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提高工程车辆智能变速性能的综合控制研究

作　者: 赵克利
导　师: 许纯新
学　校: 吉林大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 工程车辆轮式装载机动力传动系统智能换挡仿人智能模糊控制系统
分类号: TH243
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

工程机械是我国机械工业的支柱产业之一，它在能源、水利、交通、国防建设等国民经济各个领域中发挥着巨大作用，工程机械行业的设计和制造水平反映了一个国家的综合实力和综合技术水平。通过对工程机械产品智能化控制的研究，提高工程机械及其动力传动系统的智能化控制性能，可大大提高工程机械产品的高新技术含量，使其具有更好的性价比。带作业装置的自行式工程机械，即工程车辆，因其作业条件与作业状况复杂多变，采用各种新的检测、控制技术改善其动力传动系统的性能，使其在各种作业工况下作业更具智能化，效率更高，从而更大地减轻工程车辆驾驶员的作业疲劳强度。工程车辆作业时需克服很大的工作阻力，因而其不仅需要具有良好的动力性能，还需具有良好的牵引性能，保证机械发挥足够的牵引力，且发动机始终处于高效区工作，提高整车的经济性能，降低作业成本。工程车辆的智能变速技术是目前工程车辆亟待研究和解决的核心技术之一。工程车辆智能变速技术已经进入智能化时代，控制策略的不断改进成为工程车辆自动变速技术发展的特点。目前工程车辆智能换挡及换挡策略等问题仍未彻底解决。在国内，工程车辆智能换挡控制研究尚处于台架试验阶段；在国外，自动控制方面的技术水平领先于我国，已处于实际应用阶段，但其智能换挡研究仍然不是十分完善，采用智能换挡控制的工程机械产品还没有广泛地应用。本论文通过对工程车辆动力传动系统及采用仿人智能模糊控制方法等多方面进行综合研究，以提高工程车辆智能换挡的综合性能，使工程车辆能够根据其行驶速度与负载变化状态智能换挡，并使发动机、液力变矩器与运行工况相匹配，在保证最佳作业效率的前提下，实现动力传动系统节能的目的，为工程车辆智能化换挡控制的产业化实施奠定基础。本研究得到国家自然科学基金项目(50075033)“工程机械智能自动变速技术研究”的资助。论文以典型工程车辆ZL50装载机为样机，对其动力传动系统进行了动力学分析并建立了力学模型；将仿人智能模糊控制方法应用于工程车辆的智能换挡控制，确定了工程车辆变速系统的基于仿人智能模糊控制的自动换挡策略；应用MATLAB／SIMULINK软件，对ZL50装载机变速系统进行了动态建模和仿真；通过台架试验及结果分析，验证了系统数学模型的正确性和仿人智能模糊控制方法在工程车辆智能变速系统中应用的可行性；以具有对复杂系统的良好的适摘要应性、在线实时性、控制系统结构简单、作业工况全局最优性等性能为目标的仿人智能模糊控制，对目前工程车辆智能换挡控制的各种控制策略进行了分析总结，给出了各控制策略的优、缺点及智能换挡的控制模块。 1、结合国内外车辆自动变速技术及智能控制技术等资料，分析了工程车辆的作业特点及发展前沿，论述了自动变速技术的发展历史，总结出目前研究开发车辆自动换挡系统的重大意义。同时介绍了自动换挡系统的结构原理。针对自动控制技术的发展，就车辆自动变速方面的换挡控制策略及其发展历程、现状，进行了详尽的分析。提出本文主要研究内容，即研究工程车辆动力传动系统性能、结构及匹配，从系统工程和综合分析的观点，提出了采用仿人智能模糊控制的方法提高工程车辆智能变速的新途径。 2、以典型工程车辆Z肠O装载机为研究对象，对其动力传动系统进行了性能分析，并建立了数学模型。动力系统结合X6130柴油机建立了数学模型并进行了仿真试验，对发动机的动力性和经济性进行了性能分析。给出了液力变矩器的数学模型，结合YJ355液力变矩器对其性能进行了分析。重点在发动机与液力变矩器的合理匹配上进行了分析研究，分别选用带全制式调速器的柴油机及带两极式调速器的柴油机与液力变矩器进行匹配及性能对比分析，首次提出在工程车辆上采用两极调速器和不可透或透穿性小的液力变矩器的观点，并对其共同工作特性进行了分析研究，证明方案可行。 