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    发动机制动过程中无级变速器的控制仿真研究.pdf

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    发动机制动过程中无级变速器的控制仿真研究.pdf

    第28卷第3期 佳 木 斯 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Vo.l28 No.32010 年 05月 JournalofJiamusiUniversityNaturalScienceEdition May 2010 c I | 1008- 1402201003- 0376- 04     V     M   e  _ ‡   刘冰一D v  L    ,‘ C  D 154007K 1 介绍了发动机制动特性及其影响因素并简要说明了发动机制动试验方法.论述了发动机制动时,对无级变速器的速比进行控制的必要性.提出了发动机制动时设定车速的概念,通过设定车速估算发动机目标转速,再通过发动机目标转速确定无级变速器的目标速比,然后运用PID算法跟踪目标速比.解决了发动机制动时没有节气门开度信号输入,难以确定发动机目标转速的问题.最后,通过仿真验证了该控制策略的有效性.1 o M 发动机制动;无级变速器;驱动链;速比控制;目标车速 m s | U464  D S M ’ 0 „ 汽车在道路上行驶时经常要进行小强度,长时间的制动,如果使用主制动器长时间制动,会加速主制动器的磨损和制动性能的衰退,进而影响整车制动性能的发挥.因此,有必要在汽车上设计一套辅助制动系统,以解决由于汽车的持续制动带来的问题[1].辅助制动的应用能够显著改善车辆的行驶安全性、动力性和燃油经济性并能使主制动器制动效能保持稳定可靠[2],因此在汽车上得到了广泛的应用,在一些国家和地区分别出台交通法规,规定一定级别的车辆必须安装辅助制动系统[3].其中,发动机制动应用最普遍,但是发动机的制动力矩十分有限,只有通过汽车的传动系将有限的制动力矩放大才能发挥理想的制动作用.近年来,为提高车辆的经济性、乘坐舒适性和驾驶方便性,许多轿车装备了无级变速器.如何控制无级变速器的速比以便更充分利用发动机制动力矩,使发动机制动效果得到更有效的发挥,使车辆的行驶安全性得到保证是值得研究的问题.1        Ÿ1. 1        发动机制动时,驾驶员松开加速踏板,但不脱开发动机与传动系的连接.此时,发动机节气门关闭,发动机成为汽车行驶的负载,如果由于外界因素使发动机转速加快,则活塞和气缸等相对运动的部件的摩擦阻力势必会增加;发动机的 /泵气0阻力随发动机转速的升高而增加[4];发动机转速的升高,至使发动机驱动附件如,发电机、水泵等的阻力也增大.这些增加的阻力作用在汽车上,表现为发动机制动力矩.图1 发动机转速与发动机动力矩关系1.2       • Y y 图1为某发动机转速与制动力矩关系的试验曲线.由图可见发动机制动力矩随转速升高而增大.汽车行驶过程中,车速和道路坡度随环境的不同而变化,如果车辆要求辅助制动系统工作以平衡坡道的下滑力,需要不断调节发动机转速以获得合适的发动机制动力矩.这对于发动机本身来说很难达到平衡,但由于无级变速器的速比可以连续变 l  2010- 03- 18T € e  刘冰一1960- ,男,黑龙江佳木斯人,佳木斯大学工厂助理工程师.第 3期 刘冰一发动机制动过程中无级变速器的控制仿真研究化,通过调节无级变速器的速比可实现车速与所需发动机转速的最佳匹配,进而获得理想的制动力矩[5].另外,发动机制动力矩大小还与变速器速比、滚动阻力、空气阻力、道路坡度和其它一些参数等行车条件相关.因此,很难用解析表达式求得发动机制动力矩的确切数值,只有通过试验才能得到真实的发动机转速与制动力矩之间的关系,也为进一步的发动机制动时无级变速器速比控制和控制策略的仿真提供数据资料.2   M   1 e   {无级变速器是一种变速传动装置,其速比在一定范围内可以连续变化.它能够很好的协调发动机和驱动轮之间的力矩平衡关系,这种平衡关系是靠速比控制实现的.无级变速器速比控制要解决两个问题 1确定目标速比, 2对目标速比的跟踪.发动机制动时,目标速比确定不同于驱动时.2.1 z  H   M  1 e 当汽车处于驱动状态,目标速比控制程序根据节气门 对应加速踏板开度估算发动机目标转速ne obj. 根据发动机目标转速和当前从动轮转速nRD 由当前车速换算得到确定目标速比 iobj.整个速比控制过程如图2所示.速比控制模型如 1式所示.iobj ne obj /nRD 1目标速比确定之后,当前速比还需要跟踪目标速比.目前普遍采用的控制方法是用目标速比 iobj与当前速比 irea l的差值 e iobj - irea l作为控制器的输入,运用PID算法形成控制量,将控制量作用于速比控制阀,通过速比控制阀的调节使无级变速器的当前速比与目标速比的偏差减小到设定范围[6],从而实现速比的跟踪.适用于微机控制的数字PID控制器表示为[7]图 2 无级变速器速比控制过程uk Kp ek KI Ekj 0ej KD [ e k - ek - 1 ] u0 2式中 k为采样序号, k 0, 1, 2, , , ; u k 为第 k次微机输出,相当于无级变速器速比变化率; ek为第 k次采样输入的偏差值; KP为比例系数; KI为积分系数; KD 为微分系数; u0为偏差为0时的控制量输出.