静液压无级变速器的联合仿真研究.pdf

2 0 1 0年 1 0月 第 3 8卷 第 1 9 期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAULI CS 0e t ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 9 ． 0 2 8 静液压无级变速器的联合仿真研究 刘天豪 ，张学亮 ，胡 守伟。 ，刘桓龙 ，柯 坚 1 ．西南交通大学机械 工程学院 ，四川成都 6 1 0 0 3 1 ；2 ．济南柴油机股份有限公司，山东济南 2 5 0 0 6 3； 3 ．中国海洋大学青岛学院机 电工程 系，山东青 岛 2 6 6 3 0 0 摘要分析静液压无级变速器的结构及控制原理，建立其基于 A ME S i m和 Ma t l a b的联合仿真模型，其中，采用 T R E O B 及转动负载 R L构建的发动机模型简单、实用，泵控马达系统的建模思想解决原有 A ME S i m模型高压腔油压不受负载影响 的问题。用 Ma t l a b的模糊逻辑工具箱制作模糊控制器，采用 自适应模糊 P I D控制并对系统的控制过程进行仿真。结果表 明，采用 自适应模糊 P I D控制静液压无级变速器是一种可行的方案。 关键词静液压；无级变速；联合仿真 中图分类号 U 4 6 3 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 9 0 9 7 4 The C0 - s i mu l a t i o n St u d y o f Hy d r o s t a t i c CVT L I U T i a n h a o ，Z HANG Xu e l i a n g ，HU S h o u w e i ，L I U Hu a n l o n g ， K E J i a n 1 ． S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ． C NP C J i n a n Di e s e l En g i n e C O． ，L t d ．，J i n a n S h a n g d o n g 2 5 0 0 6 3， C h i n a ； 3 ． Q i n g d a o C o l l e g e ，O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 3 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e s t r u c t u r e a nd t he c o n t r o l p r i n c i pl e o f t h e h y dr o s t a t i c CVT we r e a na l y z e d． Th e C O s i mu l a t i o n mo de l ba s e d on AME S i m a n d Ma t l a b wa s e s t a b l i s h e d ． T h e e n g i n e mo d e l e s t a b l i s h e d b y T RE O B a n d RL wa s s i mp l e a n d p r a c t i c a 1 ． T h e p r o b l e m t h a t t h e p r e s s u r e i n t h e h i g h p r e s s u r e c h a mb e r o f t h e p u mp a n d mo t o r mo d e l wa s n o t i mp a c t e d b y t h e l o a d wa s s o l v e d b y u s i n g t h e mo d e l i n g i d e a o f p u mp c o n t r o l mo t o r s y s t e m．Wi t h f u z z y l o g i c t o o l b o x i n Ma t l a b，a f u z z y l o g i c a l c o n t r o l l e r w a s p r o d u c e d ． S e l f - a d a p t i v e f u z z y P I D c o n t r o l l e r w a s u s e d t o c o n t r o l t h e s y s t e m a n d t h e s i mu l a t i o n o f t h e s y s t e m wa s ma d e ． T h e r e s u l t s s h o w u s i n g a d a p t i v e f u z z y P I D c o n t r o l l e r i n a d r o s t a t i c CV T s y s t e m i s a v i a b l e c h o i c e ． Ke y wo r dsHyd r o s t a t i c； CVT；Co s i mu l a t i o n 由柴油机的速度特性 曲线可知 ，一个油门开度对 应一个最大功率输 出点和一个最佳节能点 。