CN110304046A - 一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法 - Google Patents

一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及拖拉机控制系统领域，具体的说是一种液压机械式无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法。使用参数循环的计算方法，求解得到发动机转速转矩、液压机械无级变速器变速比的最佳控制参数；在发动机、液压机械无级变速器协同控制单元中，结合负载反馈控制原理，确定拖拉机实际工况；对比最佳控制参数表，确定在该工况下的最佳发动机转速转矩、液压机械无级变速器变速比，并做为控制信号输入到发动机电控单元、液压机械无级变速器电控单元，以分别调控发动机和液压机械无级变速器，保证拖拉机可以在任意目标车速下稳定行驶，提高拖拉机作业质量，改善拖拉机的经济性。

Description

一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法
技术领域
本发明涉及拖拉机控制系统领域，具体的说是一种液压机械式无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法。
背景技术
伴随着农业机械化进程的加快，农业机械的保有量越来越大，农业机械的经济性成为人们关注的热点。而拖拉机作为我国农业机械的主要组成部分，复杂的工作环境使拖拉机的牵引负载和行驶车速波动较大。近些年来发展的液压机械无级变速器(HMCVT)能够适应复杂的工作环境，很大程度的提高拖拉机的性能。但是进一步的，如何基于液压机械无级变速拖拉机传动特点，选择合理考核和控制指标，提高拖拉机的经济性，是人们普遍关心的难题。
发明内容
本发明旨在提供一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法，保证拖拉机可以在任意目标车速下稳定行驶，提高拖拉机作业质量，改善拖拉机的经济性。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法，
首先，使用参数循环的计算方法，以发动机有效燃油消耗效率与液压机械无级变速器效率之比为经济性控制指标，求解得到发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比在拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表；
然后，在发动机、液压机械无级变速器协同控制单元中，应用负载反馈控制原理，根据发动机实际转速转矩和液压机械无级变速器实际变速比，确定拖拉机实际负载工况，对比拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表，确定在该工况下的最佳的发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比，并做为控制信号输入到发动机电控单元、液压机械无级变速器电控单元，以分别调控发动机的工作点和液压机械无级变速器的变速比。
优选的，包括以下步骤：
1）、拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表的求取：
1.1）、根据发动机型号设定发动机转速和发动机转矩的正常工作范围，即，，其中的和分别为发 动机的怠速和最高空载转速，为发动机外特性曲线所对应的发动机转矩；
1.2）、根据拖拉机的车速和牵引力的范围，离散化拖拉机负载特性场，；根据无级变速拖拉机控制系统 中液压机械无级变速器的变速比的范围，离散化变速比，为正整数；
1.3）、当，时，依次选取带入式中，求得不同下的，当时，进 入步骤4）；其中的为拖拉机的主传动比，为拖拉机驱动轮的动力半径，为拖拉机的 滑转率，且，式中的为与拖拉机作业土壤 有关的无因系数，为拖拉机驱动力，为地面摩擦系数，为拖拉机质量，为重力 常数，为最大牵引系数，牵引系数定义为,为地面对拖拉机驱动 轮的垂直反力；
1.4）、由发动机外特性数值模型确定发动机在步骤3）中得出的下的最大转矩，根据发动机最大转矩区间确定发动机转矩冗余区间，为正整数； 根据式确定实际所需转矩，式中为液压机械无级变速器 的传动效率，为拖拉机中央传动和最终传动的总效率，为拖拉机行驶的滚动效；发动 机实际计算转矩在冗余区间的基础上经离散后向逼近，当时 进入步骤5）；
