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东北大学硕士学位论文摘要 金属带式无级变速器液压比例控制系统建模与仿真 摘要 汽车可以称得上是人们日常生活中必不可少的代步工具，从其诞生到现在一百多年 的时间里，汽车工业获得了飞速的发展。大量的高新技术被应用在汽车上，使得汽车工 业成为衡量一个国家制造业发展水平的标志。金属带式无级变速传动是汽车发展的一项 先进技术，适合于我国汽车变速器发展的要求。 金属带式无级变速器由于具有传动效率高、传递功率大、工作寿命长等优点，现在 已经广泛应用予汽车传动。金属带式无级变速器一般采用液压控制回路进行控制，本课 题研究的无级变速器采用液压比例控制，使汽车的工作质量发生了质的飞跃。无级变速 是汽车未来的发展趋势，与齿轮变速器相比最大的优点就是低油耗，因此备受消费者青 睐，具有广阔的市场前景。 本文是在原有研究成果基础上的深化，依据a l l 6 0 a 型c v t 的设计要求，全面改 进了原有的液压系统。重新设计齿轮泵、管路和重新选定液压阀，并对液压系统的密封 进行了细致的研究，找到泄露产生的原因和解决方法。 作者详细介绍了o l l 6 0 a 型金属带式无级变速器的结构和工作原理，分析得出液压 系统最主要的功能元件为比例换向阀和比例溢流阀，分别实现了对传动比和系统压力的 控制，用传递函数法分别建立了数学模型。 为了检验比例控制系统的性能，首先采用传统的p i d 控制方法进行控制和仿真。由 于本系统是非线性系统，选用神经网络p i d 自适应控制方法改进系统的性能，应用 m a t l a b 语言对控制系统进行了仿真研究，极大地简化了仿真工作，证实其具有较好 的控制效果，为控制系统的设计提供了理论依据。 文章最后提出了一种单片机控制系统的设计方案，包括对硬件部分、软件部分和仿 真输入信号的实现等方面的探讨，这个新的方案将有助于控制器的设计。 关键词：金属带式无级变速器；p i d 控制器：比例控制；神经网络；单片机 东北大学硕士学位论走 摘要 s t u d yo fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n o fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e mo f m e t a lv 二b e i rt y p e c o n t l n u o u s l yv a r l a b l et r a n s m i s s i o n a b s t r a c t a u t o m o b i l ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt r a n s p o r tt o o l si nm o d e r ns o c i e t y a u t o m o b i l e i n d u s t r yd e v e l o p e dv e r yq u i c k l ys i n c ei tn a l s s a n c e ，m o r ea n dm o r en e wt e c h n i q u e sw e r eu s e d i n t ot h ec a r , s oa st or e f l e c tt h el e v e lo fm a n u f a c t u r i n gi nac o u n t r y t h em e t a lv - b e h c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) i sa l la d v a n c e dt e c h n o l o g yt od e v e l o pp a s s e n g e r c a r - w h i c hc a r m e e tt h ed e m a n d st od e v e l o pt r a n s m i s s i o no f t h ep a s s e n g e rc a ri no u r c o u n 自d j n em e t a lv - b e l tc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o ni sp r e s e n t l ya c c e p t e df o rh i g h t r a n s m i tc a p a c i t y , e f f i c i e n c y ，a n dr e l i a b i l i t ye t c ，a n dg o tr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n t l yy e a r s i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm u l t i - a u t om o b i l et r a n s m i s s i o n s h y d r a u l i cc i r c u i tw a su s e di nt h e m e t a lv - b e l tc v ta si t sc o n t r o ls y s t e m d u r i n