CN105711581A - 一种无级变速拖拉机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无级变速拖拉机控制系统及其控制方法，该控制系统包括发动机、液压机械无级变速器、车速传感器、牵引力传感器、发动机电子控制单元、变速器电子控制单元、变速器液压控制单元；本发明采用最大表征拖拉机生产率-经济性综合最佳，通过对变速器变速比优化计算得到满足拖拉机生产率-经济性综合最佳的最佳变速比和发动机转速，能够保证拖拉机在取得较大生产率的前提下，仍有良好的燃油经济性。

Description

一种无级变速拖拉机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及拖拉机控制系统，具体涉及一种无级变速拖拉机控制系统及其控制方法。

背景技术

拖拉机作为农田作业的重要工具，复杂的工作环境使得拖拉机的牵引负载和行驶车速波动较大，液压机械无级变速器能够适应复杂的工况，使车辆性能得到很大提升。通常，无级变速拖拉机的工作模式分为生产率最大工作模式和经济性最佳工作模式，其中，生产率最大工作模式下，拖拉机燃油经济性较差；在经济性最佳模式下，拖拉机工作在燃油消耗最低点，此时如果突然增大车辆牵引负载，易导致发动机熄火。

目前，为了获得较大的生产率同时又保证拖拉机的经济性，在拖拉机控制方法中引入了权重系数。例如，郝允志，孙冬野等在“无级变速传动系统整体优化控制策略”一文中提出：通过驾驶员的判断选择合适的权重系数，从而得到一定条件下车辆传动系统的整体最佳。然而经过实际操作，各驾驶员操作的熟练程度和对复杂道路状况的判断不同，并不能取得良好的效果。

发明内容

本发明为了克服现有技术方法难以很好地解决拖拉机经济性与生产率之间矛盾的问题，提供一种无级变速拖拉机控制系统及其控制方法，能够保证拖拉机在取得较大生产率的前提下，仍有良好的燃油经济性。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种无级变速拖拉机控制系统，包括发动机、液压机械无级变速器、车速传感器、牵引力传感器、发动机电子控制单元、变速器电子控制单元、变速器液压控制单元，所述的液压机械无级变速器包括机械变速机构、液压调速机构以及将机械和液压动力进行汇流合成的行星齿轮机构，液压调速机构是由电液比例变量泵和定量马达组成的闭式液压调速机构，电液比例变量泵包括电液比例电磁阀、油缸柱塞和斜盘；其中，牵引力传感器和车速传感器的输出端与变速器电子控制单元的输入端连接，变速器电子控制单元的输出端与发动机电子控制单元、变速器液压控制单元的输入端连接，变速器液压控制单元根据最佳变速比输出斜盘倾角的控制信号，电液比例电磁阀接收该控制信号，经过放大器后，控制油缸柱塞运动，推动斜盘发生偏转，改变变量泵的排量比，实现无级变速。

本发明中，一种无级变速拖拉机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、分别将发动机的输入转速范围设定为1300~2300r/min，发动机的输入转矩设定为0~1200N·m，其中，公式（1）变速器的变速比，，为发动机的输入角速度，单位为rad/s，为变速器的输出角速度，单位为rad/s；为变速器的输出转矩，单位为N·m；设定拖拉机的牵引力的范围为0.01~80kN，每步骤的增量=1kN；

步骤二、利用车速传感器和力传感器分别测得拖拉机的行驶速度和牵引阻力，根据公式（2）和公式（3），分别求得变速器的输出角速度和输出转矩，其中，滑转率；滚动摩擦力，单位为N，其中，为摩擦系数，=0.05~0.75，m为拖拉机整车质量，单位为kg；为拖拉机的行驶速度，单位为m/s；为拖拉机的驱动轮半径，单位为m；为拖拉机主传动比；；；设定=0.01~40km/h，每步骤的增量；

步骤三、利用步骤二求得的变速器的输出转速和输出转矩，若，则进行下一步骤；否则，最佳变速比，将该最佳变速比存储后，并返回至步骤二利用优化计算设定的增量重新计算；其中，为发动机额定转矩，单位为N·m；为发动机最大输出功率，单位为W；

步骤四、将变速器的变速比设定为0.01~2.24，每步骤的增量，利用公式（1），由设定的变速比和变速器的输出转速，计算，并判断是否满足1300≤≤2300，若满足，则进行下一步骤；否则，根据每步骤的增量重新选取变速比；

