发动机与静液压传动的匹配与仿真.pdf

2 0 1 3年 1 1 月 第 4 1 卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS NO V ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 2l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 3 7 发动机与静液压传动的匹配与仿真 顾海涛，夏长高 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 2 1 2 0 1 3 摘要针对液压机械无级传动进行分析，建立其数学模型，并通过 M A T L A B ／ S i m u l i n k建立泵控马达和发动机系统的仿 真模型，研究泵控马达和发动机的匹配关系。同时，在传统的 P I D控制的基础上，采用粒子群算法对控制器的 P I D参数进 行优化整定。结果显示 液压机械无级变速器的系统性能得到明显改善，提高了动力系统的燃油经济性和动力性。 关键词液压机械无级传动；泵控马达；发动机；P I D控制；粒子群算法；MA T L A B仿真 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 1 1 3 4 4 M a t c h a n d Si mu l a t i o n f o r En g i ne a nd HST GU Ha i t a o，XI A Cha n g g a o C o l l e g e o f A u t o mo b i l e a n d T r a f f i c E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e h y d r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n w a s b u i l t a n d a n a l y z e d ．MAT L AB ／ S i mu l i n k w a s u s e d t o b u i l d s i mu l a t i o n mo d e l s o f t h e p u mp c o n t r o l mo t o r a n d t h e e n g i n e s y s t e m．T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n HS T a n d t h e e n g i n e wa s s u r v e y e d ．At t h e s a me t i me ，t h e P I D p a r a me t e r s we r e o p t i mi z e d b y u s i n g p a r t i c l e s w a r m o n t h e b a s i s o f t h e t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o 1 ．Re s u l t s s h o w t h a t t h e pe r f o r ma n c e o f t h e h yd r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n s y s t e m-i s s i g n i f i c a n t l y i mpr o ve d a nd t he f u e l e c o n o my a n d d y na mi c p e rfo r ma n c e a r e i m p r o v e d ． Ke y wo r d s Hy d r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n；P u mp c o n t r o l mo t o r ；E n g i n e； P I D c o n t r o l ；P a rti c l e s wa r m o p t i mi z a t i o n；MA T L AB s i mu l a t i o n 整体式液压机械无级传动 H y d r o s t a t i c T r a n s m i s s i o n ，H S T 其输出性能的好坏是评价工程车辆的动 力传动性能的重要指标。