基于dSPACE的叉車自動變速器控制系統性能仿真和實驗研究

張炳力 胡福建 董彥文 丁美玲

摘要：對叉車發動機與液力變矩器的參數進行匹配，確定動力性換擋曲線，采用區間信息值作為換擋邏輯輸入量，建立基于車速和油門開度的動力性換擋規律；依據電磁閥工作特性及換擋執行元件工作邏輯，建立電磁閥模型；通過基于dSPACE的叉車自動變速器控制系統實時仿真實驗，驗證所建立的叉車自動變速器控制模型的正確性，為叉車自動變速器控制器的開發提供了參考。

關鍵詞：叉車自動變速器；控制系統；換擋規律；快速原型

中圖分類號：U469.79 文獻標志碼：A 文章編號：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

叉車的使用環境和目的與普通汽車不同，其工作環境復雜、惡劣，而且車輛負載變化范圍很大，需要駕駛員頻繁操作換擋以滿足整車動力性能的要求，不僅勞動強度大，而且難以保證行駛經濟性［1］。叉車上采用自動變速技術具有以下優點［2］：①減輕駕駛員的勞動強度，提高安全性；②改善車輛的燃油經濟性；③降低了傳動系的動載荷，延長了零部件的使用壽命；④可以使發動機工作在良好的工作狀態，從而改善車輛的排放性能，有利于保護環境。

目前國內使用的多數是手動擋叉車，只有少量進口的自動擋叉車，并且其自動變速器控制規律多數采用的是基于車速或發動機轉速的單參數控制，這種控制模式無論油門開度處于何種位置，換擋點總是保持不變。但是考慮到叉車的實際使用工況，主要是保持車輛的動力性，對于不同的油門開度，車輛的最佳動力性換擋點也應不同，所以如果直接使用單參數控制規律來控制，往往無法解決叉車對動力性的要求。

本文主要針對合力5~10 t叉車，叉車性能參數如表1所示，采用車速和油門開度兩參數控制，建立動力性換擋規律。利用dSPACE的V型開發模式對叉車自動變速器控制系統進行圖形化建模和仿真，并且完成叉車自動變速器控制系統快速原型實驗。

1 換擋規律的建立

液力變矩器對發動機輸入特性和叉車主要輸出特性有很大影響。叉車的動力性在很大程度上取決于發動機與液力變矩器的共同工作是否良好，一臺性能良好的發動機與一臺性能良好的液力變矩器如果匹配不當，并不能使叉車獲得良好性能。因此，要想提高液力傳動叉車的動力性能，除了提高液力變矩器本身的性能外，還要實現最佳匹配。為此，必須研究發動機與液力變矩器的輸入特性、共同工作范圍及輸出特性。

最理想的匹配是發動機與液力變矩器共同工作時，充分利用發動機工作區段，以滿足叉車的需要，必須滿足以下三點要求：

（1）在液力變矩器的整個工作范圍（或高效范圍）內，應能充分利用發動機的最大有效功率。這樣可以獲得較大的輸出功率，以提高車輛的平均行駛速度。因而希望液力變矩器高效區范圍處于發動機最大功率點附近。

（2）為使叉車具有良好的經濟性，希望發動機與液力變矩器共同工作范圍處于發動機低燃油消耗率區段。

（3）為使車輛具有良好的起步性能，希望低速比工況下的泵輪負荷拋物線位于發動機最大轉矩點附近。

1.1 發動機與液力變矩器聯合輸入

發動機與液力變矩器合理匹配就是在一定油門開度下，發動機處在最大平均功率與液力變矩器最大效率工況下共同工作，此時的工作點為最佳工作點。而共同工作的輸入特性就是在不同油門開度和不同轉速情況下發動機的輸出特性與不同速比下泵輪扭矩特性的組合，兩種特性的交點即為共同工作點。其共同工作的必要條件是：

Me=Mb，Ne=Nb（1）

根據提供的發動機實驗數據和液力變矩器的原始特性數據，利用Matlab的M文件將聯合輸入相關公式［3］編寫成程序，并且利用多項式擬合命令polyfit，對液力變矩器的輸入特性和發動機扭矩特性進行5次多項式擬合，交點為對應工況穩定工作點，即可得到發動機和液力變矩器共同工作特性，擬合結果如圖1所示。

