CN100557529C - 基于模型的液力变矩器控制 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制通向液力变矩器的液压的方法。该方法包括：从目标滑动和测得滑动确定滑动误差；对所述滑动误差进行积分；确定所述测得滑动的状态空间反馈控制矩阵；确定所述积分滑动误差的状态空间反馈控制矩阵；并根据所述测得滑动的状态空间反馈控制矩阵和所述积分滑动误差的状态空间反馈控制矩阵来控制压力。

Description

基于模型的液力变矩器控制

技术领域

本发明涉及液力变矩器的控制系统和方法。

背景技术

术语“公路-实验室-数学模型”描述的是尽量降低公路试验的次数并用部件和子系统的实验室测试替代公路试验。“公路-实验室-数学模型”在计算机上模拟汽车部件的功能。模拟利用使评估更精确，对使用状态更具有代表性的数学模型。

可选择的，原型车的道路试验的费用昂贵，不仅是因为车本身的造价昂贵，还因为它还包括许多原型子系统。如果一个子系统失效，其它子系统也无法进行测试。通过在实验室对这些子系统和部件进行测试，可用的硬件间的相互依赖将消除。例如，在没有原型发动机连接到变速箱的情况下，仍然可以对变速箱进行测试，所以发动机的故障将不会对变速箱的测试进程有影响。或者，在发动机没有设计原型或完全设计出来的情况下，可以检测原型变速箱和该发动机的兼容性。一旦原型机在实验室中检验通过，就可以安装在汽车上。

发明内容

因此，本发明提供一种控制通向液力变矩器的液压的方法。该方法包括：从目标滑动和所测得滑动确定滑动误差；对上述滑动误差进行积分；对所述测得滑动确定状态空间反馈控制矩阵；对所述积分滑动误差确定状态空间反馈控制矩阵；并且根据所述测得滑动的状态空间反馈控制矩阵和所述积分滑动误差的状态空间反馈控制矩阵控制压力。

在其它特征中，还提供一种液力变矩器控制模拟系统。该系统包括控制器模型，其中控制模型包括：液压控制模块，该模块对滑动误差积分，并基于包括所述积分滑动误差和接收到的各种信号的状态空间反馈控制确定施加压力和释放压力，其中所接收到的各种信号包括发动机转矩信号，发动机转速信号，涡轮转速信号，目标滑动信号和所测得滑动信号；和基于所述施加压力和释放压力确定压力信号的液压控制模块。该系统还包括设备模型，该设备模型包括：基于电磁线圈和阀的状态空间表示来模拟电磁线圈和阀的液压流的液压模块；和基于液力变矩器中的转矩关系模拟液力变矩器的机械功能的机械模块。

从下面的详细描述中还可以很容易地看出本发明其它应用。应该知道详细的描述和具体实施例，是为了说明本发明的优选实施例，仅仅用于举例说明，而不是用来限制本发明的范围。

附图说明

通过下面的详细描述和随后的附图可以更好地理解本发明，其中：

图1表示的是包括液力变矩器系统的车辆的功能方块图；

图2表示的是液力变矩控制系统的方块图；

图3A表示的是液力变矩器控制系统的机械系统图；

图3B表示的是液力变矩器控制系统的机械系统中的转矩关系图；

图4表示的是液力变矩器控制系统的液压系统示意图；

图5表示的是液压系统的键合图；

图6是表示液压系统状态空间的图；和

图7表示的是变矩器控制模块在Matlab中的一个示例模型。

具体实施方式

以下关于优选实施方式的描述实际上仅仅是示例性的，决不是用来对本发明，及其应用或使用进行限制。为了清楚起见，在附图中相同的部件用相同的附图标记来表示。正如这里所使用的，术语模块指采用专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用，专用或组)和存储器、组合逻辑电路和/或其他具有上述功能的合适的部件。

参见附图1，在确定车辆特定部件的数学模型之前，需要理解上述部件在车辆中的功能和其与其他部件的相互作用。图1表示的是带有传统液力变矩器系统的车辆10。发动机12燃烧油气混合物以产生驱动转矩。空气通过节气门16抽吸进入进气歧管14。节气门16控制进入进气歧管14的质量空气流量。进气歧管14中的空气被分配到汽缸18中。虽然实施例中给出的是六个汽缸18，可以知道发动机可以具有多个汽缸，包括但不限于2，3，5，6，8，10，12和16缸。

