重型车辆轮毂液驱系统热力学建模及控制策略研究

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重型车辆作为重要的运载工具,在我国现代化建设中扮演着不可替代的角色。这类车辆工作环境复杂,经常行驶在矿山路面、泥雪道路等恶劣路面下,容易出现车轮打滑而导致驱动力不足的情况。在传统重型车辆上加装一套轮毂液压马达辅助驱动系统(以下简称“轮毂液驱系统”),通过液压泵带动非驱动轮轮毂内的液压马达进行辅助驱动,可以使车辆短时进入四轮驱动模式,提高在低附着系数路面下的牵引性能和通过性。而对于轮毂液驱系统车辆,在辅助驱动时,如何协调机械路径和液压路径的动力输出,是保证系统性能的关键。同时,液压系统的温升问题也是影响系统性能正常发挥的重要因素,温度的变化会对控制精度产生较大的干扰,因此本文旨在考虑温度变化问题的基础上进行轮毂液驱车辆多动力系统间的协调控制研究。本文主要研究内容包括:首先,将整车动力系统分为机械传动系统和液压传动系统,分别展开建模研究。在MATLAB/Simulink软件上搭建机械传动系统模型,包括整车动力学模型、发动机模型、离合器和变速器模型以及轮胎模型。液压传动系统模型是利用AMESim软件搭建轮毂液驱系统的液压热力学模型,文章分析了油液属性,探究了泵和马达效率的影响因素及其影响规律,阐述了各液压元件的产热、散热机理,并建立系统热平衡关系。通过软件接口配置,将机械传动系统模型和液压传动系统模型整合,建立联合仿真平台。其次,按照整车不同工作模式的特点,考虑温度变化的影响,针对蠕行模式和助力模式分别制定温度补偿策略。蠕行模式根据液压闭式回路的调速特性,将轮毂液驱系统看成一个液压无级调速器,以发动机最优为目标,设计考虑温度补偿的无级调速控制策略。助力模式则基于轮速跟随思想,制定考虑温度、压力等多因素的温度补偿泵排量控制规则。另外,还针对系统可能达到的高温、高压极限状态,提出泵排量限制控制,进一步保证系统的可靠性。在联合仿真平台上对所提控制策略进行仿真验证,结果表明控制器能够达到良好的控制效果。最后,为优化助力模式的控制效果,结合温度引起的效率时变问题,设计了基于时变效率的模型预测反馈控制器。通过分析传动系统动力学关系,结合系统效率时变的特点,建立系统状态空间方程。接着基于模型预测控制理论,以轮速快速跟随和减小系统冲击为控制目标,对发动机转矩和泵排量进行控制,推导反馈控制律,完成模型预测控制器设计。通过仿真分析,验证了“温度补偿+模型预测控制”复合算法的有效性。本文开展考虑温度变化的轮毂液驱系统控制策略研究,对后续实车试验有一定指导意义,也为相似液压系统从控制角度补偿温度产生的影响提供参考思路。
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