gr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g ya n dt h en e e d s o f t h em a r k e t s c v tc o n t r o l l e dw i t he l e c t r o n i c sh a sb e c o m i n gm o r e a v a i l a b l e t h ec a r s 、i mc v th a v es u p e r bd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ef o r m e rs t u d yw h i c hh a sb e e nm a d e a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to f o l l 6 0 a ，i m p r o v eo nt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m s u c ha sr e d e s i g n e d t h eg e a rp u m p ，p i p e l i n ea n dc h o s en e w p r o p o r t i o n a lv a l v e s a tt h es a m et i m er e s e a r c h e dt h e p r e s s u r i z e do fh y d r a u l i cs y s t e mi nd e t a i l ，f o u n do u tt h er e a s o no fl e a k i n ga n dr e s o l v et h i s p r o b l e m t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fg l l6 0 am e t a lv - b e l tc v t a m p l y t h ee l e c t r o - m a g n e tp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ec o n t r o lv a l v ea n dt h ee l e c t r o m a g n e tp r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a lv a l v ea r et h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t si nh y d r a u l i cs y s t e m ，n l ec h a n g eo f t r a n s m i s s i o nr a t i oa n dp r e s s u r ed e p e n do nt h e m m e t h o do ft r a n s f e rf u n c t i o na n a l y s i sw a s u s e dt oc r e a t em a t h e m a t i c a lm o d e io f t h e m i no r d e rt o t e s tt h ee l e c t r o n i ca n dh y d r a u l i cs e r v e - s y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n e dap i d c o n t r o l l e r ，b yr e a s o no ft h es y s t e mi sn o n l i n e a r , m e t h o do fn e r v en e t w o r kw a su s e dt o i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ee m u l a t i o nm o d e lo p e r a t e db ym a t l a bl a n g u a g e i ti s g r e a t l yp r e d i g e s t st h ee m u l a t i o nw o r k , a n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c y o b t a i nt h ec o n d u c t i o nt o o f f e rt h et h e o r yf o rt h en e x ts t e p 东北大学硕士学位论文摘要 a tl a s tb r o u g h tf o r w a r dab l u ep r i n ta b o u ts i n g l eb o a r dc o m p u t e rs y s t e m ，i n c l u d i n g h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dr e a l i z et h ei n - p u td a t a t h en e wm e t h o dw i l lr e d o u n dt od e s i g nt h e c o n t r o l l e r k e y w o r d s ：c v t ；p r o p o r t i o nc o n t r o l ；p i dc o n t r o l l e r ；n e r v en e t w o r k ； s i n g l eb o a r dc o m p u t e rs y s t e m - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果。