CN114941711B - 一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法 - Google Patents

一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法，是车辆作业过程中阻力发生小范围波动时，在不改变发动机工作状态下，通过对泵控马达调速模块的容积效率损失进行补偿，使车辆作业速度维持恒定；首先定性判断出阻力波动的方向，其次根据双流传动变速***当前传动模式与阻力波动的方向对变量泵排量调节方向进行划分，再次通过模型预测算法计算出变量泵补偿输入的电压，最后双流传动变速***控制器根据计算的电压去控制脉宽调制模块输出的占空比。本发明能解决车辆在遭遇小范围阻力波动时，及时补偿泵控马达调速模块的容积效率损失，使车辆作业速度维持不变，提高了调速控制的精度，保证了车辆作业效率。

Description

一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法
技术领域
本发明涉及车辆变速控制研究设计领域，具体是一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法。
背景技术
双流传动变速***既有机械支路传递功率，也有液压支路传递功率，而液压支路传递功率的方式为泵控马达调速方式，属于容积调速类型。泵控马达***在机械能-液压能-机械能转换过程会出现不同程度的容积损失，损失量大小与外部负载有直接关系，即泵控马达***容积效率随负载波动而变化。
现有技术大多将泵控马达***容积效率视为定值，采取定容积效率的方式对双流传动变速***进行调速时，当外界阻力波动，造成容积效率变化，使得实际车速低于或高于目标车速，影响作业质量和效率。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足之处，提出一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法，以期能在外部阻力发生变化小范围波动时，在不改变发动机的工作状态下，通过补偿容积效率的变化，使实际车速维持在目标车速附近，从而保证车辆作业质量和作业效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法的特点在于，包括以下步骤：
步骤1、利用式(1)获取双流传动变速***的目标输出转速与实际输出转速的差值Δω，从而确定阻力变化方向，所述阻力变化方向包括：阻力增大方向和阻力减小方向；
Δω＝ωobj-ω (1)
式(1)中，ωobj表示车辆行驶时在设定的目标车速v下，所述双流传动变速***输出的目标输出转速；ω表示转速传感器采集的双流传动变速***的实际输出转速；
步骤2、根据阻力变化方向与传动模式对变量泵的排量调节方向进行划分，包括：
当所述传动模式处于纯液压传动模式HST，且阻力变化方向为阻力增大方向时，增大所述变量泵的排量；
当所述传动模式处于纯液压传动模式HST，且阻力变化方向为阻力减小方向时，减小所述变量泵的排量；
当所述传动模式处于液压-机械双流传动模式HMT，且阻力变化方向为阻力增大方向时，减小所述变量泵的排量；
当所述传动模式处于液压-机械双流传动模式HMT，且阻力变化方向为阻力减小方向时，增大所述变量泵的排量；
步骤3、建立考虑容积效率的变量泵控马达***模型，利用模型预测控制算法MPC对所述变量泵控马达***模型进行计算，得到变量泵的排量调节机构的输入电压U；
步骤4、根据所述电压U，根据式(2)计算出所述双流传动变速***的控制器中脉宽调制模块输出的占空比dty，从而根据所述占空比dty对所述双流传动变速***进行调速控制；
dty＝U/Umax (2)
式(2)中，Umax是变量泵的排量调节机构中比例电磁铁的最大工作电压。
本发明所述的基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法的特也在于，所述步骤1中的阻力变化方向是按照以下方法确定的：
根据目标车速v和双流传动变速器的传动比计算出所述双流传动变速***的目标输出转速ωobj；
当外界阻力波动时，若双流传动变速***的实际输出转速ω低于目标输出转速ωobj时，即Δω＞0时，则令阻力变化方向为阻力增大方向；反之，令阻力变化方向为阻力减小方向。
