基于dSPACE的叉车自动变速器控制系统性能仿真和实验研究

张炳力 胡福建 董彦文 丁美玲

摘要：对叉车发动机与液力变矩器的参数进行匹配，确定动力性换挡曲线，采用区间信息值作为换挡逻辑输入量，建立基于车速和油门开度的动力性换挡规律；依据电磁阀工作特性及换挡执行元件工作逻辑，建立电磁阀模型；通过基于dSPACE的叉车自动变速器控制系统实时仿真实验，验证所建立的叉车自动变速器控制模型的正确性，为叉车自动变速器控制器的开发提供了参考。

关键词：叉车自动变速器；控制系统；换挡规律；快速原型

中图分类号：U469.79 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0010-07

Performance Simulation and Test Research of Forklift

Trucks Automatic Transmission Control System Base on dSPACE

ZHANG Bing-li1，HU Fu-jian1，DONG Yan-wen1，DING Mei-ling2

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009， China；

2.Heifei Changhe Automobile Co.，LTD，Hefei 230009，China）

Abstract: By matching the parameters of the Forklift Trucks engine and hydraulic converter，we can make up the power shift curve. The power shifting schedule basing on the speed and throttle angle is built by using zone value as the input of shift logical model.According to the solenoid valves operating principle and the shifting executing components working logic， the solenoid valves control model is built. On dSPACE platform， the real-time simulation test of AT control system in Forklift Truck was performed. The test results verify that the models of transmission and the research can provide reference for the development of automatic transmission controller in Forklift Truck.

Key words: forklift trucks transmission；control system；shifting schedule；rapid control prototyping

叉车的使用环境和目的与普通汽车不同，其工作环境复杂、恶劣，而且车辆负载变化范围很大，需要驾驶员频繁操作换挡以满足整车动力性能的要求，不仅劳动强度大，而且难以保证行驶经济性［1］。叉车上采用自动变速技术具有以下优点［2］：①减轻驾驶员的劳动强度，提高安全性；②改善车辆的燃油经济性；③降低了传动系的动载荷，延长了零部件的使用寿命；④可以使发动机工作在良好的工作状态，从而改善车辆的排放性能，有利于保护环境。

目前国内使用的多数是手动挡叉车，只有少量进口的自动挡叉车，并且其自动变速器控制规律多数采用的是基于车速或发动机转速的单参数控制，这种控制模式无论油门开度处于何种位置，换挡点总是保持不变。但是考虑到叉车的实际使用工况，主要是保持车辆的动力性，对于不同的油门开度，车辆的最佳动力性换挡点也应不同，所以如果直接使用单参数控制规律来控制，往往无法解决叉车对动力性的要求。

本文主要针对合力5~10 t叉车，叉车性能参数如表1所示，采用车速和油门开度两参数控制，建立动力性换挡规律。利用dSPACE的V型开发模式对叉车自动变速器控制系统进行图形化建模和仿真，并且完成叉车自动变速器控制系统快速原型实验。

1 换挡规律的建立

液力变矩器对发动机输入特性和叉车主要输出特性有很大影响。叉车的动力性在很大程度上取决于发动机与液力变矩器的共同工作是否良好，一台性能良好的发动机与一台性能良好的液力变矩器如果匹配不当，并不能使叉车获得良好性能。因此，要想提高液力传动叉车的动力性能，除了提高液力变矩器本身的性能外，还要实现最佳匹配。为此，必须研究发动机与液力变矩器的输入特性、共同工作范围及输出特性。

最理想的匹配是发动机与液力变矩器共同工作时，充分利用发动机工作区段，以满足叉车的需要，必须满足以下三点要求：

（1）在液力变矩器的整个工作范围（或高效范围）内，应能充分利用发动机的最大有效功率。这样可以获得较大的输出功率，以提高车辆的平均行驶速度。因而希望液力变矩器高效区范围处于发动机最大功率点附近。

（2）为使叉车具有良好的经济性，希望发动机与液力变矩器共同工作范围处于发动机低燃油消耗率区段。

（3）为使车辆具有良好的起步性能，希望低速比工况下的泵轮负荷抛物线位于发动机最大转矩点附近。

1.1 发动机与液力变矩器联合输入

发动机与液力变矩器合理匹配就是在一定油门开度下，发动机处在最大平均功率与液力变矩器最大效率工况下共同工作，此时的工作点为最佳工作点。而共同工作的输入特性就是在不同油门开度和不同转速情况下发动机的输出特性与不同速比下泵轮扭矩特性的组合，两种特性的交点即为共同工作点。其共同工作的必要条件是：

Me=Mb，Ne=Nb（1）

根据提供的发动机实验数据和液力变矩器的原始特性数据，利用Matlab的M文件将联合输入相关公式［3］编写成程序，并且利用多项式拟合命令polyfit，对液力变矩器的输入特性和发动机扭矩特性进行5次多项式拟合，交点为对应工况稳定工作点，即可得到发动机和液力变矩器共同工作特性，拟合结果如图1所示。