与我做同一课题的老师和同学所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示感谢。 学位论文作者签名：关6 金磊 日期：谚形z ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和光 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名，否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着经济的发展和社会的进步，汽车逐渐成为生活中必不可少的一部分，这也促进 了汽车工业以及与之相关的产业的发展，同时人们对汽车性能的要求也逐步提高，其中 包括汽车的动力性、燃油经济性、尾气排放指标、舒适性等。影响汽车性能发挥的因素 有很多，如汽车本身的性能、驾驶员技术和道路状况等因素。对汽车性能的改进应扶改 进汽车本身性能着手，以优良的品质吸引消费者。当人们希望汽车在变速过程中能够更 加平滑、方便时，各种新式的变速器便应运而生，其中就包括本课题所要研究的液压比 例控制金属带式无级变速器。 变速器是汽车的重要动力传递部件，它的性能直接影响到发动机的动力输出，对其 进行研究和改进是很有实用意义的。现在市场上销售盼汽车装备的变速器主要有手动变 速器( m t ) 、自动变速嚣( a t ) 和无级变速器( c v t ) 。传统的手动变速器依然占主 导地位，以下对这三种变速器及它们的优缺点作简要介绍。 1 1 1 手动变速器 手动变速器( m t ：m a n u a lt r a n s m i s s i o n ) 采用齿轮组，由于每个档位的齿轮组的齿 数是固定的，所以各个档的变速比是一个定值( 也就是所谓的“级，) 。手动变速器是最常 见的变速器，它的基本构造用一句话概括，就是“两轴+ 中辅”，即指输入轴、输出轴 和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮 式变速器，内有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达至4 变速变扭的目的。主 要缺点是频繁的换档容易使驾驶员疲劳，同时也影响到汽车性能的发挥。 1 1 2 自动变速器 自动变速器( a t ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 是利用车速和负荷( 油门踏板的行程) 进 行双参数控制，档位可根据上面的两个参数自动升降。a t 与m t 的相同点就是二者都 是有级式变速器，只不过a t 能根据车速的快慢自动实现挡位的增减，可以消除手动档 汽车变速时“顿挫”的感觉。a t 是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过 液力传递和齿轮组合的方式实现变速变矩。其中液力变扭器是a t 最具特点的部件，它 由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，直接输入发动机动力传递扭矩和离合作用。 a t 不用离合器换档，档位少变化大，连接平稳。因此操作容易，既给 车人带来 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 方便，也使坐车人感到舒适。但缺点也很多，一是对速度的变化反应较慢，没有手动变 速器灵敏；二是油耗高、传动效率低、变矩的范围有限；三是机构复杂、修理困难。在 液力变扭器内高速循环流动的液压油会产生高温，所以必须用指定的耐高温液压油【1 1 。 1 1 3 无级变速器 无级变速器( c v t ：c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) 与有级式变速器的区别在于它 的变速比不是间断的点，而是一系列连续的值，譬如可以从3 4 5 5 一直变化到o 8 5 。c v t 结构比传统变速器简单、体积小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速 器中复杂的行星齿轮组。它主要靠主、从动锥轮和金属带实现传动比的无级变化，图1 1 即本田飞度汽车无级变速器的剖视图。 图l ，1 本匿飞度无级变速器 f i g 1 1c o n t i n u o u s l yv a f f a b l et r a n s m i s s i o no f h o n d a 这种变速器的主要有以下几个方面的优点： ( 1 ) 经济性1 2 1 c v t 汽车的经济性比a t 汽车提高约6 1 7 ，与m r 相当或略优。 ( 2 ) 动力性脚 c v t 汽车加速性能( o 一1 0 0 公黾，j 、时) 比a t 汽车加速性能提高7 5 1 1 5 ，速度 较高时即速性能优于m t 汽车。 ( 3 ) 传动效率 变速装置的传动效率将影响汽车的经济性和动力性。