对于确定 的油门开度，希望发动机的输出转速能够稳定在其最 大功率输出点或者最佳节能点。无级变速器 C V T 可以保证 发动机 在车辆 外负载变化的情况下 仍维持转 速的恒定 。此 时 ，发动 机在 高效 区运 转 ，燃烧 充分 、 排放污染减少 、噪声低 。 无级变速 器大致 可 以分 为 3类 机械 式无 级 变 速器 、电力传 动 无级 变 速 器 以及液 压无 级 变 速 器 。 作者 以静 液压无级 变速 器 为对 象 ，对 其进 行仿 真 研 究 。 1 静液压无级变速系统概述 1 ． 1 系统 结构 在液压传动 中实现无 级变 速 的方 式主 要有两 种 节流变速型和容积变速型 。图 1为容积调速 型无级 变 速器原理图。输入转速一定，通过连续改变变量泵的 排量 ，定量马达即可输出无级变化的转速。 图 1 容积调速型无级变速器 1 ． 2 系统 的控 制 目标 和控制 方 法 无 级变速系统的控制 目标是控制发动机的输 出转 速，使其能够稳定在其最大功率输出点或者最佳节能 点。在保持发动机油门开度不变的情况下，如果车辆 外 负载发生变化 ，则传 动系统 只有通过调节传动 比才 能维持发 动机转速 的稳定 。在 图 1 所示 的系统 中，系 统传动比的改变是通过改变变量泵的斜盘倾角从而改 变变量泵排量来实现 的。 系统 的控制框 图如 图 2所示 。其控制原理简单描 述为变负载的作用使发动机转速有改变趋势 ，发动 机 的 目标转速与发动机实测转速 的差值作为改变变量 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 0 8 作者简介刘天豪 1 9 8 4 一 ，在读硕士，研究方向为驱动技术与智能系统。电话1 5 9 2 8 0 3 9 6 3 9，Em a i l t i a n h a o 6 6 8 1 26 ．c o n。 9 8 机床与液压 第 3 8卷 泵排量的控制信号，使系统的传动比跟随负载的变化 而变化 ，从而稳定发动机转速为 目标转速。 图2 静液压传动无级变速器控制框图 该系统 采用 自适 应模 糊 P I D控制 器 ，它可 在线 调整控 制参 数 ，对 于具有 非线性 、时变不 确定 性 的 系统较 P I D控制 器可 以取 得更理想 的控 制效 果 ，其 结构如图 3所示。 2仿真环境简介 图 3自适应模糊 P I D 控制器原理 图 作者结合仿真软件 S i m u l i n k 和 A M E S i m各 自的优 势构建 了联合 仿真平 台 运行 联合仿 真需 对软 件及 计算机做相应设置 ，具体办法请参考文献 [ 9 ] 。 3系统仿真建模 3 ． 1 发动机仿真建模 在 A ME S i m中 ，发动机建模的实现方法根据不同 的需 求 有 多 种 ，作 者 采 用 子 模 型 T R E O B来 实 现。 T R E O B的输入量为 发 动机油 门和转 速 ，输 出量为 转 矩 。T R E O B的运行 需首 先提 供一 组 已知 的发 动机 油 门 、转矩 、转速的对 应 数 据文 件 ，并加 载 至子 模 型 T R E O B 。仿真过程中，T R E O B根据输人 的油门、转 速数据 由数据文件插值求取输出的转矩值 。 转 动负载子模 型 R L的一 端为发动 机转矩输 入 ， 另一端为负载转矩输入，并根据两端输入的力矩之差 计算输出转速值。T R E O B和 R L结合，可以模拟该仿 真所需的发动机工作特点 ，即输出转速是输入转矩 的函数。作 者所采 用 的发动机 数据来 源 于 F 6 L 9 1 2 W 柴油机。 3 ． 2 其他元件仿真建模 变量泵 、定量 马达 、伺 服 阀采用 H y d r a u l i c库 中 已有 的子模型 ，液压缸采用 H C D库 中的基础模 型构 建 ，力矩发生器模拟负载作用在输 出轴上 。 由于 A M E S i m提供 的液压马达及变量泵模型油 口 输出量均为流量，输入量均为压力，所以就无法模拟 出油路高压腔油压随负载的变化情况。为了解决这个 问题，利用力矩传感器测得施加在马达轴上的扭矩， ， T 再由公式 △ p 计算出高压腔油压 增益模块 7 n ． K ，施加 于管路 中。同样 ，由公式 n 。 计 算液 ‘ y 压马达的理论输 出转速 增益模块 K w 。 3 ． 3 联合仿 真 交互接 口的设计 在 A ME S i m中，需要设计一个 I n t e r f a c e I c o n 作为 和 Ma t l a b模 型 数据 交 换 的接 口。交互 数 据 有 3个 发动机实际转速 、转速偏差及 变量泵斜 盘控制信号 。 联合 仿 真 模 式 选 择 为 C o s i m u l a t i o n ，即 A ME S i m 和 M a t l a b 用各 自的求解 器求解 。 根据 以上设 计 ，构建 的 A M E S i m模 型 如 图 4所 不 n d 图 4 静液压传动无级变速器 A ME S i m仿真模型 以上模型建立完成之后 ，进入 S i m u l a t i o n Mo d e ， K 。 、K ， 、K a 。其 中，K A K p K D 0 ，K A K i ， 可发现模型文件夹中生成了一个以 A ME S i m模型名加 K d △ ， 、 、 分别为 P I D的初值。 下划线命名的 c程序源文件。