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                拖拉机变速器设施速度扼制剖析
                   新闻来源:    时间:2011-06-13    点击:2616

                1 无级变速器控制目标
                  无级变速器速比控制的目标是通过对发动机和变速器速比的控制,使发动机始终在理想的工作状态下运行,即使发动机始终沿着最佳动力性或最佳经济性运行曲线工作。根据发动机试验数据,将发动机燃油消耗率ge,转矩Te和转速ne关系拟合为ge=ge(ne,Te)的二维曲面,即为发动机油耗的数值模型,利用它可得到万有特性曲线,在万有特性曲线上将各功率对应的最小燃油消耗率点连接起来,即可得到发动机经济性运行曲线,在同一张图上作出发动机不同油门开度下的转矩和转速特性曲线,并将各油门开度下的最大功率点连接起来,即为发动机动力性运行曲线。LR6105ZT10柴油发动机的最佳动力性运行曲线(D)和最佳经济性运行曲线(E)。
                  2目标速比与控制原理
                  可以看出,在发动机最佳运行模式下,油门、转矩、转速和功率存在一一对应关系。发动机有效工作范围内的每一点都与拖拉机的驱动力和车速一一对应,具体表达为拖拉机驱动力与发动机输出转矩关系
                  Fq=Teii0r(1)
                  式中Fq为拖拉机驱动力,kN;Te为发动机动态输出转矩,Nm;r为驱动轮半径,m;i为无级变速器实际运行速比;i0为变速器输出轴到轮边总传动比;为传动系效率。
                  拖拉机速度与发动机转速关系
                  v=0.377nerii0(2)
                  式中v为速度,km/h;ne为发动机转速,r/min;为驱动轮滑转效率。
                  拖拉机工作条件变化时,控制系统根据测得的实际牵引载荷以及此时的车速,确定输出功率。根据最佳模式下功率油门关系,确定此时最佳模式需要的油门开度,这个油门开度,在发动机最佳动力性曲线(D)或最佳经济性曲线(E)上唯一对应一个发动机转速和转矩。由于拖拉机以输出驱动力作为主要工作内容,所以发动机输出转矩经传动系转换后得到的驱动力必须和拖拉机的阻力平衡,那么,拖拉机在调节过程中无级变速器目标速比为
                  it=Fqri0Tee(3)
                  实际运行速比i=Fqri0Te(4)
                  式中Tee为发动机最佳运行模式下的输出转矩,Nm;it为最佳运行模式下无级变速器目标速比。
                  3控制方法与控制器设计
                  如上所述,拖拉机无级变速器控制目标是使发动机始终沿所要求的最佳工作曲线运行,拖拉机在工作中,为保持一定的作业质量,需要以相对稳定的速度运行。当载荷变化时,如果要保持车速稳定,以保证拖拉机的作业效率和作业质量,则需要同时调整发动机输出功率和变速器速比。
                  PID是应用最为广泛的一种控制方法,其特点是算法简单,参数整定方便,且容易实现多回路控制。根据上文所述,系统要求能够对发动机油门和变速器速比同时进行控制,为此设计了所示双闭环PID控制系统。当载荷变化时,系统根据测得的实际速度和阻力,同时对油门和速比进行控制,使发动机运行在选定的模式下,同时保持拖拉机速度稳定。
                  在这个系统中,油门开度和变速器速比均为控制变量。由于两个变量均对发动机转速产生影响,形成耦合作用,所以需要对被控量和控制量进行合理的匹配,以达到满意的控制效果。
                  其中油门控制系统的输入来自拖拉机作业时所需总功率和驾驶员意图。在油门控制回路中,电子控制单元(ECU)根据拖拉机阻力和车速计算得到此功率下发动机最佳工作点对应的油门控制系统方案开度,并将其作为目标油门开度,系统对驾驶员设定的初始油门开度和目标油门开度进行比较,并将误差信号送入油门PID控制器,PID控制器将油门控制信号输入到发动机,经过多次反馈最终使实际油门开度达到目标值。速比控制回路中,电子控制单元(ECU)根据拖拉机实际工况参数由式(3)和式(4)计算出目标速比和实际速比,系统在运行中不断比较目标速比和实际速比,并将误差信号输入到PID控制器,PID控制器将传动比控制信号输入到变速器用于速比控制,经过多次反馈最终使实际速比达到目标速比。
                  4仿真模型
                  4.1发动机模型
                  本文使用Matlab/simulink软件对系统进行建模和仿真。
                  柴油机稳定工况下输出转矩是其油门开度和转速的函数,根据试验数据,利用二维插值的方法,即可求出一定油门开度和一定发动机转速下的稳态输出转矩。发动机的Simulink仿真模型,lookuptable(2D)_engine?槭且允匝槭菸谰莸乃咝圆逯凳;依据输入转速ne和油门开度throttle,即可由lookuptable(2D)_engine?榈玫椒⒍忍。
                  非稳定工况下,发动机输出功率同稳定工况相比要下降,非稳定工况下发动机动态转矩计算公式Te=T-kdedt式中T为发动机的稳态输出转矩,Nm;k为发动机的转矩下降系数;e为发动机角转速,rad/s.
                  4.2传动系模型
                  无级变速拖拉机的动力传递特性可以由以下动力学方程描述Ie=Te-Tin,Ib=Tin-Tout,Tout=TiniCVT,iCVT=eb式中Ie为发动机等效转动惯量,kgm2;b为变速器输出轴角转速,rad/s;Tin为变速器输入转矩,Nm;Tout为变速器输出转矩,Nm;Ib为变速器转动惯量,kgm2;iCVT为无级变速器控制速比。
                  根据以上动力学方程,用Simulink建立传动系统和拖拉机(迅速开展拖拉机变型运输机专项整治工作)整机的传真模型。
                  5仿真分析
                  以经济性运行模式为例,对所制定的速比调节规律和速比控制系统进行仿真试验。仿真过程:仿真初始,设定油门开度70,牵引载荷25kN,在100s时,加载5kN的阶跃载荷,观察系统响应。
                  仿真过程各变量变化曲线,输入载荷变化情况。
                  可以看到,在初始油门设置和阻力条件下,车速平衡在8.4km/h,随着拖拉机阻力变化,车速在经过振荡后,最终稳定在阻力发生变化前的速度。
                  可以看出,在阶跃输入后,发动机转速由1778r/min变到1860r/min,转矩由406Nm变到462Nm,相应的发动机工作点由A点变到B点,且都在发动机最佳燃油经济性工作线上。
                  实际油门开度和实际速比变化情况。仿真结果表明,所设计的控制系统满足了对油门和速比的控制要求,使发动机始终运行在所要求的最佳运行模式下,并保持拖拉机速度的稳定。
                  6结论
                  本文以发动机最佳经济性和最佳动力性运行曲线为目标,根据拖拉机的工作特点,建立了适用于无级变速拖拉机的最佳经济性和最佳动力性速比调节规律,设计了发动机油门和无级变速器速比双闭环PID控制器,并通过仿真的方法验证了速比调节规律和控制系统的有效性。

                 

                 

                 
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