发动机驱动时,目标速比主要由加速踏板和行驶车速确定的;发动机制动时,驾驶员丢开加速踏板,没有节气门输入信号.因此不能通过节气门确定目标发动机转速,需要重新确定目标速比.2. 2      H   M  1 e 当汽车处于下坡路面时,经常采取发动机制动来保持汽车的纵向受力平衡.这种平衡关系用行驶方程3表示,通过进一步推导可以得到发动机制动力矩表达式4.F i FZ Ff Fw 3式中 F i为坡道上的下滑力N, F i sin; FZ为制动力N; Ff为滚动阻力N; Fw为空气阻力N;TZ GsinA- Ff - FW rd /iCVT i0 4式中 G为汽车总质量 N; A为坡度角 rad; rd为轮胎滚动半径; iCVT为无级变速器速比; i0为主减速器速比.377佳 木 斯 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2010年发动机制动就是利用发动机制动力矩,配合传动系的速比变化和力矩放大功能平衡汽车在坡道上的下滑力,使车速趋于稳定.图3 发动机制动无级变速器控制的仿真模型图4 汽车下坡行驶发动机制动仿真结果此时,发动机目标转速由设定车速和当前速比计算5.其中设定车速是当车辆处于发动机制动工况时 判断的依据没有节气门信号,无级变速器未脱开连接车速控制的目标值.这个目标值一般为试验确定的,可视为巡航车速,在行车过程中,如果驾驶员对设定车速不满意,可以利用加速踏板或制动踏板对车速进行调节.ne obj 2. 65 Vset i0 iCVTrd 5式中 ne obj为发动机目标转速 r/min; Vset为发动机制动时的设定车速定值 km/h; i0为主减速器的速比; rd为驱动轮滚动半径 m; iCVT 为无级变速器当前速比.当驾驶员丢开加速踏板,但汽车的动力没有脱开时,汽车立即进入发动机制动控制程序.发动机节气门关闭;车速控制目标为设定车速.程序根据5估算发动机目标转速.由汽车的纵向受力平衡方程3可知,在发动机制动时,发动机制动力与汽车在坡道上所受的下滑力平衡.而发动机制动力378第 3期 刘冰一发动机制动过程中无级变速器的控制仿真研究矩与发动机转速有关如图1所示.综上可得设定车速为定值,发动机转速与无级变速器速比成正比.所以,发动机制动时,无级变速器速比控制器通过调节速比能使发动机获得目标转速,发动机目标转速对应着发动机制动力矩见图1.正在下坡的汽车靠发动机制动力矩平衡汽车的下滑力,最终使车辆达到设定车速.发动机制动过程中目标速比的确定和速比跟踪仍采用1、2式确定,整个控制过程可以通过计算机仿真加以验证.3 _ ‡ s 3. 1  ˜  y 在MATLAB/Simulink环境下,依据上述控制策略建立仿真模型.仿真按照参考文献[8]中无级变速器双质量模型建模, 顶层模块如图 3所示. 其中,VehicleResistance模块利用反馈的实际车速计算汽车行驶阻力矩;CVTRatio模块利用设定车速、反馈的无级变速器从动轮转速和实际速比计算出速比变化率和发动机目标转速,其中发动机目标转速以设定车速和实际速比用5式估算得到,然后由发动机目标转速与无级变速器从动轴转速计算得到无级变速器的目标速比,再用目标速比与当前速比作差,最后应用 PID算法得到速比变化率;EngineBraking模块利用发动机目标转速根据图1查表得到发动机制动力矩;Vehicle模块利用汽车行驶阻力矩、无级变速器当前速比、发动机制动力矩和速比变化率计算得到从动轮角加速度、从动轮转速和行驶车速,其中从动轮的角加速度依据下式得出Td为行车阻力矩Nm; Je为发动机转动惯量 Kgm2; Xd 为无级变速器从动轴的角速度 rad/s; d iC VT /dt为无级变速器的速比变化率; Jd为无级变速器从动轴转动惯量.EngingSpeed模块利用汽车行驶阻力矩、无级变速器当前速比、发动机制动力矩和无级变速器从动轴角加速度依据7式计算发动机转速.Xe 为发动机角速度rad/s; Te为发动机转矩Nm; Td为无级变速器从动轮输出的阻力矩Nm.Ratio模块根据输入的发动机转速和无级变速器从动轮转速计算当前速比.3.2 _ ‡  T在上述模型中分别以初始车速为 40Km/h和50Km/h,车辆分别经过坡度为0. 06rad和0. 08rad的下坡路段实施发动机制动,模型的仿真结果如图4所示.从仿真结果可以看出,以不同的车速,在不同坡度的路面上车速均能快速收敛到设定车速.可见发动机制动的无级变速器速比控制策略是有效的.4  分析了发动机制动的特殊性,解决了发动机制动过程中无级变速器目标速比难以确定的问题.通过理论分析及仿真验证,得出以下结论1调节无级变速器的速比可以使发动机的有限制动力矩平衡下长坡汽车的行驶下滑力.2为充分利用发动机制动力矩,提出了在制动过程中调节无级变速器速比的观点,并通过仿真验证证实所采用的控制策略是有效的.• I  D [1] 方泳龙.汽车制动理论与设计[M].北京国防工业出版社,2005.[2] 余强,陈荫三,马建,郭荣庆,张庆余.客车发动机制动下坡能力[J].长安大学学报自然科学版,2003. 232.[3] HansOttoMeyer.HydrodynamischeDauerbremsachse fuerAn2haengerundSattelauflieger[J].ATZ,1972,174314319.