，共M个cfit量，均保存在mat文件中，在MATLAB的M文件中直接调用自定义名称的cfit变量即可得到拟合的扭矩特性曲线上任意一点的值。
(4)数值计算：载入包含有扭矩特性曲线拟合方程及其系数信息的cfit量的mat文件，运行执行扭矩计算功能的M文件，批量计算出转速范围在0-1800rpm、气压范围在0-300KPa的若干个扭矩值，将数值计算结果记录在Excel表中；扭矩计算的算法为：用户自定义输入传动轴转速和气压，若气压小于台架实验测得的最低气压值，则扭矩点落在小于该最低气压的范围内，用线性比例关系计算出扭矩值，具体计算方法为：假设台架实验的最低气压X1，转速为Y1的情况下对应的扭矩值为Z1；需要计算气压为X2(X2<X1)，转速为Y1的扭矩值Z2，则Z2＝(X2/X1)×Z1，通过此方法关系计算该范围内的扭矩值；若气压大于台架实验测得的最高气压值，则扭矩点落在大于该最高气压的范围内，输出扭矩值直接置为该最高气压时的扭矩值，即为边界法；若气压介于最低和最高气压值之间，则先找到气压落入范围对应的扭矩范围，再根据线性关系求出确切的扭矩值。
(5)模型建立：以缓速器扭矩特性曲线为依据，由传动轴转速和气压获取制动扭矩，具体方法为根据气压、转速和扭矩三者之间的关系在MATLAB/Simulink环境中进行三维制表，建立缓速器扭矩特性计算模型，结合插值查表，通过该模型即可获得在任一整车传动轴转速和任一气压下对应的缓速器制动扭矩。所述插值查表为，三维制表内所保存的气压、转速和扭矩数据是有限的，其余部分气压和转速对应的扭矩通过线性插值的方法计算得出，具体原理为模型先分别找到距离输入气压和转速最近的两个气压值和两个转速值，再找到这两个气压和转速对应的扭矩值，然后根据线性比例关系计算出输出扭矩。
参见图1和图2，缓速器扭矩特性计算模型包括输入的传动轴转速、气压、扭矩特性计算模块和输出的扭矩值；在扭矩特性计算模块中，以法士特串联液力缓速器FH400B为依据，开展台架实验，获得准确的气压-转速-扭矩关系曲线，在MATLAB/Simulink环境中进行三维制表并插值查表，可以将传动轴转速和气压转化为缓速器制动扭矩。
将建立的模型应用到全类型缓速器档位计算模型中，即针对不同类型的缓速器，分别进行台架实验，建立独自的缓速器扭矩特性计算模型；将多个缓速器的扭矩特性计算模型结合在一起，即可得到全类型缓速器档位计算模型。
参见图3，将建立出的缓速器扭矩特性计算模型应用在全类型缓速器档位计算模型中，全类型缓速器档位计算模型包括：
输入模块：用于输入缓速器类型和目标气压值；
全类型缓速器扭矩特性计算模块：根据缓速器的不同类型，将传动轴转速和目标气压转化为缓速器目标扭矩，并获取缓速器最大扭矩，每一台缓速器的最大扭矩为额定值。
扭矩百分比转化模块：用于将缓速器最大扭矩和目标扭矩转化为扭矩百分比，即档位。
比例转化模块：根据ERC1(Electronic Retarder Controller 1)报文数值和扭矩百分比数值是2.5倍关系，将扭矩百分比转化为ERC1报文。
参见图4，全类型缓速器扭矩特性计算模块中，以缓速器一(法士特FHB360并联缓速器)、缓速器二(法士特FHB320B并联缓速器)和缓速器三(法士特FH400B串联缓速器)为依据，每一种缓速器均做大量台架实验，获得这三种类型缓速器的气压-转速-扭矩关系曲线，在MATLAB/Simulink环境中进行三维制表并插值查表，可以根据缓速器的不同类型，将传动轴转速和目标气压转化为目标扭矩，并输出最大扭矩。
参见图5，扭矩百分比转化模块中，考虑直接根据最大扭矩和目标扭矩计算出的扭矩百分比结果含有小数，而不是整数，故需要通过取整模块、取余运算模块和If-Else条件判断模块将扭矩百分比计算结果由非整数型转化为整数型，该整数型的扭矩百分比即为档位。
