CN102535573B - 装载机智能自动变速控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种装载机智能自动变速控制系统及控制方法，其特点是系统包括工况识别控制器、换挡点计算控制器、换档执行控制器、换档执行机构，通过动臂油缸大腔油压、油门开度、整车车速、发动机转速、变矩器涡轮转速的检测，使用前馈和反馈控制方法结合标准动力换挡规律，实现铲装、行驶工况的识别。其优点是可根据动臂油缸大腔的油压及其油压变化率区别铲装工况和运输工况，并根据工况区别换挡。在铲装工况下，预判整车档位的下降，提早对降档进行控制，预判铲装的最大牵引力需求及最低档位需求；整个控制系统和控制方法结构简明，易于实现，且档位变化兼顾了装载机的行驶工况和作业工况，实现了节能、高效的自动变速控制。

Description

装载机智能自动变速控制系统及控制方法

技术领域

本发明的涉及一种用于工程机械中进行自动变速的控制系统及控制方法，特别是涉及一种主要用于装载机的装载机智能自动变速控制系统及控制方法。

背景技术

目前国内外生产或使用的装载机自动变速控制系统，大多采用了类似汽车自动变速系统的传统控制方法，例如选取油门开度和整车车速的两参数法，选取油门开度、变速箱输入齿轮转速及输出齿轮转速的三参数法等。此外，通过引入加速度、工作泵扭矩等参数，采用模糊算法、神经网络等识别驾驶员意图，可对传统的变速控制方法做修正，使得档位变换更为合理。

然而，装载机工作环境恶劣，换档操作频繁，负载变化剧烈，且多为循环作业，其换档需求与汽车大不相同。由于装载机作业过程中车速急剧下降，而换档的过程通常需要持续0.5~1.5秒左右的时间，这导致了使用一般的变速控制方法其档位无法紧跟工况的变化，造成换档滞后。如在作业时的铲装过程中，由于铲斗插入料堆使得车速急剧下降，按照一般变速控制方法常常导致车速已经降至接近零时，档位才降至一档，影响了作业的效率。此外，由于换挡的过程通常伴随着动力中断、离合器滑磨，一般的变速控制方法往往从换当前后的整车动力性、经济性出发，而忽略了换挡过程的时间、能量损失。如在作业时的铲装过程中，料堆的物料为松散料时应保持2档即可满足作业的牵引力需求，而传统的控制方法由于车速下降导致整车仍降入1档作业，增加了不必要的换档过程，使得离合器的使用寿命减短，作业效率降低。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能够适应负载剧烈变化，实现档位预判，避免换档频繁，并且兼顾控制效果与实现成本的装载机智能自动变速控制系统及控制方法。

本发明的解决方案是这样的：

本发明的装载机智能自动变速控制系统主要包括：

工况识别控制器，用于检测当前工作装置载荷信息和整车档位信息，进行工况计算，输出工况信号；

换挡点计算控制器，用于接收工况信号，并根据当前工作装置载荷信息、整车档位信息、油门开度信息以及之前三次或之前四次、五次工况的整车车速信息、油门开度信息和整车档位信息计算和修正换挡点车速，输出最终换挡点车速；

换档执行控制器，用于检测当前整车车速信息、手柄档位信号和计算得到的最终换挡点车速，向换档执行元件输出驱动信号。

更具体的系统还包括：

所述的换档点计算控制器包括：

标准换档点计算：检测当前油门开度，根据预设的双参数换挡规律采用查表法或函数法计算当前油门开度下的标准换挡点车速，输出标准换挡点车速信号；

换档前馈控制：接收标准换挡点车速信号，检测动臂油缸大腔油压变化率，结合标准换挡点车速，采用等比例法计算得到前馈换挡点车速；

换档反馈控制：接收前馈换挡点车速信号，检测当前和之前三次或之前四次、五次工况铲装工况的油门开度、整车车速信息和整车档位信息，结合前馈换挡点车速，采用阈值比较法，计算得到反馈换挡点车速。

