（机械电子工程专业论文）基于模糊控制的工程车辆自动变速系统研究.pdf

摘要 工程车辆作业任务种类繁多 操作复杂 对其进行自动变速控制 一方面可以改善 工程车辆的传动性能 减轻驾驶员的工作强度 另一方面可以使其传动系统工作效率提 高 改善换挡冲击 减少能源的消耗 本文基于工程车辆动力传动特性研究的基础上 以z l 5 0 轮式装载机为例 针对液 力变矩器传动效率低的问题 采用模糊换挡策略来实现自动换挡 提出了以d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的模糊自动变速控制系统方案 确定了系统的结构组成 采用模块化的设计方法 按系统功能分成微控制模块 电源模块 通信模块 输出 模块进行其系统硬件的设计 在c c s c o d ec o m p o s e rs t u d i o 集成环境下以控制程序 信号处理模块 自动换档控制模块 通信及故障检测等模块完成相应的软件设计 最后 在m a t l a b s i m u li n k 和电路控制实验板上对模糊自动变速系统进行了仿真试 验 实验结果表明 该控制系统可以根据实时参数的变化进行档位切换 验证了模糊控 制方法对工程车辆的自动变速控制系统是有效而且可行的 本文的研究 对改善工程车辆的控制性和操作性 提高工程车辆自动化水平具有一 定的参考价值 关键词 工程车辆 模糊控制 自动变速控制系统 仿真实验 a b s t r a c t t h e r ea r eal o to fw o r k i n gt a s k sw i t he n g i n e e r i n gv e h i c l ea n di t so p e r a t i o ni sv e r y c o m p l e x w i t he n g i n e e r i n gv e h i c l ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y i tc a ni m p r o v e p e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o na n dl i g h t e nw o r ki n t e n s i o no fd r i v e r o t h e r s t h es y s t e mo f t r a n s m i s s i o nc a nw o r ki nh i g he f f i c i e n c ya n dr e d u c ec o n s u m i n go fp o w e r t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea n a l y s i so fe n g i n e e r i n gv e h i c l et r a n s m i s s i o n t ot h ep r o b l e m o fl o we f f i c i e n c yo ft o r q u ec o n v e r t e rd r i v eo fz l 5 0w h e e l l o a d e r a p p l i e df u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g yt oa u t o m a t i c a l l ys h i f t i ti sp r o p o s e dt h e c o r eo ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n c o n t r o ls y s t e mf o rd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a n dt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mc o m p o n e n t si s d e t e r m i n e d t h em o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o di su s e di nt h ec o n t r o ls y s t e m i ti sd i v i d e di n t o m i c r o c o n t r o lm o d u l e p o w e rm o d u l e s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s o u t p u tm o d u l et oc o m p l e t e h a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m i nt h ec o n d i t i o no fc c s c o d ec o m p o s e rs t u d i o t h e s o f t w a r ed e s i g ni sc o m p l e t e db ym e a n so fs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e s