Адаптивное управление блокированием гидротрансформатора гидромеханической передачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.113: 004.021

Адаптивное управление блокированием гидротрансформатора гидромеханической передачи

В.П. Тарасик,

В.И. Курстак,

О.В. Пузанова

Изложена методика определения параметров характеристики управления блокированием гидротрансформатора. Описана математическая модель движения автомобиля. Приведены результаты вычислительных экспериментов по определению пороговых значений параметров управления и полученные на их основе регрессионные модели.

Ключевые слова: адаптивное управление, блокирование гидротрансформатора, гидромеханическая передача, характеристики автоматического управления.

На кафедре «Автомобили» Белорусско-Российского университета разработана мехатронная система автоматического управления гидромеханической передачей, предназначенная для использования на карьерных самосвалах БелАЗ-7555Е грузоподъемностью 60 т. В статье изложены результаты исследований по разработке алгоритма автоматического управления блокированием гидротрансформатора.

Автоматизация управления механизмами и системами автомобиля позволяет нерцственно повысить показатели его эффективности и безопасность движения, долговечность и надежность механизмов, обеспечить комфортные условия водителю и пассажирам. Одним из объектов автоматизации является трансмиссия. Наиболее широкое применение получили автоматические гидромеханические передачи (ГМП). В состав ГМП входят гидродинамический трансформатор (ГДТ) и многоступенчатая коробка передач (КП). Применение ГДТ в трансмиссии автомобиля позволяет получить прогрессивную тяговую характеристику. Характеристика динамического фактора автомобиля с ГДТ приближается к неральной кривой гиперболического вида. Этому способствует также многоступенчатость КП. Прогрессивность характеристик тягово-скоростных свойств обусловлена способностью ГДТ изменять передаточное отношение и коэффициент трансформации в процессе преобразования параметров потока энергии, передаваемого от двигателя к ведущим колесам автомобиля. Причем преобразование параметров осуществляется автоматически в зависимости от дорожных условий, т.е. ГДТ обладает внутренней автоматичностью и не нуждается в системе управления. В этом его преимущество. Однако КПД гидротрансформатора существенно ниже, чем у механических КП, и изменяется он в широких пределах: от нуля до максимального значения, которое к тому же не превышает 90-92 %. Поэтому возникает необходимость исключения неэффективных режимов работы ГДТ с низкими значениями КПД. На таких режимах целесообразно блокировать ГДТ, что осуществляется посредством блокировочного фрикциона. Включение этого фрикциона обеспечивает блокирование насосного и турбинного колес ГДТ, в результате чего все его механизмы вращаются как единое целое, не оказывая влияния на процесс преобразования параметров потока энергии.

Для достижения высоких показателей тягово-скоростных свойств автомобиля ГДТ должен функционировать при движении в тяжелых дорожных условиях, на затяжных крутых подъемах, а также использоваться кратковременно для сообщения высоких значений ускорения при разгоне автомобиля. В хороших дорожных условиях и после завершения этапа интенсивного разгона ГДТ необходимо блокировать. Однако выбрать интуитивно наилучший момент времени в процессе разгона для блокирования ГДТ водитель не в состоянии, так как ГДТ обеспечивает устойчивое движение автомобиля на любой передаче и в любых дорожных условиях без перегрузки и остановки двигателя, характерных для механической трансмиссии. Поэтому процесс управления блокированием ГДТ нуждается в автоматизации.

Предложенная ранее методика синтеза алгоритмов адаптивного управления ГМП [1] применима также для получения алгоритма управления блокированием ГДТ. Сущность методики заключается в получении оптимальных характеристик управления, обеспечивающих высокие показатели эффективности автомобиля в типовых дорожных условиях, и в последующей их адаптации к изменяющимся условиям движения. Для использования этой методики необходима обширная информация о параметрах и характеристиках механизмов и систем автомобиля и внешней среды. Характеристики управления получают на основе математического моделирования процессов движения автомобиля.

Для оценки эффективности автоматического управления ГМП используют математическую модель, учитывающую инерционные свойства всех механизмов автомобиля, скоростные и нагрузочные характеристики двигателя и гидротрансформатора, а также характеристики сопротивления движению автомобиля (дорожные и воздушной среды). Упругие свойства элементов трансмиссии и шин при этом обычно не учитывают, так как они не оказывают существенного влияния на показатели эффективности. Движение нерциионных масс динамической модели в этом случае описывается следующими системами дифференциальных уравнений:

- при неблокированном ГДТ

(1)

- при блокированном ГДТ

(2)

где - угловые скорости двигателя и ведущего колеса, рад/с; - вращающий момент двигателя; - момент привода вспомогательного оборудования двигателя; - моменты насосного и турбинного колес ГДТ; - момент привода насоса системы управления ГМП; - моменты гидравлических потерь в механизмах КП и ведущего моста; - момент сопротивления качению; - приведенные к ведущим колесам моменты сопротивлений подъему и воздуха; - передаточное число и КПД трансмиссии на i-й ступени КП; - радиус качения ведущих колес, м; - перемещение автомобиля, м; - приведенный момент инерции двигателя и насосного колеса ГДТ, кг·м²; - приведенные к ведущим колесам моменты инерции, эквивалентные поступательно движущейся массе автомобиля с учетом моментов инерции колес и механизмов трансмиссии, кг·м².