利用式(3)建立变量泵-定量马达***的状态空间模型：
Figure BDA0003671905610000021
式(3)中，x＝[Vp ps ωm]T表示状态向量，Vp表示变量泵排量，ps表示变量泵控马达***管路高、低压侧的压力差，ωm表示定量马达轴转速，u＝[U TL]T表示输入向量，TL表示作用在马达轴上的负载扭矩，y＝ωm表示输出量，U表示变量泵的输入电压，ks表示变量泵排量到输入电压的增益，ts表示变量泵斜盘倾角的时间常数，βe表示液压油液的体积弹性模量，ωp表示变量泵轴转速，V0表示变量泵-定量马达***工作容积，Vm表示定量马达的排量，fm表示定量马达的粘性阻尼系数，Jt表示定量马达的转动惯量与负载转动惯量之和，TL表示作用在马达轴上的负载扭矩，ps表示变量泵控马达***管路高、低压侧的压力差，ωm表示定量马达轴转速；
Figure BDA0003671905610000031
Cs表示泵或马达的层流泄露系数，Vpmax表示变量泵的最大排量，μ表示工作油液动力粘度；K2＝CfVm，Cf表示机械阻力系数。
所述步骤3中模型预测控制算法MPC是按如下步骤进行：
步骤3B1、确定模型预测控制算法MPC中模型预测控制器的采样时间Ts，且Ts∈[Tr/Δ1,Tr/Δ2]，Tr表示考虑容积效率的泵控马达***的开环响应的上升时间，Δ1表示采样时间的下限值系数，Δ2表示采样时间的上限值系数，且Δ2＜Δ1；
步骤3B2、确定所述模型预测控制器的预测区间δ，δ∈[λ1Ts,λ2Ts]；λ1表示预测区间的下限系数，λ2表示预测区间的上限系数，且λ1＜λ2；
步骤3B3、确定所述模型预测控制器的控制区间，令控制区间是预测区间δ的χ倍，χ∈[10％,20％]；
步骤3B4、利用式(4)确定模型预测控制器的约束条件，包括：一个采样时间内泵控马达***电压输入的范围约束U、电压变化率的约束
Figure BDA0003671905610000032
泵控马达***输出转速的约束ωt；
Figure BDA0003671905610000033
式(4)中，Usp为变量泵输入电压额定值，ωsp为发动机最高输出转速；
步骤3B5、确定模型预测控制器的权重系数，包括：设置泵控马达***输出转速权重系数为w1，w1∈[0.9,1]；变量泵电压输入权重系数为w2，w2∈[0.4,0.5]；变量泵电压输入变化率权重系数为w3，w3∈[0.2,0.3]；
步骤3B6、利用式(5)构建模型预测控制器在k时刻求解的代价函数Jk，并得到使Jk最小的解即为变量泵的排量调节机构在k时刻的输入电压Uk；
Figure BDA0003671905610000041
式(5)中，Q、R、F为三个调节矩阵，uk+i表示在k时刻作预测控制时k+i时刻的输入电压，
Figure BDA0003671905610000042
表示uk+i的转置；ek+i表示在输入电压uk+i下的误差，/>
Figure BDA0003671905610000043
表示ek+i的转置；ek+p表示在k时刻作预测控制时，预测区间的最终误差，/>
Figure BDA0003671905610000044
表示ek+p的转置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明考虑了泵控马达调速模块容积效率随阻力波动而变化的情况，并基于针对变容积效率的现象进行调速控制，利用变量泵排量的调节来弥补容积效率的变化；从而避免了频繁调节发动机去适应阻力的变化，从一定程度上降低了燃油消耗率。
2、本发明根据目标车速和实际车速定性地判定出阻力波动的方向，并结合双流传动变速***传动模式对变量泵调节方向进行定性划分，为模型预测器计算出的电压值变化方向提供了参考。
3、本发明利用模型预测算法对变量泵排量调节结构输入电压(对应变量泵排量变化)进行定量计算，双流传动变速***控制器根据计算出的电压值去调节脉宽调制模块输出的占空比，保证了车辆速度维持在目标车速附近。
附图说明
图1为本发明中泵控马达调速模块简图；
图2为本发明中定容积效率和变容积效率调速对比图；
图3为本发明中双流传动变速***图；
图中标号：Z1为动力输入轴；C1为分动齿轮；Z2为分动轴；P1为双向变排量柱塞泵；F1为可调节流阀；M1为双向定排量马达；Z3为汇流轴；TY为汇流行星轮系太阳轮；XJ为汇流行星轮系行星架；CQ为汇流行星轮系齿圈；L1为HMT离合器；L2为HST离合器；