用记事本打开会发现 自适应模糊 P I D控制器设计的核心部分在于模糊 这是一个 s函数文件，此即联合仿真的媒介。 规则的制定以及模糊控制器量化因子、比例因子的确 3 ． 4 自适应模糊 P I D控制器的设计 定。一般根据经验，自适应模糊 P I D控制器模糊规则 在 1 ． 2节 中给 出了 自适 应模 糊 P I D控制 器 的结 制定的原则如 F 构 。模糊控 制器 的功能在于根据输入量 e 偏差 和 1 当 较大时 ，为使系统具有较好 的跟踪性 e c 偏差变化率 在线实时调整 P I D控制器的系数 能，应取较大的 A K 与较小的A K ，同时为避免系统 第 1 9期 刘天豪 等静液压无级变速器的联合仿真研究 9 9 响应 出现较 大 的超 调 ，应 对积 分作 用 加 以 限制 ，通 常取 A K ． 0 。 2 当I e l 处于中等大小时，为使系统响应具有 较小 的超调 ，A K 。 应取得 小些 。在 这种 情况 下 ，△ 的取值对 系统 响应 的影 响较 大 ，A K ． 的取值要适 当。 3 当 l e I 较 小 时 ，为使 系统 具 有 较 好 的稳 定 性 ，A K 。 与 A K i 均应取得大些 ，同时为避免 系统在设 定值附近出现振荡，△ 值在 I e c l 值较大时，取较小 值 ，通常 △ 为中等大小。 根据以上原则，一般可制定 A K 。 、A K i 、A K a的 模糊控制规则 如表 1 所示 。 表 1 自适应模糊 P I D控 制器模糊规则表 根据 以上 模糊 规则 ，采用 M a t l a b模 糊 控 制器设 计工具箱制作模糊控制器并嵌入 S i m u l i n k模型当中。 关于量化因子及比例因子的确定，文献 [ 6 ] 中给出 了～般的公式，但在很多情况下，由这些公式得到的 数值并不是最合适 的，仍需依靠经验获取更优值 。 M a t l a b与 A M E S i m的联合仿真通过 s函数实现 ， S i m u l i n k模型中须加入 s函数模块 ，s函数命名方法 为在 A ME S i m模 型 名字 后 加下 划线 。在 M a t l a b中运 行一 次 模 型 此 时 A M E S i m 模 型须 处 于 S i m u l a t i o n Mo d e ，即可发现 S函数 自动生成输入输 出接 口 对 应 A M E S i m中 I n t e r f a c e I c o n的输 出输入 接 口 。最 终 的 Ma t l a b 模 型如图 5所示 。 图 5 静液压无级变速器 Ma t l a b 仿真模型 4 系统仿真运行及结果分析 在 A M E S i m模型 P a r a m e t e r Mo d e模式 下设 置油 门 信号为 1 全开 ，变量泵 最大 排量 以及 马 达排量 为 4 2 m L ／ r ，负载扭矩 L o a d T在 t 1 S 时 由 1 1 0 0 N m 跳至 1 3 0 0 N m，发动机控制转速 为 1 0 0 0 r ／ m i n ；在 M a t l a b 模 型 中设 置 自适 应模 糊 P I D 的参 数 A K 0 ． 0 0 5， 0． 2， AK，0． 1， K。0 0 ． 0 0 2， △Kj 0 ． 0 0 1 ， 0 ． O 1 ；量化因子 0 ． 0 0 5， 0 ． 0 1 ； 比例 因 子 K 0 ． 0 0 4 5 。在 M a t l a b命 令 窗 口 用 r e a d fi s 命令将 模 糊控 制 器 文 件导 入 M a t l a b工作 空 间，设置仿真时间为 2 s ，运行联合仿真。 仿真完成之后 ，用 [ R， s ]a m e l o a d t 命令将 A ME S i m模型的运行结果导人 M a t l a b的工作空间 其 中，矩阵 s用来存放 A M E S i m模 型变量的名字 ，矩 阵 R用来存放每个变 量的仿 真结果 。为获 取多组 仿真 结果 ，再分别设置发动机 的控制转 速为 1 5 0 0 r ／ m i n 、 2 0 0 0 r ／ m i n 运行仿真，用 同样 的方法将仿真结果导 入 Ma t l a b工作空间。最后，在 Ma t l a b中用 p l o t 命 令将 3 组 仿 真结 果绘 制 在 同一个 图形窗 口中 ，如 图 6 、7 所示 同时给出了采用 P I D控制器时的仿真控 制效 果 。 由图 6所示 的 3组仿真结果可 以看 出，控制 系统 的工 作基本 达到设 计 目的 1 在 t 1 S 负 载变化 时 ，系统经 过一个 调整过 程 ，发 动机转 速最后稳定在 设定转速。且控制转速越高，控制效果越好； 2 自适应模糊 P I D控制效果 明显优 于 P I D控制 ，超调小 且调整时间短。图 7显示，由于负载加大，马达输出 转速降低。 以上结果表 明 ，对于 该系统 ，相 比于 P I D控制 ， 自适应模糊 P I D可在 线 调整 控制 参数 ，控制 精度 较 1 0 0 机床与液压 第 3 8卷 高，动态性能较好 ，但液压马达输 出转速稍有脉动。 下一步将尝试调整模糊规则、隶属 函数 、清晰化方 法 、量化 因子及 比例因子等 以获取更好 的控制效果 。 