1.2 发动机与液力变矩器联合输出

共同工作的输出特性是发动机与液力变矩器共同工作时，涡轮输出扭矩、输出功率和发动机转速等与涡轮转速之间的关系［2，3］。共同工作的输出特性是进行叉车牵引计算的基础，因此，为使叉车获得良好的动力性与经济性，共同工作的输出特性必须满足在共同工作输出特性高效区工作范围或整个工作范围内，应保证获得最高平均输出功率。

根据共同工作时的输入特性即可按照公式［3］推导出发动机和液力变矩器共同工作的输出特性，如图2所示以涡轮转速为横坐标，涡轮转矩为纵坐标建立的联合工作输出特性图。

1.3 最佳动力性换挡规律

最佳动力性换挡规律是根据发动机与液力变矩器联合工作输出特性，将涡轮转速和涡轮转矩按照车辆不同挡位的传动比转换成车速和驱动力的曲线（见图3），并且计算各挡位驱动力的交点，以此交点作为动力性换挡点，最终将各换挡点连接起来作为换挡曲线［4］，其中左侧两条换挡曲线为倒挡时的换挡曲线，右侧两条换挡曲线为前进时的换挡曲线，如图4所示。

2 建立自动变速器控制模型

本文利用Matlab/Simulink对叉车自动变速器控制系统进行建模［4］，建立的模型如图5所示，包括数据采集模型和控制策略模型，其中N为空挡，F1为前进一挡，F2为前进二挡，R1为倒一挡，R2为倒二挡。

2.1 数据采集模型

本文采取的是基于两参数的换挡控制规律，主要控制参数为车速、油门开度，利用车速和油门开度建立动力换挡曲线。在快速原型阶段利用dSPACE自带的接口与车辆上的传感器连接，采集相应的数据，主要采集车速、油门开度、前进和后退的拨杆信号，采集模型如图6所示。

2.2 控制策略模型

自动变速器自动换挡过程是从传感器采集当前车辆运行状态信息，通过TCU进行运算和判断，若符合换挡条件，则TCU向执行机构发出执行换挡信号，执行机构进行相应的动作实现自动换挡。

本文制定的控制策略模型是模拟实际叉车的动作状态建立的，实际使用中驾驶员通过操作拨杆给TCU信号，由TCU检测拨杆信号并识别车辆目前的运转状态（前进挡、空挡、倒挡），并且根据车辆的状态参数（车速、油门等）判断目前车辆的挡位，然后触发相应的电磁阀动作，从而实现对车辆的操控。根据这一思想，本文制定的控制策略模型利用拨杆的信号判断车辆是处于前进挡、空挡还是倒挡状态，从而触发相应的前进挡、空挡和倒挡控制模块，并按照各模块中制定的换挡规律进行换挡，输出合理的挡位，控制策略模型如图7所示。

2.2.1 换挡逻辑输入参数

本文依据车速和油门开度建立的两参数换挡模型，模型的自动换挡功能是通过换挡逻辑模型来实现的，并且利用车速和油门两参数将输入的车辆运行状态信息划分为两个区域，作为自动变速器换挡模型中换挡逻辑模块的输入量。在此针对前进控制模型加以说明，如图8所示。

2.2.2 换挡逻辑模型

以驾驶员的实际操作行为为依据，建立换挡逻辑模块如图9所示，通过将实际车辆的运行状态与换挡规律中预设的换挡时刻的车辆状态相比较，从而决定应该升挡、降挡还是保持当前挡位。

换挡逻辑模块采用Stateflow［5］建立。模块采用两个并行的状态图：挡位转移状态图（shift）和挡位控制状态图（shift_control）。在shift状态图中，有两个挡位状态，定义了upshift和downshift两个状态转移事件作为挡位变换的条件。shift_control状态图包含有三个状态：挡位保持（steady），升挡（upshifting）和降挡（downshifting）。当shift_control被激活后，无条件转移激活steady，然后通过判断状态转移条件是否满足，如果满足则激活upshifting或者downshifting状态；如果不满足条件，则维持steady状态。

2.3 自动变速器控制模型离线仿真

进行自动变速器控制模型离线仿真是实现控制快速原型的基础。自动变速器控制模型离线仿真采用的输入信号是根据实际车辆运行状况采集的数据，主要输入量为车速、油门开度和拨杆信号。其中拨杆信号直接输入常值，如前进挡为1，后退挡为0；实验输入的油门开度、车速以及换挡结果如图10所示。