具体实施方式
本实施例中，如图1所示为泵控马达调速模块简图，部件1～10整体集成为泵-马达***，其中补油泵1轴与变量泵3轴通过联轴器联结在一起，其输出的液压油经过过滤器2向直控式比例方向阀5提供控制压力，并通过单向阀8向泵-马达***回路补油。两个溢流阀9用于维持变量泵-定量马达***回路高压侧的压力，溢流阀7用于维持低压回路压力，同时保证给直控式比例方向阀5提供的控制压力恒定。变量泵3和定量马达10组成了闭式液压泵-马达***，马达输出轴驱动汇流行星轮系中的太阳轮。一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法，包括以下步骤：
步骤1、利用式(1)获取双流传动变速***的目标输出转速与实际输出转速的差值Δω，从而确定阻力变化方向，阻力变化方向包括：阻力增大方向和阻力减小方向；
Δω＝ωobj-ω (6)
式(1)中，ωobj表示车辆行驶时在设定的目标车速v下，双流传动变速***输出的目标输出转速；ω表示转速传感器采集的双流传动变速***的实际输出转速；
具体实施中，阻力变化方向是按照以下方法确定的：
根据目标车速v和双流传动变速器的传动比计算出双流传动变速***的目标输出转速ωobj；
当外界阻力波动时，若双流传动变速***的实际输出转速ω低于目标输出转速ωobj时，即Δω＞0时，则令阻力变化方向为阻力增大方向；反之，令阻力变化方向为阻力减小方向。
步骤2、根据阻力变化方向与传动模式对变量泵的排量调节方向进行划分，包括：
当传动模式处于纯液压传动模式HST，且阻力变化方向为阻力增大方向时，增大变量泵的排量；
当传动模式处于纯液压传动模式HST，且阻力变化方向为阻力减小方向时，减小变量泵的排量；
当传动模式处于液压-机械双流传动模式HMT，且阻力变化方向为阻力增大方向时，减小变量泵的排量；
当传动模式处于液压-机械双流传动模式HMT，且阻力变化方向为阻力减小方向时，增大变量泵的排量；
步骤3、建立考虑容积效率的变量泵控马达***模型，利用模型预测控制算法MPC对变量泵控马达***模型进行计算，得到变量泵的排量调节机构输入的电压U；
具体实施中，如图2所示，常规调速控制将泵控马达***容积效率视为定值，而实际工作中，泵控马达***容积效率受液压***压力的影响，表现为：随压力变化，容积效率也发生变化，在固定的变量泵排量比输入下，液压***压力越大，双流传动模块输出转速偏离目标转速越大。因此考虑容积效率的变量泵控马达***模型按式(3)计算得到：
Figure BDA0003671905610000061
式(3)中，ps表示变量泵控马达***管路高、低压侧的压力差，Vpmax表示变量泵的最大排量，ωp表示变量泵轴转速，e表示变量泵控马达***排量比系数，Vm表示定量马达的排量，ωm表示定量马达轴转速，βe表示液压油液的体积弹性模量，V0表示变量泵-定量马达***工作容积，TL表示作用在马达轴上的负载扭矩，Jt表示定量马达的转动惯量与负载转动惯量之和，fm表示定量马达的粘性阻尼系数，Cs表示泵或马达的层流泄露系数，μ表示工作油液动力粘度，Cf表示机械阻力系数。
在ph＜＜βe，因此可(Vpωp+Vmωm)·ps/βe项忽略不计，
Figure BDA0003671905610000063
利用式(4)建立变量泵-定量马达***的状态空间表达式为：
Figure BDA0003671905610000062
式(4)中，x＝[Vp ps ωm]T表示状态向量，u＝[U TL]T表示输入向量，y＝ωm表示输出量，U表示变量泵输入电压，ks表示变量泵排量到输入电压的增益，ts表示变量泵斜盘倾角的时间常数。
具体实施中，模型预测控制算法MPC是按如下步骤进行：
步骤3B1、确定模型预测控制算法MPC中模型预测控制器的采样时间Ts，且Ts∈[Tr/Δ1,Tr/Δ2]，Tr表示考虑容积效率的泵控马达***的开环响应的上升时间，Δ1表示采样时间的下限值系数，Δ2表示采样时间的上限值系数，且Δ2＜Δ1；
步骤3B2、确定模型预测控制器的预测区间δ，δ∈[λ1Ts,λ2Ts]；λ1表示预测区间的下限系数，λ2表示预测区间的上限系数，且λ1＜λ2；
步骤3B3、确定模型预测控制器的控制区间，令控制区间是预测区间δ的χ倍，χ∈[10％,20％]；
