基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法

摘要

本发明提供了一种基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法。在根据本发明的基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法中，首先无需利用温度传感器，直接测量出比例电磁阀工作过程中的等效电感L

说明书

技术领域

本发明涉及液压控制领域，尤其涉及一种基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法。

背景技术

在变速器的换挡过程中，根据油液油压的变化和充油过程，可以将其分为：快速充油阶段、缓冲阶段、阶跃升压阶段和稳压阶段四个过程。在缓冲阶段，如果实际油压变化曲线与理想油压曲线差别较大，则容易引起换挡冲击。所以对换挡系统进行油液压力的闭环与补偿控制，大多集中在缓冲阶段，即使缓冲阶段的油压变化曲线与理想油压曲线的偏离尽可能的小。

在以往的控制方案中，以理想油压曲线为目标，对换挡系统油压变化进行闭环控制。但这类方法有的没有考虑系统油液温度的变化，有的是先进行标定，求得温度对油压的影响，以此作为前馈控制，再进行油压的闭环控制。这种标定的方法工作量大且需要温度传感器。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法，其能利用测量的比例电磁阀的等效电感，对输出的油压进行前馈控制和反馈控制，降低实际输出油压与理想油压的偏差，减小液压换挡的油压冲击。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法，其包括步骤1到步骤8。

步骤1：对比例电磁阀输入PWM信号，并利用数据采集模块采集输入的电压信号的数据点和对应的电流信号的数据点，进而得到稳态电流电压波形；其中PWM信号的频率为fHz，占空比D％，PWM信号的电压幅值为E；数据采集模块的采样频率为FHz，在PWM信号的一个周期内，采集的电压信号的数据点数和对应的电流信号的数据点数：

$n=\frac{F\times D\%}{f};$

PWM信号的输出c个周期的电压信号，采集到的总的数据点数为c·n。

步骤2：从采集的数据中提取电流曲线：PWM信号输入的电压只有0V和E两个状态，若电压从0V跳变到E的时间点为t₁，电压从E跳变到0V的时间点为t₂，那么在t₁～t₂的时间段内电流信号为上升状态，得到的电流曲线为上升曲线；在步骤1中采集的数据点中电压从0V跳变到E的所有跳变点的集合为T₁，电压从E跳变到0V的所有跳变点的集合为T₂，T₁和T₁的求取方法为：

如果Volt_(m+1)-Volt_m>E₁，那么T₁(k)＝t_m；

如果Volt_(m+1)-Volt_m<-E₁，那么T₂(k)＝t_m；

其中，t_m代表第m点的时刻，Volt_m代表第m点的电压值，k∈(0，m)，E₁＝0.8E。

如果T₂(1)<T₁(1)，则去除T₂(1)对应的电流信号数据点；如果T₁的数据点数比T₂的数据点数多一个，则去掉T₁的最后一个对应的电流信号的数据点，保证T₂(1)>T₁(1)且对应的电流信号的数据点数相同；那么在任意的时间段T₁(k)～T₂(k)对应的电流曲线为第k段的电流曲线，该电流曲线对应的电流函数为I(k)，由此提取出采集的数据点对应的所有电流曲线以及电流函数。

步骤3：对得到的所有电流曲线进行消除噪声处理：对于PWM信号当相邻的j个电流曲线的时间间隔在2·j以内时，视为电气特性参数没有变化，将这j个电流曲线通过下式求和平均处理，以达到消除噪声的作用：

$I_0\left(k\right)=\frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Sigma }}I\left(k\right)$

其中，I₀(k)为消除噪声后的电流函数，I(k)为截取的第k段电流函数。

步骤4：对消除噪声后的电流曲线进行多项式曲线拟合，得到电感变化曲线。

比例电磁铁电路中的平均电流为I，I由采集到的所有消除噪声后的电流函数I₀(k)中的电流求和平均得到；比例电磁铁电路中的等效电阻为R，

$R=\frac{E*D\%}{I};$

当电感保持不变时，比例电磁铁电路中的电感为L，那么电流变化关系满足如下的函数关系式：

$i\left(t\right)=[i\left(0\right)-i\left(\infty \right)]*\exp (-\frac{R}{L}t)+i\left(\infty \right);$

其中，i(t)为电流i与时间t的关系函数，i(0)为初始电流，i(∞)为饱和电流。

当电感变化时，将电感作为电流的函数L(i)，将电流i的变化过程分为l段，每一段Δt内的电感看做常量L_p，那么在整个过程中，电流变化满足如下的函数关系式：

$i\left(t\right)=[i\left(0\right)-i\left(\infty \right)]*\exp (-\underset{p=0}{\overset{l-1}{\Sigma }}\frac{R}{L_p}\Delta t)+i\left(\infty \right);$