从0~20 s模拟叉车执行装载、倒车等动作，随着油门开度变化，车速不断变化，对应挡位也发生变化，在6 s左右挡位升为2挡，但由于车速变化迅速，很快降为1挡；从20 s到36 s模拟的是车辆平路加速行驶后滑行直到停车，在此阶段，随着油门开度的增加，车速迅速上升，在23 s挡位升为2挡，之后油门将为0，叉车处于滑行状态，车速不断减小，在38 s左右挡位降为1挡；从36 s到44 s车辆处于举升阶段，虽然油门开度不断增加，但是车速很小，所以挡位维持1挡不变，这与实际操作是相符的。

综合实验结果分析得出，所建立的基于油门开度和车速的两参数控制规律基本实现自动换挡的功能，但是模型的实际控制效果还有待在快速原型实验中来验证。

3 自动变速器控制系统快速原型

3.1 电磁阀动作逻辑

本实验的执行原件动作是由电磁阀来控制的，实验车辆具有空挡、两个前进挡和两个后退挡，通过三个开关阀和一个节流阀控制。不同挡位时各电磁阀动作状态如表2所示。其中需要注意的是在空挡状态所有的电磁阀均不工作；挡位开关阀上电为2挡，不上电为1挡；节流阀为常开阀，在1挡和2挡之间进行切换时，先延迟，后上电延迟，再断电，目的是为了降低换挡瞬间的油压波动，降低换挡冲击。

3.2 电磁阀模型

将建立的自动变速器控制模型编译到dSPACE中，模拟TCU控制自动变速器的运行，图11给出了对应的电磁阀模型和实现dSPACE与电磁阀驱动芯片之间连接的RTI接口。

3.3 快速原型实验

自动变速器控制规律快速原型实验是进行硬件在环实验的基础，在快速原型实验中，dSPACE用来模拟车辆的TCU控制单元，在这个阶段主要是处理两个问题，一是对建立的自动变速器进行在线验证，另一方面对换挡曲线进行调整，使换挡时刻符合车辆的实际运行工况和驾驶员的操作习惯。

3.3.1 快速原型实验流程

快速原型实验流程如图12所示，首先利用PC机将自动换挡控制模型（含电磁阀模型）编译下载到dSPACE中，并且将电磁阀驱动程序下载到电磁阀驱动电路中；dSPACE根据从实车上采集到的传感器信号执行控制策略，并将电磁阀控制信号输入到电磁阀驱动电路，根据预先存储于驱动电路中的电磁阀驱动程序对由dSPACE传来的控制信号进行处理，最终向实车上的电磁阀输入电磁阀动作信号，电磁阀接收到控制信号后，作出相应的动作，实现自动换挡。这样就形成了快速原型控制［6-8］，实物如图13所示。

3.3.2 快速原型实验仿真结果分析

快速原型实验主要分为两部分：一是叉车正常（平路）行驶实验；二是叉车在特殊工况行驶实验，如急加速急减速工况。快速原型实验过程中，利用ControlDesk综合实验和测试平台对仿真实验进行数据管理和监控。采集的数据主要有油门、车速和挡位。

3.3.2.1 正常行驶实验

本实验主要目的是为了验证车辆在正常行驶过程中能否严格按照换挡规律进行换挡，实验曲线图如图14所示。

从0 s到10 s叉车启动为空挡N，10 s开始叉车挂前进挡，叉车以前进一挡F1向前行驶，车速不断升高，在30 s左右车速达到与此刻油门开度相对应的换挡点，挡位升为前进二挡F2，在40 s油门开度降低，但是车速始终高于与油门开度对应的换挡车速，所以叉车始终保持以F2向前行驶。

可以证明叉车在正常行驶时自动变速器严格按照换挡规律中的换挡点进行换挡，基本实现自动换挡功能。

3.3.2.2 特殊工况实验

特殊工况实验主要是验证处于急加速急减速工况中的叉车能否按照换挡规律正确换挡，实验曲线图如图15所示。

从0 s到7 s叉车启动为空挡N，7 s叉车挂倒挡，迅速加大油门开度，7 s到17 s叉车以倒一挡R1行驶，在17 s车速达到与此刻油门开度相对应的换挡点，挡位升为倒二挡R2，之后在很短的时间里，叉车由于车速降到对应的降挡点以下，挡位由R2换为R1，并且迅速带制动停车并挂前进挡，急加速让车速迅速提高，在34 s左右挡位由F1换为F2，并且保持不变，53 s左右车速迅速降低到降挡点之下，挡位换为F1，之后油门开度急速增大，车速随之升高，挡位换为F2。

根据上述分析叉车在特殊工况中可以按照制定的换挡策略动作，所以上述制定的换挡策略对叉车特殊行驶工况也是适用的。

4 结论

本文对叉车的发动机与液力变矩器的性能进行匹配，建立基于车速和油门的自动变速器最佳动力性控制模型，并基于dSPACE对控制模型进行快速原型实验，实验结果表明：所建立的控制系统模型正确，能够实现自动换挡，效果良好，为开发叉车自动变速器控制器提供了参考。

参考文献：

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