3、针对工程车辆的作业特点提出了自动变速的换挡原则，提出以车辆最佳牵引性能、动力性能及兼顾燃油经济性为换挡控制原则。对仿人智能控制HSIC (Human simulating玩telligent Control)方法进行了详尽的性能分析，该控制方法具有分层递阶的信息处理和决策机构、在线的特征辩识和特征记忆、开环与闭环综合控制、定性决策与定量控制相结合的多模态控制等基本特点。首次将仿人智能控制与模糊控制方法相结合应用于工程车辆的智能换挡控制，确定了工程车辆变速系统的基于仿人智能模糊控制的自动换挡策略，以工程车辆速度变化趋势为换挡控制参考项，采用双输入、单输出(即以车速及发动机油门开度为输入量，以变速器挡位为输出量)的控制方法，以控制系统结构简单、作业工况全局性能最优、在线实时性为控制原则，对复杂工程车辆变速系统进行了控制性能的分析研究。 4、应用M户JLAB/SIMUUNK软件，对ZLSO装载机变速系统进行了动态建模和仿真。以油门开度和车速为控制输入量，以发动机动态转速为输出量，建立了x613o柴油发动机子系统仿真模型。以发动机动态输出转速、变速器挡位、输出转速为输入信号，以传动系输出?

全文目录

第一章绪论  15-32
  1．1 工程车辆自动变速技术发展状况  16-24
    1．1．1 工程车辆作业特点  16-17
    1．1．2 工程车辆的技术发展前沿  17-18
    1．1．3 车辆自动变速传动系统及其发展状况  18-22
    1．1．4 实现工程车辆自动变速的意义  22-24
  1．2 车辆自动变速系统的结构及原理  24-25
  1．3 车辆自动变速系统的控制策略  25-29
    1．3．1 车辆自动变速系统换挡参数选择  25-27
    1．3．2 车辆自动变速系统换挡控制策略  27-29
  1．4 本文的研究内容  29-31
  1．5 本章小结  31-32
第二章动力传动系统分析及力学模型  32-54
  2．1 装载机动力传动系统  32
  2．2 动力系统数学模型  32-40
    2．2．1 柴油发动机的负荷特性  33
    2．2．2 柴油发动机的速度特性  33-34
    2．2．3 柴油发动机的调速特性  34-37
    2．2．4 工程车辆动力系统数学模型  37-40
  2．3 液力变矩器数学模型  40-43
  2．4 发动机与液力变矩器的合理匹配  43-46
    2．4．1 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性  44-46
      2．4．1．1 柴油机采用带全程式调速器结构  44
      2．4．1．2 柴油机采用带两极式调速器结构  44-46
    2．4．2 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性  46
  2．5 传动系统及其数学模型  46-53
    2．5．1 车辆传动系总传动比分配  48-50
    2．5．2 变速器数学模型  50
    2．5．3 换挡执行机构数学模型  50-53
      2．5．3．1 换挡过程动力学分析  50-51
      2．5．3．2 换挡离合器及制动器摩擦转矩模型  51
      2．5．3．3 液压系统响应  51-53
  2．6 本章小结  53-54
第三章仿人智能模糊控制换挡策略  54-81
  3．1 仿人智能控制方法的基本特性  54-60
    3．1．1 仿人智能控制的基本算法和静特性  55-58
    3．1．2 仿人智能控制的动态特性  58-60
    3．1．3 仿人智能控制器原型中的智能属性  60
  3．2 仿人智能控制算法  60-65
    3．2．1 仿人智能控制特征模型  60-63
    3．2．2 仿人智能控制特征辨识、特征记忆及模式识别  63
    3．2．3 仿人智能控制的多模态控制  63-64