发动机12产生的转矩通过通常表示为22的液力变矩器(TC)系统供应给变速器20。TC系统22包括液力变矩器24，液压泵26，电磁线圈28和阀30。发动机12驱动液压泵26以通过电磁线圈28和阀30有选择地向液力变矩器24提供加压液体。由控制器32向控制阀30的电磁线圈28发出工作循环，以改变向液力转矩器24提供的加压液体。液力变矩器24的滑动率基于对加压液体的控制而变化。

控制器32根据从液力变矩器24，发动机12，变速器20和/或控制器32中的其他控制模块得到的输入来确定工作循环。该输入包括：从发动机转速传感器34得到或从发动机转速控制模块确定的发动机转速信号，从涡轮转速传感器36得到或从涡轮转速控制模块确定的涡轮转速信号，由发动机转矩控制模块确定的发动机转矩信号，和由滑动模块确定的滑动信号。

为了对液力转矩器控制系统数学建模，设计了控制器模型和设备模型。该控制器模型模拟液力变矩器的控制方法。该设备模型模拟机械工作时的液力变矩器。在示例性的实施例中，该液力变矩器系统可以分解为两个子系统，液压系统和机械系统。该液压系统包括电磁线圈28和阀30。机械系统包括液力变矩器24。设备模型40和控制器模型42可以针对每一个子系统定义。在图2中，控制器模型42包括变矩器控制模块44和液压控制模块46。设备模型40包括液压模块48和机械模块50。

现在参见图3A和3B，图3A详细示出了机械系统的物理特征。液力变矩器24由涡轮52、导轮54和泵56三个元件组成。泵(P)56是输入(驱动)装置。泵56从发动机得到动力。涡轮(T)52是输出(从动)装置。涡轮52与变速器20相连(图1)。导轮(ST)54组件是反作用元件或者是转矩放大器。导轮(ST)54由单向离合器(C)58支撑，该离合器也可以称为液力变矩器离合器(TCC)，该离合器可以用作为超越离合器，并且允许导轮54在一个方向自由旋转同时在相反方向锁定。发动机惯量(I_m)60传递给液力变矩器24。液力变矩器惯量(I_conv)62传递给变速器20(图1)。发动机12(图1)的转速用E_s表示。涡轮52的转速用T_s表示。

图3B表示液力变矩器24各元件间的转矩关系。根据转矩关系，机械系统可以由下列两个等式数学建模：

$I_m\·\frac{{\mathrm{dE}}_s}{\mathrm{dt}}=C_m-C_p-C_t---\left(1\right)$

和 $I_{\mathrm{conv}}\·\frac{{\mathrm{dT}}_s}{\mathrm{dt}}=C_t+C_T---\left(2\right)$

其中C_m表示发动机转矩，C_e表示输入转矩，C_t表示由TCC输送到轮子上的转矩，C_p表示泵的转矩和C_T表示涡轮转矩。机械模块50(图2)可以利用等式1和2对液力变矩器机械系统进行建模。

现参考图4，详细示出了液压系统的液流。机械系统通过TCC由液压系统进行控制。通过常规的施加信号(Reg_Apply)64和TCC电磁线圈信号(TCC_VBS)66来控制施加压力和释放压力(P_apply和P_release)。P_apply68和P_release70通过液力耦合驱动TCC并产生一定量的滑动。根据图5所示的液压系统的键合图和图6所示的状态空间表示，表示液压系统的输入/输出等式为：

$\stackrel{\·}{x}=A\·x+B\·u$

(3)

y＝C·x

其中x表示系统状态向量，u表示输入向量和y表示输出向量。液压模块48(图2)采用等式3对液压系统进行建模。

回过来参考图2，控制方法由变矩器控制模块44和液压控制模块46提供以调节滑动，此滑动等于发动机的转速减去涡轮的转速：

滑动＝E_s-T_s.      (4)

通过调节滑动可以将发动机的转矩更有效地传递给变速器20(图1)。变矩器控制模块44接收涡轮转速信号72、发动机转速信号74、发动机转矩信号76、目标滑动信号78和所测得滑动信号80作为输入。根据输入72-80，变矩器控制模块44计算压力P_apply82和P_release84以尽量消除所测得滑动和目标滑动之间的误差。液压控制模块46根据P_apply82和P_release84的压差确定合适的TCC压力信号86。