富士重工对其装备c v t 的 。2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 方便，也使坐车人感到舒适。但缺点也很多，是对速度的变化反应较慢，没有手动变 速器灵敏：二是油耗高、传动效率低、变矩的范围有限；三是机构复杂、修理困难。在 液力变扭器内高速循环流动的液压油会产生高温，所以必须用指定的耐高温液压油 f l 。 1 1 3 无级变速器 无级变速器( c v t ；c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 与有级式变速器的区别在于它 的变速比不是问断的点，而是一系列连续的值，譬如可以从3 4 5 5 一直变化到0 9 5 。c v t 结构比传统变速器简单、体积小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速 器中复杂的行星齿轮组。它主要靠主、从动锥轮和金属带实现传动比的无级变化，图11 即本田飞度汽车无级变速器的剖视图。 图1 1 本田飞度无级变速器 f i g 1 tc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o no f h o n d a 这种变速器的主要有以下几个方面的优点： ( i ) 经济性1 2 1 c v t 汽车的经济性i ：g a t 汽车提高约6 1 7 ，与m t 相当或略优。 ( 2 ) 动力性1 3 】 c v t 汽车加速性能( o - 1 0 0 公里，j 、时) 比a t 汽车加速性能提高7 5 j 1 5 ，速度 较高时即速性能优于m t 汽车。 ( 3 ) 传动效率 变速装置的传动效率将影响汽车的经济性和动力性。富士重工对其装备c v t 的 变速装置的传动效率将影响汽车的经济性和动力性。富士重工对其装备c v t 的 2 东北大学顾士学位论文 第一章绪论 s u b a r uj u s t y 汽车进行效率测定，结果为：e c v t 9 0 、五档机械变速器9 3 、三档自 动变速器8 2 8 5 。据荷兰v d t 公司近期实验结果，c v t 的传动效率已在9 2 9 6 之 间，比机械变速器效率略低 4 1 。 c v t 虽然只有最佳传动特性，但是由于它的传动效率还未达到机械传动的水平， 致使c v t 汽车的燃料经济性和动力性未能显著地超过多档机械变速器，这是目前c v t 研究课题之一。 ( 4 ) 排放 c v t 的速比工作范围宽，能够使发动机以最佳工况工作，从而改善了燃烧过程， 降低了废气的排放量。德国的z f 公司把生产的c v t 装车进行测试，其废气排放量比 安装4 a t 的汽车减少了大约l o 。 ( 5 ) 成本 产品的成本价格常依赖于产品技术含量、材料、制造工艺及工艺装备等因素。虽然 c v t 系统结构简单，零部件数目比a t ( 约5 0 0 个) 少约3 0 0 个，但它的关键部件要采用 优质钢材( 如余属带、锥轮盘和油泵等) ，加工过程比较复杂。一旦汽车制造商开始大 规模生产，c v t 的成本将会比a t 小3 0 4 0 。 为提高产品的竞争，应该着重考虑传动零件结构的合理设计、零部件加工工艺过程 的改进和零部件材料的合理选用，以进一步降低产品的成本。 ( 6 ) 驾驶平顺性 由于c v t 的速比变化是连续不断的，所以汽车的加速或减速过程非常平缓，使得 驾驶非常简单、舒适暇6 1 。 当前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行c v t 的研发工作。 现在n i s s a n 、t o y o t a 、f o r d 、g m 、a u d i 等著名汽车品牌中，都有配备c v t 变 速器的轿车销售，全世界c v t 轿车的年产量已达到近5 0 万辆。有点值得注意的是， 装备有c v t 的汽车市场，由最初的f j j 本、欧洲，已经渗透到北美市场，因此无级变速 汽车是当今汽车发展的主要趋势。在最近的十几年中，c v t 技术已经向前迈进了一大 步，使得c v t 比有超过1 0 0 年历史的机械变速器和有着超过5 0 年历史的自动变速器更 有竞争力。c v t 技术正处于寿命周期的开始，c v t 的性能将会迸一步提高 7 1 。 我们国家有巨大的汽车销售市场，汽车工业是我国的民族工业之一。然而我国汽车 业所需的自动变速器全部依赖迸口，这使得国产汽车配备a t 后成本增加很大，而装备 自行开发生产c v t 变速器，其成本提高不大，说明c v t 的市场前景十分乐观。目前我 国正在考虑发展轿车自动变速器的问题，在“九- 五”期间轿车金属带式无级自动变速器 的开发已经被列入国家的重大科技攻关计划，以跟踪汽车技术的发展和开发适合我国国 情的汽车。 如今，我国每年消耗的石油半以上依赖进口，石油紧缺己成为制约经济发展的瓶 颈，人们的节能意识普遍提高，油价的居高不下也成为制约汽车消费市场的大因素， 因此开发节能的无级变速器具有很好的市场前景 8 1 。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 无级变速器发展简介 c v t 技术的发展，已经有了一百多年的历史。德圈奔驰公司是在汽车上采用c v t 技术的舜祖，早在1 8 8 6 年就将v 型橡胶带式c v t 安装在该公司生产的汽油机汽车上。 