（机械电子工程专业论文）液力变矩变速器自动换档控制技术研究.pdf

本人郑重声明： 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：五一 日期：知f 1 年f 月e l 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 明五7 日期：2 。i 口年f 月f 日 摘要 摘要 本文液力变矩变速器自动换档控制技术的研究主要涉及到换挡策略确定、 仿真与试验技术以及嵌入式自动换挡平台的搭建，其中换挡策略确定是核心工 作，通过仿真建模系统验证换挡策略的有效性，再将该策略在嵌入式自动换挡 平台中实现。 控制策略选用的优劣对换挡控制系统性能有直接的影响。因此在研究中根据 实际情况，对四参数、智能模糊换挡算法进行改进，并引进神经网络换挡算法， 综合以上三种换挡算法，提出了加权换挡控制算法。在已有的研究成果中大部 分基于当前采样点的数据去控制输出，很少或者没有考虑到历史采样数据，通 过研究，提出了引用历史采样数据评判换挡操作，适当修正换挡控制输出。 仿真系统采用v i s u a lc + + 6 0 开发实现，应用m v c 设计模式。仿真系统中 经过验证的换挡控制策略可以平滑地移植到a r m 7 中。仿真系统通过图形化界面 显示各个传感器的参数以及档位输出，按照预先编制的测试数据完成一次测试， 分析自动换挡控制算法的优劣，找出换挡控制算法有待改进的地方。 嵌入式自动换挡平台控制器采用a r m 7 系列的s 3 c 4 4 b o x 作为主控制器，整个 系统是一个前、后台程序：前台程序包括档位决策、档位输出、g p r s 上传数据 和通信协议维护；后台程序通过定时器中断( 周期2 0 0 m s ) ，实时采集泵轮转速、 涡轮转速、油门位置和工作泵压力数据。档位决策通过运行加权换挡控制算法 来实现，同时也注重燃油经济性以及换档品质。 为了使嵌入式自动换挡平台试验数据实时传输到远程控制中心，目前在该平 台中加入了g p r s 模块。采用点到点协议提高通信的可靠性。基于g p r s 无线网 络的远程通信技术则是一种实施方便、成本低廉的方案，而且控制终端有很好 的移动性能，受环境设施限制少，符合本研究的应用。在移动运营商3 g 网络成 熟时，能通过实时数据监控模块扩展更多的功能，为课题的后续研究留有空间。 通过仿真研究，本文提出的自动换挡控制算法符合预期设计的要求，能够满 足工程车辆的自动换挡要求。 关键词：液力变矩变速器；自动换挡；模拟仿真；a l 蝴；点到点协议 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fa u t o m a t i cs h i f tc o n t r o lt e c h n o l o g yo fh y d r a u l i cc o n v e r t e r t r a n s m i s s i o ni sm a i n l yr e l a t e dt os h i 衔n gs t r a t e g ys e t t i n g , s i m u l a t i o na n dt 懿f i n g t e c h n i q u 铭a n dt h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e dp l a t f o r mf o ra u t o m a t i cs h i f tc o n t r 0 1 t h ec o r ew o r ko ft h er e s e a r c hi sh o wt od e t e r m i n et h es h i f t i n g s t r a t e g i e s ，t h e e f f e c t i v e n e s so ft h es h i f t i n gs t r a t e g i e si sv e r i f i e db ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，a n dt h e s h i f t i n gs t r a t e g i e sa r e a c h i e v e di nt h ee m b