a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n c o n t r o lm o d u l e c o m m u n i c a t i o n sa n df a u l td e t e c t i o nm o d u l e f i n a l l y t h es i m u l a t i o nt e s ti sc o m p l e t e di nt h ec o n d i t i o no fm a t l a b s i m u l i n ka n d c i r c u i tb o a r dc o n t r o lo ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w t h a tt h ef u z z ys h i f tc o n t r o l l e rc a nc o n t r o lg e a r b o xt os h i f ta c c o r d i n gt op a r a m e t e r s a n df u z z y c o n t r o lo fe n g i n e e r i n gv e h i c l ea u t o m a t i cs h i f ti se f f e c t i v ea n df e a s i b l e r u s u l t so ft h et h et e x tc a ni m p r o v et h ev e h i c l e c o n t r o lt h e o r y t oe n h a n c ev e h i c l el e v e lo f a u t o m a t i o nh a v es o m et h e o r e t i c a la n dr e f e r a n c ev a l u e k e yw o r d s e n g i n e e r i n gv e h i c l e f u z z yc o n t r o l c o n t r o ls y s t e mo f a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o nt e s t u 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的 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 本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 氪亚揖 g 年f 月w 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归 属学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请 专利等权利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 他亚辉 融穆 肛到 猢年r 月劢日 为d 2 年岁月如e t 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 i i 动变速是人们长期以来努力追求的目标 是当今世界研究与推广的重要技术 自 动变速技术主要研究车辆行驶过程中的自动换档规律和自动换档品质 自动变速技术充 分发挥了车辆的动力性 经济性和驾驶性 它能大幅度提高工作效率 减轻工人的作业 强度 随着电子技术和控制技术的发展 自动变速技术在越来越多的车辆上得到广泛应 用 1 1 自动变速技术的特点及关键技术 1 1 1 自动变速技术的特点 i i 动变速与传统的手动操纵相比 自动变速主要有以下几个方面的优点 1 2 1 具有更好的驾驶性能 车辆驾驶性能的好坏 除与车辆本身的结构有关外 还取决于正确的控制和操纵 而i i 动变速系统能够使车辆按照预先设定的最佳换档规律变换档位 使整车获得最佳的 燃料经济性与动力性 而车辆的经济性与动力性对于合理地利用能源 提高劳动生产率 则具有重要的意义 并且在一定范围内进行无级变速 能自动适应行驶阻力的变化 有 利于提高汽车的动力性和平均车速 能以很低的车速稳定行驶 提高车辆在坏路面上的 通过性 2 乘坐舒适性好 自动变速器能把发动机的转速控制在一定范围内 避免过高 过低或不平稳的急剧 变化 有利于减小发动机的振动和噪音 通过控制系统 可以得到很平稳的换档过程 液力传动本身还能吸收和减弱换档过程中的冲击 对于需要经常换档的车辆 自动换档 控制系统的设计可以减少换档次数 提高车辆行驶平稳性 3 环境污染少 由于自动变速器采用液力传动方式 发动机扭矩输出与外负荷之间的匹配比较准 确 因而使用负荷率可以大大提高 发动机可以工作在经济动力区域 这样燃料净化程 度较高 相当于减少了动力浪费 并使尾气污染大大减少 对环境保护起到重要作用 4 提高了车辆动力性能 自动变速器由于液力变矩器的变矩性能及能连续地自动换档 起步加速性可得到极 大的提高 自动换档过程中传动系统传递功率不中断 而且没有手动换档的减小供油的 1 第一章绪论 操作 再加上自动换档在时间控制上能保证发动机功率得到更充分地利用 所以可以得 到很好的加速性能 提高行驶平均速度 5 