1 9 5 8 年，荷兰的d a f 公司h v a nd o o m e 博士研制成功了名为v a i l o m a t i c 的双v 型橡 胶带式c v t ，并装备于d a f 公司制造的d a f f o d i l 轿车上，其销量超过了1 0 0 万辆。但 是由于橡胶带式c v t 存在一系列的缺陷：功率有限f 转矩局限于1 3 5 n m 以下) ，离合器 工作不稳定，液压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大，因而没有被汽车行业普遍接 受。然而提高传动带性能和c v t 传递功率极限的研究一直在进行，包括将液力变矩器 应用到c v t 系统中，主、从动轮的夹紧力实现电子控制，在c v t 中采用节能泵，传动 带用金属带代替传统的橡胶带。新的技术进步克服了c v t 系统原有的技术缺陷，导致 了传递转矩容量更大、性能更优良的第二代c v t 的面世 9 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，汽车界对c v t 技术的研究开发同益重视，特别是在微型车 中，c v t 被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新的电子技术与自动控制技 术不断应用到c v t 中。 1 9 9 7 年上半年，日本月产公司开发了使用在2 0 l 汽车上的c v t 。在此基础上，只 产公司在1 9 9 8 年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的c v t 。新型 c v t 采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高压液压控传g 系统，通过采用这些先进 的技术获得了传递较大转矩的能力。日产公司研究开发了先进的电子控制技术，传动比 的改变实行全档位电子控制，汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机转动，而且在 湿滑路丽上能够平顺地增加速比来防止打滑。日产公司计划将它的c v t 应用范围从1 0 l 扩大到3 0 l 的轿车。 只本三菱公司已用c v t 实现平顺、无能量损失地传递直喷式发动机的动力驱动汽 车。v 型传送带和传动轮机构可以保证在所有速率下发动机动力平顺、无间断地传递。 c v t 根除了传统的自动变速器通过齿轮换档时的打齿现象，从而获得更满意的响应和 控制。三菱公司准备采用直喷式发动机( 】5 l 或更小) 与c v t 组合。同本甯士重工拥有 1 5 年开发c v t 的经验。1 9 9 7 年5 月，富士重工将它的v i s t r o 微型车装配了全计算机控 制式e - c v t ( 含有六档手动换档模式的c v n ，驾驶员无须操作离合器就可以进行六档 变速。富士重工在p l e o 微型车上采用一种有锁止式变矩器的电控式c v t ，通过小范围 锁止可以使液力变矩器的滑动保持在最小值，行星齿轮用来切换前进档倒退档。传动 比范围从1 ：1 0 5 5 ：1 。 1 9 9 9 年上半年，美国的福特公司和德国z f 公司合作为福特公司的轿车和轻型载货 车生产c v t 。在巴达维亚和俄亥俄州新建的合资企业从2 0 0 1 年生产为福特公司设计的、 带有电子管理功能的c f t 2 3 型c v t 。z f 公司设计的c v t 是种变矩器式变速器，使 用为安装横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。z f 公司电能为安装纵向发动机的前轮 东北大学硕士学位论文第一章绪论 驱动汽车和后轮驱动汽车生产c v t 系列。z f 公司称：与四档自动变速器相比，c v t 系统能够将加速性能提高1 0 ，燃油经济性提高1 0 1 5 。与锁止式变矩器相比， c v t 系统在不漏油的前提下效率更高。福特公司j f 在设计一种与公司内所有轻型载货 车匹配的牵引驱动c v t ，包括后轮驱动和全轮驱动载货车。牵引驱动使用沿导轨的可 移动滑件代替传动带和传动轮，滑动部分的相对位置决定传动比，由一层部件间非常薄 的液压油传递动力。 德国z f 公司从1 9 9 9 年中期开始为r o v e r2 1 6 型汽车提供钢带驱动的v t i 型c v t 。 这种c v t 包括螺旋齿轮、变速器、合适的液压系统和湿式离合器。在系统中集成的e c u 可以允许机械、液力和电子系统进一步组合，这就更好地利用了各种系统的优点。德困 博世的电子式c v t 控制系统是基于传感器和执行器单元控制基础上的电子液力模块。 博世公司已经将独立部件、执行器、传感器和变速器换档e c u 组成一个单独的模块， 变速器制造商只需增加一个集成控制单元。 1 9 8 7 年，f f 本s u b a r u 把装备c v t 变速器的汽车投放市场，获得成功。欧洲的f o f d 和f i a t 也将v d t - c v t 装备于排量为1 1 l 到1 6 l 的轿车上。随着技术的发展，能源危 机引发全球性的节约能源和环境保护意识的提高，在总结第代的c v t 的经验基础上， 开发出了性能更佳，转矩容量更大的c v t 。 随着电子技术的进步，比例电磁铁在c v t 控制系统中得到应用，代替原来的机液 式控制系统，既提高了效率，又简化了结构。 