（1）、若循环结束，则根据步骤二设定的增量重新选取，否则，返回步骤三；

（2）、若循环结束，则根据步骤一设定的增量=1重新选取，否则，返回步骤二；

（3）、若循环结束，则全部结束，否则，返回步骤一；

步骤五、利用公式（4），根据步骤四计算的求发动机对应的极限转矩，并设定每步骤的增量；利用公式（5）和公式（6）求得拖拉机比油耗，其中，为发动机燃油消耗率，，为变速器传动效率；；；利用公式（7）计算拖拉机牵引功率，单位为W；判断是否最大，若最大，则对应变速比即是最佳变速比；否则，返回步骤四。

本发明利用拖拉机牵引功率（）最大表征最大生产率，利用拖拉机比油耗（）最小表征经济性最佳，以生产率-经济性综合最佳为控制目标，采用最大表征拖拉机生产率-经济性综合最佳。在任意牵引负载和车速下，保证拖拉机最大，是实现拖拉机生产率-经济性综合最佳的基本要求。当拖拉机在生产率-经济性综合最佳条件下工作，牵引负载出现变化时，为满足工作需要，拖拉机可以按设定的目标车速稳定行驶，以保证工作质量。

本发明制定的变速规律为在负载特性场中，根据拖拉机行驶车速和牵引负载，在变速器输出特性场中确定变速器工作点，根据最佳变速比确定发动机工作转速。

拖拉机在行驶过程中任一车速和牵引负载，对应变速器输出特性场中的一个转速和转矩。通过连续调整变速器变速比，可以得到无数个发动机转速、转矩与其对应。通过优化计算，求出使最大对应的变速器变速比即为最佳变速比。根据变速器转速和最佳变速比可以求出发动机工作转速。

有益效果：本发明在二元调节方式下，采用最大表征拖拉机生产率-经济性综合最佳；通过对变速器变速比优化计算得到满足拖拉机生产率-经济性综合最佳的最佳变速比和发动机转速；采用车速、牵引阻力、最佳变速比和发动机转速作为控制参数，变速电子控制单元根据车速和牵引负载确定最佳变速比和发动机转速，通过发动机电子控制单元和变速器液压控制单元调节发动机转速和变速器变速比，使拖拉机生产率-经济性达到综合最佳，保证拖拉机有较好的牵引性能、燃油经济性和驾驶舒适性，提高拖拉机的自动化操作水平。

附图说明

图1为本发明无级变速拖拉机变速控制系统的控制方法流程图；

图2为无级变速拖拉机生产率-经济性综合最佳变速时发动机、变速器协同控制原理图；

图3为无级变速拖拉机生产率-经济性综合最佳控制系统原理图；

图4为无级变速拖拉机生产率-经济性综合最佳时发动机、变量泵-定量马达液压调速机构的控制原理图。

附图标记：附图4中，1、电液比例电磁阀，2、油缸柱塞，3、溢流阀，4、高压溢流阀，5、稳压溢流阀，6、过滤器，7、油箱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种无级变速拖拉机控制系统，包括发动机、液压机械无级变速器、车速传感器、牵引力传感器、发动机电子控制单元、变速器电子控制单元和变速器液压控制单元，所述的液压机械无级变速器包括机械变速机构、液压调速机构以及将机械和液压动力进行汇流合成的行星齿轮机构，液压调速机构是由电液比例变量泵和定量马达组成的闭式液压调速机构，电液比例变量泵包括电液比例电磁阀、油缸柱塞和斜盘。其中，牵引力传感器和车速传感器的输出端与变速器电子控制单元的输入端连接，变速器电子控制单元的输出端与发动机电子控制单元、变速器液压控制单元的输入端连接，变速器液压控制单元根据最佳变速比输出斜盘倾角的控制信号，电液比例电磁阀接收该控制信号，经过放大器后，控制油缸柱塞运动，推动斜盘发生偏转，改变变量泵的排量比，实现无级变速。

其中，变速器电子控制单元的组成如现有技术，包括中央处理模块、信号输入模块、信号输出模块、通讯模块和应急处理模块，其中，中央处理模块包括电源模块、复位模块、时钟模块、JTAG接口；信号输入模块用于向中央处理模块输入反映驾驶员意图和整个系统状态信息；信号输出模块用于驱动变速器液压控制单元的电磁阀实现变速器变速；通讯模块包括CAN通讯模块、SCI通讯模块、SPI显示模块。