提高了传动系统寿命 由于自动变速器中没有了机械式离合器 这样使其传动机件免除了高强度的摩擦与 磨损 有效地提高了传动机件的寿命 并保障了使用的可靠性 6 改善了车辆的通过性能 由于a t 液力传动驱动轮上的驱动力是逐渐增加的 可以自动根据其车辆行驶工况 的不同与需要 适当地输出应有的动力 因而减少了汽车起步时驱动车轮的滑转 使起 步容易并且平稳 尤其重要的是可以使车辆稳定车速降得很低 并能保证发动机正常工 作而不至于熄火 其主要原因是 由于液力耦合 发动机输出扭矩可以完全与传动系匹 配 车辆传动系统在行驶中的需求 可以得到充分的满足 把原来离合器中硬连接变成 软连接 死连接 即固定式连接 变成活连接 即可变连接 由此发动机工作会变得更可 靠与连续 进而提高了汽车在不同条件下的通过性 从目前情况看 自动变速器与手动机械变速器相比 自动变速器结构较复杂 零件 加工难度大 生产成本较高 相应的维修技术也复杂 但相对于车辆整体性能的改善更 具有使用性 因此实现车辆动力传动系统的自动控制 是车辆技术未来发展的必然趋势 1 1 2 自动变速技术的关键技术 自动变速系统是一个以换档规律为核心 以换档过程控制与系统可靠性技术为支 撑 通过电子控制系统与换档执行机构的有机的协调配合 高品质地实现车辆换档过程 自动化 实现方便驾驶的同时保证车辆性能 3 j 根据车辆的作业环境和自身原理的差异 自动变速系统的开发有其自身的特点 主要关键技术有以下几种 1 换档规律确定 换档规律是指各排档间随工况参数自动进行换档的变化规律 其好坏直接影响车辆 的动力性 燃油经济性 排放特性 安全性和乘坐舒适性等的优劣 是自动变速器的关 键技术 换档规律可分为两种 一种是传统的根据理论求解方法代入控制参数即时测得 值 通过计算确定当前最佳档位 这种换档规律较简单并容易实现 但若实际工作环境 与理论求解条件差别较大 确定的档位就不能很好的达到目的 另一种是基于专家系统 的换档规律 采用智能控制方法如神经网络控制 智能控制等 通过对实际工作状态的 不断学习 完善自身的换档规律 但在软件实现方面要求较高 2 长安大学硕上学位论文 2 换档品质控制 换档品质是指换档过程的平稳性 常以冲击度来衡量 即就是纵向加速度对时间的 一阶导数 对车辆零部件的寿命及车辆的工作性能有较大影响 其评价指标主要有耐久 性 动力性和舒适性 故而良好的换档品质的是自动变速技术一个重要评价指标 3 仿真技术 仿真技术是自动变速系统开发过程中不可缺少的环节 有效的仿真技术 可以缩短 产品的开发周期 降低开发成本 可以提前验证自动变速系统的可行性 提高实验的精 度 及时发现解决问题 避免在实验中出现重大问题而延长产品的开发周期 有效降低 了产品开发的成本 1 2 工程车辆自动变速技术的发展及分类 1 自动变速技术的发展过程 车辆的发展经历了三大革命 动力革命 传动革命与控制革命 先进国家目前正处 于控制革命阶段 即自动控制阶段 从各总成的单独控制向动力传动系统一体化综合控 制 从一般控制向智能化 网络化控制发展 1 9 0 4 年美国通用汽车公司的凯迪拉克 c a d i l l a c 汽车采用了手动操纵的三档行星 齿轮变速器 福特 f o r d 汽车采用了二档行星齿轮变速器 1 9 2 6 年别克小轿车开始使用 液力机械传动的变速器 1 9 3 3 年美国的瑞欧汽车使用了一种半自动变速器 1 9 3 8 年美国 克莱斯勒汽车公司采用了液力耦合器 并在1 9 3 9 年 首先成功地研制了由液力耦合器 和行星齿轮变速器组成的四档液力变速器 并装于该公司生产的轿车o l d s m o b i e l 上 该 变速器被认为是自动变速器的代表 是当今自动变速器的原始形式 随后出现了 c h e v r o l e t 和f o r d 以及c h r y s l e r 等车型的液力变速器控制参数 其为车速和油门开度 利用液压逻辑油路控制换档操作 这一技术突破标志着自动变速技术进入了液力时代 1 9 4 8 年 别克汽车上装载的d y n a f l o w 变速器是带液力变矩器的自动变速器 a t 的发展先驱 1 9 4 8 年到1 9 5 0 年期间 汽车液力传动进入了一个新阶段 出现了可根据 车速和油门位置进行自动换档的自动变速器 1 9 5 0 年美国福特公司成功地研制了装有液 力变矩器的三档液力自动变速器 从此轿车用的液力自动变速器进入了成熟期 1 9 6 9 年 法国雷诺汽车公司首先采用了电控液力自动变速器 其控制方法是由计算 机依据检测到的车辆速度和油门开度的电信号来判断变速的时机 并确定变速程序 进 入2 0 世纪8 0 年代 随着电子技术的发展和计算机的进一步微型化 变速器的控制功能 3 第一章绪论 和可靠性得到提高 而且成本也大为降低 1 9 8 3 年日本五十铃公司在世界上率先研制成功电子控制全机械式有级自变速器 n a v i 5 并装于a s k a 轿车上 当车速为6 0 k m h 时 可比液力自动变速器节油 1 0 3 0 左右 同年 伊顿公司也宣布成功将重型货车的手动变速器实现了自动化 1 9 9 1 年 美国汽车通用公司在前轮驱动的轿车上装用了4 t 6 0 e 型电控液力自动变速 器 同年 福特汽车公司也在两种前轮驱动的轿车上装用了a x o d e 型电控液力自动变 速器 实现自动换档 与此同时 世界上其他各大汽车公司 如德国大众公司 意大利 菲亚特公司 法国雷诺公司和日本丰田公司 也相继开展了电控机械式自动变速器 