拖拉机液压机械无级变速传动系统控制策略研究

摘要

拖拉机是量大面广的农业机械，可以与悬挂的、牵引的或附装的农机具组成作业机组，完成各种田间作业和道路运输作业。液压机械无级变速器(Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission，简称HMCVT)综合了液压传动和机械传动的优点，能够容易地实现传动比大范围连续无级变化，提高整个传动系效率，减轻传动系的动载，在大功率拖拉机上表现出了良好的应用前景。在HMCVT的应用研究中，自动变速控制和换段品质控制是实现其优良性能的关键。本文以东方红1302R拖拉机装配的HMCVT为研究对象，对其做了较深入的研究。 系统分析了HMCVT传动原理，研究了功率传递，分析了速度特性。基于无级变速器基本匹配原则，在发动机试验数据的基础上，求解了发动机最佳经济性和最佳动力性工作曲线，并根据HMCVT传动比变化特点，对发动机和变速器进行了匹配，求解了变速控制的经济性和动力性目标段位和泵-马达目标排量比。为了改善拖拉机作业过程中人-机-环境的协调关系，提高拖拉机的综合性能，建立了以拖拉机动态时的动力性和稳态时的经济性作为目标，包含瞬态动力性变速规律和瞬态动力性到稳态经济性的过渡变速规律的智能变速策略。采用键合图理论建立了拖拉机数学模型，并应用MATLAB/Simulink和MATLAB/Stateflow软件建立了拖拉机整车仿真模型，对系统进行仿真，验证了智能变速控制策略的有效性。 根据拖拉机作业及HMCVT的换段特点，建立了HMCVT换段品质评价体系，分析了HMCVT换段过程，对换段过程进行了状态划分，建立了基于键合图理论的连续系统和基于有限状态机的离散系统的多组离合器参与的HMCVT换段过程混合模型。应用MATLAB/Simulink和MATIAB/Stateflow软件建立HMCVT换段过程仿真模型，分析了换段过程中HMCVT输入轴、中间轴和输出轴的转速和转矩特性，研究油压、阻力和离合器搭接定时对换段品质的影响。提出了油压控制和离合器搭接定时控制的综合换段控制策略，并应用仿真手段验证了换段控制策略的有效性。 在HMCVT性能测试实验台上，依据设计的实验方案验证了所建立的拖拉机整车模型和换段过程混合模型的正确性、变速控制和换段品质控制策略的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1拖拉机变速器的发展及现状

1.1.1手动变速器

1.1.2动力换档变速器

1.1.3自动变速器

1.2自动变速器控制策略研究现状

1.2.1自动变速控制策略

1.2.2换段品质控制策略

1.3建模与仿真技术现状

1.4研究目标和研究内容

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

第2章拖拉机HMCVT匹配原则

2.1东方红1302R拖拉机HMCVT

2.1.1 HMCVT传动原理

2.1.2 HMCVT速度特性

2.2无级变速器匹配原则

2.2.1无级变速器的特点

2.2.2发动机数学模型

2.2.3发动机与HMCVT的匹配

2.3 HMCVT控制量

2.4本章总结

第3章HMCVT智能变速策略

3.1经济性和动力性变速规律的局限性

3.2模糊控制概述

3.3驾驶员对控制策略的影响

3.3.1驾驶员特征

3.3.2驾驶员意图模糊推理

3.4基于驾驶员意图的智能变速策略

3.4.1瞬态动力性变速规律的目标工作点

3.4.2瞬态动力性到稳态经济性的过渡变速规律

3.4.3控制系统

3.5拖拉机阻力变化对控制策略的影响

3.5.1拖拉机阻力变化特征

3.5.2拖拉机阻力特征模糊推理

3.6基于拖拉机阻力变化的智能变速策略

3.6.1瞬态动力性变速规律的目标工作点

3.6.2瞬态动力性变速规律到稳态经济性变速规律的过渡

3.6.3控制系统

3.7本章总结

第4章HMCVT智能变速策略仿真

4.1键合图基本理论

4.1.1通口、键、键接

4.1.2广义变量

4.1.3基本键合图元件

4.2拖拉机键合图模型

4.2.1子系统的键合图模型

4.2.2F4段时拖拉机整车键合图模型

4.2.3F4段时拖拉机整车数学模型

4.2.4F5段时拖拉机整车数学模型

4.2.5系统参数计算

4.3拖拉机阻力模型

4.4系统仿真模型

4.4.1发动机仿真模型

4.4.2 HMCVT仿真模型

4.4.3基于驾驶员意图的HMCVT控制模块

4.4.4基于驾驶员意图的发动机油门控制模块

4.4.5基于拖拉机阻力变化的控制

4.5智能控制策略仿真分析

4.5.1基于驾驶员意图的智能控制策略仿真分析

4.5.2基于阻力变化的智能控制策略仿真分析

4.6本章总结

第5章HMCVT换段过程建模

5.1换档品质的评价指标

5.2 HMCVT换段过程混合建模

5.2.1混合动态系统的基本概念

5.2.2 HMCVT换段过程的特点

5.2.3一般动力换档的过渡过程

5.2.4 HMCVT换段过程的状态分析

5.2.5 HMCVT连续系统模型

5.3工况参数计算

5.3.1离合器摩擦转矩计算

5.3.2离合器滑摩功计算

5.3.3 HMCVT传动轴动载系数计算

5.3.4拖拉机速度稳定性系数计算

5.4本章总结

第6章换段过程仿真及控制策略研究

6.1换段过程仿真模型

6.1.1 HMCVT仿真模型

6.1.2 HMCVT状态转换逻辑模块

6.1.3离合器摩擦转矩计算和参数计算模块

6.2 HMCVT换段过程分析

6.2.1传动轴转速特性分析

6.2.2传动轴转矩特性分析

6.2.3离合器滑摩功变化

6.3 HMCVT换段品质影响因素分析

6.3.1油压影响

6.3.2拖拉机阻力影响

6.3.3离合器搭接定时影响

6.4 HMCVT换段过程控制策略

6.4.1 HMCVT换段过程控制策略

6.4.2油压变化规律

6.4.3换段控制系统

6.5 HMCVT换段过程控制策略仿真

6.5.1离合器控制油压生成模块

6.5.2换段控制仿真

6.6本章总结

第7章HMCVT传动系统控制策略试验研究

7.1试验内容

7.2试验仪器与设备

7.3自动变速控制策略试验

7.3.1基于驾驶员意图的智能控制策略试验方案

7.3.2试验结果分析

7.3.3基于阻力变化的智能控制策略试验方案

7.3.4试验结果分析

7.4换段品质控制策略试验

7.4.1试验方案

7.4.2试验结果分析

7.5本章总结

第8章全文总结

8.1本文主要工作和结论

8.2进一步的工作

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目与发表论文情况

致谢