1.5）、通过发动机燃油消耗率数值模型来计算燃油消耗率，结合行星轮系啮合功 率的计算方法计算液压机械无级变速器的传动效率，进而得到变速规律经济性指标的值；循环代入变速比参与计算，取的最小值，并记录此时的 发动机的转速转矩以及液压机械无级变速器的变速比，即得出拖拉机在，工作时，发动机和液压机械无级变速器的最佳工作位置；
1.6）、循环带入并重复步骤1.2）-1.5），确定在目标车速下，所有拖拉 机工作点的最佳发动机转速转矩，液压机械无级变速器的最佳变速比；
1.7）、循环带入并重复步骤1.2）-1.5），确定整个负载特性场下，所有拖拉 机工作点的最佳发动机转速转矩和液压机械无级变速器的最佳变速比，即得到拖拉机负载 特性场中实现经济性最佳的控制参数表；
2）、应用负载反馈控制原理，结合步骤1）中得到的拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表对发动机和液压机械无级变速器进行调控：
拖拉机的目标车速作为输入信号，由驾驶员主动控制；发动机的实际转速信号 和实际转矩信号由发动机电控单元实时检测并输出；液压机械无级变速器的实际变速 比信号由液压机械无级变速器电控单元实时检测并输出；拖拉机驱动力和拖拉机滑 转率由发动机、液压机械无级变速器协同控制单元计算得到；由目标车速和滑转率 计算拖拉机理论车速，确定拖拉机负载特性场中的实际工作点，并与步骤1.7）中得到的 拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表相匹配，得到该工况下的最佳发动机转 速转矩以及液压机械无级变速器的最佳变速比，并做为控制信号输入到发动机电控单元、 液压机械无级变速器电控单元，以分别调控发动机的工作点和液压机械无级变速器的变速 比。
优选的，步骤1.1）和步骤1.5）中，当发动机转速低于时，调整发动机 至怠速下工作以避免发动机熄火。
有益效果
本发明针对发动机、液压机械无级变速器二元调节的液压机械无级变速拖拉机，以发 动机有效燃油消耗率与液压机械无级变速器效率的比值作为指标，以最小表征经济性最佳，以拖拉机经济性最佳做为控制目标。通过参数循环运算， 求解得到拖拉机负载特性场中任意工作点下，发动机最佳转速转矩、变速器最佳变速比。以 目标车速、发动机实际转速转矩、液压机械无级变速器实际变速比、滑转率作为输入信号； 以发动机指令转速、发动机指令转矩、变速器最佳变速比作为控制信号。使拖拉机在功率范 围内，任意牵引工况下具有最佳的燃油经济性；且能够保证拖拉机在任意目标车速下稳定 行驶，提高作业质量，提高驾驶的舒适性。
附图说明
图1为本发明的负载特性场中最佳控制参数循环计算方法流程图；
图2为本发明中无级变速拖拉机负载反馈协同控制原理图；
图3为本发明中无级变速拖拉机的无级变速控制系统控制原理图。
具体实施方式
如图3所示，无级变速拖拉机的无级变速控制系统包括发动机、液压机械无级变速器（HMCVT）、变速器电控单元（TCU）、发动机电控单元（ECU）、变速器协同控制单元、输入信号处理单元、存储单元及一系列相关传感器。发动机电控单元可以对外实时输出发动机的实际转速、转矩信号，同时可以直接向发动机输入转速、转矩控制信号调控发动机工作点；所述液压机械无级变速器包括机械变速器构、液压执行系统以及行星齿轮汇流机构。液压执行系统主要包括无级变速液压控制单元、离合器控制单元。无级变速液压控制单元是由电液比例阀控制的变量泵和定量马达组成的闭式液压调速机构；离合器控制单元主要包括比例压力阀和离合器。各控制单元之间可以通过CAN总线进行信号的实时交互。发动机实际转矩、液压机械无级变速器变量泵斜盘倾角、离合器结合状态及目标车速作为输入信号传入输入信号处理单元，其中发动机实际转矩、液压机械无级变速器变量泵斜盘倾角、离合器结合状态可由相关传感器检测得到，目标车速需要驾驶员主动输入。
针对以上无级变速控制系统，本发明首先使用参数循环的计算方法，以发动机有效燃油消耗效率与液压机械无级变速器效率之比为经济性控制指标，求解得到发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比的最佳控制参数，指定发动机转速转矩和液压机械无级变速器在拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表。然后，在发动机、液压机械无级变速器协同控制单元中，应用负载反馈控制原理，根据发动机实际转速转矩和液压机械无级变速器实际变速比，确定拖拉机实际负载工况，对比拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表，确定在该工况下的最佳的发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比，并做为控制信号输入到发动机电控单元、液压机械无级变速器电控单元，以分别调控发动机的工作点和液压机械无级变速器的变速比。