当l趋于无穷大时，电流的变化函数如下：

$i\left(t\right)=[i\left(0\right)-i\left(\infty \right)]*\exp \left(-{\int }_0^t\frac{R}{L\left(i\right(t\left)\right)}dt\right)+i\left(\infty \right);$

其中，i(0)为初始电流，i(∞)为饱和电流，且i(∞)＝I/(D％)；

对上式求导，得到电感L随时间t的关系函数L(t)：

L(t)＝R*(i(∞)-i(t))/(di/dt)。

步骤5：剔除电感函数L(t)中的偏差部分，得到有效的等效电感L_d。

剔除偏差较大的起始和终止阶段，并保留中间变化平稳的中间阶段，以得到修正的电感函数L′(t)。

如果dL(t)/dt＜M，那么L′(t)＝L(t)，其中M为依据电感函数L(t)及其导数人为设定的值；

再对修正的电感函数L′(t)取平均，即得到所求的有效的等效电感L_d：

L_d＝mean(L′(t))。

步骤6：标定比例电磁阀的输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线。

在一个油温下，对比例电磁阀输入占空比为D％的PWM信号，在比例电磁阀达到稳态后，根据步骤1至步骤5得到平均电流I和等效电感L_d，并测量比例电磁阀的输出油压P。

步骤7：在各个油温下重复步骤6，得到比例电磁阀在各个油温下输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线，并将得到的数据存入数据库，便于调用。

步骤8：比例电磁阀的油压控制过程分为s段，s段中的每一段持续的时间为t_s，且每一段控制过程分为：分析阶段，持续的时间为t_s1；前馈控制阶段，持续的时间为t_s2；以及反馈控制阶段，持续的时间为t_s3；且t_s＝t_s1+t_s2+t_s2。

分析阶段：设定输出的油压为P₀，调用数据库中的数据，得到在常温下油压P₀所需要的PWM信号的占空比为D₀％，并将此PWM信号输入比例电磁阀，依据步骤1至步骤5得到真实的平均电流I_f和等效电感L_f，根据占空比D₀％、平均电流I_f和等效电感L_f，参照数据库得到该时间段的油温T_f。

前馈控制阶段：根据油温T_f和设定的油压P₀，参照数据库求出此时所需要的PWM信号的占空比D_f％，并将该PWM信号输入比例电磁阀。

反馈控制阶段：将该阶段分为多步，每步以比例电磁阀输出的实际油压为反馈量，对油压进行PID控制，以得到油压的实际输出曲线；在反馈控制阶段采用增量式PID控制，控制公式如下：

ΔD(w)＝D(w)-D(w-1)

ΔD(w)＝K_P[e(w)-e(w-1)]+K_Ie(w)+K_D[e(w)-2e(w-1)+e(w-2)]

其中，K_P，K_I，K_D分别为比例、积分和微分参数，D(w)为第w步输入的PWM信号的占空比，e(w)为第w步的设定油压与实际油压的偏差。

通过调整比例参数K_P、积分参数K_I和微分参数K_D，以调整相邻两步之间PWM信号的占空比的增量ΔD(w)，进而减少设定油压与实际油压的偏差，使得此段输出的油压达到P₀，且油压的实际输出曲线的变化呈线性变化。

选择比例电磁阀的油压控制过程的分段数s，如下：

按照下式选择合适的分段数s：

$s=min[\Delta p=\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta p}}_i]$

${\mathrm{\Delta p}}_i=\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}\left(p\right(j)-p_0(j\left)\right)$

其中，P(j)，P₀(j)分别为第j步的实际输出油压和设置的输出油压，Δp_i为第i段控制过程的实际输出油压和设置的输出油压的偏离程度，Δp为整个控制过程的实际输出油压和设置的输出油压的偏离程度，k为每段控制过程的的总步数。

选取多个分段数进行试验，找出Δp最小的分段数s，每一段都按照上述的方式控制。

本发明的有益效果如下：

在根据本发明的基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法中，首先依据步骤1到步骤5无需利用温度传感器，直接测量出比例电磁阀工作过程中的等效电感L_d；进而依据步骤6和步骤7得到比例电磁阀在各个油温下输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线，并将得到的数据存入数据库，便于控制过程的调用；然后在步骤8中，将控制过程分为s段，利用数据库中的输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线对各段控制过程中的比例电磁阀进行前馈控制，在前馈控制完成后进行PID反馈控制，以降低各段控制过程中实际输出油压与理想油压的偏差，减小液压换挡过程中的油压冲击。