    3．2．4 仿人智能控制多层递阶的信息处理和决策机构  64-65
  3．3 仿人智能控制规则  65-69
    3．3．1 运行控制级(MC)  66-68
    3．3．2 参数校正级(ST)  68-69
    3．3．3 任务适应级  69
  3．4 工程车辆换挡控制相关因素  69-73
    3．4．1 换挡参数选择  70
    3．4．2 换挡控制原则  70-73
  3．5 工程车辆模糊换挡控制策略  73-81
    3．5．1 模糊量的设定  73-75
    3．5．2 工程车辆仿人智能模糊换挡控制推理  75-77
      3．5．2．1 工程车辆换挡控制策略  75-76
      3．5．2．2 模糊换挡策略  76
      3．5．2．3 工程车辆仿人智能模糊换挡策略  76-77
    3．6 基于仿人智能的模糊换挡控制模型  77-79
    3．7 基于仿人智能模糊换挡控制流程图  79
    3．8 本章小结  79-81
第四章自动变速系统仿人智能模糊控制仿真研究  81-90
  4．1 装载机动力传动系统HSIC动态仿真结构模型  82
  4．2 HSIC模糊控制仿真系统组成  82-85
    4．2．1 发动机子系统仿真  82-83
    4．2．2 工程车辆传动子系统仿真模型  83-84
      4．2．2．1 液力变矩器仿真模型  83-84
      4．2．2．2 变速器仿真模块  84
    4．2．3 工程车辆作业环境模型  84-85
  4．3 自动变速控制系统HSIC模糊控制仿真系统  85-86
  4．4 装载机仿真模型  86
  4．5 装载机仿人智能(HSIC)模糊控制自动变速仿真控制系统  86
  4．6 仿真试验及结果分析  86-88
    4．6．1 装载机在升挡工况下仿真结果  87-88
    4．6．2 装载机在降挡工况下仿真结果  88
  4．7 本章小结  88-90
第五章仿人智能模糊控制自动换挡试验研究  90-98
  5．1 测试试验台组成  90-91
  5．2 台架试验测试仪器  91-93
  5．3 台架试验测试内容  93-95
    5．3．1 工程车辆动力传动系统动态特性检验  93
    5．3．2 测试系统的可行性及可靠性分析  93-94
    5．3．3 自动换挡系统换挡品质的性能测试  94-95
  5．4 台架试验测试结果及结果分析  95
  5．5 本章小结  95-98
第六章智能换挡控制策略对比性分析  98-106
  6．1 模糊换挡策略  98-100
  6．2 模糊自适应换挡策略  100-101
  6．3 模糊神经网络换挡策略  101-103
  6．4 混沌神经网络换挡策略  103-104
  6．5 仿人智能模糊控制换挡策略  104
  6．6 工程车辆换挡控制策略展望  104-105
  6．7 本章小结  105-106
第七章结论  106-108
参考文献  108-115
攻读博士期间发表论文及参加的科研项目  115-116
致谢  116-117
摘要  117-120
Abstract  120-20
图1-1 AMT结构原理图  20-24
图1-2 电控自动变速系统组成原理  24-25
图1-3 电子控制单元ECU结构示意图  25-27
图1-4 模糊换挡策略原理图  27-29
图1-5 神经网络控制原理  29-32
图2-1 装载机动力传动系统简图  32-33
图2-2 柴油机负荷特性  33-34
图2-3 柴油机速度特性  34-35
图2-4 发动机全程调速特性曲线  35-36
图2-5 发动机两极调速特性曲线  36-37
图2-6 全程式调速器与两极式调速器调速特性比较曲线  37-39
图2-7 X6130柴油发动机外特性及调速特性曲线  39-40
图2-8 液力变矩器涡轮输出特性  40-43
图2-9 YJ355液力变矩器原始特性  43-45