В уравнениях (1) и (2) все моменты М - в Н·м.

На автомобилях БелАЗ-7555Е используются дизельные двигатели фирмы Cummins QSK19-C750 мощностью 559 кВт при 2100 об/мин с электронным управлением подачей топлива, обеспечивающим всережимное регулирование частоты вращения вала двигателя. Гидромеханическая передача включает четырехколесный одноступенчатый гидротрансформатор ЛГ-470ПП и шестиступенчатую коробку передач.

Режим работы двигателя зависит от внешней нагрузки и скоростного режима, задаваемого водителем посредством педали акселератора. Величина нагрузки обусловливает уровень использования потенциальных возможностей двигателя. При этом двигатель может работать на режиме полной нагрузки (на внешней скоростной характеристике), режиме частичной нагрузки (на одной из регуляторных характеристик), тормозном режиме. В результате вращающий момент двигателя определяется на основе следующего алгоритма:

где - моменты двигателя соответственно на внешней скоростной характеристике, регуляторной ветви и тормозной характеристике.

Внешняя скоростная характеристика двигателя аппроксимирована полиномом N-го порядка и представлена выражением следующего вида [2]:

,

где - вращающий момент двигателя при максимальной мощности; - относительная угловая скорость вала двигателя; - коэффициенты полинома. гидротрансформатор автомобиль блокирование

Для двигателя QSK19-C750 принято N= 5. Значение вычисляется из соотношения

,

где - текущее значение угловой скорости вала двигателя, рад/с; - значение угловой скорости при максимальной мощности, рад/с.

Момент двигателя на регуляторных характеристиках вычисляется по формуле

,

где - коэффициент наклона регуляторной ветви характеристики; - угловая скорость холостого хода двигателя, соответствующая положению педали акселератора, характеризуемому координатой .

Принималась линейная зависимость между и :

. (3)

Значение в формуле (3) изменяется в пределах .

Функция аппроксимирована квадратичным полиномом

,

где - коэффициент (для двигателя QSK19-C750 ).

Для оценки топливной экономичности двигателя использовалась двухмерная регрессионная модель, описываемая полиномом третьей степени и представляющая собой зависимость часового расхода топлива (кг/ч) от относительной угловой скорости вала двигателя и относительной мощности нагрузки двигателя :

.

Значение вычисляется по формуле

,

где - текущее значение мощности нагрузки двигателя, ; - мощность двигателя на внешней скоростной характеристике при угловой скорости .

Для вычисления вращающих моментов на насосном () и турбинном () колесах использовались известные формулы, устанавливающие их зависимости от безразмерных характеристик ГДТ - коэффициента момента насосного колеса и коэффициента трансформации . Характеристики зависимостей и от передаточного отношения ГДТ аппроксимировались полиномами седьмого порядка [2]. Характеристики сопротивления движению автомобиля вычислялись по известным из теории автомобиля формулам.

Параметрами характеристик управления блокированием ГДТ являются пороговые значения скоростей автомобиля , при которых необходимо блокировать ГДТ. Оптимальные их значения переменны и зависят от многочисленных факторов: управляющих воздействий водителя, параметров характеристик маршрута движения и дорожных условий, величины перевозимого груза и др.

Эффективность работы автомобиля характеризуется широким комплексом его выходных параметров, предусмотренных существующими стандартами и позволяющих оценить его тягово-скоростные свойства и топливную экономичность. Задача поиска оптимальной характеристики управления оказывается многокритериальной. Однако стандартные показатели эффективности носят частный характер и оценивают какое-либо одно свойство вне связи с остальными. Поэтому целесообразно использовать некоторые обобщенные показатели. Такими показателями являются средняя скорость автомобиля и расход топлива на маршруте , которые можно принять в качестве критериев оптимальности характеристики управления блокированием ГДТ [1]. При этом средняя скорость подлежит максимизации, а расход топлива - минимизации. Как известно, особенности скоростных и нагрузочных характеристик двигателей внутреннего сгорания таковы, что эти критерии оказываются конфликтными, т.е. улучшение тягово-скоростных свойств приводит к ухудшению топливной экономичности и наоборот. Поэтому можно получить лишь оптимально-компромиссное решение по этим критериям.