更确切地说，液压控制模块46计算来自液压过滤器的指令TCC压力P_TCC86。在试图保证要求的压力和输出压力之间的零静态误差(dP＝P_apply-P_release)的同时，液压过滤器考虑到了液压系统的状态空间表示(图6)和液压系统的响应时间比较快的事实。预过滤器利用输入dP和管路压力P_LINE在假定 $\stackrel{\·}{x}=0$ 的情况下通过求解等式(3)计算P_TCC86。该数学模型如下所示：

$P_{\mathrm{TCC}}=\frac{\frac{x_1}{C_1}+F_0+A_1*P_{\mathrm{reg}}}{\mathrm{Areg}*\mathrm{coef}{\mathrm{fP}}_{\mathrm{LINE}}\mathrm{correction}}---\left(5\right)$

其中x₁表示阀的位置，C₁表示阀的容量，F₀表示阀的额定反馈力，A_reg表示输入侧上的阀面积，A₁表示输出侧上的阀面积，P_reg表示从阀输出的调整压力，coeffP_linecorrection是用来补偿指令管路压力和实际管路压力之差的管路系数因子。

变矩器控制模块44根据液力变矩器的第一机械等式(等式1)控制滑动。用下面的等式取代泵的转矩C_p：

$C_p=A*E_s^2+B*E_s*T_s+C*T_s^2---\left(6\right)$

利用下面的等式取代传递的转矩C_t：

C_t＝dP*nAr*μ(E_s，T_s)      (7)

则第一机械等式变成：

$I_m*\frac{{\mathrm{dE}}_S}{\mathrm{dt}}=C_m+A*E_S^2+B*E_S*T_S+C*T_S^2-\mathrm{\μ}(E_S,T_S)*\mathrm{nAr}*\mathrm{dP}.---\left(8\right)$

假定机械系统是非线性的，为了得到线性系统在泵转矩等式的基础上进行两个变量的替代。用E_s1和E_s2表示泵转矩等式(6)的解，在z＝E_s-E_s1和u＝1/z的条件下，数学模型变形为：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=-\frac{A}{I_m}-\frac{A}{I_m}*(E_{s1}-E_{s2})*u+\frac{[\mathrm{\μ}(E_s,T_s)*\mathrm{nAr}*\mathrm{dP}-C_m]}{I_m}*u^2---\left(9\right)$

为了建立一个有效的液力变矩器的控制方法以很好地抵抗发动机转矩的波动，摩擦系数和/或纯滞后、包括积分作用的状态矢量空间反馈控制可被实现。图7是表示液力变矩器控制方法的Matlab模型。滑动误差由预先确定的目标滑动U_Target78和由设备模型50输出的所测得滑动U_Slip80计算得到。利用积分器90对滑动误差(U_Targer-U_Slip)进行积分。然后TCC压力由状态空间反馈矩阵确定，其中R_cons92表示对输入命令的修正，Ru94表示对压力指令的修正。

对于用于产生液力转矩器控制方法的数学模型将在下面讨论。利用下面的等式将液力变矩器的状态空间表示矩阵从连续的时间转换到采样时间：

$\mathrm{\Φ}=e^{M*T_s}---\left(11\right)$

和

$\mathrm{\Γ}={\∫}_0^{T_s}{e}^{M*t}\mathrm{dt}*B---\left(12\right)$

在采样时间下的矩阵可以定义为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{e^{M*T_s}-1}{M}---\left(13\right)$

这里T_s表示采样时间而不是涡轮转速。

指令压力通过状态空间反馈矩阵和积分作用确定，指令压力P_TCC为：

P_TCC＝Deptorq+retat_action+int etat_action    (14)

Deptorq定义为修正发动机转矩变化的压力。Retat_action定义为如92所示的修正指令压力中的误差以达到输入目标的压力。Intetat_action定义为如94所示的确保在稳定状态下零误差的压力。

下面的数学模型表示修正发动机转矩变化的压力Deptorq：

$\mathrm{Deptorq}=\frac{C_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}---\left(15\right)$

其中，C_m表示发动机转矩，nAr是包括n个表面积为A、半径为r的离合器的系数，μ表示摩擦系数。

下面的数学模型表示修正指令压力中误差的压力ret_action：

$\mathrm{retat}\_\mathrm{action}=\frac{I_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}*r_u*(E_s-E_{s1})---\left(16\right)$

其中I_m是发动机的惯量，nAr是包括n个表面积为A、半径为r的离合器的系数，μ表示摩擦系数，Ru表示对由状态空间反馈控制给出的压力指令的修正，E_s表示发动机的转速，E_s1表示泵转矩等式(等式6)的第一解。