具体的，本发明无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法，包括以下步骤：
1）、如图1所示，求取拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表：
1.1）、根据发动机型号设定发动机转速和发动机转矩的正常工作范围，即，，其中的和分别为发 动机的怠速和最高空载转速，为发动机外特性曲线所对应的发动机转矩；当发动机 转速低于时，调整发动机至怠速下工作以避免发动机熄火。
1.2）、根据拖拉机的车速和牵引力的范围，离散化拖拉机负载特性场，；根据无级变速拖拉机控 制系统中液压机械无级变速器的变速比的范围，离散化变速比，为正整数；
1.3）、当，时，依次选取带入式中，求得不同下的，当 时，进入步骤4）；其中的为拖拉机的主传动比，为拖拉机驱动轮的动力半径，为拖拉 机的滑转率，且，式中的为与拖拉机作 业土壤有关的无因系数，为拖拉机驱动力，为地面摩擦系数，为拖拉机质量， 为重力常数，为最大牵引系数，牵引系数定义为,为地面对拖拉 机驱动轮的垂直反力；
1.4）、由发动机外特性数值模型确定发动机在步骤3）中得出的下的最大转矩，根据发动机最大转矩区间确定发动机转矩冗余区间，为正整数；根 据式确定实际所需转矩，式中为液压机械无级变速器的传 动效率，为拖拉机中央传动和最终传动的总效率，为拖拉机行驶的滚动效；发动机实 际计算转矩在冗余区间的基础上经离散后向逼近，当时进 入步骤5）；
1.5）、通过发动机燃油消耗率数值模型来计算燃油消耗率，结合行星轮系啮合功 率的计算方法计算液压机械无级变速器的传动效率，进而得到变速规律经济性指标的值；循环代入变速比参与计算，取的最小值，并记录此时 的发动机的转速转矩以及液压机械无级变速器的变速比，即得出拖拉机在，工作时，发动机和液压机械无级变速器的最佳工作位置；当发动机转速低于时，调整发动机至怠速下工作以避免发动机熄火。
1.6）、循环带入并重复步骤1.2）-1.5），确定在目标车速下，所有 拖拉机工作点的最佳发动机转速转矩，液压机械无级变速器的最佳变速比；
1.7）、循环带入并重复步骤1.2）-1.5），确定整个负载特性场下，所有拖拉 机工作点的最佳发动机转速转矩和液压机械无级变速器的最佳变速比；
通过以上的参数循环的计算方法，即可运算得到拖拉机负载特性场内任意工作点下的最佳发动机转速转矩和液压机械无级变速器最佳变速比的控制参数。
2）、由实际负载工况与上述控制参数表对比，确定该实际工况下的最佳的发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比，根据确定的最佳的发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比对发动机和液压机械无级变速器进行调控。
发动机、变速器协同控制单元的控制原理如图2所示，输入信号处理单元输出液压 机械无级变速器实际变速比、发动机实际转矩及目标车速，传入发动机、变速器协 同控制单元，用于计算拖拉机的实际工作点，即拖拉机实际的理论车速与驱动力。其中，驱 动力优先计算，用于确定该工作状态下的拖拉机滑转率，结合目标车速计算拖拉机理论 车速，确定拖拉机实际工作点，与存储单元内的数据匹配。确定该工况下的发 动机最佳转速转矩、变速器最佳变速比。作为指令信号，输入至发动机电控单元、液压电控 单元及离合器控制单元，调控发动机、液压机械无级变速器，实现拖拉机经济性。
上述拖拉机的目标车速作为输入信号，由驾驶员主动控制；发动机的实际转速 信号和实际转矩信号由发动机电控单元实时检测并输出；液压机械无级变速器的 实际变速比信号由液压机械无级变速器电控单元实时检测并输出；拖拉机驱动力和 拖拉机滑转率由发动机、液压机械无级变速器协同控制单元计算得到；由目标车速和 滑转率计算拖拉机理论车速，确定拖拉机负载特性场中的实际工作点，并与步骤1.7） 中得到的拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表相匹配，得到该工况下的最佳 发动机转速转矩以及液压机械无级变速器的最佳变速比，并做为控制信号输入到发动机电 控单元、液压机械无级变速器电控单元，以分别调控发动机的工作点和液压机械无级变速 器的变速比。