e d d e dp l a t f o r mo ft h ea u t o m a t i cs h i f t t h ep r o sa n dc o n so ft h es e l e c t e ds t r a t e g yo fs h i r i n gc o n t r o lh a v ead i r e c ti m p a c t o ns y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i nt h i si s s u et h ef o u rp a r a m e t e r sa n di n t e l l i g e n t f u z z ys h i f ta l g o r i t h m s i s i m p r o v e d , a n d n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l a l g o r i t h m i s i n t r o d u c e d 恸g h t e ds h i f tc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e da f t e ru n d e r s t a n d i n ga l lt h r e e s h i f ta l g o r i t h m 1 1 h em a j o r i t yo fr e s e a r c hh a sb e e nb a s e do nt h ec u r r e n ts a m p l i n g p o i n td a t at oc o n t r o lt h eo u t p u t , w i 廿ll i t t l e o rn oa c c o u n to ft h eh i s t o r i c a ls a m p l i n g p o i n td a t a h o w e v e r , i nt h i si s s u e ，m a k i n gr e f e r e n c et ot h eh i s t o r i c a ls a m p l i n gd a t ai s a p p l i e dt ot h ee v a l u a t i o no ns h i f to p e r a t i o n , w i t ha na p p r o p r i a t ea m e n d m e n tt oo u t p u t o fs h i f tc o n t r 0 1 t h ei m p l e m e n to fs i m u l a t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e db yv i s u a lc + + 6 0 d e v e l o p e r sa n dm v cd e s i g np a t t e r n c o n t r o ls t r a t e g yt e s t e di nt h es i m u l a t i o ns y s t e m c a nb es m o o t h l ym i g r a t e dt ot h ea r m 7 t h es i m u l a t i o ns y s t e mt h r o u g ht h eg r a p h i c a l i n t e r f a c es h o w st h ep a r a m e t e r so fe a c hs e n s o ra n dt h eo u t p u to fs h i f t ，a c c o r d i n gt ot h e p r e p a r a t i o no fap r e - t e s td a t at oc o m p l e t eat e s t t h ep r o sa n dc o n so ft h ea u t o m a t i c s h i f tc o n t r o la l g o r i t h mc a r lb ea n a l y s i e da n di d e