1 3 神经网络p i d 控制系统概述 人工神经网络的研究至今已有6 0 年的历史，其发展过程曲折起伏。自2 0 世纪8 0 年代中期以来，人工神经网络引起了国内机械工程领域广大科研人员的浓厚兴趣，并进 行了大量的研究工作。使其应用领域极为广阔，几乎涉及到机械工程领域的各个方面。 人工神经网络能够在机械工程领域获得广泛应用，是神经网络模仿人脑结构及智能 行为，以及大规模并行处理、容错、自组织和自适应能力及联想功能等特性决定的。作 为种新的工具，人工神经网络不像专家系统需要事先建立知识库，依靠足够的训练样 本获取知识，训练合格的网络将知识存储在权系数中；人工神经网络能够模拟现实系统 复杂的输入输出关系，具有很强的非线性建模能力i 人工神经网络具有很好的容错性能， 在局部结点或连接失效、部分规则不掌握的情况下仍能正常工作等等。所有这些特点， 使得应用人工神经网络控制金属带式无级变速器成为可能。 神经网络通过相继给网络输入一些样本模式，并按照一定的学习算法，不断改变网 络各层的连接权值，使网络的输出不断地接近期望的输出值。应用较多的一种算法口q 做 b p 算法( e r r o r b a c k p r o p a g a t i o n ) ，即多层前馈网络误差反向传播算法。 b p 网络学习方法的基本思想是将训练过程分为两个阶段，第一阶段正向传播，输 入信息从输入层经隐含层单元处理后传向输出层，每层神经元的状态只是影响下一层 。5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 神经元状态。倘若在输出层得不到希望的输出，则转入第二阶段反向传播，将误差信号 沿原来的神经元连接通路返回。通过修改各层神经元的权值，逐次地向输入层传播进行 计算。这样，反复地运用这两个过程，使得误差信号最小，最后使得信号误差达到允许 的范围之内，网络就结束学习训练过程。 非线性系统的控制在近年来得到了进一步的发展，特别是神经网络的出现，神经网 络已经证明具有逼近任意连续有界非线性函数的能力，给非线性系统的控制带来了新的 思路，具有独到之处。由于神经网络具有自适应能力、并行处理能力和高度鲁棒性，采 用神经网络方法设计的控制系统将具有更快的速度( 实时性) 、更强的适应能力和鲁棒 性。神经网络用于控制系统设计，不需被控对象的数学模型，只需对神经网络进行在线 或离线训练，然后利用训练结果对系统进行控制。 常规的p i d 控制器是工业控制过程中的一种控制方法，结构简单、实现容易，且能 对绝大部分工业对象进行有效的控制。但其局限性在于：当被控对象具有复杂的非线性 特性，难以建立精确的数学模型，且由于对象和环境的不确定性，往往难以达到满意的 控制效果。因此借助神经网络得优点而提出的一种控制策略被称为神经网络p i d 控制。 p i d 控制要取得好的控制结果，就必须通过调整好比例、积分和微分三种控制作用在形 成控制量中相互配合又相互制约的关系，这种关系不一定是简单的线性关系，从变化无 穷的线性组合中可以找出最佳的关系。神经网络具有的任意非线性表达能力，可以通过 对系统性能的学习来实现具有最佳组合的p j d 控制1 1 0 i t , 1 2 1 。 1 。4 液压控制系统仿真 利用计算机作为研究工具，将实际系统模化成“模型”并在计算机上运行的过程称 为仿真。仿真可以缩短控制系统的设计周期，并且可以方便的实现各种方案的分析比较， 从而获得最优设计方案。 通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际模型、数学模型和计算机。 联系这三个要素有如下三个基本工作，即模型建立、仿真实验和结果分析。将实际模型 抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术，统称为建模问题；将 数学模型转换为可在计算机上运行仿真的模型，称为二次模型化。这些过程统称为仿真 实验f ”l 。 在本文中应用m a t l a b 进行仿真，它集成了s i m u l i n k 软件。m a t l a b 是一门 计算机编程语言，取名来源于m a t r i xl a b o r a t o r y ，本意是专门以矩阵的方式来处理计算 机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，除具备卓越的数值计算能 力外，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。 m a t l a b 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相 似，故用m a t l a b 来解决问题要比用c 、f o r t r a n 等语言简捷得多。当前流行的 m a t l a b6 5 s i m u l i n k4 0 拥有数百个内部函数的主包和三十几种工兵包( t o o l b o x ) 。工 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 具包又可以分为功能工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充m a t l a b 的符号计算、 可视化建模仿真、文字处理及实时控制等功能；学科工具包是专业性比较强的工具包， 控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。