下面的数学模型表示确保在稳定状态条件下零误差的压力：

$\mathrm{int\; etat}\_\mathrm{action}=\frac{I_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}*r_{\mathrm{cons}}*\mathrm{error}\_u*{(E_s-E_{s1})}^2---\left(17\right)$

其中I_m是发动机的惯量，nAr是包括n个表面积为A、半径为r的离合器的系数，μ表示摩擦系数，R_cons表示对输入命令的修正，Error_u表示要求的滑动和指令滑动间的差值，E_s表示发动机的转速，E_s1表示泵转矩等式(等式6)的第一解。

本领域的技术人员可以根据前面的描述对本发明的教导作出多种修改。因此，虽然本发明是结合具体的实施例进行描述的，但是本发明的真正范围并不限于此，本领域的技术人员显然可以根据本发明的附图，说明书和随后的权利要求作出各种变形。

Claims (25)

1、一种控制通向液力变矩器的液压的方法，包括：

从目标滑动和测得滑动确定滑动误差；

对所述滑动误差进行积分；

确定用于所述测得滑动的状态空间反馈控制矩阵；

确定用于所述积分滑动误差的状态空间反馈控制矩阵；和

根据用于所述测得滑动的所述状态空间反馈控制矩阵和用于所述积分滑动误差的所述状态空间反馈控制矩阵来控制压力。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述控制压力还包括：

确定用于修正发动机转矩变化的发动机转矩修正压力；

确定指令压力的修正压力，此指令压力的修正压力基于用于所述测得滑动的所述状态空间反馈控制矩阵来修正指令压力的误差；和

基于用于所述积分滑动误差的所述状态空间反馈控制矩阵来确定稳定状态的修正压力。

3、如权利要求2所述的方法，还包括：

对所述发动机转矩修正压力、所述指令压力修正压力及所述稳定状态的修正压力求和；和

根据所述和来控制压力。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述发动机转矩修正压力(Deptorq)基于发动机转矩(C_m)、基于n个表面积为A半径为r的离合器的系数(nAr)和摩擦系数(μ)确定。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于所述发动机转矩修正压力(Deptorq)基于下面的等式：

$\mathrm{Deptorq}=\frac{C_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}.$

6、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述指令压力修正压力根据下列数据确定：发动机的惯量(I_m)、基于n个表面积为A半径为r的离合器的系数(nAr)、摩擦系数(μ)、根据用于所述测得滑动的所述空间状态反馈控制矩阵的修正值(ru)、发动机的转速(E_s)、及泵转矩的第一解(E_s1)。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述指令压力修正压力由下式确定：

$\mathrm{retat}\_\mathrm{action}=\frac{I_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}*r_u*(E_s-E_{s1}).$

8、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述稳定状态的修正压力根据下列数据确定：发动机的惯量(I_m)、基于n个表面积为A半径为r的离合器的系数(nAr)、摩擦系数(μ)、基于用于所述积分滑动误差的所述空间状态反馈控制矩阵的修正值(r_cons)、要求滑动和指令滑动间的差值(error_u)、发动机的转速(E_s)及泵转矩的第一解(E_s1)。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于所述稳定状态的修正压力由下式确定：

$\mathrm{int\; etat}\_\mathrm{action}=\frac{I_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}*r_{\mathrm{cons}}*\mathrm{error}\_u*{(E_s-E_{s1})}^2.$

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括对上述控制压力使用液压过滤器以确定液力变矩器的压力信号。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于液压过滤器基于下列数据：控制压力的阀的位置(x₁)、该阀的容量(C₁)、该阀的额定反馈力(F₀)，输入侧上该阀的面积(A_reg)、输出侧上该阀的面积(A₁)、从该阀输出的压力(P_reg)，及用来补偿指令压力和实际管路压力之差的管路系数因子(coeffP_linecorrection)。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于液压过滤器基于下式：

$P_{\mathrm{TCC}}=\frac{\frac{x_1}{C_1}+F_0+A_1*P_{\mathrm{reg}}}{\mathrm{Areg}*{\mathrm{coeffP}}_{\mathrm{LINE}}\mathrm{correction}}.$