n t i f i e df o ri m p r o v e m e n t a r m 7f a m i l ys 3 c 4 4 b o xc o n t r o l l e re m b e d d e dd e v i c e si st h ep r i m a r yc o n t r o l l e r a n dt h ew h o l es y s t e mi saf r o r ea n db a c kp r o c e s s f o r e g r o u n dp r o c e s si n c l u d e st h e d e c i s i o n m a k i n g ，s h i f to u t p u t ，g p r su p l o a dd a t aa n dm a i n t e n a n c eo fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s b a c k g r o u n dp r o c e s s 舶mt h et i m e ri n t e r r u p t ( p e r i o d2 0 0 m s ) c o l l e c t e s p u m pw h e e ls p e e d ，t u r b i n es p e e d ，t h r o t t l ep o s i t i o na n dt h ew o r ko fp u m pp r e s s u r e d a t ar e a l - t i m e t h ea u t o m a t i cs h i f ti sa c h i e v e db yt h ep r o p o s e dw e i g h t e ds h i f tc o n t r o l a l g o r i t h m f u e le c o n o m y a n ds h i f tq u a l i t yi sa l s of o c u s e do n i i a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nr e q u i r e r n e n t s k e yw o r d s ：h y d r a u l i cc o n v e r t e rt r a n s m i s s i o ma u t os h i f t ；s i m u l a t i o n ；a r m ；p o i n t t op o i n tp r o t o c o l ； i i i 摘要 a b s t i 认c t 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 1 2 国内外研究现状 1 3 本论文的研究内容 1 4 本文的结构 第二章自动换挡控制算法研究7 2 1 四参数换挡控制算法7 2 1 1 同类型换挡算法的改进7 2 1 2 改进后的四参数换挡控制算法设计8 2 2 智能模糊换挡控制算法1 0 2 2 1 同类型换挡算法的改进1 0 2 2 2 改进后的智能模糊换挡控制算法1 1 2 3 前向神经网络换挡控制算法1 3 2 3 1 算法引进的目的1 3 2 3 2 前向神经网络换挡控制算法1 4 2 4 加权换挡控制算法1 6 2 5 循环换挡处理算法1 8 2 6 小结1 9 第三章自动换挡策略仿真研究2 0 3 1 仿真系统支持平台和设计模式2 0 3 1 1 仿真系统支持平台2 0 3 1 2 仿真系统设计模式2 2 3 2 仿真系统运行流程2 4 3 3 仿真系统各功能模块2 5 3 3 1 数据库访问模块2 5 3 3 2 模拟数据模块2 8 3 3 3 换挡策略模块3 1 3 3 4 仿真运行模块3 4 3 3 5 报表、日志模块3 8 i v 目录 3 4 仿真结果分析一4 1 3 5 小结4 4 第四章嵌入式自动换挡平台设计开发4 5 4 1 硬件设计4 5 4 1 - 1 硬件设计的总体结构4 5 4 1 2 硬件资源介绍4 6 4 1 3 传感器选择及外围电路5 1 4 2 软件设计5 6 4 2 1 软件的设计思路和开发环境5 6 4 2 2 嵌入式自动换挡平台的主程序设计5 7 