a m t 的研究和开发 近年来 国外各大汽车制造厂相继开展自动变速器换档规律智能化的研究 德国大 众第三代自动变速器a g 4 取消了运动 经济模式按键 系统能够根据道路负荷 交通 环境和驾驶员的驾驶习惯自主进行档位选择 三菱公司的 f u z z y s h i f l 4 a t 系统引入了 模 糊控制 的概念 能根据收集的汽车行驶状况信息 通过模糊逻辑判断后自动选择最适 当的换档方式 我国汽车工业正处于发展和提高时期 近年来 随着人民生活水平的提高 汽车开 始进入家庭 由于受成本制约 目前我国自主生产的汽车基本都为手动变速 手动变速 一方面会增加驾驶员的劳动强度 另一方面不利于行车安全 有自动变速器的车辆不仅 操作方便 换档平顺 安全舒适 而且能按最佳的换档时机进行自动换档 有助于提高 汽车动力性和经济性 因而特别适合非职业驾驶 为满足非职业驾驶员对方便舒适的要 求 国内已把开发装备自动变速器的车辆确定为自己的发展方向 车辆自动变速技术的研究在我国起步较晚 直到2 0 世纪6 0 年代 在一汽生产的 c a 7 7 0 轿车上使用了具有2 个前进档的液力自动变速器 但累计只生产了1 2 8 3 台 尚 不具有工业化生产的意义 1 9 9 8 年上海通用公司生产的用于别克轿车上的4 t 6 5 e 型电 子控制自动变速器正式下线 1 9 9 9 年开始批量生产并投放市场 率先在国内将a t 作为 标准配置装于轿车 1 9 9 9 年中日合资生产的本田雅阁轿车也正式投产 其a t 弃用行星 齿轮 而选择常啮合平行轴式结构 零件少 易制造是其长处 它采用了全电子直控式 变速装置 能使变速 燃油喷射以及巡航等控制相结合 随着经济全球化 国内市场与国际市场的界限越来越模糊 我国将直接面临国际竞 争 只有充分提高自身的核心竞争力 具有自主知识产权的技术和产品 才能在国际 化的竞争中立于不败之地 近年来 我国汽车工业获得了飞速发展 为了提高我国汽车 4 长安大学硕十学位论文 行业的核心竞争力 目前我国有关高校和科研机构也正在进行汽车核心技术的研究 自 动变速就是其中一项关键技术 同时 自动变速技术在汽车上的不断发展推动了它在工程车辆上的发展应用 由于 工程车辆的使用条件与使用目的与普通汽车不同 其作业条件与工况环境复杂 多变 驾驶员需频繁换档以满足整机动力性要求 同时还要对作业装置进行操纵 劳动强度较 大 驾驶员极易疲劳 且车辆行驶经济性难以保证 实现工程车辆的自动换档对改善车 辆性能 提高作业效率和减轻驾驶员劳动强度具有重要意义 从1 9 4 5 年 美国通用汽车公司将自动变速技术成功应用于卡车 就推动了其在工 程车辆上的应用 4 1 到了8 0 年代 自动变速技术就已被用于装载机 平地机 叉车和自 卸车等工程车辆上 5 1 我国自动变速技术在工程车辆上的推广直到9 0 年代才得以采用和 发展 但是核心技术还不成熟 长期以来我国在能源 交通 水利等重要工程方面 主 要使用的是进口工程车辆 随着经济全球化进程的日益加快 为了提高我国工程车辆的 竞争能力 必须加强自主研究开发能力的培养 迅速发展自己的自动变速技术 因此 工程车辆自动变速技术是目前亟待开发与推广的核心技术 对工程车辆的发展具有深远 的历史意义和现实意义 6 1 1 1 2 自动变速器的分类 自动变速器的种类很多 目前主要有液力自动变速器 a t 电控机械式自动变速 器 a m t 无级自动变速器 c v t 等3 种类型 1 2 1 液力自动变速器 液力自动变速器其英文名称为a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 简称a t 是将发动机的机 械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置 其传动部分主要由液力变矩器和行星变速器 或定轴式变速器组成 是能实现局部无级变速的有级变速器 目前它是国外用得最多的 自动变速器 它具有好的乘坐舒适性 方便的操纵性 优越的动力性和良好的安全性 但结构复杂 重量大 制造工艺复杂 2 电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器其英文名称为a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 简称 a m t 是在原有机械变速器基本结构不变的情况下 通过加装微机控制的自动操纵机构 取代原来由驾驶员完成离合器分离与接合 摘档与挂档以及发动机的转速同步调节等操 作 最终实现换档过程的操纵自动化 电控机械式自动变速器由于原有的机械传动结构 基本不变 所以齿轮传动固有的传动效率高 机构紧凑 工作可靠等优点被很好的继承 5 第一章绪论 f 来 3 机械无级自动变速器 机械无级自动变速器其英文名称为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 简称c v t 它克服了前面两传动与变速的关键是具有v 型槽的主动锥轮 从动锥轮 金属带和液压 泵等基本部件 c v t 的主动轮和从动轮都由可动盘和固定盘组成 可动盘与固定盘都是 锥面结构 可动盘与固定盘的锥面形成v 型槽来与v 型传动带啮合 由于c v t 可以实 现传动比的连续改变 从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配 提高整车的燃油经济 性和动力性 