13、一种液力变矩器控制模拟系统，包括：

控制器模型，控制器模型包括：

变矩器控制模块，其对滑动误差积分和基于包括所述积分滑动误差和接收到的各种信号的状态空间反馈控制确定施加压力值和释放压力值，其中接收到的各种信号包括发动机转矩信号、发动机转速信号、涡轮转速信号、目标滑动信号和测得滑动信号；和

液压控制模块，其基于所述施加压力和所述释放压力确定压力信号；和

设备模型，包括：

液压模块，其基于电磁线圈和阀的状态空间表示来模拟电磁线圈和阀的液压流；和

机械模块，其基于液力变矩器中的转矩关系来模拟液力变矩器的机械功能。

14、如权利要求13所述的系统，其特征在于基于计算所述发动机转矩修正压力、指令压力修正压力、和稳定状态修正压力的和，所述变矩器控制模块确定所述施加压力和所述释放压力。

15、如权利要求14所述的系统，其特征在于所述发动机转矩修正压力(Deptorq)基于发动机转矩(C_m)、基于n个表面积为A半径为r的离合器的系数(nAr)和摩擦系数(μ)确定。

16、如权利要求15所述的系统，其特征在于所述发动机转矩修正压力(Deptorq)基于下面的等式确定：

$\mathrm{Deptorq}=\frac{C_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}.$

17、如权利要求14所述的系统，其特征在于所述指令压力修正压力(retat_action)根据下列数据确定：发动机的惯量(I_m)，、基于n个表面积为A半径为r的离合器的系数(nAr)、摩擦系数(μ)、基于空间状态反馈控制矩阵的修正值(Ru)、发动机的转速(E_s)、泵转矩的第一解(E_s1)。

18、如权利要求17所述的系统，其特征在于所述指令压力修正压力(retat_action)基于下式确定：

$\mathrm{retat}\_\mathrm{action}=\frac{I_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}*r_u*(E_s-E_{s1}).$

19、如权利要求14所述的系统，其特征在于所述稳定状态修正压力(inetat_action)根据下列数据确定：发动机的惯量(I_m)、基于n个表面积为A半径为r的离合器的系数(nAr)、摩擦系数(μ)、基于空间状态反馈控制矩阵给出的修正值(r_cons)、要求滑动和测得滑动间的差值(error_u)、发动机的转速(E_s)、和泵转矩的第一解(E_s1)。

20、如权利要求19所述的系统，其特征在于所述稳定状态修正压力(inetat_action)基于下式确定：

$\mathrm{int\; etat}\_\mathrm{action}=\frac{I_m}{\mathrm{nAr}*\mathrm{\μ}}*r_{\mathrm{cons}}*\mathrm{error}\_u*{(E_s-E_{s1})}^2.$

21、如权利要求13所述的系统，其特征在于所述液压控制模块根据下列数据确定所述压力信号P_TCC：提供所述压力的阀的位置(x₁)、该阀的容量(C₁)、该阀的额定反馈力(F₀)、输入侧上的阀面积(A_reg)、输出侧上的阀面积(A₁)、从该阀输出的压力(P_reg)、用来补偿指令压力和实际管路压力之差的系数因子(coeffP_linecorrection)。

22、如权利要求21所述的系统，其特征在于所述液压控制模块根据下式确定所述压力信号P_TCC：

$P_{\mathrm{TCC}}=\frac{\frac{x_1}{C_1}+F_0+A_1*P_{\mathrm{reg}}}{\mathrm{Areg}*{\mathrm{coeffP}}_{\mathrm{LINE}}\mathrm{correction}}.$

23、如权利要求13所述的系统，其特征在于所述液压模块利用键合图的状态空间表示模拟液压流，其中x表示系统状态向量，u表示输入向量和y表示输出向量，系数为A和B，及：

$\stackrel{\·}{x}=A\·x+B\·u$

y＝C·x

24、如权利要求13所述的系统，其特征在于机械模块基于发动机的惯量(I_m)、发动机转速的变化

发动机转矩(C_m)、泵的转矩(C_p)、传递的转矩(C_t)和液力变矩器等式 $I_m\·\frac{d{E}_s}{\mathrm{dt}}=C_m-C_p-C_t$ 来模拟机械功能。

25、如权利要求13所述的系统，其特征在于机械模块基于液力变矩器的惯量(I_cony)、涡轮转速的变化

涡轮转矩(C_T)、传递的转矩(C_t)和液力变矩器等式 $I_{\mathrm{conv}}\·\frac{{\mathrm{dT}}_s}{\mathrm{dt}}=C_t+C_T$ 来模拟机械功能。

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