4 2 3 嵌入式自动换挡各功能模块程序设计5 8 4 3d 、结6 6 第五章实时数据监控6 8 5 1 远程通信方案6 8 5 2g p r s 模块编程操作6 9 5 3 点到点通信协议7 1 5 4 服务器端协议的实现7 3 5 5 小结7 6 第六章结论与展望7 7 6 1 结论7 7 6 2 展望7 7 参考文献7 9 致谢8 1 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果8 2 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 工程车辆特别是循环作业的牵引式工程车辆，其负载的变化为一个剧烈波 动的非平稳随机过程，经常在极短的时间内由零到最大，或者由最大到零。在 复杂的工况情况下为了保证车辆有好的动力性、燃油经济性以及高的作业效率， 必须使传动系统有最好的效率【1 1 。对于采用液力机械传动的工程车辆而言，要求 液力变矩器经常工作在高效区。当液力变矩器的传动效率降低到非高效工作区 后，只需要降低变速箱的档位，在满足足够的牵引力大小要求的情况下，可使 液力变矩器重新回到高效区工作。但对于装载机、铲运机等工程车辆由于工况 恶劣，频繁换挡就不可避免，从而使操作者的劳动强度大大提高。 为了使操作者能从频繁的换挡工作中解放出来，使其精力更加集中完成作 业，有必要实现工程车辆的自动换挡。因此对装载机、铲运机等工程车辆的传 动系实现自动换挡具有实际意义。工程车辆采用全自动变速控制系统后，能够 在很大程度上消除了驾驶员换挡技术的差异性，同时减轻驾驶员劳动强度、提 高生产率，并且为整车提供了好的传动比转换性能。因此也提高了燃油经济性， 减少了废气排放。 目前国内各家生产装载机、铲运机等工程车辆的厂商之间竞争激烈，研究 开发具有自主知识产权并与整车高度匹配的电控液力变矩变速器，对提高中国 工程车辆产品技术的含量，增加产品的品种，拓宽市场，提高竞争力具有十分 现实和重要的意义。 计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平【2 1 。在生产过程 中，应用数据采集系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提 高产品质量，降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可 获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。不论在哪个应用领域 中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。同 时，软件业的发展也使得软件在数据采集系统中的应用越来越广泛，增加了系 统设计的灵活性。本文利用w i n d o w s 图文界面的优点，将自动换挡策略首先在 w i n d o w s 平台的模拟器中实现，模拟器的开发工具采用v i s u a lc + + 6 0 ，其换挡 策略的算法采用c 语言实现，这样就可以平滑的移植到a r m 7 嵌入式设备控制 系统中【3 1 ，为台架试验和整车试验节省时间和成本。同时开发一个带有远程实时 数据上传的嵌入式自动换挡平台，可以在监控中心的上位机上实时分析换挡策 略的有效性。 1 2 国内外研究现状 对于工程车辆自动换档控制技术研究，各个国家都投入了极大的热情，美 国通用汽车公司在1 9 4 5 年成功推出全世界第一台用于卡车和公共汽车的全自动 变速器，它的出现推动了自动变速技术在工程车辆上的应用。8 0 年代初期， v o l v o 装载机变速器首次采用电子控制自动换挡。 德国z f 公司的w g z o o 动力换挡变速器为四前三倒，其中一档只用于铲土 阻力较大时使用，其换挡策略充分考虑了装载机作业时的特殊性，设置了k d ( o p k i c k d o w n ) 键来快速降入一挡，增大推进力，铲土完成后，直接倒二挡退出。 通过k d 键的设置，大大简化了操作过程，提高了生产率，减轻了司机的劳动强 度。但这套系统的缺点是自动化程度不高，虽然简化了操作，但所有操作都需 要人的参与，仍不是真正意义上的自动变速。 卡特比勒公司研制的电子控制变速器是一种整体控制系统，可对发动机、 变速器和整机进行控制，可控制发动机转矩、油耗、油液液面高度等。 