液壓機械無級調(diào)速與負載自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

劉敏

（山西鐵道職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030013）

常見液壓機械設(shè)備在多種作業(yè)工況下對行駛速度及動力需求呈現(xiàn)多樣化特點，因此，需要嵌入無級變速箱進行控制與交互。液壓機械設(shè)備的變速原理從表面上看是液壓功率分流與無極調(diào)速，屬于研究被控制對象和控制量的范疇。深入分析，則需要對變速箱的無級調(diào)速與負載自適應(yīng)控制進行探討。本文主要從以下幾點展開探討。

1 液壓功率分流結(jié)構(gòu)

液壓調(diào)速系統(tǒng)由液壓泵與液壓馬達組成，其在動力傳輸方面優(yōu)勢突出，如可無級變速、負載啟動平穩(wěn)、過載保護及節(jié)能效果顯著。在傳動壓力增加的過程中，普通液壓調(diào)速系統(tǒng)容量加大，導致泵和馬達傳動效率下降，最高也只能達到80%。

一種新型的功率分流液壓調(diào)速系統(tǒng)被設(shè)計出來，這種系統(tǒng)的原理是結(jié)合行星差動輪系和液壓調(diào)速裝置。這種傳動系統(tǒng)的原理是依據(jù)液壓與機械裝置，將功率流分別進行傳輸，這種設(shè)備的液壓功率可以控制，并且能使兩種功率流在匯合時具有無級調(diào)節(jié)總輸出機械轉(zhuǎn)速的個性功能。這種創(chuàng)新的設(shè)計既留存了原來的可調(diào)式液壓動力元件的傳動特征，又顯著彌補了液力元件運行速度過低和傳動效率不高的短板。

功率分流液壓調(diào)速系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)有液壓路、機械路和功率分匯流。行星齒輪系與液壓馬達組合不同，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，具體來說，可分為兩種：一種是內(nèi)功率分流裝置；另一種是外功率分流裝置。在實踐中，外功率分流裝置更為常見。行星架與輸出軸相連，齒圈通過齒輪連接于液壓馬達，液壓泵則通過齒輪與輸入軸相連。由分流機構(gòu)（一般是定軸齒輪或者是行星排）將發(fā)動機發(fā)出的功率進行分流，經(jīng)液壓路和機械路以并聯(lián)形式傳遞分流，再經(jīng)匯流機構(gòu)匯合功率共同驅(qū)動設(shè)備。變排量液壓元件和定排量液壓元件的排量比決定著液壓部分傳遞的功率大小，這一功率大小隨排量比的變化連續(xù)可調(diào)。機械部分傳遞的功率呈現(xiàn)階躍式變化。這一系統(tǒng)的優(yōu)點是，大部分功率流是經(jīng)傳動率較高的機械路而傳遞的，傳動效率很高。

2 無級調(diào)速設(shè)備交互擋桿與變速箱電子控制單元設(shè)計

2.1 電子油門與速比擋桿

本文提出的無級調(diào)速設(shè)備，其操作桿的結(jié)構(gòu)包括電子油門和速比擋桿。其中，電子油門又細分為普通油門以及手動油門。

操作時二者可選其一。手動油門一般僅可用于低速作業(yè)。在開展具體的工作時，油門的開度不能發(fā)生調(diào)整，因為這是進行負載自適應(yīng)速比控制的必要條件。受到設(shè)備中回位彈簧的作用力影響，擋桿一必須保持中位恒定：前推的擋桿應(yīng)按照實際情況，及時進行調(diào)整變速箱速比以便符合減速要求，機械設(shè)備要減速時，只要松開擋桿，設(shè)備就可以復(fù)位，液壓機械設(shè)備如果要停止減速，則需要根據(jù)作業(yè)工況對擋桿的桿頭立即進行調(diào)節(jié)，具體來說，可以按照實際情況選擇所需的速比參數(shù)。

2.2 變速箱電子控制單元

基于液壓機械無級變速箱的控制系統(tǒng)能夠根據(jù)駕駛員的使用目的以及實際應(yīng)用設(shè)備工況，實時改變變速箱速比，使其滿足操作需求。

本設(shè)計涉及的控制單元硬件結(jié)構(gòu)包括兩種：（1）由主從單片機（兩片）；（2）外圍電路。

具體采用的型號最終確定為STC89C52RC，其可以被用作接收高速計數(shù)脈沖、開關(guān)量的傳感器信號，具體的數(shù)值需要經(jīng)功放電路驅(qū)動繼電器來確定，最后才能對設(shè)備進行操控。選取的從單片機的型號最終確定為STC12C4052AD，其采集的是運行中最重要且最常見的模擬信號。這些數(shù)據(jù)主要有以下幾種：電子油門電位、油壓、流量、溫度。從單片機還可以利用繼電器與PWM控制器進行電壓調(diào)制控制變量泵的流量方向和排量。變速箱的局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)除了單片機以外，還需結(jié)合工控機與485總線。

在進行實際通信時，由主單片機來執(zhí)行五級調(diào)速的核心運算任務(wù)，并且還應(yīng)該通過預(yù)定的通信協(xié)議對從單片機和工控機下達查詢命令，進而獲取需要的參數(shù)結(jié)果。變速箱的電子控制單元中的主體數(shù)字芯片是以雙列直插式封裝的方式進行嵌入的，這樣的嵌入方式更便于在實驗階段更換和調(diào)試設(shè)備。