一种无级变速拖拉机控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一、分别将发动机的输入转速范围设定为1300~2300r/min，发动机的输入转矩设定为0~1200N·m，其中，公式（1）变速器的变速比，，为发动机的输入角速度，单位为rad/s，为变速器的输出角速度，单位为rad/s；为变速器的输出转矩，单位为N·m；设定拖拉机的牵引力的范围为0.01~80kN，每步骤的增量=1kN；

步骤二、利用车速传感器和力传感器分别测得拖拉机的行驶速度和牵引阻力，根据公式（2）和公式（3），分别求得变速器的输出角速度和输出转矩，其中，滑转率；滚动摩擦力，单位为N，其中，为摩擦系数，=0.05~0.75，m为拖拉机整车质量，单位为kg；为拖拉机的行驶速度，单位为m/s；为拖拉机的驱动轮半径，单位为m；为拖拉机主传动比；；；设定=0.01~40km/h，每步骤的增量；

步骤三、利用步骤二求得的变速器的输出转速和输出转矩，若，则进行下一步骤；否则，最佳变速比，将该最佳变速比存储后，并返回至步骤二利用优化计算设定的增量重新计算；其中，为发动机额定转矩，单位为N·m；为发动机最大输出功率，单位为W；

步骤四、将变速器的变速比设定为0.01~2.24，每步骤的增量，利用公式（1），由设定的变速比和变速器的输出转速，计算，并判断是否满足1300≤≤2300，若满足，则进行下一步骤；否则，根据每步骤的增量重新选取变速比；

（1）、若循环结束，则根据步骤二设定的增量重新选取，否则，返回步骤三；

（2）、若循环结束，则根据步骤一设定的增量=1重新选取，否则，返回步骤二；

（3）、若循环结束，则全部结束，否则，返回步骤一；

步骤五、利用公式（4），根据步骤四计算的求发动机对应的极限转矩，并设定每步骤的增量；利用公式（5）和公式（6）求得拖拉机比油耗，其中，为发动机燃油消耗率，，为变速器传动效率；；；利用公式（7）计算拖拉机牵引功率，单位为W；判断是否最大，若最大，则对应变速比即是最佳变速比；否则，返回步骤四。

本发明采用TMS320C24X型DSP微控制器，主要的接口信号有：输入信号有包括车辆前进、倒车、档位开关，齿条位移，牵引阻力、行驶车速、离合器压力等模拟信号。输出信号离合器电磁换向阀开关控制信号、变量泵控制比例电磁阀控制信号、发动机指令转速信号。人机界面显示车速、变速比、发动机转速、排量比等数值。

DSP内置有微处理器、程序和数据Flash存储器、RAM、PWM控制电路、A/D和D/A、并行I/O接口、CAN接口等。光电隔离电路能够保护微控制器，提高TCU抗干扰能力，信号调理电路对模拟信号进行放大、滤波，保证可靠的采样输入，功率放大电路对信号进行功率放大达到需求值，对功率元件进行短路和反压保护。应急电路用于在变速器无法正常工作时，通过外部开关电路强制变速器低速前进或倒车段离合器结合，使发动机动力可以通过变速器传递到拖拉机驱动轮，保证驾驶员可以将拖拉机从故障点转移到维修站。

发动机采用电子调速，电子调速器接收发动机指令转速，输出齿条位移驱动信号，控制油泵齿条位移，调整供油量，进而改变发动机转速，保证发动机实际转速与指令转速一致，调速器实时测量发动机转速与齿条位移，采用闭环方式控制齿条位移和转速。

本发明由牵引负载和车速求解变速器最佳变速比和发动机转速的过程是逆向求解，且液压机械无级变速器（HMCVT）效率计算复杂，为提高计算效率，将优化计算所得的最佳变速比以数表形式存储在内存单元中；滑转率作为影响车辆性能的一个重要因素，本发明中根据标准工况下不同路面的拖拉机实验数据拟合出不同路况下滑转率和驱动力的关系式，通过修正满足非标准工况下的需要。

本发明提出用目标车速，牵引阻力，最佳变速比和发动机转速作为控制参数，实现综合最佳无级变速规律的工程应用；控制目标为拖拉机按照给定的速度行驶，根据牵引负载的变化，调节变速比和发动机转速，实现拖拉机生产率-经济性综合最佳，控制输入为目标车速和牵引力；控制输出为变速器最佳变速比和发动机转速。依据无级变速规律制定的拖拉机生产率-经济性综合最佳变速控制系统，包括：车速传感器，用于测量拖拉机行驶的速度；牵引力传感器，用于测量拖拉机工作的牵引阻力；变速器电子控制单元，根据车速和牵引负载，判定发动机负荷，确定变速器最佳变速比和对应的发动机转速；发动机电子控制单元，根据发动机转速信号调节发动机转速；HMCVT液压控制单元，根据变速比信号调节变量泵斜盘倾角，改变泵的排量比，实现无级变速。其中，车速传感器安装在拖拉机非驱动轮上，牵引力传感器安装在拖拉机液压悬挂机构与农机具的连接处。

