基于遺傳算法的某工程車輛起步特性研究

田晉躍, 王晨陽, 李得志

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于遺傳算法的某工程車輛起步特性研究

田晉躍, 王晨陽, 李得志

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以某型工程車輛為研究對象，對其起步特性進行研究，分析并建立了起步過程的動力學(xué)方程.在此基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink建立起步過程仿真模型.針對各種工況下的起步過程，進行了模擬仿真；并綜合離合器離合速度、油門開度等因素對起步時間、整車沖擊度以及滑摩功的影響進行了分析.利用遺傳算法，對離合器結(jié)合過程的摩擦轉(zhuǎn)矩曲線進行了優(yōu)化；利用PID(proportion integration differentiation)控制器對起步過程離合器液壓系統(tǒng)進行控制，優(yōu)化起步品質(zhì)，改善起步性能.

Matlab/Simulink； 遺傳算法； PID控制； 起步特性

0 前言

某工程車輛，6個離合器內(nèi)置于變速器內(nèi)部(圖1)，通過液壓控制6個離合器結(jié)合或分離，實現(xiàn)不同狀態(tài)的組合，構(gòu)成不同檔位，將發(fā)動機傳來的動力傳遞給驅(qū)動橋.與普通車輛相比，該工程車輛起步時離合器C1和C2分別結(jié)合，通過對C1和C2供油參數(shù)的合理調(diào)整，不僅可實現(xiàn)換擋平順、乘坐舒適，還能達到較高的傳動效率.但由于離合器C1主動端與發(fā)動機飛輪輸出端相連，結(jié)合時主、從動端轉(zhuǎn)速差較大；而離合器C2主、從動端轉(zhuǎn)速從零開始增加，因此存在離合器C1、C2滑摩不均的問題.

評價車輛起步品質(zhì)的性能指標是沖擊度和滑摩功.起步控制的關(guān)鍵是使這兩個相互矛盾的指標達到平衡.車輛起步的控制目標是在保證離合器接合平穩(wěn)的前提下，盡量減少離合器產(chǎn)生的滑摩功和沖擊度.

本文利用遺傳算法對離合器油壓變化規(guī)律進行優(yōu)化，得到起步最優(yōu)油壓曲線，采用PID控制器對離合器液壓系統(tǒng)進行精確控制，優(yōu)化起步品質(zhì)，改善起步性能.

1 離合器液壓控制模型

1.1 離合器壓力控制模型

式中:ca為高速開關(guān)閥的流量系數(shù);Ap為高速開關(guān)閥的節(jié)流面積;ρ為液壓油的密度;C1為電磁換向閥的流量系數(shù)；A1為電磁換向閥的節(jié)流面積.

1.2 離合器活塞運動模型

忽略離合器液壓缸和油路的漏損，假設(shè)充油過程中壓力油溫度不變，根據(jù)流體力學(xué)理論[3]，在第一階段離合器活塞運動過程中，離合器液壓缸的流體連續(xù)性方程為：

式中：Q1為離合器液壓缸液壓油輸入流量；β為壓力油有效體積彈性模量；p2為離合器液壓缸壓力；A為離合器液壓缸作用面積；V0為離合器液壓缸初始體積和供油管路體積總和.

圖1 變速器傳動簡圖Fig.1 The gearbox transmission system diagram

圖2 離合器壓力控制模型Fig.2 The hydraulic pressurecontrol system of clutch

2 車輛起步模型

2.1 發(fā)動機模型

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性數(shù)據(jù)由試驗所得.該工程車所裝的康明斯M11-C225H型柴油發(fā)動機的實驗數(shù)據(jù)如圖3所示.考慮到發(fā)動機的動態(tài)作用，其輸入為節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速.發(fā)動機工作時的方程為：

式中：Te為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩；Ie為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量；Ic1為離合器主動部分的轉(zhuǎn)動慣量；ωe為發(fā)動機曲軸角速度；Tc1為離合器的輸出轉(zhuǎn)矩.