分析 H S T系统的结构 ，建 立其仿真模型，有利于对发动机在不同的油门开度或 转矩等工况下的H S T的无级变速性能进行具体分析。 针对 H S T的仿真，作者采用粒子群算法对控制器参 数进行整定。通过调整控制器的参数 ，使得系统的过 渡过程达 到最为满意 的质量指标要 求。 P I D控制器在当前工业生产研发过程中的应用领 域 最广 阔 ，工程控制 中处于绝对 的主导地位 。它虽然 具有结构简单、易实现、鲁棒性强等一系列优点，在 被控过程存在较大干扰或对象不稳定的情况下，通过 粒子群算法对P I D控制器参数进行整定 ，使其在初始 化 、抗干扰和鲁棒性等方面得到进一步强化。粒子群 算法研究将 自适应和整定有机结合，使P I D控制具有 自动诊 断功能 ，进一步改善了控制系统 性能 ，可实现 智能 P I D控制 。 1 H S T系统 1 ． 1 HS T基本结构 H S T是由液压元件和机械传动装置等组成的闭合 回路系统 ] 。它 由输入电压信号 1 ，比例放大器 2 ， 电液比例 阀 3 ，液 压缸 4，动 力源 5 ，直 轴 式柱 塞泵 6 ，安全溢流阀7 ，单向阀8 、9 ，直轴式柱塞马达 1 0 ， 负载信号 1 1 ，补油溢流阀 1 2和补油泵1 3等组成，如 图 1所示 。 H S T的传动输出方案采用的是高速传动，即发动 机的动力经过液压传导到轴向柱塞泵马达上，再通过 离合器 、变速箱 、传动轴等 中间环节后 ，最终传导到 车轮。 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 2 2 作者简介顾海涛 1 9 8 7 ～ ，男，硕士，主要研究方向为液压机械无级传动。Em a i l 8 2 4 1 9 9 2 3 5 q q ． c o n。 第 2 1期 顾海涛 等发动机与静液压传动的匹配与仿真 1 3 5 图 1 液压机械无级变速器系统原理 图 1 ． 2 H S T工作原 理 液压泵和液压 马达是整个液 压机械无级变速系统 即 H S T 中最重要的组成部分 。 液压泵是实现机械能转换 为液压能的能源转换装 置 。液压泵性能的好坏直接影响系统工作的可靠性 和稳定性 。通过改变液压泵变量 机构的斜盘倾 角 ，进 而改变轴 向柱塞泵 的排量 ，从 而达到改变泵 的输 出流 量 和压力 ，它为 H S T的液 压 系统 提供 足够 流量 和足 够压力的压力油，必要时可 以改变供油 的流向和流 量。液压马达是实现连续旋转的执行元件，为适应液 压马达的正反转要求。 1 ． 3 H S T数 学模 型 H S T系统数学模型主要参考了文献[ 3 ] ，受文 章篇幅限制，不再详细赘述 ，其数学模型的方框图如 图 2所示。 图2 H S T数学模型方框图 其中， 为通过电液比例电磁铁的电流；X X 分别 为电磁铁 的阀芯位移量 、液 压缸 的活塞 位移量 ； 为 斜盘倾角；0 为液压马达轴转角；U S 、U s 分别为输入 电压 、系统反馈 电压 ；K 为 比例放大器 增益 。 1 ． 4 H S T模型中主要参数 H S T模 型 中主要参数见表 1 。 表 1 H S T模型中主要参数 选 马达 内泄 系数 C ／ m N～ s 泵和负载总惯量 J ．／ k g m 泵的总泄漏系数 C ／ n l N～ s 反馈系数 ／ V S r a d 阀的增益系数 阀流量增益 K J m s 液压泵排量梯度 ／ m r a d 液压缸活塞面积 A ／ m 总黏性系数 日 ／ N m s 液压马达排量 D ／ m r a d 工作腔及连接管道总容积 V o ／ m 液压泵转速 。 ／ r a d s 系统 弹性模量 B ／ N m 总泄漏系数 C ． ／ N m s 1 ． 5 H S T的 S i m u l i n k仿真模型 H S T的S i m u l i n k 仿真模型见图 3 。 Ad d1 图3 H S T的 S i m u l i n k 仿真模型 m 6 ～ 一 ～ 一 一 一 ～ 一 ～ ～ ～ 1 3 6 机床与液压 第 4 1 卷 2发 动机 在不同的工况 条件 下 ，将 H S T与 发动 机进 行合 理匹配，有利于提高传动系的动力系能输出，满足车 辆行驶及作业要求 J 。 2 ． 1发动机 输 出转矩模 型 发动机稳态输 出转矩 是 发动机油 门开度 和 发动机转速 ／ 7, 的函数 ，即 M l厂 ，n 。根 据 发动机外特性输 出转矩实验数据拟合出发动机外特性 模型 ，如式 1 所示 M 5 4 72 ． 0 9 7 n 3 ． 1 9 31 0 一 n 一2 ． 