换档点计算控制器接收工况信号，并根据工况信号调用上述三模块，决定输出标准换挡点车速信号或反馈换挡点车速信号作为最终换挡点车速。

所述的手柄档位信号是取自换档操纵手柄；所述的油门开度信号是取自油门位置传感器；所述的工作装置载荷信号是取自动臂油缸大腔压力传感器；所述的整车车速信号是取自末级齿轮转速传感器。

本发明的控制方法步骤包括：

提取各外界输入信号步骤：提取油门开度信息、动臂油缸大腔油压信息、整车车速信息、手柄档位信息、整车档位信息，使用滤波算法提取有效信号，利用动臂大腔油压单位时间的变化值计算得到动臂大腔油压变化率；

工况识别步骤：利用动臂大腔油压单位时间的变化值计算得到动臂大腔油压变化率，结合当前档位，采用阈值比较法进行工况判定；

标准换档点计算步骤：通过测试相同油门开度下的各档位的整车驱动力-车速曲线图，取相邻两档位驱动力曲线交点处的车速为该油门开度下的换挡点车速，最终得到油门开度-换挡点车速数据表或函数关系式。检测当前油门开度，用查表法或函数法计算当前油门开度下的标准换挡点车速；

换档前馈控制步骤：若工况为铲装工况，检测动臂油缸大腔油压变化率，结合标准换挡点车速，采用等比例法计算得到前馈换挡点车速；

换档反馈控制步骤：若工况为铲装工况，检测当前和之前三次或之前四次、五次工况铲装工况的油门开度、整车车速信息和整车档位信息，结合前馈换挡点车速，采用阈值比较法，计算得到反馈换挡点车速；

最终换挡点计算步骤：若工况为铲装工况，则以反馈换挡点车速作为最终换挡点车速；若工况为行驶工况，则以标准换挡点车速作为最终换挡点车速；

换档执行控制步骤：检测当前整车车速和手柄档位信息，获取前述计算所得的最终换挡点，若当前车速高于升档点或低于降档点，且换挡后的档位在手柄档位的限定范围内，则向换档执行元件输出驱动信号。

更具体的控制方法还包括：

所述的工况识别步骤中的阈值比较法为：系统中设置油压阈值和油压变化率阈值，当整车档位处于1档或2档且动臂油缸大腔油压及其油压变化率均高于设定的油压阈值及油压变化率阈值时，则从此时起至车辆换向之前识别为铲装工况；否则识别为运输工况。

所述的换档前馈控制步骤中的等比例法为：前馈换挡点车速与动臂油缸大腔的油压变化率成正比。若动臂油缸油压变化率升高，则前馈换挡点车速在标准换挡点车速的基础上根据动臂油缸油压变化率升高，即前馈换挡点车速＝标准换挡点车速×动臂油缸油压变化率×比例系数。

所述的换档反馈控制步骤中的阈值比较法为：系统中设置最低降档油门值、禁止降档车速值和最低降档车速值。若当前油门开度低于最低降档油门值，则本次铲装工况的2档降1档降档点修正为禁止降档车速值；若当前油门开度高于最低降档油门值，且前三次或前四次、五次工况铲装工况中车速降至最低降档车速值时油门开度低于最低降档油门值，则本次铲装工况的2档降1档的降档点修正为最低降档车速值；其他情况保持前馈控制所得的前馈换挡点车速不变。

所述的工况识别步骤中的控制方法包括：

1、初始化输出工况为行驶工况；

2、读取整车档位信息，若整车档位为3档或4档，则输出变为行驶工况；

3、读取手柄档位信息，若出现手柄方向的变化，则输出变为行驶工况；

4、读取动臂油缸大腔油压信息及其油压变化率信息，比较动臂油缸大腔油压和预存储的油压阈值p₀，比较动臂油缸大腔油压变化率和预存储的油压变化率阈值δp₀，若前者均高于后者，则输出变为铲装工况。