小松公司的w a s o o - 3 和w a 6 0 0 3 装载机可以根据工作方式和操纵杆位置 的不同而在一定范围内实现自动变速，并且具有自动降挡开关，在2 挡或车速 1 2 k m h 以下，操作降挡开关则可降为l 挡。若想保持3 挡或4 挡，只需按下动 臂操纵杆旁边的保持开关，便能保持该挡不变。目前，日本小松公司已经开始 开发研制无人驾驶装载机，走在世界工程机械的前列。 日本川崎重工公司的k l d 9 7 z 型轮式装载机采用的自动换挡控制变速器， 由微型计算机判断车速与发动机匹配的最佳速度范围，并对变速用的电磁阀进 行控制，实现自动变速或自动制动控制。其控制器易于进行动作的确认和故障 诊断，并具有自诊断功能。由于采用电子式变速控制，变速杆的前进与后退及 换挡操作就变成为指触式，使运转操作十分轻便，减轻了司机的疲劳强度。 瑞典v o l v o 公司开发使用的自动换挡变速器具有世界先进水平。该公司的轮 式装载机配备了全自动换挡控制器，变速器的换挡选择装置是由电磁阀控制的， 2 第一章绪论 电磁阀装在变速器壳上，装置在驾驶室内的微型计算机将变速器上的发动机传 感器和车轮速度传感器所采集的信息加以处理，再把信息传送给电磁阀，令电 磁阀控制装载机在最佳时刻换挡，且永不错位换挡。从而减少循环时间，提高 生产率，降低油耗，提高了作业的经济性。 美国克拉克( c l a r k ) 公司变速器设有自动换挡变速控制系统，该系统中的 微处理器可收集发动机油门、变矩器、变速器等装置的各种信号并加以处理而 变成电信号，使变速器在适当的时候自动换挡，缩短作业循环时间，燃油消耗 量可降低1 5 ，同时减少换挡冲击，增加司机操作舒适性。到9 0 年代中期，美 国7 0 以上的工程机械装备了自动变速器，日本达到了6 0 ，欧洲发达国家也 达到了3 0 。对工程车辆传动系实现自动控制，是提高整机自动化水平和产品 性能价格比的一项关键技术。可以预见，将电子技术、自动控制技术和人工智 能技术应用于工程机械，实现自动控制并达到较高的控制水平，是今后发展的 必然趋势。 目前，我国工程机械的整体水平较低，许多关键性技术没有突破，特别是 在提高作业效率，减少工作强度方面尤为突出。以装载机为例，现在完全自主 生产的各种装载机，都是使用手动换挡方式，最先进的也只是将传动装置中的 纯液压操纵改为电液操纵，并无实质性突破。直到九十年代，特别是“九五一 国家重大引进技术消化吸收“施工机械 、“一条龙 的计划项目中，重大机械 装备如5 4 立方米轮式装载机、4 2 吨集装箱叉车上，为反映世界九十年代水平 要求才采用了自动变速器，但是自动变速器是从美国c l a r k 公司引进的，我们 国家并没有自主知识产权。“八五 期间国家重大引进技术消化吸收“一条龙 项目中，引进的美国c a t 9 6 6 e 轮式装载机还是动力换挡变速器，而美国c a t 公司自己生产的9 6 6 f 轮式装载机己经装备自动变速箱。柳州工程机械股份有限 公司生产的z l s o d 轮式装载机采用和德国z f 公司合资生产的自动变速器，不 仅价格昂贵，而且其核心的电控技术仍由德方控制。山东工程机械集团有限公 司己开始在引进的日本小松d 1 5 5 推土机上进行自动变速系统的开发。但是这些 厂家仍只停留在引进传动装置总成的阶段，对于技术的引进力度仍很欠缺。因 此，我国迫切需要加强对国产品牌的工程机械自动变速器的研究。 国内对自动换挡技术也有一些研究。清华大学汽车安全与节能国家重点实 验室张勇博士后在模糊控制自动换挡系统的基础上，采用修正模糊量化因子的 方法，建立了工程车辆的模糊自适应换挡系统。吉林大学龚杰博士针对液力自 3 第一章绪论 动变速器存在低效率的问题提出效率换挡策略【4 】，并对这一换挡规律进行了初步 探讨，并通过台架实验验证了其可行性。长春工业大学的硕士战玉全对工程车 辆四参数自动变速技术研究【5 】，以z l 5 0 e 轮式装载机的传动系为研究对象，在 工程车辆三参数自动变速换挡策略基础上，增加了一个控制参数：工作泵压力。 国内也有一些研究人员针对燃油经济性、动力性等问题提出对应的换档策略， 这里不再一一列出。在国外对自动换档策略的研究也很热门，主要有基于模糊 换档策略、自适应换档策略、神经网络换档策略等相关算法的研究及应用。 