Максимальное значение средней скорости достигается при условии, если ускорение автомобиля будет максимальным в течение обеих фаз разгона на данной передаче: фазы работы ГДТ на режиме трансформации и фазы движения с блокированным ГДТ. Отсюда следует, что критерием оптимальности характеристики управления блокированием ГДТ на i-й передаче по тягово-скоростным показателям является равенство ускорений на рассматриваемых фазах разгона, т.е.

. (4)

Критерий равенства ускорений (4) принято называть критерием динамичности. Скорость автомобиля на i-й передаче, при которой достигается равенство (4), представляет собой параметр оптимальной характеристики управления блокированием ГДТ по критерию динамичности.

Полагая независимой переменной текущую скорость автомобиля , расход топлива при разгоне на заданном участке дороги (л) можно определить на основе выражения

, (5)

где i - номер передачи; - текущее значение часового расхода топлива двигателя, кг/ч; - плотность топлива, кг/м³; - текущее значение ускорения в функции скорости автомобиля, м/с²; - начальная и конечная скорости разгона, м/с.

Обозначим подынтегральную функцию

.

Тогда выражение (5) принимает следующий вид:

,

где - текущее значение расхода топлива в функции изменения скорости, л·с/м.

На рис. 1 показан вид графиков функций и . При работе ГДТ на режиме трансформации параметры a и Q отмечены индексом «тр», а при блокированном ГДТ - индексом «бл».

Рис. 1. Графики функций и

Рассмотрим вначале графики на рис. 1 а. Начальная скорость выбирается из условия, чтобы ускорение на режиме трансформации было больше ускорения при блокированном ГДТ . Алгоритм моделирования предусматривает поочередное интегрирование систем дифференциальных уравнений (1) и (2) с шагом по фазовой координате (скорость автомобиля). После выполнения -го шага интегрирования и достижения скорости на обоих режимах сравниваются получаемые значения и . Если , процесс интегрирования продолжается, а если , то полученное значение принимается в качестве порогового значения скорости , при котором необходимо блокировать ГДТ на i-й передаче по критерию динамичности в данных дорожных условиях и при заданном водителем скоростном режиме работы двигателя. Дорожные условия характеризуются продольным уклоном , а скоростной режим двигателя - координатой положения педали акселератора .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Графики на рис. 1 б используются для определения пороговых значений скорости , при которых ГДТ должен блокироваться по критерию экономичности. Чем меньше расход топлива за время приращения скорости на величину при разгоне автомобиля, тем меньше суммарный расход на заданном маршруте. Величина на режиме трансформации соответствует заштрихованной площади под графиком текущего расхода топлива . Минимальное значение при изменении скорости в пределах будет получено, если ГДТ заблокировать при скорости .

Характеристики управления блокированием ГДТ принято представлять в координатах , причем по оси абсцисс откладывают пороговые значения скорости , а по оси ординат - значения .

На рис. 2 а приведены характеристики блокирования ГДТ, полученные по критерию динамичности при моделировании движения автомобиля на 4-й передаче с полной нагрузкой на дороге с различными уклонами . Положительные значения соответствуют движению на подъеме, а отрицательные - на спуске. На рис. 2 б показаны графики получаемых при этом ускорений автомобиля.

Характеристики блокирования ГДТ были определены для всех передач и при различных уровнях нагрузки , причем принималось пять различных уровней: . Из рис. 2 а видно, что пороговое значение скорости зависит от величины уклона и положения педали акселератора . Кроме того, оно довольно существенно зависит от уровня нагрузки . Очевидно также, что ускорение автомобиля обусловлено как уклоном дороги , так и величиной . Поэтому для учета установленных зависимостей при разработке алгоритма управления блокированием ГДТ в качестве информационных переменных приняты ускорение , уровень нагрузки и положение педали акселератора . Все эти переменные легко поддаются измерению. Информация об их изменениях передается в электронный блок управления. Прямое измерение уклона дороги реализовать весьма сложно, так как вследствие наличия упругих элементов подвески и шин массы автомобиля совершают продольные и поперечные угловые колебания. Вместе с тем влияние на характеристику управления в достаточной мере отображается совокупностью переменных и .

Выполненные исследования показывают, что для карьерного самосвала БелАЗ-7555Е изменение в пределах 90…100 % практически не влияет на пороговое значение скорости . При переходе же границы % в ту или иную сторону происходит резкий излом характеристик управления. Поэтому при построении регрессионных моделей характеристик управления блокированием ГДТ выполнялось раздельное их описание.