所述的换档前馈控制步骤中的控制方法包括：

1、初始化输出换挡点为标准动力换挡点；

2、读取动臂油缸大腔油压变化率信息，根据计算式：前馈换挡点车速＝标准换挡点车速×动臂油缸油压变化率×比例系数K，计算得到前馈换挡点车速；

3、比较动臂油缸大腔油压变化率和预存储的油压变化率阈值δp₀，若前者高于后者，则将输出换挡点变为前馈换挡点；否则保持输出换挡点为标准动力换挡点不变。

所述的换档反馈控制步骤中的控制方法包括：

1、初始化输出换挡点为换档前馈控制模块的计算结果；

2、计算前3次铲装工况中系统中车速降至最低降档车速值V_0B时的油门开度；

3、读取当前油门开度信息，比较当前油门开度与预存储的最低降档油门值α₀，若当前油门开度低于最低降档油门值，则本次铲装工况输出的2档降1档降档点修正为禁止降档车速值V_0A；

4、比较当前油门开度与预存储的最低降档油门值α₀，比较若当前油门开度高于最低降档油门值α₀，且前三次或之前四次、五次工况铲装工况中车速降至最低降档车速值时油门开度低于最低降档油门值α₀，则本次铲装工况输出的2档降1档的降档点修正为最低降档车速值V_0B。

所述的换档执行控制步骤中的控制方法包括：

1、读取手柄档位信号，计算整车档位范围，手柄的I、II、III、IV位置分别对应整车的档位范围为1档、1档-2档、1档-3档、1-4档；

2、读取换挡点计算模块最终输出的换挡点车速，读取当前整车车速。若当前速比高于换挡升档点，且升档后档位在整车档位范围之内，则判定为升档；若当前速比低于换挡降档点，且降档后档位在整车档位范围之内，则判定为降档；其他情况下保持现档位不变。

3、按最终判定结果向各档位电磁阀输出驱动信号，执行换挡。

本发明的优点是可根据动臂油缸大腔的油压及其油压变化率区别铲装工况和运输工况，并根据工况区别换挡。在运输工况下，采用标准换挡点；在铲装工况下，预判整车档位的下降，提早对降档进行控制，避免了铲装过程中由于车速急剧下降造成的换挡滞后、动力中断的问题；在铲装工况下，预判铲装的最大牵引力需求及最低档位需求，避免了在2档动力充足的情况下错误降档的问题。整个控制系统和控制方法结构简明，易于实现，且档位变化兼顾了装载机的行驶工况和作业工况，贴近实际需要，实现了节能、高效的自动变速控制。

附图说明

附图1是本发明的系统结构图。

附图2本发明实施例的硬件连接图。

附图3本发明控制方法的流程图。

附图4各档位的整车车速、驱动力曲线图。

附图5本发明工况识别模块的流程图。

附图6本发明前馈控制模块的流程图。

附图7本发明反馈控制模块的流程图。

附图8本发明换挡执行模块的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例进行详细说明：

附图2是本实施例采用前4后3自动变速实施例的结构框图。

工况识别控制器、换档点计算控制器（包括标准换挡点计算、换档前馈控制、换档反馈控制）、换档执行控制器通过编程在微处理器中实现。油门位置传感器、变速箱末级齿轮转速传感器、动臂油缸大腔油压传感器分别输出油门开度信号、整车车速信号和动臂油缸大腔油压信号至微处理器，换挡操纵手柄输出手柄档位信号至微处理器，换挡执行机构的各档位电磁阀反馈整车档位至微处理器，微处理器根据算法对信号进行处理后向换挡执行机构的各档位电磁阀输出驱动信号，实现档位变换。

如图3是本发明控制方法的流程图，在本实施例中通过软件编程在微处理器中实现，控制步骤如下：

1、初始化各输入输出端口及各存储器；

2、采集油门位置传感器信号、变速箱末级齿轮转速传感器信号、动臂油缸大腔油压传感器信号，换挡操纵手柄电信号、档位电磁阀反馈电信号；

3、使用滤波算法提取油门开度信息、动臂大腔油压信息、整车车速信息、手柄档位信息、变速箱档位信息，并利用动臂大腔油压单位时间100ms~200ms的变化值计算得到动臂大腔油压变化率；