改善驾驶员的操纵方便性和乘坐舒适性 所以是理想的车辆传动装置 1 3 课题的提出 工程车辆种类繁多 广泛地应用于公路 矿山 国防等工程中 对减轻劳动强度 降低工程成本都发挥着重大的作用 为提高对剧烈载荷变化的适应能力 工程车辆主传 动系一般采用液力机械传动 但液力机械传动的传动效率比较低 尤其是当遇到瞬时高 强度负载需要传动系输出较大转矩时 液力变矩器的传动效率会大幅度下降 甚至降低 为零 3 作业效率降低 一方面造成了能源的浪费 另一方面 浪费的能源绝大部分都 转化为热量使油温升高 造成机器工作环境恶化 故障率上升 由此可见 提高液力机 械传动效率对工程车辆有巨大意义 近年来 国外基本采用了电控自动换档传动装置 主要由单级三元件和多档自动换 档变速箱组成 其变速箱的控制系统是主要利用电子控制单元 e c u 在相关控制软件 的管理下 实现对其作业过程中各种参数信号的实时采集和数据处理 根据数据处理所 得结果进行档位决策 产生控制信息 驱动执行机构完成相应的换档变速操作 工程车 辆上采用自动变速控制技术 基本可实现液力变矩器常工作在高效区 同时也可极大提 高整机的操作舒适性 减轻操作人员劳动强度 并达到节能降耗的目的 我国目前使用的大多仍为机械换档 机械换档操作非常频繁 劳动强度大 司机容 易疲劳 影响驾驶安全 同时不同的驾驶水平对车辆的燃料经济性 动力性也造成很大 影响 为了提高传动效率 充分利用发动机功率 改善车辆燃料的经济性 实现自动换 档是很有必要的 本课题得到陕西省自然基金项目2 0 0 4 e 2 3 3 资助 6 长安大学硕上学位论文 1 4 课题研究的主要内容 1 本文以z l 5 0 轮式装载机为例对工程车辆动力传动系统组成中的发动机 液力变 矩器 变速器的特性分别进行了研究 同时也研究了发动机和液力变矩器的共同工作特 性 2 本文在工程车辆效率换挡规律基础上 针对液力变矩器的传动效率低的问题提出 了模糊换挡策略 同时以d s p 作为模糊控制自动变速系统的主控制器 完成数据采集 程序执行 模糊运算 输出控制等功能 并编制相应的控制软件以实现自动换挡 3 建立了工程车辆自变速系统的仿真模型 通过仿真验证自动换挡控制的可行性 4 对自动变速系统进行软件和硬件设计 在控制实验板上进行换档控制实验 检验 电子控制单元的性能及自动变速控制系统方案的可行性和正确性 1 5 本章小结 本章在查阅大量国内外车辆自动变速技术资料的基础上 介绍了自动变速技术发展 过程 阐述了自动变速技术的特点以及自动变速技术研究的关键技术 最后说明了本课 题主要的研究工作 7 第二章工程车辆动力传动系统特性研究 第二章工程车辆动力传动系统特性研究 工程车辆有作业工况复杂多变 对其动力传动特性进行研究才能更好的实现工程车 辆的控制 本章以z l 5 0 轮式装载机为例 对其动力传动系统特性进行研究 2 1 工程车辆动力传动系统组成 工程车辆动力传动系统主要分为简单的机械传动系统和液力机械传动系统两大类 工程车辆工作环境恶劣 简单的机械传动系统中零部件受到的冲击载荷变化大 容易造 成零部件损坏 液力机械传动系统在过去的机械传动系统中加入了液力变矩器 液力变 矩器能有效缓冲冲击载荷 在一定范围内有很好的自动变速功能 故目前在工程车辆上 主要采用的是液力机械传动系统 但液力机械传动系统也有其自身的缺点 即由于液力变矩器存在机械能到热能的能 量损耗 传动效率相对于机械传动系统较低 降低了工作效率 针对此问题应依靠合理 的换档规律提高液力变矩器的效率 从而提高整个动力传动系统的工作效率 1 发动机2 液力变矩器3 动力换档变速器4 后驱动桥5 车轮6 传动轴7 前驱动桥 图2 1z l 5 0 轮式装载机的动力传动系统组成示意图 工程车辆的动力传动系统主要由发动机 液力变矩器 变速器 传动轴 驱动桥等 部分组成 z l 5 0 轮式装载机的动力传动系统组成如图2 1 所示 8 长安人学硕士学位论文 z l 5 0 采用的是液力机械传动方式 变速系统为动力换档变速器 主要部件包括 x 6 1 3 0 发动机 三元件的y j 3 5 5 型单级单相液力变矩器 配有4 个前进档 4 个后退档 的4 d 18 0 型动力换档变速器以及分动箱 传动轴 驱动桥等部分 工作原理由发动机输出的动力通过液力变矩器传到变速器 再经传动轴传到驱动 桥 驱动桥中的主传动器和轮边减速器实现降低转速 增大转矩并将动力分别传到左 右两侧驱动轮1 1 引 2 2 发动机特性 发动机的作用是输出动力 大功率发动机能明显提高车辆的动力性 发动机主要分 为汽油发动机和柴油发动机两种 和汽油发动机相比 柴油发动机动力性和经济性较好 并且燃油经济性随负载的变化比较平缓 力矩储备大 工程机械大多采用柴油发动机 发动机性能指标随调整情况及运转工况而变化的关系称为发动机特性 1 4 发动机特 性很多 其中有负荷特性 速度特性 调速特性 外特性 排放特性等 具体如下 1 负荷特性指发动机转速不变 其经济性能指标随负荷而变化的关系 车辆的 经济性或动力性换档规律就是根据发动机的负荷特性获得的 2 速度特性是指各项性能指标在固定油门开度条件下随速度的变化关系 3 外特性能够反映发动机的最大动力性能 即在油门开度最大 1 0 0 时发动 机输出的动力性能 4 调速特性即当调速手柄位置一定时发动机的性能指标随转速或负载变化的关 系 调速器能够根据外界载荷的变化调节供油量使发动机的转速保持稳定 工程车辆发 动机大多采用全程式调速器 故调速特性是工程车辆发动机的主要特性 