Для построения алгоритмов управления целесообразно вместо скорости использовать частоту вращения турбины ГДТ либо частоту вращения выходного вала ГМП . Мехатронная система управления ГМП снабжена датчиками для измерения и , так как информация об их изменении необходима для управления процессами включения фрикционов при переключении передач. При отсутствии скольжения ведущих колес относительно дороги скорость автомобиля пропорциональна частоте вращения выходного вала ГМП , а при включенной передаче - и частоте вращения турбины ГДТ . Связь между и устанавливается следующими выражениями:

; (6)

, (7)

где - передаточные числа главной и колесной передач соответственно; - передаточное число коробки передач; - скорость автомобиля, км/ч; - радиус качения ведущих колес, м.

Для выбора структуры уравнения регрессии полученные при различных уровнях нагрузки результаты вычислительных экспериментов целесообразно объединить и представить на одном рисунке, используя при этом выражения (6) и (7). Полученные таким образом графики приведены на рис. 3. Они отображают зависимости частоты вращения турбины ГДТ и скорости автомобиля от ускорения при % и различных уровнях нагрузки .

Рис. 3. Графики зависимостей параметров и от ускорения автомобиля при = 90 %

Из приведенных графиков видно, что при м/с² характеристика управления блокированием ГДТ практически постоянна. Поэтому уравнение регрессии необходимо составлять только для ускорений, превышающих это значение. В соответствии с характером полученных графиков принято уравнение двухмерной квадратичной регрессии следующего вида:

. (8)

В уравнении (8) - в об/мин, ускорение - в м/с², - в процентах. Для 4-й передачи получены следующие значения коэффициентов регрессии: .

Адекватность и работоспособность полученной регрессии оценивались по критерию Фишера F и коэффициенту детерминации . Критерий Фишера вычисляется по формуле

,

где - дисперсия модели среднего; - остаточная дисперсия, характеризующая отклонения значений , вычисленных по уравнению регрессии (8), от значений , соответствующих результатам вычислительного эксперимента, проведенного по разработанной математической модели.

Значение вычислялось по формуле

,

где - объем выборки; - количество коэффициентов в уравнении регрессии.

Объем выборки при эксперименте на 4-й передаче составлял . В результате получены следующие значения: ; ; ; . Табличное значение критерия Фишера для данного случая [3]. Поскольку , а , то полученная регрессия обеспечивает адекватное описание результатов эксперимента и регрессионная модель работоспособна.

На рис. 4 а показана поверхность функции отклика , полученная с помощью уравнения (8), а на рис. 4 б приведены линии равных уровней этой функции. Сравнивая графики на рис. 3 и 4 б, легко убедиться в высоком совпадении результатов вычислений по уравнению (8) с результатами эксперимента.

Рис. 4. Поверхность функции отклика (а) и линии равных уровней (б)

Графики зависимостей от и при заданном значении в пределах имеют такой же вид, как и графики на рис. 3. На рис. 5 приведены графики, отображающие зависимости и от при трех значениях и различных .

Рис. 5. Графики зависимостей параметров и от ускорения автомобиля при различных и

Для учета влияния всех факторов на величину использовано трехмерное квадратичное уравнение регрессии:

.

Получены также характеристики управления по критерию экономичности. Пороговое значение скорости при блокировании ГДТ по критерию экономичности существенно ниже скоростей по критерию динамичности . Это характерно для любых автомобилей. Поэтому на практике часто используют двухпрограммные системы управления. Однако их целесообразно применять при сравнительно высокой удельной мощности автомобиля, когда при переходе на экономичную программу сохраняются достаточно высокие значения показателей тягово-скоростных свойств.

В результате исследований получены регрессионные характеристики управления блокированием ГДТ на всех передачах ГМП и разработаны алгоритмы управления, использованные в созданной мехатронной системе автоматического управления гидромеханической передачей автомобиля БелАЗ-7555Е. Проведенные стендовые и ходовые испытания показали высокую эффективность системы управления. Средняя скорость автомобиля на контрольном участке заводского испытательного полигона оказалась на 14-16 % выше, а расход топлива на 10-12 % ниже, чем у серийного автомобиля с командным управлением.

Список литературы

1. Тарасик, В. П. Интеллектуальные системы управления автотранспортными средствами : монография / В. П. Тарасик, С. А. Рынкевич. - Минск: Технопринт, 2004. - 512 с.

2. Тарасик, В. П. Теория движения автомобиля: учеб. для вузов / В. П. Тарасик. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 478 с.

3. Тарасик, В. П. Математическое моделирование технических систем: учеб. для вузов / В. П. Тарасик. - Минск : ДизайнПРО, 2004. - 640 с.

Размещено на Allbest.ru