4、调用工况识别模块，通过动臂油缸大腔油压及其油压变化率，结合当前档位，采用阈值比较法进行工况判定；

5、调用标准换挡点计算模块，通过测试相同油门开度下的各档位的整车驱动力-车速曲线图，取相邻两档位驱动力曲线交点处的车速为该油门开度下的换挡点车速，如图4所示的A=4.9 km/h、B=8.3 km/h、C=17.2 km/h，改变油门开度重复上述测试，得到不同油门开度下的换挡点车速预存于存储器中，检测当前油门开度，采用查表法得到当前油门开度下的标准换挡点车速；

6、若工况为铲装工况，调用换档前馈控制模块，检测动臂油缸大腔油压变化率，结合标准换挡点车速，采用等比例法计算得到前馈换挡点车速；否则，转到步骤8；

7、若工况为铲装工况，调用换档反馈控制模块，检测当前和之前3次铲装工况的油门开度、整车车速信息和整车档位信息，结合前馈换挡点车速，采用阈值比较法，计算得到反馈换挡点车速；

8、若工况为铲装工况，则以反馈换挡点车速作为最终换挡点车速；若工况为行驶工况，则以标准换挡点车速作为最终换挡点车速；

9、调用换档执行模块，检测当前车速和手柄档位信号，获取前述计算所得的最终换挡点，若当前车速高于升档点或低于降档点，且换挡后的档位在手柄档位的限定范围内，则向换档执行元件输出驱动信号，换档结束。

如图5是工况识别的流程图，控制过程如下：

1、初始化输出工况为行驶工况；

2、读取整车档位信息，若整车档位为3档或4档，则输出变为行驶工况；

3、读取手柄档位信息，若出现手柄方向的变化，则输出变为行驶工况；

4、读取动臂油缸大腔油压信息及其油压变化率信息，比较动臂油缸大腔油压和预存储的油压阈值p₀=8~12，比较动臂油缸大腔油压变化率和预存储的油压变化率阈值δp₀=2~3，若前者均高于后者，则输出变为铲装工况； 否则，返回到步骤2。

如图6为换档前馈控制的流程图，控制过程如下：

1、初始化输出换挡点为标准动力换挡点；

2、读取动臂油缸大腔油压变化率信息，根据计算式：前馈换挡点车速＝标准换挡点车速×动臂油缸油压变化率×比例系数K=0.4~0.5，计算得到前馈换挡点车速；

3、比较动臂油缸大腔油压变化率和预存储的油压变化率阈值δp₀=2~3，若前者高于后者，则将输出换挡点变为前馈换挡点；否则保持输出换挡点为标准动力换挡点不变。

如图7为换档反馈控制的流程图，控制过程如下：

1、初始化输出换挡点为换档前馈控制模块的计算结果；

2、计算前3次铲装工况中系统中车速降至最低降档车速值V_0B=1~2时的油门开度；

3、读取当前油门开度信息，比较当前油门开度与预存储的最低降档油门值α₀=40~60，若当前油门开度低于最低降档油门值，则本次铲装工况输出的2档降1档降档点修正为禁止降档车速值V_0A=-1；

4、比较当前油门开度与预存储的最低降档油门值α₀=40~60，比较若当前油门开度高于最低降档油门值α₀=40~60，且前3次铲装工况中车速降至最低降档车速值时油门开度低于最低降档油门值α₀=40~60，则本次铲装工况输出的2档降1档的降档点修正为最低降档车速值V_0B=1~2； 

如图8为换档执行控制的流程图，控制过程如下：

1、读取手柄档位信号，计算整车档位范围，手柄的I、II、III、IV位置分别对应整车的档位范围为1档、1档-2档、1档-3档、1-4档；

2、读取换挡点计算模块最终输出的换挡点车速，读取当前整车车速。若当前速比高于换挡升档点，且升档后档位在整车档位范围之内，则判定为升档；若当前速比低于换挡降档点，且降档后档位在整车档位范围之内，则判定为降档；其他情况下保持现档位不变。