2.2 離合器結(jié)合模型

圖3 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩特性圖

圖4 離合器接合過程

離合器的接合過程如圖4所示， 離合器受壓開始工作，首先消除主、從動摩擦片之間的空隙 ，隨著離合器活塞壓力的不斷增加，主、從動摩擦片開始接觸，離合器摩擦面之間所傳遞的轉(zhuǎn)矩不斷增加并克服阻轉(zhuǎn)矩帶動從動盤旋轉(zhuǎn)直至主、從動盤轉(zhuǎn)速一致.在離合器控制過程中，離合器所能傳遞的力矩的大小是通過控制離合器摩擦片上的壓力來調(diào)節(jié)的，其傳遞轉(zhuǎn)矩Tck為：Tck=nμdRcFA,式中：μd為摩擦片的動態(tài)摩擦系數(shù)；FA為離合器活塞作用力；n為離合器摩擦副數(shù)量；Rc為離合器當量摩擦半徑.

2.3 整車動力模型

整車(見表1)作為一個整體，是一個多自由度系統(tǒng)車輛在行駛過程中所受的阻力包括滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力.車輛在行駛時的受力方程為：

式中:m為整車質(zhì)量；f為車輪滾動阻力系數(shù)；γ為坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；S為迎風面積；ν為車速；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù).

表1 整車及其他參數(shù)

3 起步品質(zhì)及其評價指標

通常情況下，工程車輛使用沖擊度、滑摩功來評價其起步性能[4].

1) 沖擊度用于評價換檔過程的平穩(wěn)程度，指車輛縱向加速度的變化率.車身加速度變化率越小，沖擊度的峰值就越小，乘員的感覺越舒適[5].其數(shù)學(xué)表達式為：

式中：a為車輛縱向加速度；v為車速.

2) 滑摩功為離合器接合過程中，離合器摩擦片滑摩消耗的機械能所轉(zhuǎn)化的熱能[6].離合器滑摩過程中，會產(chǎn)生大量熱量；如果散熱不及時，將導(dǎo)致離合器摩擦元件性能及其摩擦系數(shù)等發(fā)生改變，甚至引起離合器工作性能失效.滑摩功的數(shù)學(xué)表達式為：

式中：Tc為離合器主、從動片間摩擦轉(zhuǎn)矩；t為離合器主、從動片轉(zhuǎn)速達到相等所經(jīng)歷的時間；ωc_in為離合器主動部分轉(zhuǎn)速；ωc_out為離合器從動部分轉(zhuǎn)速.

4 基于遺傳算法的起步參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法是一種全局尋優(yōu)算法，利用目標函數(shù)在概率準則引導(dǎo)下進行全局自適應(yīng)自動搜索，其尋優(yōu)效率高、魯棒性強、適用性廣.因此本文采用遺傳算法優(yōu)化方法對離合器油壓變化規(guī)律進行優(yōu)化，得到起步最優(yōu)的油壓曲線.并采用PID控制器對離合器液壓系統(tǒng)進行精確控制，分析不同工況下車輛的起步性能.

根據(jù)國外對自動變速器油路的大量試驗分析，在離合器結(jié)合、分離過程中，離合器摩擦力矩的變化曲線基本上符合指數(shù)函數(shù)形式[7].對于起步過程來說，只涉及到離合器接合過程的力矩變化，離合器C1、C2的摩擦力矩曲線為[7-8]：

Tc1=Tc1_max[1-exp(-k1t)]，Tc2=Tc2_max[1-exp(-k2t)],

式中：Tc_max為一定主油壓力下離合器所能傳遞的最大摩擦轉(zhuǎn)矩；k1、k2為與離合器油路充油速度有關(guān)的系數(shù).

定義g3=∫0tJ2dt作為評價整個起步過程的沖擊度指標.