4 7 1 0 一 。 n 1 ． 0 4 51 0 一 n 4 一 2 ． 2 9 11 0 一 ” n 5 2 ． 0 3 1 0 n 1 式中 M 为发 动 机 输 出 转 矩 ；n 为 发 动机 输 出转 速。 实际使用过程中的拖拉机 ，因为路况环境复杂， 且负载不稳定等 因素，导致 发动机油 门位置变化 时 ，它 的输 出转矩并不 能 随着油 门改 变而 即时发生 变化 ，而要经 历一个动 态响 应过 程 。一般 将其 简 化 为具 有滞后 的一阶惯 性 环节 ，即发 动机 动态输 出 转矩 1 Me d e 2 式中M 为动态输 出转矩；s 为拉 氏变换 因子；K 为动态特性 拟合 系数 ； 为滞后时间 。 结合发动机部 分负荷 特性 的实验数据 ，绘制出发 动机输出转矩 与油门开度 tg l 和转速 n 的关系图， 即发动机输 出转矩模 型 ，如 图4所示 。 窭 需辩 钮 图4 发动机输出转矩模型 2 ． 2 发动机 转 速调 节特性 发动机转速调节特性是指当需求特性功率值在需 求特性场变化时 ，独立地调节传动装置 的速 比，使发 动机输 出转速稳定地维持在给定 的工作点或指定 的工 作模式 。根据驾驶员的行驶工况可以分 为发动机最佳 燃油经济性 和动力性转速调节特性 。 根据发 动 机 台架试 验 所得到的数据 ，记 录每 一 个 油 门开度 下 发动 机最 号 小燃油消耗率和最大功率 吾 所对应的发动机转速。逐 篓 渐改变 油 门开 度 ，绘 出油 门开度 和转 速 的关 系 ，如 图 5所示 ，曲线 D和 E分 别表示 发 动机 最佳 动力 性 图5 发动机转速调节特性 和最佳燃 油经济性 的转速调节特性 曲线 。 2 ． 3发动机 的 S i m u l i n k仿 真模 型 建立发动机的S i m u l i n k 模型，如图6所示。 e n v i r o nme n t I CE f r i c t i o n 5 7 kW 5 0 0 0 r i mi n 图 6发动机 的 S i m u l i n k 仿 真模 型 3 基于粒子群算法的 H S T的 P I D参数优化 一个速度决定粒子飞行的方向和距离 ，该飞行速度根 3 ． 1 粒子群算法的原理 据个体的飞行经验和群体的飞行经验进行动态调整。 传统 P I D存在种种缺陷，作者采用 P S O对泵控 在每一次迭代 中，粒子通过跟踪两个 “ 极值”来更 马达 P I D参数整定进行有益尝试。运用 P S O求解优 新 自己一个是个体极值P ，即粒子 自身 目前所找 化问题时，每个问题的解被看成一个个的微粒，所有 到的最优解 ；另一个是全局极值 g ，即整个种群 目 粒子都有一个被优化 的函数决定的适应 度值 ，且还有 前找到的最优解 。 第 2 1期 顾海涛 等发动机与静液压传动的匹配与仿真 1 3 7 3 ． 2 基 于 P S O的 P I D控制器参数整定 在每一次的迭代中，粒子通过跟踪两个 “ 极值” P ，g 来更新 自己。在找到这两个最优值后 ， 粒子通过式 3 和式 4 来 更新 自己的速度 和位 置 C 1 r a n d P b f 一 C 2 r a n d g h 一 3 f f 4 利用粒子群算法优化 P I D参数整定步骤如下 1 初始化 。设 定粒 子 群数 目的 大小 ，随机 确 定粒子的位置和速度 ，设置各个参数的值。 2 将每个粒子的位置向量依次作为 P I D控制 器参数 ，并 计 算 粒 子 群 的 适 应 度 值 ，初 始 化 p 、 gb e s t O 3 根据式 3 、式 4 不断更 新粒子群的速 度和位置以及P ，g 的值。 4 判断是否达到最大迭代 次数，如果是则结 束 ，否则转到步骤 3 。 3 ． 3粒子运行参数选择 粒子群算法运行参数选 择 文中所 取的被控对象 为二阶系统，其传递函数为 G s 6 4 0 0 ／ s 7 2 s 6 4 0 0。参数 K K 和 的范 围分别 为 [ 0 ，2 0 ] 、 [ 0 ，1 ] 、 [ 0 ，1 ] 。群体规模为 3 2 ，迭代次数为 1 2 8 代，学习因子 c C 2 ，最大的速度取值为 8 ，控制 器输 出为 [ 一 5 0 0 ，5 0 0 ] 。 H S T的 P I D控制器 参数 的初 始 最优 位 置为 K p 0 ． 0 2 6 8 、K i 0 ． 2 5 、K d 0 ． 0 0 0 2 6 。经过 1 2 8代优 化 ，适应值 最大的微粒对应的 P I D参数 即为所求 ，优 化后得 K p 0 ． 0 2 5 、K i 0 ． 