具体实施方式

下面详细说明本发明的的基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法。

根据本发明的基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法包括步骤1到步骤8。

步骤1：对比例电磁阀输入PWM信号，并利用数据采集模块采集输入的电压信号的数据点和对应的电流信号的数据点，进而得到稳态电流电压波形；其中PWM信号的频率为fHz，占空比D％，PWM信号的电压幅值为E；数据采集模块的采样频率为FHz，在PWM信号的一个周期内，采集的电压信号的数据点数和对应的电流信号的数据点数：

$n=\frac{F\times D\%}{f};$

PWM信号的输出c个周期的电压信号，采集到的总的数据点数为c·n。

步骤2：从采集的数据中提取电流曲线：PWM信号输入的电压只有0V和E两个状态，若电压从0V跳变到E的时间点为t₁，电压从E跳变到0V的时间点为t₂，那么在t₁～t₂的时间段内电流信号为上升状态，得到的电流曲线为上升曲线；在步骤1中采集的数据点中电压从0V跳变到E的所有跳变点的集合为T₁，电压从E跳变到0V的所有跳变点的集合为T₂，T₁和T₁的求取方法为：

如果Volt_(m+1)-Volt_m>E₁，那么T₁(k)＝t_m；

如果Volt_(m+1)-Volt_m<-E₁，那么T₂(k)＝t_m；

其中，t_m代表第m点的时刻，Volt_m代表第m点的电压值，k∈(0，m)，E₁＝0.8E。

如果T₂(1)<T₁(1)，则去除T₂(1)对应的电流信号数据点；如果T₁的数据点数比T₂的数据点数多一个，则去掉T₁的最后一个对应的电流信号的数据点，保证T₂(1)>T₁(1)且对应的电流信号的数据点数相同；那么在任意的时间段T₁(k)～T₂(k)对应的电流曲线为第k段的电流曲线，该电流曲线对应的电流函数为I(k)，由此提取出采集的数据点对应的所有电流曲线以及电流函数。

步骤3：对得到的所有电流曲线进行消除噪声处理：对于PWM信号当相邻的j个电流曲线的时间间隔在2·j以内时，视为电气特性参数没有变化，将这j个电流曲线通过下式求和平均处理，以达到消除噪声的作用：

$I_0\left(k\right)=\frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Sigma }}I\left(k\right)$

其中，I₀(k)为消除噪声后的电流函数，I(k)为截取的第k段电流函数。

步骤4：对消除噪声后的电流曲线进行多项式曲线拟合，得到电感变化曲线。

因为比例电磁铁电路可看成一阶电阻电感串联电路，与普通一阶电路不同的是，其电感是个变量，也就是说系统的时间常数不是恒定的，在这种情况下，不能用简单的指数型函数进行拟合。

比例电磁铁电路中的平均电流为I，I由采集到的所有消除噪声后的电流函数I₀(k)中的电流求和平均得到；比例电磁铁电路中的等效电阻为R，

$R=\frac{E*D\%}{I};$

当电感保持不变时，比例电磁铁电路中的电感为L，那么电流变化关系满足如下的函数关系式：

$i\left(t\right)=[i\left(0\right)-i\left(\infty \right)]*\exp (-\frac{R}{L}t)+i\left(\infty \right);$

其中，i(t)为电流i与时间t的关系函数，i(0)为初始电流，i(∞)为饱和电流。

当电感变化时，将电感作为电流的函数L(i)，将电流i的变化过程分为l段，每一段Δt内的电感看做常量L_p，那么在整个过程中，电流变化满足如下的函数关系式：

$i\left(t\right)=[i\left(0\right)-i\left(\infty \right)]*\exp (-\underset{p=0}{\overset{l-1}{\Sigma }}\frac{R}{L_p}\Delta t)+i\left(\infty \right);$

当l趋于无穷大时，电流的变化函数如下：

$i\left(t\right)=[i\left(0\right)-i\left(\infty \right)]*\exp \left(-{\int }_0^t\frac{R}{L\left(i\right(t\left)\right)}dt\right)+i\left(\infty \right);$

其中，i(0)为初始电流，i(∞)为饱和电流，且i(∞)＝I/(D％)；

对上式求导，得到电感L随时间t的关系函数L(t)：

L(t)＝R*(i(∞)-i(t))/(di/dt)。

步骤5：剔除电感函数L(t)中的偏差部分，得到有效的等效电感L_d。

虽然对电流曲线进行多项式曲线拟合的效果较好，但是电流曲线的起始和终止阶段会存在较大的偏差，影响结果的准确度；剔除偏差较大的起始和终止阶段，并保留中间变化平稳的中间阶段，以得到修正的电感函数L′(t)。