开放性使m a t l a b 广受用 户欢迎。除内部函数以外，所有m a t l a b 主包文件和各种工具包都是可读可修改的文 件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。 时至今日，经过m a t h w o r k s 公司的不断完善，m a t l a b 已经发展成为适合多学科， 多种工作平台的功能强大的大型软件。在国外，m a t l a b 已经经受了多年考验。 m a t l a b 已经成为计算线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序 列分析、动态系统仿真等的基本工具；在设计研究单位和工业部门，m a t l a b 被广泛 用于科学研究和解决各种具体问题州，”，”i 。 仿真技术应用于工程实际以来，在液压系统与液压控制元件上的应用大致可以归纳 为下述几个方面： ( t ) 对已有的液压元件或系统在数学建模的基础上，进行仿真研究。仿真的目的是 将仿真结果与实验结果进行比较，验证理论的准确程度，并不断通过修改数学模型和改 变仿真参数，使仿真结果更接近于实物实验结果，得到的数学模型作为今后改进和设计 类似元件或系统的理论依据。 ( 2 ) 对于已经设计好的系统，通过仿真试验，确定调整参数，仿真结果作为系统调 试的理论依据，从而缩短调试周期和避免损坏设备。 ( 3 ) 对于新设计的元件，可通过仿真研究元件各部分参数对其动态性能的影响，从 而确定满足性能要求的结构参数，为设计该元件提供所需的数据。 ( 4 ) 对于新设计的系统，通过仿真验证系统控制方案的可行性，研究系统结构参数 对动态性能的影响，由此获得最佳的控制方案和最优的系统结构参数。 1 5 本课题的主要工作 本课题是在参照荷兰p 一8 1 1 型和e t l 6 0 a 型无级变速器的基础上进行的，指导老师 宋锦春教授及几位师兄均对其进行过深入、细致的研究，本文是在上述课题研究基础上 的深化和发展。主要将液压系统和电液控制系统进行改进，建立数学模型并根据功率提 高的要求修改模型参数，并对建立的无级变速器系统进行p i d 控制仿真和神经网络控制 仿真。因此，本文在原论文的基础上查阅相关资料进行研究，主要完成以下几个方面的 工作： ( 1 ) 无级变速器系统液压比例控制系统的设计 原论文中设计的电液控制系统，仿真的效果非常好，但由于本文研究的无级变速器 的功率比原来提高5 0 ，导致结构和参数都有变化，因此必须对原系统进行修改，部分 元件需要重新设计，如液压系统油路、齿轮泵结构和集成控制阀块等。 ( 2 ) 建立无级变速器系统数学模型 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 变速器工作主要就是对传动比和金属带的夹紧力的控制，因此主要围绕着实现这两 个功能的元件建立数学模型。根据比例电磁阀参数和液压缸传递函数推出c v t 系统动 态过程的传递函数模型。 ( 3 ) 无级变速器系统p i d 控制仿真和神经网络控制仿真 在得到无级变速器系统数学模型的基础上，对此系统进行必要的简化，确立了整个 系统的研究目标，由此设计p i d 控制器，并且对p i d 控制器的参数作必要的优化。同 时为了进一步地研究无级变速器系统作为非线性系统的本质以及其非线性系统控制方 法与策略，应用比较成熟的神经网络控制的方法对系统进行神经网络控制的仿真，验证 其非线性控制能力。 ( 4 ) 单片机控制系统 本无级变速器用单片机进行控制。各种信号f 控制信号、传感器采集信号和路况等) 通过i o 转换接口等送入c p u 进行运算，输出信号经过模，数转换元件、放大器后驱动 执行元件实现特定功能，需要对控制系统硬件部分和软件部分进行初步研究。 8 - 东北大学硕士学位论文 第二章c v t 工作原理和工作模式 第二章c v t 工作原理和工作模式 2 1c v t 的工作原理 c v t 是由机械传动机构、液压系统和电子控制单元组成的。每一部分实现特定的功 能，所有的这些功能有机地组合在一起，实现了汽车的无级变速。下面分别介绍各个部 分的结构和工作原理。 2 1 1c v t 的机械机构和工作原理 c v t 的机械机构主要是由变速机构、前进循退转换机构和齿轮传动机构等组成。 发动机输出的动力首先传递到c v t 的主动锥轮，然后通过金属带传递到从动锥轮，最 后经二级减速齿轮、差速器传递给车轮来驱动汽车。c v t 的主动轮和从动轮都是由固 定锥盘和可动锥盘组成。主动盘和从动盘都是锥面结构( 如图2 1 ) 主动盘和从动盘 的锥面形成v 型槽与金属带啮合。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来 改变主动轮、从动轮锥面与金属带啮合的工作半径，从而改变传动比。 图2 1 c v t 的工作原理 f i g 2 it h ep r i n c i p l eo f c v t 主动盘的轴向位移量是由驾驶员根据需要调节主动轮液压缸的供油量和从动轮液压缸 的压力来实现的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现了无级 变速。汽车在起步时外界阻力很大，必须要有足够大的扭矩克服这些阻力。因此汽车开 始起步时，主动轮的工作半径较小，变速嚣可以获得较大的传动比，从而保证驱动桥具 有足够的扭矩，保证汽车具有较高的加速度。