為了綜合考慮沖擊度、滑摩功以及滑摩功在兩個離合器C1、C2上的分布，定義：

式中：g為換檔品質(zhì)綜合性能系數(shù)；λi為沖擊度指標和滑摩功指標權(quán)重系數(shù)(i=1，2，3).

圖5 種群均值與最優(yōu)解變化Fig.5 Population mean and optimal solution curves

以g為目標函數(shù)和適應(yīng)函數(shù)，以離合器摩擦轉(zhuǎn)矩公式的參數(shù)k1、k2為設(shè)計參數(shù)，利用遺傳算法進行參數(shù)的優(yōu)化.種群規(guī)模設(shè)為60，最大遺傳代數(shù)設(shè)為30，交叉概率設(shè)為0.9，變異概率設(shè)為0.05；k1、k2下限值設(shè)為2，k1、k2上限值設(shè)為6.

1) 空載工況下設(shè)置發(fā)動機油門開度在30%，初始轉(zhuǎn)速設(shè)為900 rpm，道路阻力系數(shù)設(shè)為0.028，仿真時間為3 s.綜合考慮沖擊度與滑摩功以及滑摩功在兩個離合器C1、C2上的分布，設(shè)置權(quán)重系數(shù)λ1=λ2=0.3,λ3=0.4.優(yōu)化結(jié)果為k1=4.663 0，k2= 4.218 0.種群均值和最優(yōu)解如圖5，可知，優(yōu)化求解過程中，最優(yōu)解收斂于0.41.由于產(chǎn)生了新種群，種群的差異性造成了較大波動，但不影響最優(yōu)解的獲得.

2) 同樣的方法，在負載工況下設(shè)置油門開度為50%，初始轉(zhuǎn)速設(shè)為1 100 rpm，道路阻力系數(shù)設(shè)為0.056，仿真時間設(shè)為3 s，設(shè)置權(quán)重系數(shù)λ1=λ2=0.3,λ3=0.4，對k1、k2值進行優(yōu)化.優(yōu)化結(jié)果為k1=5.431 9，k2= 4.617 3.

5 基于PID控制起步過程仿真

PID控制器的核心問題是控制參數(shù)的選擇，包括比例常數(shù)Kp、時間常數(shù)Ti、微分時間常數(shù)Td.由仿真測出τ=0.2，K1=20(離合器C1)，K2=60(離合器C2).由于該系統(tǒng)控制對象為液壓系統(tǒng)，選取PI控制器，根據(jù)Z-N規(guī)則,

Kp1=0.9T/K1τ=0.099；Kp2=0.9T/K2τ=0.033；Ti=τ/0.3=0.833；Td=0.其中:τ表示延遲時間，K1、K2表示階躍最大值.

以遺傳算法所優(yōu)化的理想摩擦轉(zhuǎn)矩和離合器實際摩擦轉(zhuǎn)矩的偏差為輸入量，通過PID控制器控制高速開關(guān)閥占空比進而控制離合器C1、C2的活塞油壓，達到控制離合器接合過程的摩擦轉(zhuǎn)矩的目的.考慮起步過程的駕駛意圖和路況信息，在Matlab/Simulink下建立仿真模型，對不同工況下進行仿真分析，比較優(yōu)化前后的起步過程.

1) 工程車輛在空載工況下起步，道路阻力系數(shù)設(shè)為0.028，發(fā)動機油門開度設(shè)為30%，初始轉(zhuǎn)速設(shè)為900 rpm；k1、k2分別為4.663、4.218；仿真時間設(shè)置3.5 s.

圖6表示空載下離合器C1主從動片轉(zhuǎn)速曲線，可以看出，優(yōu)化前起步時離合器主動端轉(zhuǎn)速約為750 rpm；從動片轉(zhuǎn)速從零開始增加，有0.6 s的遲滯；在1.7 s主、從動端轉(zhuǎn)速達到一致.優(yōu)化后起步時從動片轉(zhuǎn)速在0～0.2 s有一定遲滯；在1.2 s主、從動端轉(zhuǎn)速達到一致.