步骤3B4、利用式(4)确定模型预测控制器的约束条件，包括：一个采样时间内泵控马达***电压输入的范围约束U、电压变化率的约束
Figure BDA0003671905610000071
泵控马达***输出转速的约束ωt；
Figure BDA0003671905610000072
式(4)中，Usp为变量泵输入电压额定值，ωsp为发动机最高输出转速；
步骤3B5、确定模型预测控制器的权重系数，包括：设置泵控马达***输出转速权重系数为w1，w1∈[0.9,1]；变量泵电压输入权重系数为w2，w2∈[0.4,0.5]；变量泵电压输入变化率权重系数为w3，w3∈[0.2,0.3]；
步骤3B6、模型预测控制器需要找到最接近参考输入的转速预测曲线，这时需要优化器发挥作用，利用式(5)构建模型预测控制器在k时刻求解该优化问题的代价函数Jk，并得到使Jk最小的解即为变量泵的排量调节机构在k时刻的输入电压Uk；
Figure BDA0003671905610000073
式(5)中，Q、R、F为三个调节矩阵，uk+i表示在k时刻作预测控制时k+1时刻的输入电压，
Figure BDA0003671905610000074
表示uk+i的转置；ek+i表示在输入电压uk+i下的误差，/>
Figure BDA0003671905610000075
表示ek+i的转置；ek+p表示在k时刻作预测控制时，预测区间的最终误差，/>
Figure BDA0003671905610000076
表示ek+p的转置。
具体实施中，将上述参数输入MATLAB/Simulink中的模型预测控制工具箱，在每一采样时刻，计算出变量泵的排量调节机构的输入电压U；
步骤4、根据电压U，根据式(2)计算出双流传动变速***的控制器中脉宽调制模块输出的占空比dty，从而根据占空比dty对双流传动变速***进行调速控制；
dty＝U/Umax (8)
式(2)中，Umax是变量泵的排量调节机构中比例电磁铁的最大工作电压。
具体实施中，图3为双流传动变速***传动简图，控制传动***中的HMT离合器L1、HST离合器L2和液压泵排量的调节可以实现双流传动***传动模式的转变。如：结合HST离合器L2，分离HMT离合器L1，液压泵排量不为零时，此时双流传动变速***处于纯液压传动模式HST；结合HMT离合器L1，脱离HST离合器L2，液压泵排量不为0，此时双流传动***处于液压机械双流传动模式HMT。

Claims (4)

1.一种基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用式(1)获取双流传动变速***的目标输出转速与实际输出转速的差值Δω，从而确定阻力变化方向，所述阻力变化方向包括：阻力增大方向和阻力减小方向；
Δω＝ωobj-ω (1)
式(1)中，ωobj表示车辆行驶时在设定的目标车速v下，所述双流传动变速***输出的目标输出转速；ω表示转速传感器采集的双流传动变速***的实际输出转速；
步骤2、根据阻力变化方向与传动模式对变量泵的排量调节方向进行划分，包括：
当所述传动模式处于纯液压传动模式HST，且阻力变化方向为阻力增大方向时，增大所述变量泵的排量；
当所述传动模式处于纯液压传动模式HST，且阻力变化方向为阻力减小方向时，减小所述变量泵的排量；
当所述传动模式处于液压-机械双流传动模式HMT，且阻力变化方向为阻力增大方向时，减小所述变量泵的排量；
当所述传动模式处于液压-机械双流传动模式HMT，且阻力变化方向为阻力减小方向时，增大所述变量泵的排量；
步骤3、建立考虑容积效率的变量泵控马达***模型，利用模型预测控制算法MPC对所述变量泵控马达***模型进行计算，得到变量泵的排量调节机构的输入电压U；
步骤4、根据所述电压U，根据式(2)计算出所述双流传动变速***的控制器中脉宽调制模块输出的占空比dty，从而根据所述占空比dty对所述双流传动变速***进行调速控制；
dty＝U/Umax (2)
式(2)中，Umax是变量泵的排量调节机构中比例电磁铁的最大工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法，其特征在于，所述步骤1中的阻力变化方向是按照以下方法确定的：
根据目标车速v和双流传动变速器的传动比计算出所述双流传动变速***的目标输出转速ωobj；