1 5 1 8 通过大量的研究表明 无论是发动机的外特性曲线还是部分负荷特性曲线 发动机 输出转矩均是发动机油门开度和发动机转速的函数 即 m e f o t 7 1 e 2 一1 式中 彪一发动机输出转矩 口 发动机油门开度 胁 发动机输出转速 柴油机是一个非线性不确定系统 其工作过程中发生着复杂的物理 化学变化 以 9 第二章工程车辆动力传动系统特性研究 至很难用一个精确的数学表达式来描述其工作过程中的特性 因此 发动机特性一般都 是在发动机稳态试验数据的基础上 采用数表或拟合公式来描述 发动机的稳态特性包 括两部分 柴油机稳态外特性和柴油机调速特性 x 6 1 3 0 柴油发动机稳态外特性数学表示为 t 一3 3 4 3 3 1 0 4 玎 1 0 1 9 8 刀 一3 0 8 4 2 7 2 2 式中 m e 一发动机输出转矩 i v m 1 e 发动机转速 w i n 一 发动机转速和油门开度的关系为 t e 口 甩r 一阿 力 2 3 式中 船r 发动机最高怠速转速 m i n 1 n l 发动机最低怠速转速 w i n 一1 x 6 1 3 0 柴油发动机调速特性数学公式表示为 m e 3 2 8 i n e 7 9 8 3 口 2 4 上述特性是发动机稳态工况下的数学关系 由于发动机在工作中 有6 6 8 0 的 时间是处于非稳态工况下 而相关研究表明 非稳态工况下发动机的特性是与稳态工况 下发动机特性不同的 因此 常采用修正系数的方法来对发动机稳态工况下的输出转矩 进行修正 并将其作为非稳态工况下发动机输出转矩 修正后 得到发动机的动态输出 转矩m e d 为 m e d2 m 一j e w 2 5 式中 m 甜 发动机的动态输出转矩 m j e 一发动机转动元件转动惯量 堙 m z 也 发动机角加速度 t a d s 2 1 0 长安大学硕上学位论文 r一 彳厂 1 l 历乙二 j 1 7 l 干 戈 阀 稠j 升发t 弋夕 y 数据传输接门 3 1 1 模糊自动变速系统设计方案图 要实现工程车辆变速器档位自动变化 就需要将传感器实时测得发动机转速 涡轮 转速和油门开度 本文研究中确立油门开度为一定值 参数 通过输入接口电路送入处 理器 处理器调用储存好的模糊控制算法 根据当前情况做出换挡决策 然后通过输出 接口电路控制换档电磁阀1 8 开启关闭 换档电磁阀1 8 分别对应前进4 档和倒退4 档 由于任意时刻工程车辆仅有一个工作档位 故8 个电磁阀最多只有1 个接通 其余断开 此外 还要考虑换档循环的问题 即避免在工作点移动到换档点时 由于油门开度 的波动及车速的小范围变化等原因产生相邻两档位反复挂接的交替现象 在换档点附近 设定一个延迟区 低于延迟区左端点则降档 高于延迟区右端点则升档 由于工程车辆 换档频繁 设定换档时间间隔为2 秒 3 5 本章小结 本章在工程车辆的现有换档规律基础上 提出了模糊换挡控制策略 建立了模糊控 制自动变速控制系统方案 3 7 第网章模糊控制自动变速系统的硬件设计 第四章模糊控制自动变速系统的硬件设计 控制系统硬件设计是工程车辆自动变速系统的基础 而硬件的构成又是根据控制对 象所需完成的功能来确定的 模块化设计方便系统的生产 调试 因此 在系统的电路 设计中力求模块化设设计 本章介绍z l 5 0 轮式装载机自动变速控制系统的硬件开发 4 1 微控制器的选择 4 1 1 微控制器的介绍 微控制器的选择是控制系统设计关键的一步 它决定了系统的运行速度 可扩展性 以及外围设备的选择 工程机械控制系统常用的微控制器有可编程控制器 p l c 单片 机 专用控制器 如r e x r o t h 公司的m c 6 m c t 数字信号处理 d s p 等 1 可编程控制器 p l c 它是专门为顺序生产过程而设计的控制器 可替代传统继 电器 广泛应用于顺序控制 运动控制 过程控制等 具有很强的时序性 抗干扰能力 强 可直接驱动电磁阀 继电器 电磁开关等 大大节省了外围驱动电路 但运算能力 较差 限制了一些控制算法的实现 2 单片机 是最易于实现数字控制的一种处理器 体积小 开发简单 常用的有5 1 系列 目前比较新型的单片机如a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 相比8 0 5 1 速度至少提高 1 0 倍以上 内部自带8 通道1 0 位a d 转换器 8 通道脉宽调制p w m 1 2 8 k 字节f l a s h 4 k 字节s r a m 4 k 字节e e p r o m 8 通道中断输入 2 路串行通信接口s c i 模块等 能基本满足控制系统的硬件资源要求 但从系统的可扩展性考虑 使用单片机不利于控 制系统以后的升级 3 专用控制器 m c 系列微控制器是在行走机械电子 液压控制系统中功能最完善 运用最广泛的控制器件 m c 系列微控制器作为电子 液压控制系统的核 t l 有良好的电 磁兼容性 i p 6 5 的防护等级 2 5 c 7 0 的工作环境温度 适合工程机械的抗冲击振 动性等优点 目前正在控制着世界各地十几万台行走机械的运动 但价格昂贵 4 数字信号处理器 d s p 是一种具有特殊结构的微处理器 处理速度快 采样周 期短 具有丰富的指令集 很高的运算速度 较大的寻址空间 较高的性价比 控制系 统可扩展性好 硬件电路的设计简单 能很好地满足了控制系统的设计要求 因此 广 泛运用在工业自动化控制 车辆控制 