3 變速箱的無級調(diào)速與負載自適應(yīng)控制

無級變速箱的速比是可以連續(xù)調(diào)整和控制的，受到自動變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）輸出精度影響，這種設(shè)備的速比常常會處在離散狀態(tài)。

3.1 變速箱速比的點位控制

根據(jù)點位控制的特點，可以得出，控制器的幀與階躍響應(yīng)效果完全相同，并且還能按照既定的輸出規(guī)律開始運行。假設(shè)PWM的幀間隔為6，那么，馬達正、反向轉(zhuǎn)時的排量比單幀增量可通過變量泵勵磁電流與排量比的計算結(jié)果乘以6得到。

3.2 負載自適應(yīng)速比調(diào)控策略

當負載轉(zhuǎn)矩數(shù)值下降時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會隨之出現(xiàn)上升趨勢，離心調(diào)速器由于受到慣性作用會將拉桿帶動，使其后移，此時，如果有效對變量泵的排量數(shù)值進行調(diào)節(jié)，將有助于降低變速箱的速比。加大設(shè)備嵌入的發(fā)動機軸端的轉(zhuǎn)矩，可以使得發(fā)動機的轉(zhuǎn)速得到顯著下降，進而促進拉桿受力向前移動，直到使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速參數(shù)再次回復(fù)到負載變化之前的數(shù)值，使得變量泵停止調(diào)節(jié)排量，避免車速加快。當負載的轉(zhuǎn)矩變大的時候，發(fā)現(xiàn)機構(gòu)的調(diào)節(jié)規(guī)律正好與之相反，即發(fā)動機油門的開度保持不變，轉(zhuǎn)速數(shù)值恒定，功率不變。

與之相應(yīng)的是，基于液壓機械無級變速箱的負載自適應(yīng)控制目標為：在保證油門開度不變的情況下，依據(jù)實際情況調(diào)節(jié)變速箱的速比，能夠讓發(fā)動機的轉(zhuǎn)速或者功率在負載發(fā)生變化時保持不變。

負載自適應(yīng)控制只有在無級調(diào)速后才能進行，且需要依據(jù)負載整體水平實時對速比進行部分調(diào)整，需要3個條件：第一，油門速度不變；第二，速比擋桿始終居于中位；第三，負載自適應(yīng)開關(guān)保持開啟狀態(tài)。

3.3 模糊控制算法

一般設(shè)備的控制算法以PID控制最常見。液壓機械控制設(shè)備由于在運行時載荷出現(xiàn)了非常明顯的波動，在發(fā)動機調(diào)節(jié)速率時會受到較大的影響，單純控制變速箱的速比參數(shù)難以保證發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會快速、及時響應(yīng)且保持不變，由此可見，積分控制的作用就不明顯。建議采取有差控制的策略，這樣有助于降低控制難度。

模糊控制器的效果與PD控制異曲同工，并且其還具有良好的魯棒性以及模型自適應(yīng)性，因此，可以考慮將其選用為發(fā)動機的功率控制器。

控制器的輸入?yún)?shù)必須將發(fā)動機轉(zhuǎn)速的誤差E和誤差變化率EC，輸出量有變量泵勵磁PWM增量U都納入考量范圍。各變量的模糊等級均設(shè)定為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，也就是｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝。模糊論域取范圍-6～6，所屬的函數(shù)是三角函數(shù)。

根據(jù)控制的需求可以得出模糊規(guī)則。再結(jié)合Mamdani算法進行推理，可以得到控制器的輸入輸出界面。被控對象自身具有一定的特點，必須進行考慮，具體設(shè)計時，應(yīng)重點注意以下兩個要點：

控制器設(shè)備的增量方向會根據(jù)馬達旋轉(zhuǎn)的方向不同，也就是正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)情況的變化而產(chǎn)生較大差異，具體來說，就是在馬達正傳時，增量U和排量比會朝相同方的向變化；反之，即在馬達反轉(zhuǎn)的時候，增量U和排量比則會向相反的方向變化。

發(fā)動機軸端的轉(zhuǎn)矩（這里假定為Te）和變速箱的速比ib與變速箱的傳動效率ηb的乘積成反比關(guān)系，具體如公式（1）所示：

式中，Tb表示負載轉(zhuǎn)矩；i0表示后橋傳動的比例；η0表示后橋傳動的效率。

由實際情況可知，保持負載轉(zhuǎn)矩不變時，調(diào)節(jié)排量可以使速比增大，發(fā)動機軸端的轉(zhuǎn)矩也隨之發(fā)生明顯改變。由于變速箱傳動效率隨著排量比變化的趨勢明顯，速比受到其對發(fā)動機軸端轉(zhuǎn)矩的作用而受到削弱，且這些區(qū)段恰好存在功率循環(huán)，使傳動效率的影響進一步增加。負載自適應(yīng)速比控制器效果越顯著，傳動效率越高，發(fā)動機的功率利用率就越高。

4 結(jié)語

設(shè)計的這款液壓機械無級變速箱采用速比點位控制和負載自適應(yīng)控制算法，對傳統(tǒng)液壓機械設(shè)備的控制系統(tǒng)進行了改進，主要表現(xiàn)在控制油門擋桿中位，維持發(fā)動機恒定輸出轉(zhuǎn)速，對手動控制操作設(shè)備進行輔助，在無級調(diào)速的基礎(chǔ)上進行匹配控制，優(yōu)化發(fā)動機功率參數(shù)，進而確保設(shè)備發(fā)動機功率利用率充分發(fā)揮，實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟效果和動力匹配。