如果dL(t)/dt＜M，那么L′(t)＝L(t)，其中M为依据电感函数L(t)及其导数人为设定的值；

再对修正的电感函数L′(t)取平均，即得到所求的有效的等效电感L_d：

L_d＝mean(L′(t))。

步骤6：标定比例电磁阀的输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线。

在一个油温下，对比例电磁阀输入占空比为D％的PWM信号，在比例电磁阀达到稳态后，根据步骤1至步骤5得到平均电流I和等效电感L_d，并测量比例电磁阀的输出油压P。

步骤7：在各个油温下重复步骤6，得到比例电磁阀在各个油温下输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线，并将得到的数据存入数据库，便于调用。

步骤8：比例电磁阀的油压控制过程分为s段，s段中的每一段持续的时间为t_s，且每一段控制过程分为：分析阶段，持续的时间为t_s1；前馈控制阶段，持续的时间为t_s2；以及反馈控制阶段，持续的时间为t_s3；且t_s＝t_s1+t_s2+t_s2。

分析阶段：设定输出的油压为P₀，调用数据库中的数据，得到在常温下油压P₀所需要的PWM信号的占空比为D₀％，并将此PWM信号输入比例电磁阀，依据步骤1至步骤5得到真实的平均电流I_f和等效电感L_f，根据占空比D₀％、平均电流I_f和等效电感L_f，参照数据库得到该时间段的油温T_f。

前馈控制阶段：根据油温T_f和设定的油压P₀，参照数据库求出此时所需要的PWM信号的占空比D_f％，并将该PWM信号输入比例电磁阀。

反馈控制阶段：将该阶段分为多步，每步以比例电磁阀输出的实际油压为反馈量，对油压进行PID控制，以得到油压的实际输出曲线；在反馈控制阶段采用增量式PID控制，控制公式如下：

ΔD(w)＝D(w)-D(w-1)

ΔD(w)＝K_P[e(w)-e(w-1)]+K_Ie(w)+K_D[e(w)-2e(w-1)+e(w-2)]

其中，K_P，K_I，K_D分别为比例、积分和微分参数，D(w)为第w步输入的PWM信号的占空比，e(w)为第w步的设定油压与实际油压的偏差。

通过调整比例参数K_P、积分参数K_I和微分参数K_D，以调整相邻两步之间PWM信号的占空比的增量ΔD(w)，进而减少设定油压与实际油压的偏差，使得此段输出的油压达到P₀，且油压的实际输出曲线的变化呈线性变化(实际过程中，油压的实际输出曲线的变化并非为理想的线性变化，只要满足油压的实际输出曲线的变化尽可能呈线性变化即可)。

选择比例电磁阀的油压控制过程的分段数s，如下：

为了使油压的实际输出曲线与设定的理想曲线的偏差尽可能小，则比例电磁阀的油压控制过程的分段数越多；但由于液压系统存在较大的惰性，如果分段数越多，则会在控制过程结束时无法达到稳态，即没有达到设定的油压P₀；所以为了使偏差最小且能使控制过程结束时达到稳态，需要按照下式选择合适的分段数s：

$s=min[\Delta p=\underset{i=1}{\overset{s}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta p}}_i]$

${\mathrm{\Delta p}}_i=\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}\left(p\right(j)-p_0(j\left)\right)$

其中，P(j)，P₀(j)分别为第j步的实际输出油压和设置的输出油压，Δpi为第i段控制过程的实际输出油压和设置的输出油压的偏离程度，Δp为整个控制过程的实际输出油压和设置的输出油压的偏离程度，k为每段控制过程的的总步数。

选取多个分段数进行试验，找出Δp最小的分段数s，每一段都按照上述的方式控制，可使实际输出油压和设置的输出油压的偏离程度最小，拟合度最高。

在根据本发明的基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法中，首先依据步骤1到步骤5无需利用温度传感器，直接测量出比例电磁阀工作过程中的等效电感L_d；进而依据步骤6和步骤7得到比例电磁阀在各个油温下输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线，并将得到的数据存入数据库，便于控制过程的调用；然后在步骤8中，将控制过程分为s段，利用数据库中的输出油压P与平均电流I和等效电感L_d的关系曲线对各段控制过程中的比例电磁阀进行前馈控制，在前馈控制完成后进行PID反馈控制，以降低各段控制过程中实际输出油压与理想油压的偏差，减小液压换挡过程中的油压冲击。

在根据本发明的基于比例电磁阀的液压换挡油压控制方法中，在一实施例中，输入比例电磁阀的PWM信号的占空比为40％～80％。