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 PDFInfo
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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
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:
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;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%];
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;
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,表示uk+i的转置;ek+i表示在输入电压uk+i下的误差,/>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,/>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:
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。
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%];
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;
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,表示uk+i的转置;ek+i表示在输入电压uk+i下的误差,/>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,/>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:
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;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%];
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;
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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