本发明通过获取液力缓速器气压、传动轴转速和制动扭矩等控制参数，以MATLAB/Simulink为工具对参数进行深入分析，研究不同类型缓速器扭矩特性曲线的最优拟合算法，最终得到包括多个气压下的转速和和扭矩的最佳曲线；实际使用时，用户只需输入气压和转速值，模型通过查表的方式即可精确得到缓速器的扭矩，将缓速器扭矩特性数据应用于RCU(Retarder Control Unit)缓速器控制模型中，搭建缓速器扭矩特性计算模型，实现扭矩/档位的可靠计算，达到精确控制和反馈的效果。基于缓速器扭矩特性计算模型，搭建全类型缓速器档位计算模型，满足整车制动***联动缓速器控制扭矩数据的需求，有效提升缓速器匹配整车的制动性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集数据信号：通过实验采集气压、转速和扭矩的数据信号；每一个气压采集N组转速和扭矩的数据信号，共采集M个气压下的转速和扭矩的数据信号；M和N均为大于1的整数；
(2)信号预处理：将步骤(1)采集到的数据信号滤除脉冲噪声，减少振动信号中的高频随机噪声，得到M个滤波后数据组；每一个数据组包括设定气压值下测得的N组转速值及其对应的扭矩值；
步骤(2)中选用中值滤波滤除脉冲噪声；选用五点三次滤波和MATLAB中的smooth平滑滤波减少混入振动信号中的高频随机噪声；
步骤(2)中选用moving移动平均法进行smooth平滑滤波，滤波窗口长度为15；
(3)曲线拟合：从滤波数据中提取特征点，基于特征点拟合不同气压下，每一条转速和扭矩的关系曲线，同一气压对应N组曲线；选取并记录每一个气压对应的拟合程度最佳的扭矩特性曲线，共记录M个最佳的扭矩特性曲线；
步骤(3)中选用MATLAB的Curve Fitting Toolbox拟合不同气压下每一条的转速和扭矩关系曲线；依次通过目视检查、验证和回归评价指标评价三个步骤选取最佳的扭矩特性曲线；
步骤(3)中Curve Fitting Toolbox工具拟合扭矩特性曲线时，回归评价指标包括R平方、误差平方和、均方根误差和自由度；记录时，每一条最佳拟合曲线对应有一个1*1的cfit量，同时对应有一个自定义名称，共M个cfit量，均保存在mat文件中；
(4)数值计算：根据步骤(3)记录的M个最佳扭矩特性曲线，计算目标气压范围及目标转速范围内的扭矩值，将结果记录在数据表中；
(5)模型建立：将步骤(4)记录的数据表导入至MATLAB/Simulink中，通过三维制表，建立缓速器扭矩特性计算模型，缓速器扭矩特性计算模型还设定有插值查表功能。
2.根据权利要求1所述的一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)中采用台架实验采集气压、转速和扭矩的数据值。
3.根据权利要求1所述的一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法，其特征在于，步骤(4)中扭矩值的计算方法为：用户自定义输入传动轴转速和气压，若气压小于步骤(1)实验中最低气压值，利用线性比例关系计算扭矩值；若气压大于步骤(1)实验中最高气压值，通过边界法计算出最高气压对应的扭矩值；若气压值在实验的气压范围内，通过步骤(3)得到的最佳扭矩特性曲线计算对应扭矩值；计算过程通过M文件执行。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种缓速器扭矩特性计算模型的建立方法，其特征在于，步骤(4)中目标气压范围为：0-300KPa，目标转速范围为：0-1800rpm。
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