言 量 蜱 罨 幅 ’ 量 三 霜 珂 r 楚 图 6 发动机转速控制仿真结果 图7 液压马达转速控制仿真结果 5 结束语 通过以上仿 真研 究 ，可 以得 出 以下结论 1 采用 A M E S i m和 M a t l a b联 合仿 真技 术简 化 了静 液压 无级变速系统 的仿真建模过程 ； 2 自适应模糊 P I D 控制 器对静液压无级 变速系统 的控制 效果 明显优 于 P I D控制器的控制效果，是可选方案。但由于作者偏 重于系统建模及仿真的基本思路研究，而忽略了许多 实际应用中需考虑 的影 响因素 ，故 在实际应 用中 ，模 型 特别是液压系统 需加 以完善 ，模糊控制规则及 量化因子 、比例因子等需根据实际经验做进一步调整 。 参考文献 【 1 】 黄爱勇． 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 ． 6 1 3 ． 【 2 】 杨瑞． 基于模糊 P I D控制的压注机电液伺服系统的应用 研究 [ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 7 ． 7 2 5 3 9 ． 【 3 】林浩． 模糊 P I D控制器的仿真研究[ D] ． 贵阳 贵州大学 机 械学 院， 2 0 0 5 ． 5 1 9 4 3 ． 【 4 】刑鹏． 提高利用功率的液压机械复合传动模糊控制的研 究[ D] ． 长春 吉林大学， 2 0 0 6 ． 6 3 7 5 0 ． 【 5 】 谢飞， 宋传学， 刘明树， 等． 面向双状态无级变速器的 A ME S i m S i m u l i n k联合仿真平台研究[ J ] ． 设计． 计算． 研究 ， 2 0 0 8 8 9 1 3 ． 【 6 】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 5 9 8 ． 【 7 】杨亚联， 秦大同， 谢勇． 汽车无级变速器的类型及基本原 理[ J ] ． 汽车技术 ， 1 9 9 7 7 5 7 5 9 ． 【 8 】石辛民， 郝整清． 模糊控制及其 Ma t l a b仿真[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 北京 交通 大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． 3 5 0 1 0 0． 【 9 】江玲玲， 张俊俊． 基于 A ME S i m与 M a t l a b ＼ S i m u l i n k联合 仿真技术的接口与应用研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 4 81 4 9 ． 上接第 9 6页 状态；当E 8 0 0 M P a时，系统响应速度变慢，t 0 ． 1 1 s 上 升 至 峰 值 ，t 0 ． 3 5 s达 到 稳 定 状 态 ；当 E 8 5 MP a 时 ，系统 响应 速度最慢 ，t 0 ． 9 2 s 上升 至峰值 ，t 0 ． 9 8 s 达到稳 定状态。并且 随着 E 值 的 减小 ，稳定转速有所 下降。可见 ，增大 E 值 ，尽 管 振荡 幅值有所增 加 ，但是可以改善系统 的快速响应性 及准确性 、减少 响应时 间，因此应减少空气含量 ，以 提高 E 值。 油液中含有 少量 的空气是不可避免 的，但是 可以 根据不同的系统要求，采用一些措施将其控制在一定 范围内。如在油箱 中设置金属 网或隔板消除气泡 ，在 液压 系统最高处设置排气塞或排气 阀 ，液压泵吸油 口 管径尽可能大一些 ，减少管路的弯曲，选择合理的密 封件及密封结构，保持油箱中足够的油液等措施均能 有效地减少油液 中的空气含量 。 5 结论 经过仿真分析可了解 系统动态特性的优劣 ，并可 分析相关参数对系统特性 的影响 ，从而为进一步完善 系统提供依据。利用计算机仿真技术分析液压系统动 态特性具有精确、可靠 、经济、适应性强等优点。由 于 A ME S i m软件的简洁性及操作方便性，可以相信， 它在工程领域 中的应 用将会越来越广泛 。 参考文献 【 1 】潘东升， 陈松茂， 丘宏扬． 液压仿真技术的现状及发展趋 势[ J ] ． 新技术新工艺， 2 0 0 5 4 71 1 ． 【 2 】 刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A M E S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 41 2 6 ． 【 3 】付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真从入门 到精通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ， 6 ． 【 4 】邓爱民， 肖娇美， 田流． 现代非开挖工程机械[ M] ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 5 】何凤英． 浅谈空气对液压系统的危害及防治[ J ] ． 中国 矿业 ， 2 0 0 0 6 6 8 6 9 ． 【 6 】关长 旭． 空气对工程机械液压系统的危害及预防[ J ] ． 工程机械 ， 2 0 0 2 8 4 3 4 4 ． 【 7 】杨扬 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