0 0 0 2 5 、K d 0 ． 0 0 0 1 。发 动机的 P I D参数由K p 0 ． 0 2 6 8 、K i 0 ． 6 8 2 5 、K d 0 ． 0 0 0 2 6 3 1优 化 为 K 0 ． 0 2 9 、K i 0 ． 0 0 0 1 、K d 0 ． 0 0 0 2 7。 4仿真实验及其结果分析 设置 C o n f i g u r a t i o n P a r a m e t e r s的参数 ，将仿真时 问设定为 1 s ，仿真精度确定为 1 1 0 ～。开始仿真 ， 仿真结果如 图 7 8所示 。 图7 马达转速响应曲线 图 8 发动机转速响应曲线 从仿真实验结果可以看出在被控对象相同的条 件下 ，常规 P I D前 期 出现 大 幅度 震荡 ，超调 现 象 明 显 ，出现不准确的控制结果的可能性较大 ；而基于粒 子群算法优化的P I D越到后期，收敛速度加快，收敛 越 明显 ，稳定性好 。另外 ，从 P I D整定 的响应 时间来 看 ， 基 于 P S O改进的 P I D调节时间更短 ，能够更早地 达到收敛 ，系统的超调量更小 。 5结论 粒子群算法只是通过内部速度进行更新 ，因此具 有原理简单、参数少、实现容易的独特优势。在拖拉 机运行 时 ，性能 良好 的 P I D控制器有利 于控制拖拉机 运行工况和实现响应反馈控制 ，并且能够依据最佳动 力性和最佳经济性更好地确定其发动机 目标油门开度 和速比。P I D控制器依据 目标控制量对发动机油门开 度和变速器速比等实现控制，使液压机械无级变速传 动系统达到要求的控制效果。 参考文献 【 1 】 黄勇爱． 静液压传动试验台的控制研究[ D ] ． 南京 南京 农业大学 ， 2 0 0 7 2 5 ． 【 2 】明仁雄， 万会雄． 液压与气压传动[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 3 1 1 21 3 4 ． 【 3 】李婷婷． 电液比例变量泵 一马达恒速控制系统的研究 [ D] ． 西安 长安大学 ， 2 0 0 4 5 1 6 6 ． 【 4 】J E D R K I E WI C Z Z ， P L U T A J ， S T O J E K J ． R e s e a r c h o n t h e Pr o p e r t i e s o f Hy d r o s t a t i c Tr a n s mi s s i o n f o r Di ffe r e nt Ef fi c i e n c y Mo d e l s o f I t s E l e m e n t s [ J ] ． A c t a Mo n t a n i s t i c a S l o v a c a ， 1 9 9 7 ， 2 4 3 7 3 3 8 0 ． 【 5 】柳波， 孙东坡， 师辉宇． 发动机 一变量泵极限负荷控制系 统的设计与仿真[ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 9 4 9 59 8 ． 【 6 】 袁贵松． 基于改进 P S O算法的电机控制系统 P I D参数 优化[ J ] ． 农机化研究， 2 0 0 7 6 1 7 61 7 8 ． 上接第 9 2页 似或相近的生物结构，在对其进行分析的基础上，进 行模拟仿真设计 ，有利于克服传统的设计思维模式， 尽量避免依据传统经验设计所带来的不足，从而取得 良好的效果 ，同时也开启了一条新的设计思路和研究 方法 。 参考文献 【 1 】喻懋林． 基于结构仿生理论的高比刚度、 比强度结构设 计研究[ D] ． 北京 北京航空航天大学机械工程及 自动 化 学院 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】 岑海棠． 结构仿生理论、 轻质零件结构仿生设计及 R P 工艺验证[ D] ． 北京 北京航空航天大学机械工程及 自 动化学院， 2 0 0 4 ． 【 3 】 盛勇， 陈艾荣． 从埃菲尔铁塔看结构艺术的表现[ J ] ． 结 构工程师， 2 0 0 5 ， 2 1 1 l 一5 ． 【 4 】 杨永彬 ， 陈五一， 赵大海． 机床立柱高I L N度结构仿生设 计[ J ] ． 北京航空航天大学学报， 2 0 0 8 ， 3 4 9 9 9 1 9 9 4． 【 5 】 赵岭， 陈五一， 马建峰． 基于王莲叶脉分布的机床横梁筋 板结构仿生优化[ J ] ． 高技术通讯， 2 0 0 8 8 8 0 6 8 1 0 ．