[4] HirohisaOgawa, MasatoMatsukiandTakahiroEguchiHondaR通过MATLAB软件对影响收获机阻力的 3个因素速度、频率、振幅进行了分析,给出了牵引阻力相对 3个因素的变化规律.牵引阻力随频率振幅递增而呈现凹曲线图形,当频率是390r/min阻力有最小值为1122N,当振幅是15mm时阻力有最小值为 1111N.给出了影响阻力的3个因素的最优解,为根茎类收获机械设计提供了参考依据.• I  D [1] 梁军.中药现代化研究概述[J].黑龙江医药. 2004.[2] 宋言明,王芬娥.国内外马铃薯机械的发展概况[J].农机化研究, 2008,9.[3] 初旭宏.长根茎中草材收获机关键部件的研究[D].佳木斯大学. 2009,3.[4] 张威.MATLAB基础与编程入门[E].西安电子科技大学出版社. 2004,2.Research on theCombine for LongRhizomaticTraditionalChineseMedicineSUN Ye- qiang, WANG Jun- fa, ZOU Ai- huaCollegeofMechanicalEngineering, JiamusiUniversity, Jiamusi154007, ChinaAbstract ChinaisamainexportingcountryofChinesetraditionalmedicine. However, itishardtoreapthem especiallythosewith longrhizomesuch asgancao, huangq,i fangfeng, and soon. ThequalityandbenefitofChinesetraditionalmedicinewilldecreasebecauseofthehigh resistance, largeamountofpowerconsumptionand pooreffectofseparation, whichmakeitslowtodevelop. DevelopingthecombineforlongrhizomaticChinesetraditionalmedicineisvery importan.t TheChinesetraditionalmedicinecombinewas testedbyuniformityde2sign, thedatawereprocessedwithuniformitydesign3.0software, andaresistancemathmodelwasestablished.Themathmodelwasanalyzedbymatlab6.5software, andtheoptimizingworkparametersweregained, whichof2ferreferencefordesigningChinesetraditionalmedicinecombine.Keywords combine; longrhizomaticChinesetraditionalmedicine; testhome; uniformitydesign; mat2lab上接379页Simulation StudyofCVT ControlWhileEngineBrakeLIU Bing- yiJiamusiUniversity, Jiamusi154007, ChinaAbstract Theenginebrakecharactersandrelativeinfluencefactorswereintroduced. Theexperimentofenginebrakeperformancewasexpounded. Thenecessityofcontrolcontinuouslyvariabletransmissionratioduringenginebrakingwasdiscussed. Theconceptionofsettingvehiclevelocityduringenginebrakeswasproposed, andtheengineobjectspeed isestimatedthrough thesettingvehiclevelocity. TheobjectratioofCVTwascalculatedwith theengineobjectspeed. TheobjectratiowastrackedusingPIDalgorithm. Thismethodsolved thedifficultproblem inconfirmingobjectenginespeedwithoutthrottleopeningsignalinputs. Finally, acarwithCVTsimula2tionmodelwasbuil,t thesimulation resultsshowed thattheCVTratiocontrolstrategyduringenginebraking isvalid.Keywords enginebrake; continuouslyvariabletransmission; power- train; ratiocontro;l objectspeed383

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