圖7表示離合器C2的主、從動片轉(zhuǎn)速曲線，可以看出，優(yōu)化前兩條曲線幾乎完全重合，轉(zhuǎn)速曲線在0～0.6 s有一定遲滯.優(yōu)化后主、從動片轉(zhuǎn)速有了一定的轉(zhuǎn)速差；滑摩持續(xù)時間比較長，在3.2 s時完成結(jié)合.

圖8～9分別表示滑摩功和整車沖擊度曲線，優(yōu)化后離合器C1滑摩功約為6 000 J，為優(yōu)化前的一半，離合器C2滑摩功約為4 100 J，較優(yōu)化前降低8 000 J；整車沖擊度最大值為9 m/s3，之后沖擊度曲線趨于平穩(wěn).

2) 工程車輛一定負載工況下起步，將道路阻力系數(shù)設(shè)為0.056；發(fā)動機油門開度設(shè)為50%，初始轉(zhuǎn)速設(shè)為1 100 rpm；k1、k2分別為5.431 9、4.617 3；仿真時間設(shè)置3.5 s.

圖10表示負載下離合器C1主從動片轉(zhuǎn)速曲線，可以看出，優(yōu)化前起步時離合器主動端轉(zhuǎn)速約為950 rpm，在2.4 s主、從動端轉(zhuǎn)速達到一致，與空載相比，起步時離合器主動端轉(zhuǎn)速有所增加，且離合器接合時間增加了約0.7 s.優(yōu)化后起步時從動片轉(zhuǎn)速有0.2 s的遲滯；在2.0 s主、從動端轉(zhuǎn)速達到一致.

圖11表示負載下離合器C2的主、從動片轉(zhuǎn)速曲線，與優(yōu)化前的圖7對比，大致相同.優(yōu)化后主、從動片轉(zhuǎn)速有了一定的轉(zhuǎn)速差；滑摩持續(xù)時間比較長，在2.9 s時完成結(jié)合.

圖12、13分別表示滑摩功和整車沖擊度曲線，可以看出，優(yōu)化后離合器C1滑摩功約為13 000 J，而離合器C2滑摩功約為9 000 J；整車沖擊度最大值為9 m/s3.

6 結(jié)論

通過對比，可以看出經(jīng)過優(yōu)化之后：

1) 起步工況下，離合器C1、C2均結(jié)合更快；離合器C1滑摩功明顯降低，同時離合器C2也產(chǎn)生一定的滑摩功；起步過程的滑摩狀況得到了明顯改善.

2) 沖擊度出現(xiàn)了較大峰值，之后沖擊度曲線趨于平穩(wěn)；總體上沖擊度有所改善.

3) 隨著負載的增加，起步過程所產(chǎn)生的滑摩功也隨之增加.

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(責任編輯：王浩毅)

A Study on Start Characteristics of an Off-road Vehicle Based on Genetic Algorithm

TIAN Jinyue, WANG Chenyang, LI Dezhi

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

The starting characteristic of a certain type of vehicles was studied. Based on the analysis and establishment of the dynamics equation of the starting process, a simulation model of starting process was established by Matlab/simulink. The starting processes were simulated on various conditions. Combined with clutch speed and throttle opening, the influence to the starting time, the vehicle jerk and slipping work was analyzed. Then by using the genetic algorithm, the friction torque curve was optimized in the clutch binding process. By PID controller to control the start process with hydraulic system of clutch, and the start quality was optimized, and the start performance was improved.

matlab/Simulink; cenetic algorithm; PID control; start characteristic

2015-10-04

田晉躍(1958—)，男，山西孝義人，教授，主要從事傳動與液壓研究，Email：tianjinyue@ujs.edu.cn.

田晉躍,王晨陽,李得志.基于遺傳算法的某工程車輛起步特性研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2016,48(2)：121-126.

U270

A

1671-6841(2016)02-0121-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2015206