3、按最终判定结果向各档位电磁阀输出驱动信号，执行换挡。

根据上述方法，本实施例中运输情况下得到的换挡点车速（或称油门开度-车速的双参数换挡规律）近似如下表，其中                                                为油门开度百分数，为换挡点车速：

根据上述方法，本实施例中铲装情况下满油门、不同动臂油缸大腔油压变化率下得到的换挡点车速（或称动臂油缸大腔油压变化率-车速的双参数换挡规律）近似如下表，其中为油单位时间油压变化值，为换挡点车速：

 

上述实施例用于熟悉和使用本发明。对于不同的车辆，不同的发动机和变矩器匹配，以及不同的传动系统，均可采用该发明来实现装载机自动变速控制，具体参数可根据实际整机机型灵活调整。

Claims (9)

1.一种装载机智能自动变速控制系统，其特征在于主要包括：

工况识别控制器，用于检测当前工作装置载荷信息和整车档位信息，进行工况计算，输出工况信号；

换挡点计算控制器，用于接收工况信号，并根据当前工作装置载荷信息、整车档位信息、油门开度信息以及之前若干次工况的整车车速信息、油门开度信息和整车档位信息计算和修正换挡点车速，输出最终换挡点车速；

换档执行控制器，用于检测当前整车车速信息、手柄档位信号和计算得到的最终换挡点车速，向换档执行元件输出驱动信号;

所述的换档点计算控制器包括三个模块：

标准换档点计算模块：检测当前油门开度，根据预设的油门开度-整车车速双参数换挡规律采用查表法或函数法计算当前油门开度下的标准换挡点车速，输出标准换挡点车速信号；

换档前馈控制模块：接收标准换挡点车速信号，检测动臂油缸大腔油压变化率，结合标准换挡点车速，采用等比例法计算得到前馈换挡点车速；

换档反馈控制模块：接收前馈换挡点车速信号，检测当前和之前若干次铲装工况的油门开度、整车车速信息和整车档位信息，结合前馈换挡点车速，采用阈值比较法，计算得到反馈换挡点车速；

换档点计算控制器接收工况信号，并根据工况信号调用上述三模块，决定输出标准换挡点车速信号或反馈换挡点车速信号作为最终换挡点车速。

2.一种对权利要求1所述系统进行控制的控制方法，其特征在于其方法步骤包括：

提取各外界输入信号步骤：提取油门开度信息、动臂油缸大腔油压信息、整车车速信息、手柄档位信息、整车档位信息，使用滤波算法提取有效信号，利用动臂大腔油压单位时间的变化值计算得到动臂大腔油压变化率；

工况识别步骤：利用动臂大腔油压单位时间的变化值计算得到动臂大腔油压变化率，结合当前档位，采用阈值比较法进行工况判定；

标准换档点计算步骤：通过测试相同油门开度下的各档位的整车驱动力-车速曲线图，取相邻两档位驱动力曲线交点处的车速为该油门开度下的换挡点车速，改变油门开度重复测试，最终得到不同油门开度下的换挡点车速，作为油门开度-车速的双参数换挡规律，以数据表或函数关系式的形式表示；检测当前油门开度，用查表法或函数法计算当前油门开度下的标准换挡点车速；

换档前馈控制步骤：若工况为铲装工况，检测动臂油缸大腔油压变化率，结合标准换挡点车速，采用等比例法计算得到前馈换挡点车速；

换档反馈控制步骤：若工况为铲装工况，检测当前和之前若干次铲装工况的油门开度、整车车速信息和整车档位信息，结合前馈换挡点车速，采用阈值比较法，计算得到反馈换挡点车速；