电机控制等实时控制领域 3 8 长安人学硕士学位论文 4 1 2 关键芯片的选型 自动变速系统是对实时性要求较高的控制系统 而d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 是一种非常适合用来进行数字信号处理的处理器 在本文所设计的自动变速系统中 绝 大部分功能是使用d s p 来完成的 下面对这种芯片的选型做简单介绍 d s p 芯片实际上是一种单片机 是集成高速乘法器 能够进行快速乘法和加法运算 适用于高速数字信号处理的高速 高位单片计算机 它具有体积小 功耗小 使用方便 实时处理迅速 处理数据量大 处理精度高和性能价格比高等优点 已经广泛应用于自 动控制 图像处理 通信技术 网络设备 仪器仪表及家电等领域 为数字信号处理提 供了高效而可靠的硬件基础 d s p 之所以具有上述优点 是因为d s p 内部采用了以下5 种技术 4 2 1 采用哈佛 h a r v a r d 结构体系或者改进哈佛结构体系 可用独立的程序总线 数据总线分别进行程序存储器和数据存储器的访问 允许在一个机器指令周期内同时进 行程序的读出和数据存取而互不干扰 2 采用流水线技术 d s p 的取指令 译码 取操作数和执行这几个阶段是重叠的 在任意给定的周期内 可以有l 4 条不同的指令是激活的 每一条指令处于不同的阶 段 尽管每一条指令的执行时间仍然是几个机器周期 但是由于指令的流水作业 使得 每条指令基本上都是单周期指令 3 硬件乘法器 在d s p 内有硬件连线逻辑的高速 与或 运算器 乘法器和累加 器 取两个操作数到乘法器中进行乘法运算 并将乘积加到累加器中 这些操作都可 以在单个周期内完成 从而使得运算速度提高 4 多处理单元 d s p 内部包括多个处理单元 如硬件乘法器 m u l 累加器 a c c 算数逻辑单元 a l u 辅助算术单元 a r a u 等 适于高速的信号处理 5 特殊的d s p 指令 d s p 有许多功能指令 即一条指令可以完成几种不同的操作 因此一个机器周期内可以完成多种操作 提高了处理速度 4 1 3t m s 3 2 0 系列d s p 功能特点 t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片由于具有高速的运算能力 改进的并行结构 灵活 的指令集等优点 是当前集成度较高 性能较强的运动控制d s p 芯片 成为目前最有影 响的数字信号处理器 t m s 3 2 0 c 2 0 0 系列d s p 是t i 公司推出的第四代低价格 高性能的 定点d s p 芯片 其片内外设为控制系统应用提供了理想的解决方案 我们选用 3 9 第四章模糊控制自动变速系统的硬件设计 t m s 3 2 0 c 2 4 x 子系列的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为自动变速系统的主控制器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 电气接口定义图如图4 1 所示 图4 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 电气接口定义图 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部功能结构框图如图4 2 所示 p l l v r f i x t 吖 门o p 2 d a r v af e 钟 p l lc 1 0 c k p 1 l f 2 r c 2 5 6v 协耐 y t 血l c l h i n c l k o l r r i o p e 0n a t t m s 2 o r r i n 0 n c i f 帅7 b 1 0 t o p c c 2 戤 d a r a m b i 二 i h 二1 q 一 u 0 l 4l v p l 托 d s p 2 5 6w c c d s o b o o t 一日4 x f c o r eu 髓l l j o v s s a v 铺伽t w i n v 0 0 33 v v r 廿h i a u o s e c z u e m r v s sv r e f l o d a r a m b 2 32k nt 2 鱼0 0 9 x 纠0 p d o s o i t x d l 0 p 4 0 s l r x d j i o p a t s c l s p i s i 饼0 1 0 p c 2 敷a mf 甜 v 蝣坩s s p i s 甜蚺1 4 0 p c 3 sp乞l时iop s4 b p i s l 静i o p c 5 t c a h t 疗 f 艺6 t p 2 f 1 8 对v r o m c a n c n r x a o p 0 7 v c c p 5 v 3 2 kw e r d s 硫j d 4 k 1 2 k j i2 w 4 k 两 鲇c 7 i o p a 黔7 胄0 斗 0 p o a8 7 ii o p b o7 1 d n 5 d i g i l 盈li 囝 p o e f o 一 1 0 p 0 甜7 p c s s h a r e d1 蹦伽p d o j o p d f o r o t h e rp 隅 p nb f 争乃i o p e 静7 r b f f o q ji o p f l 9 塌 r 基a d y