Claims (3)

1.一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法，其特征在于：
首先，使用参数循环的计算方法，以发动机有效燃油消耗效率与液压机械无级变速器效率之比为经济性控制指标，求解得到发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比在拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表；
然后，在发动机、液压机械无级变速器协同控制单元中，应用负载反馈控制原理，根据发动机实际转速转矩和液压机械无级变速器实际变速比，确定拖拉机实际负载工况，对比拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表，确定在该工况下的最佳的发动机转速转矩和液压机械无级变速器变速比，并做为控制信号输入到发动机电控单元、液压机械无级变速器电控单元，以分别调控发动机的工作点和液压机械无级变速器的变速比。
2.根据权利要求1所述的一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表的求取：
1.1）、根据发动机型号设定发动机转速和发动机转矩的正常工作范围，即，，其中的和分别为发动机的怠速和最高空载转速，为发动机外特性曲线所对应的发动机转矩；
1.2）、根据拖拉机的车速和牵引力的范围，离散化拖拉机负载特性场，；根据无级变速拖拉机控制系统中液压机械无级变速器的变速比的范围，离散化变速比，为正整数；
1.3）、当，时，依次选取带入式中，求得不同下的，当时，进入步骤4）；其中的为拖拉机的主传动比，为拖拉机驱动轮的动力半径，为拖拉机的滑转率，且，式中的为与拖拉机作业土壤有关的无因系数，为拖拉机驱动力，为地面摩擦系数，为拖拉机质量，为重力常数，为最大牵引系数，牵引系数定义为,为地面对拖拉机驱动轮的垂直反力；
1.4）、由发动机外特性数值模型确定发动机在步骤3）中得出的下的最大转矩，根据发动机最大转矩区间确定发动机转矩冗余区间，为正整数；根据式确定实际所需转矩，式中为液压机械无级变速器的传动效率，为拖拉机中央传动和最终传动的总效率，为拖拉机行驶的滚动效；发动机实际计算转矩在冗余区间的基础上经离散后向逼近，当时进入步骤5）；
1.5）、通过发动机燃油消耗率数值模型来计算燃油消耗率，结合行星轮系啮合功率的计算方法计算液压机械无级变速器的传动效率，进而得到变速规律经济性指标的值；循环代入变速比参与计算，取的最小值，并记录此时的发动机的转速转矩以及液压机械无级变速器的变速比，即得出拖拉机在，工作时，发动机和液压机械无级变速器的最佳工作位置；
1.6）、循环带入并重复步骤1.2）-1.5），确定在目标车速下，所有拖拉机工作点的最佳发动机转速转矩，液压机械无级变速器的最佳变速比；
1.7）、循环带入并重复步骤1.2）-1.5），确定整个负载特性场下，所有拖拉机工作点的最佳发动机转速转矩和液压机械无级变速器的最佳变速比，即得到拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表；
2）、应用负载反馈控制原理，结合步骤1）中得到的拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表对发动机和液压机械无级变速器进行调控：
拖拉机的目标车速作为输入信号，由驾驶员主动控制；发动机的实际转速信号和实际转矩信号由发动机电控单元实时检测并输出；液压机械无级变速器的实际变速比信号由液压机械无级变速器电控单元实时检测并输出；拖拉机驱动力和拖拉机滑转率由发动机、液压机械无级变速器协同控制单元计算得到；由目标车速和滑转率计算拖拉机理论车速，确定拖拉机负载特性场中的实际工作点，并与步骤1.7）中得到的拖拉机负载特性场中实现经济性最佳的控制参数表相匹配，得到该工况下的最佳发动机转速转矩以及液压机械无级变速器的最佳变速比，并做为控制信号输入到发动机电控单元、液压机械无级变速器电控单元，以分别调控发动机的工作点和液压机械无级变速器的变速比。
3.根据权利要求2所述的一种无级变速拖拉机控制系统的经济性控制方法，其特征在于：步骤1.1）和步骤1.5）中，当发动机转速低于时，调整发动机至怠速下工作以避免发动机熄火。
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