在国内的工程机械液力变矩变速器自动换档控制技术研究中，涉及到的参 数比较少，一般研究主流是把两参数、三参数等作为控制输入量，把发动机、 变矩器的运行状态参数作为输入控制的很少。如果要使自动换档控制器更符合 实际路况、工况和换档品质的要求，有必要统筹兼顾车辆、变矩器动力特征参 数，对本课题所选用的的液力变矩变速器的自动换档控制技术进行深一步的研 究。 综上所述，工程车辆的液力变矩变速器采用自动换档控制是其发展趋势， 无论从理论研究还是从商业应用来看，国外在这一领域领都先于我国。因此我 们国家的工程车辆要能在国内、国际市场上有一席之地，必须加快这一领域的 基础研究和商业应用，创造更多的具有自主知识产权的工程车辆自动换档控制 整套产品。 1 3 本论文的研究内容 本论文所研究内容来源于河南省重大科技攻关项目：“电液控制定轴式装载 机用变速器研制 ( 0 9 2 l o l 2 l o l 0 3 ) ，由机械工程学院与郑州宇通重工合作开展研 究，研究的主要内容有液力变矩变速器的数字化设计、液力传动流场分析、液 力换挡及自动换挡控制等。本论文以德国d a n a m h r 3 2 0 0 0 型号【6 】的手动换挡 液力变矩变速器为基础，利用其电磁阀液力换挡系统，研究液力变矩变速器自 动换挡控制技术。 为了研究液力变矩变速器自动换挡控制技术，提高燃油经济型和换档品质， 通过相关技术文献的分析、归纳和总结，制定出研究的技术路线是：首先研究 自动换挡的控制算法，然后进行自动换挡计算机仿真研究，不断改进自动换挡 控制算法；其次建立基于a r m 7 的嵌入式自动换挡平台，并把仿真自动换挡控 4 第一章绪论 制算法平滑移植到该平台上，并建立嵌入式平台的g p r s 通信模块，用于实验 室与监控中心通信。 考虑到课题中所选d a n a 的液力变矩变速器可以通过电子手柄实现动力换 挡，因此本课题研究主要涉及到仿真与试验技术、换挡策略的确定及实时嵌入 式自动换挡平台的搭建。其中换挡策略的确定是核心工作。通过仿真建模系统 仿真验证换挡策略的正确性，同时通过嵌入式自动换挡平台试车验证换挡策略 是否满足工程车辆的作业要求。整个课题的研究内容之间的关系见图1 1 所示： 图1 1 液力变矩变速器自动换档控制技术研究内容 换挡策略的确定控制策略选用的优劣对系统性能的各种评定参数有直接的 影响。因此在本课题中根据实际情况，综合运用多种控制算法实现实时换挡， 本论文中对工程车辆四参数、模糊换挡以及神经网络的三种算法进行综合分析， 在此基础上提出综合运用多种算法的结果加权来确定最终的换挡档位。然后在 仿真建模系统或者试验中分析它们的实际控制效果。 已有的研究成果中大部分基于当前采样点的数据去控制输出，很少或者没 有考虑到历史采样点数据，没有对历史采样轨迹进行分析。因此在本课题中， 试探性地引用历史采样数据评判，适当修正控制策略的输出。 仿真与试验技术考虑到嵌入式设备在实验室测试需要准备的时间过长，试 验记录的数据、系统微观运行状态不直观，有必要对动力换挡策略建立仿真建 模系统。由于嵌入式设备的开发主要是用c 、c + + 来实现其控制策略，因此这一 仿真建模系统可以考虑用v i s u 2 l lc + + 6 0 来开发实现，在建模系统中经过验证的 控制策略可以移植到a r m 7 中。仿真建模系统可以通过图形化的界面显示各个 传感器的参数，按照预先编制好的测试数据完成一次测试，分析各种控制算法 的优劣，找出需要改进的地方。 5 第一章绪论 嵌入式自动换挡平台本课题的控制器采用a r m 7 嵌入式设备作为主控制 器，整个系统是一个前后台程序。前台程序( 也就是主程序) 包括档位决策、 档位输出、上传数据和l m p p 协议维护。后台程序由定时器中断( 周期2 0 0 m s ) 实时采集泵轮转速、涡轮转速、油门位置和工作泵压力数据，通过运用多算法 融合的思想来实现自动换档，同时也注重燃油经济性以及换档品质。本课题的 核心工作是建立合适的动力换挡策略，使其换档的质量符合实际要求。 考虑到嵌入式自动换挡平台在台架和试验时能实时将车辆各种状态信息发 送到监控中心，所以在嵌入式自动换挡平台加入g p r s 模块。为了保证数据可 靠的传输，在t c p 协议的基础上采用点到点通信协议将数据发送到监控中心， 与此同时监控中心也可以将各种命令发送到嵌入式自动换挡平台中来，平台收 到对应的指令后执行相关操作。 