rstal m e m o l y s f k b t d o i n t e t f a o e 惟 i d i e n a 4 4 j1t 8sp o r t t c k 罚r 贸e 浩 u 0 w ri c f j c 0 e 0 p f nt 8p o p 川t c a p 4 0 e p i o p e 7 e a p j 0 p 1 0 潍 c cap 0ep甜ioff0 0 t c a p f f 5 pwp洲7010pel e v e n t t m a n a g e r 甜a p蚺耽膨岔10p 2 3x c a p t u r e l t r y o u tp协f张 鲁10pe3 e c c o m p a f e i p v 幛apw融 舯 0目0pe4 p 目垆 t 1 0 p e 5 p v 镪 5 0 p 骏 2 g p p讥 210pe6 t l m e r s p 嗍 m t t 3 p 射 叮3 0 群叫0 p p 2 4 t2t4pvk舻14c滞 opf3 p b 5 tot d l r 8 1 0 p f 4 t o l k i h 8 n 0 p f 5 t c l 旧m p b 7 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 t m 平台下的一种定点d s p 芯片 具有如下 特点 1 采用高性能静态c m o s 技术 使供电电压降为3 3 v 减小了控制器的功耗 最高 4 0 m i p s 的执行速度保证了控制器的实时处理能力 2 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核 保证了与其他d s p 的代码兼容性 3 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器 高达1 5 k 字的数据 程序r a m 5 4 4 字的 d a r a m 和2 k 字的s a r a m 4 两个事件管理器模块 每个包括 两个1 6 位的通用定时器 8 个1 6 位的脉宽调 制 p w m 通道 3 个捕获单元 1 6 通道1 0 位的a d 转换器等 4 1 第四章模糊控制自动变速系统的硬件设计 5 可扩展的寻址空间可达1 9 2 k 字 6 4 k 字程序存储器 6 4 k 字数据存储器和6 4 k 字 i o 寻址空间 6 自带看门狗定时器模块 w d t 和基于锁相环 p l l 的时钟发生器 7 自带串行通信接口 s c i 模块 1 6 位串行外设 s p i 接口模块和控制器局域网 络 c a n2 0 b 模块 8 5 个外部中断 3 种低功耗模式 能将外设转入低功耗工作模式 9 高达4 0 个可独立编程或复用的通用输入 输出引脚 g p i o 4 2 总体结构设计 控制系统硬件设计是工程车辆实现自动换挡的基础 良好的设计风格是控制系统商 品化的关键 模块化设计对系统的生产 调试 维修起着重大的作用 因此 在自动变 速系统的硬件设计中采用模块化设计 系统硬件结构按功能可分为微控制模块 电源模 块 通信模块 输出模块等几部分 结构如图4 3 所示 i 油门臌酬模拟信号调醚路 nd a t a i m m 厂 1 i 发动机转速吲脉冲信号调理电路 p r o g r a m 1 人 r o m i 油门被b 脉冲信号调理电路 m c u 电源模块 爿c a n 总线接口电路 彳卜 爿换挡电磁阀驱动电路 0 器净 串口通信电路 4 3d s p 最小系统设计 图4 3 硬件结构框图 d s p 最小系统设计包含了d s p 硬件设计的所有基础技术 是整个自动变速控制系 统的关键模块 它实现各种信号的采集 数据处理 继电器输出控制 脉宽调制输出 p w m 通信接口等 4 2 最小系统原理图如图4 4 所示 它主要由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 微 控制器 复位电路 时钟电路 存储器接口电路 仿真接口电路等部分组成 4 2 长安大学硕 i 二学位论文 图4 4d s p 最小系统原理图 4 3 1 复位电路 图4 5 所示为复位电路 它由r 5 c 1 2 和复位开关组成 电源刚加上电时 电容 c 1 2 充电 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的船复位端将维持一延迟时间t r 的低电平 d s p 上 4 3 第 章模糊控制自动变速系统的硬件设计 电自动复位成功 复位后d s p 程序从0 0 0 h 开始运行 时间t r 的值可由r 5 c 1 2 r s 复位端的v m 值计算得到 为了使 心q 4 片初始化正确 一般应保证骼复位端为低电平至 少持续3 个c l k o u t 周期时间 t f 瞄 1 1 1 0 0 k v j r e s e t1 3 3 艉s b 上 1 1 2 一 f t 4 7 庐 l 1 图4 5d s p 系统复位电路 4 3 2 时钟电路 d s p 的时钟电路一般有两种接法 一种是利用d s p 芯片内部提供的晶振电路 在d s p 芯片的x t a l l 和x t a l 2 之间连接一个晶体来启动内部振荡器 另一种方法将是外部时钟 源直接输入到x t a l l 引脚 x t a l 2 悬空 采用封装好的晶体振荡器 这种方法是使用很 方便 因