本发明利用电子控制技术实现液压机械无级变速拖拉机生产率-经济性综合最佳无级变速和控制。通过监测拖拉机牵引阻力和车速，调节变速器变速比和发动机转速，使拖拉机工作在生产率-经济性综合最佳工况。

具体实施例：本发明以装备液压机械无级变速器的某型东方红400马力轮式拖拉机为对象，系统主要参数为：拖拉机整车质量m=7760kg，拖拉机主传动比=36.348，变速器变速比范围为0~2.24，拖拉机驱动轮半径r_d=0.9046m，发动机额定功率N_e0=228kw，发动机最大输出功率=294kW，发动机额定转速=2100(r/min)，发动机最大转速=2300(r/min)，发动机最大转矩=1200N·m，最大牵引力=80kN。

如图1所示，一种无级变速拖拉机生产率-经济性综合最佳变速比优化计算方法，步骤如下：

（1）设定发动机的极限转速和转矩以及HMCVT变速比范围，轮式拖拉机在田间作业的速度主要为0.5~10km/h，田间和道路运输的速度主要为15~30km/h，优化计算中设定速度范围为0.01~40km/h，为了保证拖拉机正常工作，牵引负载应小于拖拉机最大牵引力，优化计算中拖拉机牵引负载范围设定为0.01~80kN，为了避免出现除数为0的现象，HMCVT变速比范围取值为0.01~2.24，优化计算中=1，，，；

（2）根据拖拉机牵引负载和车速，求出拖拉机牵引功率和变速器输出角速度、转矩，若功率，对应每一个变速比可求得对应的发动机转速，为避免发动机工作在外特性上，实际转矩应限制在外特性以内，保证发动机有一定的转矩储备，根据发动机转速求出发动机对应的极限转矩，根据发动机转速、转矩可计算HMCVT的效率和发动机燃油消耗率，若功率大于，，发动机额定转矩。

（3）判断是否最大，若最大，则对应变速比即是最佳变速比，若不是最大则进入下一个循环计算；

（4）若变速器输出功率大于发动机最大功率，则最佳变速比取值为变速器输出转矩和发动机额定转矩之比；

（5）当发动机、变速器转速和转矩以及变速比都达到极限值时结束循环。

优化变量包括变速器变速比和发动机工作点，优化目标是最大。约束条件包括发动机和变速器的转速、转矩约束，变速比约束和功率约束。拖拉机滑转率根据滑转率特性曲线求出，不同路面状况下滑转率特性曲线以数学表达式形式存储在内存单元中。

为了实现快速实时控制，优化计算出的变速器最佳速比和发动机转速以数表的形式存储在控制器内存单元中，采用插值算法可以求出任一车速和牵引负载下对应的变速器最佳变速比和发动机转速。

如图2所示，无级变速拖拉机生产率-经济性综合最佳变速时发动机、变速器协同控制原理，由拖拉机牵引力求出驱动力和变速器转矩，根据拖拉机滑转率特性曲线，计算出车辆滑转率；根据目标速度，计算出拖拉机理论速度和变速器转速，由最佳变速比表，求出变速器最佳变速比和发动机转速，根据发动机转速和最佳变速比分别调节发动机和变速器变速比。为保证车速稳定，对车速进行反馈控制。

如图3所示，拖拉机生产率-经济性综合最佳变速规律和控制系统原理，牵引力传感器和车速传感器信号输入到变速ECU的信号处理单元，信号经过处理后传到发动机负荷判定单元和协同控制单元，经过计算求出发动机转速和变速器最佳变速比，发动机转速指令输入到发动机ECU，控制调节发动机转速，最佳变速比指令输入到HMCVT液压控制单元，控制调节变速器斜盘倾角，改变变量泵的排量比，实现无级变速。

如图4所示，拖拉机生产率-经济性综合最佳变速控制时发动机、泵-马达控制系统原理，发动机采用电子调速，电子调速器接收发动机指令转速，输出齿条位移驱动信号，控制油泵齿条位移，调整供油量，进而改变发动机转速，保证发动机实际转速与指令转速一致，调速器实时测量发动机转速与齿条位移，采用闭环方式控制齿条位移和转速。