1 4 本文的结构 本论文主要内容和结构如下： 第一章：绪论 第二章：自动换挡控制算法研究 第三章：自动换挡策略仿真研究 第四章：嵌入式自动换挡平台设计开发 第五章：实时数据监控 第六章：结论与展望 6 第二章自动换挡控制算法研究 第二章自动换挡控制算法研究 随着自动变速器技术的发展，其结构和性能不断完善，能实现与发动机的合 理匹配，并可获得较好的经济性、动力性。换挡和起步控制是自动变速器控制 功能的关键，其中换挡规律是自动变速器的核心问题，直接影响车辆的动力性、 燃油经济性、通过性及对环境的适应能力。换挡规律是指车辆运行过程中，相 邻两挡自动换挡时刻随控制参数变化的规律，也就是换挡时刻挡位与控制参数 之间的关系。换挡规律的研究方法一般是从车辆控制参数中找到影响其挡位变 化的主要因素，建立包含各主要因素的数学模型，优化后确定最佳换挡点。 工程车辆自动变速器换挡规律的发展已历经了单参数、二参数、动态三参 数换挡规律等几个阶段。制定换规律时要充分发挥发动机与液力变矩变速器的 潜力，以使整车获得最佳的动力性、燃油经济性，以及满足工程车辆在各种道 路条件下和行驶工况下的使用要求。本课题中综合研究几种常见换挡控制算法 的改进工作，之后在仿真系统中进行测试，最后在嵌入式自动换挡平台中加以 实现。 2 1 四参数换挡控制算法 2 1 1 同类型换挡算法的改进 传统两参数换挡控制以液力变矩器泵轮的转速和涡轮的转速为控制的输入 量，通过计算传动比i = n t n c 按照一定规律输出档位。这种换挡控制算法以液力 变矩器的效能为核心进行工作，在一定程度上能满足工程车辆的实际要求。但 是油门开度、工况负载变换情况并没有在该算法中得到体现。 在已有的其他类型三参数、四参数换挡控制算法研究中【7 1 ，工程车辆设计时 是从发动机总功率中扣除工作泵额定功率后与变矩器进行匹配的，均将工作泵 消耗的功率设定为定值，这种设计虽然考虑了工作泵的工作状态，但工作泵在 作业时，其消耗的功率并非总在额定工况下，如果在自动换挡时不考虑这种变 换，就会因不能准确掌握发动机动力的流向而难以获得较好的自动换挡效果。 在现有的文献研究中，已有的四参数控制【8 】对于工作泵额定功率的计算是基 7 第二章自动换挡控制算法研究 于经验公式的，其计算的准确度在油门开度极大或者极小情况下误差比较大， 因此对工作泵额定功率的计算需要进一步分析。在本论文的研究中，对现有的 四参数控制器加以改进，在不同的油门开度下，对工作泵额定功率按油门大小 进行分段数据拟合。这样做的难处是增加了软件的计算量，在控制器的实现中 增加了资源的开销，但是模型精确度进一步得到了提高。下面一节为改进之后 的四参数换挡控制算法。 2 1 2 改进后的四参数换挡控制算法 液力机械传动的传动效率很大程度上依赖于液力变矩器的传动效率，当工 作于高强度负载时，液力变矩器效率会大幅度下降，从图2 1 中可以看出，随着 负载的增大，变矩器的工况点顺着变矩比k 的曲线向上方移动，同时变矩器的 传动效率r l 曲线向下方移动，效率显著降低。 变矩比k效率r i 传动比i 图2 1d a n am h r - 3 2 0 0 0 变矩器原始特性曲线 液力变矩器的传动比为i = n d n e ，其中，i l e 为液力变矩器泵轮的转速，即是发 动机输出转速；n t 为液力变矩器涡轮的转速。如果以i l c 和i l t 两参数指定换挡规 律，那么变速器档位的确定原则如下： 8 第二章自动换挡控制算法研究 厂降一挡 i i j l j保持原档位不变 i j 。油门开度a 的实际 取值范围为【o ，1 5 。在不同的运行工况和使用条件下，车辆的速度、加速度的具 体取值范围有所不同，在平直道路行驶下，装载机的车速、加速度取值分别为 【o ，2 0 】； - 3 ，3 】。对应的模糊论域可得量化因子分别为：油门开度量化因子k 1 = 8 1 5 ， 车速量化因子k 2 = 2 5 ，加速度量化因子k 3 = 4 3 。 工程车辆在非作业条件下行驶，车辆的质量变化不大，而在作业运输过程 中，车辆的作用质量变化范围很大，并且随运输货物的重量而变化。为了增加 第二章自动换挡控制算法研究 控制系统的稳定性，本文将作业质量划分为五个等级，其模糊量分别取“小s ) 、 “中小 伊s ) 、“中 ( m ) 、“中大”( l ) 、“大 l ) 共五个，其论域为： o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ) 。