图2-10 全程式柴油机与液力变矩器共同工作的输入特性曲线  45-46
图2-11 两极式柴油机与液力变矩器共同工作的输入特性曲线  46-47
图2-12 柴油机与液力变矩器共同工作的输出曲线  47
图2-13 传动力学模型  47-49
图2-14 变矩器与变速器各挡输出速度变化关系  49-52
图2-15 制动器操纵油缸当量力学模型  52
图2-16 换挡过程的仿真结果  52-55
图3-1 仿人智能控制器单元结构图  55-56
图3-2 误差相干面上的特征及相应的控制模态  56-57
图3-3 仿人智能控制器原理的静态特性  57-58
图3-4 仿人智能控制器原型的动态特性换挡曲线  58
图3-5 PID调节器与仿人智能控制器原型的比较  58-61
图3-6 动态响应过程曲线  61-62
图3-7 控制系统误差相平面特征模式  62-65
图3-8 产生式系统的基本结构  65
图3-9 智能控制的分层递阶结构  65-66
图3-10 运行控制级的特征模型  66-68
图3-11 参数校正级的特征模型  68-70
图3-12 自动变速器换挡规律  70-72
图3-13 工程车辆最佳牵引性能换挡曲线  72
图3-14 发动机燃油经济效率与车辆运行速度关系曲线  72-75
图3-15 输入、输出量隶属函数度曲线  75-78
图3-16 基于仿人智能的模糊换挡控制模型  78
图3-17 仿人智能对工程车辆运动趋势判断示意图  78-80
图3-18 基于仿人智能模糊换挡自动控制流程图  80-82
图4-1 装载机动力传动系统动态仿真结构图  82-83
图4-2 发动机子系统仿真模型  83
图4-3 工程车辆传动子系统仿真模型  83-84
图4-4 液力变矩器仿真模型  84
图4-5 变速器仿真模块  84-85
图4-6 工程车辆作业环境模型  85
图4-7 仿人智能模糊控制仿真系统模型  85
图4-8 装载机仿真模型  85-86
图4-9 仿人智能模糊控制仿真系统模型  86-87
图4-10 装载机在升挡工况下仿真结果  87-89
图4-11 装载机在降挡工况下仿真结果  89-90
图5-1 液力机械传动自动变速控制试验台结构布置图  90-91
图5-2 自动换挡控制测试试验台及测试仪器装置  91-92
图5-3 油门开度传感器安装布置图  92
图5-4 转速传感器安装布置图  92
图5-5 发射器工作原理  92-93
图5-6 接收器工作原理  93-96
图5-7 装载机在升挡工况下试验结果  96-97
图5-8 装载机在降挡工况下试验结果  97-99
图6-1 工程车辆自动换挡模糊控制策略结构  99-100
图6-2 模糊控制智能换挡控制模块  100-101
图6-3 工程车辆自适应模糊换挡系统图  101
图6-4 模糊自适应控制换挡控制模块  101-102
图6-5 工程车辆模糊神经网络自动换挡控制系统结构  102
图6-6 模糊神经网络控制换挡控制模块  102-103
图6-7 工程车辆自动换挡混沌神经网络控制系统结构  103-104
图6-8 混沌神经网络控制换挡控制模块  104
图6-9 仿人智能模糊控制换挡控制模块  104-21
表1-1 国外AMT及ASCS主要产品  21
表1-2 国内ASCS研究状况  21-38
表2-1 X6130柴油发动机外特性  38-41
表2-2 不同涡轮型式液力变矩器特性参数  41-42
表2-3 YJ355型液力变矩器原始特性参数  42-61
表3-1 特征变量的符号变化  61
表3-2 仿人智能控制系统瞬态响应偏离给定值的9种特征状态模式  61-74
表3-3 发动机油门开度α模糊化  74
表3-4 车辆行驶速度v模糊化  74
表3-5 变速器执行挡位dw模糊化  74
表3-6 工程车辆换挡原则  74-91
表5-1 4D180变速器挡位及传动比  91-123

提高工程车辆智能变速性能的综合控制研究

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