最终换挡点计算步骤：若工况为铲装工况，则以反馈换挡点车速作为最终换挡点车速；若工况为行驶工况，则以标准换挡点车速作为最终换挡点车速；

换档执行控制步骤：检测当前整车车速和手柄档位信息，获取前述计算所得的最终换挡点，若当前车速高于升档点或低于降档点，且换挡后的档位在手柄档位的限定范围内，则向换档执行元件输出驱动信号。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的工况识别步骤中的阈值比较法为：系统中设置油压阈值和油压变化率阈值，当整车档位处于1档或2档且动臂油缸大腔油压及其油压变化率均高于设定的油压阈值及油压变化率阈值时，则从此时起至车辆换向之前识别为铲装工况；否则识别为运输工况。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的换档前馈控制步骤中的等比例法为：前馈换挡点车速与动臂油缸大腔的油压变化率成正比；若动臂油缸油压变化率升高，则前馈换挡点车速在标准换挡点车速的基础上根据动臂油缸油压变化率升高，即前馈换挡点车速＝标准换挡点车速×动臂油缸油压变化率×比例系数。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的换档反馈控制步骤中的阈值比较法为：系统中设置最低降档油门值、禁止降档车速值和最低降档车速值；若当前油门开度低于最低降档油门值，则本次铲装工况的2档降1档降档点修正为禁止降档车速值；若当前油门开度高于最低降档油门值，且前若干次铲装工况中车速降至最低降档车速值时油门开度低于最低降档油门值，则本次铲装工况的2档降1档的降档点修正为最低降档车速值；其他情况保持前馈控制所得的前馈换挡点车速不变。

6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的工况识别步骤中的控制方法包括：

1）、初始化输出工况为行驶工况；

2）、读取整车档位信息，若整车档位为3档或4档，则输出变为行驶工况；

3）、读取手柄档位信息，若出现手柄方向的变化，则输出变为行驶工况；

4）、读取动臂油缸大腔油压信息及其油压变化率信息，比较动臂油缸大腔油压和预存储的油压阈值(p₀)，比较动臂油缸大腔油压变化率和预存储的油压变化率阈值(δp₀)，若前者均高于后者，则输出变为铲装工况。

7.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的换档前馈控制步骤中的控制方法包括：

1）、初始化输出换挡点为标准动力换挡点；

2）、读取动臂油缸大腔油压变化率信息，根据计算式：前馈换挡点车速＝标准换挡点车速×动臂油缸油压变化率×比例系数(K)，计算得到前馈换挡点车速；

3）、比较动臂油缸大腔油压变化率和预存储的油压变化率阈值(δp₀)，若前者高于后者，则将输出换挡点变为前馈换挡点；否则保持输出换挡点为标准动力换挡点不变。

8.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的换档反馈控制步骤中的控制方法包括：

1）、初始化输出换挡点为换档前馈控制模块的计算结果；

2）、计算前3次铲装工况中系统中车速降至最低降档车速值（V_0B）时的油门开度；

3）、读取当前油门开度信息，比较当前油门开度与预存储的最低降档油门值(α₀)，若当前油门开度低于最低降档油门值，则本次铲装工况输出的2档降1档降档点修正为禁止降档车速值（V_0A）；

4）、比较当前油门开度与预存储的最低降档油门值(α₀)，比较若当前油门开度高于最低降档油门值(α₀)，且前若干次铲装工况中车速降至最低降档车速值时油门开度低于最低降档油门值(α₀)，则本次铲装工况输出的2档降1档的降档点修正为最低降档车速值（V_0B）。

9.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的换档执行控制步骤中的控制方法包括：

1）、读取手柄档位信号，计算整车档位范围，手柄的I、II、III、IV位置分别对应整车的档位范围为1档、1档-2档、1档-3档、1-4档；

2）、读取换挡点计算模块最终输出的换挡点车速，读取当前整车车速；若当前速比高于换挡升档点，且升档后档位在整车档位范围之内，则判定为升档；若当前速比低于换挡降档点，且降档后档位在整车档位范围之内，则判定为降档；其他情况下保持现档位不变；

3）、按最终判定结果向各档位电磁阀输出驱动信号，执行换挡。