根据模拟熟练驾驶员的操作经验，参照模糊换挡主要原则可 以归纳出如下的模糊控制策略，应用m a m d a n i 直接推理法，并采用重心法进行 反模糊化，可以得到工程车辆的模糊换挡策略。装载机稳定行驶的模糊基本换 挡策略如下表所示。表2 1 为根据车速和油门开度的变化确定车辆档位的档位查 询表，表2 2 为档位与车速及车辆加速度的档位查询表，表2 3 为档位与油门开 度及车辆加速度的档位查询表。 表2 i 车速油门开度模糊换挡查询表 v qo 12 3 4567 8 o1ll1l2222 11l1122222 2111222333 3ll2233334 4 1 12233344 5112233444 6l22233444 72 2233444 4 822334 4444 表2 2 车速与加速度模糊换挡查询表 v aol2345678 011l1l2222 1l11 l 22222 2l1122 233 3 311223 3 3 3 4 4112233344 一l1l2233444 - 2122233444 3222334444 - 422 3344444 1 2 第二章 表2 3 油门 a a012345678 0l11l1222 2 l11112222 2 21 1 1 22 233 3 3 1l223 333 4 41l2233344 - 1112233444 - 2122233444 - 3222334444 - 4223344444 本文采用调整量化因子的方法，来实现车辆自动变速的自适应模糊控制。 该方法采用自调整模糊控制器，对模糊控制输入量的量化因子按照车辆使用参 数的变化自行调整，模拟驾驶员对车辆性能的评价。根据车辆作业质量的大小， 可以离线计算车辆性能变化范围，计算出工程车辆的车速和加速度的变动范围， 按照基本模糊换挡系统中规定的论域，求出量化因子，车速与加速度的量化因 子模糊查询表如表2 4 所示。 表2 4 车速、加速度量化因子模糊查询表 2 3 前向神经网络换挡控制算法 2 3 1 算法引进的目的 工程车辆自动变速控制系统是一个复杂的、结构不确定的非线性系统，需 1 3 第二章自 满足不同作业环境及作业任务下自 制的古典控制理论和现代控制理论 性函数、知识学习记忆和自适应控 提取规律。 由于课题的进度安排，本论文中讨论的神经网络【1 9 】【2 0 】换挡控制算法目前不 具有在线调整样本的能力。但是通过引进神经网络换挡控制算法为大课题的后 续研究提供了一个基础。 2 3 2 前向神经网络换挡控制算法 针对工程车辆低速、重载和载荷急剧变化的情况，依据车辆自动变速器的 结构和原理，在一定的约束条件下，规划一种目标函数，通过实验获得换挡规 律。采用两参数描述其状态，即泵轮的转速i l e 、涡轮的转速i l t ，两者的比值i 反映了液力变矩器的工作状态以及负载的强弱，也就确定了系统当前的工况点。 根据不同档位下变矩器的效率曲线q 。r i 。，确定相邻两档之间效率曲线的交点 为最佳换挡点。如图2 3 所示，i 挡效率曲线r i 。与i i 挡效率曲线r i 。的交点为a 点，该点的传动效率为r i ，a 点为i 挡与i i 挡的最佳经济性换挡点。假设工程车 辆初始时在i 挡，随着车辆速度增加大va ，如果车辆继续保持到原来档位，变 矩器的效率就下降，若此时及时换到i i 挡，变矩器可继续保持在高效区运行， 并且提高了整个传动系统的效率。 图2 3 档位效率曲线 自动换挡的前向神经网络模型结构妇1 儿2 2 1 如图2 4 所示，将换挡规律存储在 网络结构中。这里以工程车辆变速箱四个前进挡作为换挡控制对象，后退档与 1 4 此类似。在该模型结构 向神经网络算法，将一组样本的输入输出问题变成了非线性优化问题，使用优 化中最常用的梯度下降法，运用迭代运算进行求解。首先将x 。，x 。，k 定义 为输入量，由前面介绍的自动换挡规律，x 对应工程车辆的泵轮转速i l e ，x ：对应 工程车辆的涡轮转速i l t 。将y 定义为输出量，即是档位输出，范围为 1 ，4 ，类 型为浮点数，实际的档位需要圆整处理。 l l kl 3 图2 4 前向神经网络模型结构图 对泵轮的转速i l c 、涡轮的转速1 1 t 进行归一处理，其中第k 层神经元的输出 由第k - l 层神经元按下列关系确定。 x l 崎= 1 1 + e