当外界阻力波动时，若双流传动变速***的实际输出转速ω低于目标输出转速ωobj时，即Δω＞0时，则令阻力变化方向为阻力增大方向；反之，令阻力变化方向为阻力减小方向。
3.根据权利要求1所述基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法，其特征在于，利用式(3)建立变量泵-定量马达***的状态空间模型：
Figure FDA0003671905600000021
y＝[0 0 1]Tx
式(3)中，x＝[Vp ps ωm]T表示状态向量，Vp表示变量泵排量，ps表示变量泵控马达***管路高、低压侧的压力差，ωm表示定量马达轴转速，u＝[U TL]T表示输入向量，TL表示作用在马达轴上的负载扭矩，y＝ωm表示输出量，U表示变量泵的输入电压，ks表示变量泵排量到输入电压的增益，ts表示变量泵斜盘倾角的时间常数，βe表示液压油液的体积弹性模量，ωp表示变量泵轴转速，V0表示变量泵-定量马达***工作容积，Vm表示定量马达的排量，fm表示定量马达的粘性阻尼系数，Jt表示定量马达的转动惯量与负载转动惯量之和，TL表示作用在马达轴上的负载扭矩，ps表示变量泵控马达***管路高、低压侧的压力差，ωm表示定量马达轴转速；
Figure FDA0003671905600000022
Cs表示泵或马达的层流泄露系数，Vpmax表示变量泵的最大排量，μ表示工作油液动力粘度；K2＝CfVm，Cf表示机械阻力系数。
4.根据权利要求3所述基于容积效率补偿的双流传动变速***的调速控制方法，其特征在于，所述步骤3中模型预测控制算法MPC是按如下步骤进行：
步骤3B1、确定模型预测控制算法MPC中模型预测控制器的采样时间Ts，且Ts∈[Tr/Δ1,Tr/Δ2]，Tr表示考虑容积效率的泵控马达***的开环响应的上升时间，Δ1表示采样时间的下限值系数，Δ2表示采样时间的上限值系数，且Δ2＜Δ1；
步骤3B2、确定所述模型预测控制器的预测区间δ，δ∈[λ1Ts,λ2Ts]；λ1表示预测区间的下限系数，λ2表示预测区间的上限系数，且λ1＜λ2；
步骤3B3、确定所述模型预测控制器的控制区间，令控制区间是预测区间δ的χ倍，χ∈[10％,20％]；
步骤3B4、利用式(4)确定模型预测控制器的约束条件，包括：一个采样时间内泵控马达***电压输入的范围约束U、电压变化率的约束
Figure FDA0003671905600000031
泵控马达***输出转速的约束ωt；
Figure FDA0003671905600000032
式(4)中，Usp为变量泵输入电压额定值，ωsp为发动机最高输出转速；
步骤3B5、确定模型预测控制器的权重系数，包括：设置泵控马达***输出转速权重系数为w1，w1∈[0.9,1]；变量泵电压输入权重系数为w2，w2∈[0.4,0.5]；变量泵电压输入变化率权重系数为w3，w3∈[0.2,0.3]；
步骤3B6、利用式(5)构建模型预测控制器在k时刻求解的代价函数Jk，并得到使Jk最小的解即为变量泵的排量调节机构在k时刻的输入电压Uk；
Figure FDA0003671905600000033
式(5)中，Q、R、F为三个调节矩阵，uk+i表示在k时刻作预测控制时k+i时刻的输入电压，
Figure FDA0003671905600000034
表示uk+i的转置；ek+i表示在输入电压uk+i下的误差，/>
Figure FDA0003671905600000035
表示ek+i的转置；ek+p表示在k时刻作预测控制时，预测区间的最终误差，/>
Figure FDA0003671905600000036
表示ek+p的转置。
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US5784883A (en) * 1994-11-09 1998-07-28 Komatsu Ltd. Method of controlling speed change of hydraulic drive device for vehicle and speed change device
CN110397732A (zh) * 2019-08-02 2019-11-01 合肥工业大学 一种考虑hmt变速器效率的动力性变速优化控制方法

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