随着车速的增加，主动锥轮的工作半径逐 渐减小，从动轮的工作半径相应增大，从而使c v t 的传动比下降，使得汽车能够以更 高的速度行驶，如图2 2 所示。 口 东北大学硕士学位论文第二章c v t 工作原理和工作模式 图2 2 传动比变化示意图 f i g 2 2t h el t l u s t r a t i o no f t r a n s m i s s i o n 前进后退转换结构由双重小行星齿轮、前进用离合器和后退用割动器构成，离合 器机构如图2 3 所示。前进离合器与后退制动器均为金属片与非金属摩擦片间置的多片 式结构，由液压系统进行控制。前进档离合器中的非金属摩擦片与前进档离合器外导向 键啮合，金属片固定在主动锥轮可动端液压缸活塞上的导向槽中 后退制动器中的非金 属摩擦片与内齿圈的外导向键啮合，金属片固定在箱体上的导向槽中。 茸进翻括育备霉 八么 t ij 卜2 t 竹h z l i 管i ；- j l 旦 口 八 一f j 一 圈2 3 离合嚣机构示意图 f i g 2 3t h ei l l u s t r a t i o no f c l u t c h 空挡时，前进档离合器和倒档离合器都不通压力油，因而都松开，以切断发动机扭 矩的传递。此时由发动机驱动旋转的行星架带动双重小行星齿轮绕太阳齿轮旋转，由双 重小行星齿轮轴带动旋转的前进档离合器外导向键和与双重小行星齿轮外层小行星齿 1 0 东北大学硕士学位论文第二章c v t 工作原理和工作模式 轮啮合旋转的内齿圈的外导向键分别带动前进档离合器和倒档制动器多片式结构中的 非金属摩擦片空转。因为此时太阳齿轮不转动，与太阳齿轮内齿圈啮合的主动锥轮轴不 转动，发动机的扭矩传递被切断。 前进时，前进档离合器结合，倒档制动器松开。此时前进档离合器通压力油，倒档 制动器不通压力油。压力油将前进档离合器中的非金属摩擦片与金属片压在一起，使其 不能相对转动，因而主动锥轮可动端液压缸活塞被带动旋转，因为太阳齿轮与主动锥轮 可动端液压缸活塞焊接在一起，故太阳齿轮旋转，并带动与之啮合的主动锥轮轴正向旋 转，使汽车前进。 g l l 6 0 a 型无级变速器离合器行星齿轮机构参数： 2 ，= 3 6 乃= 7 2 前进离合器结合时传动比为： ：笙逸：三也：堡里：2 ( 2 - 1 ) 聍3 一胛甘毛z 2 3 6 1 5 7 倒档离合器结台时传动比为； 一二l + l ：2 。i h i = 一1 齿轮传动结构由中间减速齿轮、主减速齿轮及差速齿轮组成。齿轮传动结构为二级 减速。第一级减速是通过从动锥轮轴上的齿轮与中间减速齿轮的啮合传动，将从动锥轮 轴输出的转速和动力传递到中间齿轮轴上；第二级减速是通过中间齿轮轴上的另外一个 中间齿轮与主减速齿轮的啮合传动将转速和动力传递到驱动桥，驱动车轮转动。当汽车 转弯时，差速齿轮起作用，满足汽车转弯时内、外车轮转速不同的要求。 锥盘的锥面曲线和金属带都是c v t 的核心技术，八十年代由荷兰人开发的c v t 使 用v 型橡胶带传递动力，因没有足够的强度和耐磨性频繁出现故障，成为制约c v t 发 展的瓶颈，后来开发出了由金属制成的传送带解决了这个问题。金属带式无级变速器属 于摩擦式无级变速器，依靠锥盘和金属带的摩擦力传递动力，因此锥盘需要与金属带进 行持续不断摩擦，所以要求它要有足够的硬度。 目前各大汽车厂家开发出的金属带有很多种，如图2 。4 所示奥迪自动变速器的金属 带属于铰接链式。这种金属带具有较高的强度，工作时不容易打滑，缺点是在高速运行 时会出现多边形效应，产生周期性振动和很大的噪音，因此只能在中低速情况下工作。 东北大学硕士学位论文第二章c v t5 - 作原理和工作模式 图2 4 奥迪c v t 的金属带 f i g 2 4m e t a lb e l to fa u d i 在本课题中采用的是由阿束钢带环和几百个金属片构成，钢带环主要承受级向的拉 力，以保证传递足够的扭矩，如图2 5 所示。安装在钢带环上的金属片也可称之为推力 块，由它与锥盘进行摩擦，从而保证钢带环不受摩擦损坏，提高金属带的寿命。在汽车 启动时，会属带与锥盘直接摩擦，因此磨损也最严重。汽车正常行驶时，在金属带和锥 盘之间形成一层很薄韵油膜。在转动过程中，油膜不断被撕裂，同时产生很大的反作用 力，这样既能起到润滑作用、减轻金属带磨损，又能有效防止金属带打滑。 图2 5 本课题中的金属带示意图 f i g 2 ，5m o d e lo f m e t a lb e l ti nt h i sp r o j e c t 由图2 6 可以看到无级变速器各主要部件相对位置，发动机输出动力由离合器传到 主动锥盘，依靠金属带驱动从动锥盘，实现一级变速，再由与从动轴相连的齿轮实现二 级变速，最终经差速器后驱动车轮转动。为液压系统提供能源的齿轮泵与主动齿轮同轴， 通过芯轴与发动机输出轴相连，其转速与发动机输出转速保持致，保证了汽车在各种 工况下液压系统的工作需要。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章c v t 工作原理和工作模式 图2 6 无级变速器机械传动部分剖视图 f i g 2 6c u t a w a yv i e wo f m e c h a n i s mi nc v t 2 i 2 c v t 液压比例控制系统原理 液压比例控制系统是控制领域中的一个重要组成部分。它是在液压传动和自动控制 技术基础上发展起来的一门较新的科学技术，在各个领域得到了广泛的应用。液压伺服 系统也称为液压随动系统，在这个系统中，输出量( 如位移、速度、力等) 能自动地、