本发明中，如图4所示，变量泵-定量马达采用闭式传动，电液比例电磁阀1接收变速器斜盘倾角电信号，经过放大器后，控制油缸柱塞2运动，推动斜盘发生偏转，改变变量泵的排量比。电液比例电磁阀1通过油缸柱塞2的机械刚性反馈，实现闭式控制，使斜盘倾角与控制电流成比例变化。为避免加减速时斜盘旋转过快造成油路压力达到最高工作压力，安全阀在主油路油压超过设定值时，对控制油路泄压；溢流阀3在主油路油压超过最大值时，对油路溢流，保护泵-马达系统的安全；冲洗阀将主油路低压侧的少量油液溢流回油路，起到冲洗油路杂质和降温的作用，避免油温过高影响液压系统的性能和泄漏；泵-马达的泄漏和冲洗阀的溢流油液流入冷却器，冷却之后回流到油箱循环使用。高压溢流阀4，是当主油路压力最大压力值时对主油路保护；稳压溢流阀5，使从油箱7出来的油稳压；进入油箱7的油需要经过过滤器6进行过滤。

Claims (2)

1.一种无级变速拖拉机控制系统，包括发动机、液压机械无级变速器、车速传感器、牵引力传感器、发动机电子控制单元、变速器电子控制单元、变速器液压控制单元，其特征在于：所述的液压机械无级变速器包括机械变速机构、液压调速机构以及将机械和液压动力进行汇流合成的行星齿轮机构，液压调速机构是由电液比例变量泵和定量马达组成的闭式液压调速机构，电液比例变量泵包括电液比例电磁阀、油缸柱塞和斜盘；

其中，牵引力传感器和车速传感器的输出端与变速器电子控制单元的输入端连接，变速器电子控制单元的输出端与发动机电子控制单元、变速器液压控制单元的输入端连接，变速器液压控制单元根据最佳变速比输出斜盘倾角的控制信号，电液比例电磁阀接收该控制信号，经过放大器后，控制油缸柱塞运动，推动斜盘发生偏转，改变变量泵的排量比，实现无级变速。

2.使用如权利要求1所述的一种无级变速拖拉机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、分别将发动机的输入转速范围设定为1300~2300r/min，发动机的输入转矩设定为0~1200N·m，其中，公式（1）变速器的变速比，，为发动机的输入角速度，单位为rad/s，为变速器的输出角速度，单位为rad/s；为变速器的输出转矩，单位为N·m；设定拖拉机的牵引力的范围为0.01~80kN，每步骤的增量=1kN；

步骤二、利用车速传感器和力传感器分别测得拖拉机的行驶速度和牵引阻力，根据公式（2）和公式（3），分别求得变速器的输出角速度和输出转矩，其中，滑转率；滚动摩擦力，单位为N，其中，为摩擦系数，=0.05~0.75，m为拖拉机整车质量，单位为kg；为拖拉机的行驶速度，单位为m/s；为拖拉机的驱动轮半径，单位为m；为拖拉机主传动比；；；设定=0.01~40km/h，每步骤的增量；

步骤三、利用步骤二求得的变速器的输出转速和输出转矩，若，则进行下一步骤；否则，最佳变速比，将该最佳变速比存储后，并返回至步骤二利用优化计算设定的增量重新计算；其中，为发动机额定转矩，单位为N·m；为发动机最大输出功率，单位为W；

步骤四、将变速器的变速比设定为0.01~2.24，每步骤的增量，利用公式（1），由设定的变速比和变速器的输出转速，计算，并判断是否满足1300≤≤2300，若满足，则进行下一步骤；否则，根据每步骤的增量重新选取变速比；

（1）、若循环结束，则根据步骤二设定的增量重新选取，否则，返回步骤三；

（2）、若循环结束，则根据步骤一设定的增量=1重新选取，否则，返回步骤二；

（3）、若循环结束，则全部结束，否则，返回步骤一；

步骤五、利用公式（4），根据步骤四计算的求发动机对应的极限转矩，并设定每步骤的增量；利用公式（5）和公式（6）求得拖拉机比油耗，其中，为发动机燃油消耗率，，为变速器传动效率；；；利用公式（7）计算拖拉机牵引功率，单位为W；判断是否最大，若最大，则对应变速比即是最佳变速比；否则，返回步骤四。