1.2 發動機與液力變矩器聯合輸出

共同工作的輸出特性是發動機與液力變矩器共同工作時，渦輪輸出扭矩、輸出功率和發動機轉速等與渦輪轉速之間的關系［2，3］。共同工作的輸出特性是進行叉車牽引計算的基礎，因此，為使叉車獲得良好的動力性與經濟性，共同工作的輸出特性必須滿足在共同工作輸出特性高效區工作范圍或整個工作范圍內，應保證獲得最高平均輸出功率。

根據共同工作時的輸入特性即可按照公式［3］推導出發動機和液力變矩器共同工作的輸出特性，如圖2所示以渦輪轉速為橫坐標，渦輪轉矩為縱坐標建立的聯合工作輸出特性圖。

1.3 最佳動力性換擋規律

最佳動力性換擋規律是根據發動機與液力變矩器聯合工作輸出特性，將渦輪轉速和渦輪轉矩按照車輛不同擋位的傳動比轉換成車速和驅動力的曲線（見圖3），并且計算各擋位驅動力的交點，以此交點作為動力性換擋點，最終將各換擋點連接起來作為換擋曲線［4］，其中左側兩條換擋曲線為倒擋時的換擋曲線，右側兩條換擋曲線為前進時的換擋曲線，如圖4所示。

2 建立自動變速器控制模型

本文利用Matlab/Simulink對叉車自動變速器控制系統進行建模［4］，建立的模型如圖5所示，包括數據采集模型和控制策略模型，其中N為空擋，F1為前進一擋，F2為前進二擋，R1為倒一擋，R2為倒二擋。

2.1 數據采集模型

本文采取的是基于兩參數的換擋控制規律，主要控制參數為車速、油門開度，利用車速和油門開度建立動力換擋曲線。在快速原型階段利用dSPACE自帶的接口與車輛上的傳感器連接，采集相應的數據，主要采集車速、油門開度、前進和后退的撥桿信號，采集模型如圖6所示。

2.2 控制策略模型

自動變速器自動換擋過程是從傳感器采集當前車輛運行狀態信息，通過TCU進行運算和判斷，若符合換擋條件，則TCU向執行機構發出執行換擋信號，執行機構進行相應的動作實現自動換擋。

本文制定的控制策略模型是模擬實際叉車的動作狀態建立的，實際使用中駕駛員通過操作撥桿給TCU信號，由TCU檢測撥桿信號并識別車輛目前的運轉狀態（前進擋、空擋、倒擋），并且根據車輛的狀態參數（車速、油門等）判斷目前車輛的擋位，然后觸發相應的電磁閥動作，從而實現對車輛的操控。根據這一思想，本文制定的控制策略模型利用撥桿的信號判斷車輛是處于前進擋、空擋還是倒擋狀態，從而觸發相應的前進擋、空擋和倒擋控制模塊，并按照各模塊中制定的換擋規律進行換擋，輸出合理的擋位，控制策略模型如圖7所示。

2.2.1 換擋邏輯輸入參數

本文依據車速和油門開度建立的兩參數換擋模型，模型的自動換擋功能是通過換擋邏輯模型來實現的，并且利用車速和油門兩參數將輸入的車輛運行狀態信息劃分為兩個區域，作為自動變速器換擋模型中換擋邏輯模塊的輸入量。在此針對前進控制模型加以說明，如圖8所示。

2.2.2 換擋邏輯模型

以駕駛員的實際操作行為為依據，建立換擋邏輯模塊如圖9所示，通過將實際車輛的運行狀態與換擋規律中預設的換擋時刻的車輛狀態相比較，從而決定應該升擋、降擋還是保持當前擋位。

換擋邏輯模塊采用Stateflow［5］建立。模塊采用兩個并行的狀態圖：擋位轉移狀態圖（shift）和擋位控制狀態圖（shift_control）。在shift狀態圖中，有兩個擋位狀態，定義了upshift和downshift兩個狀態轉移事件作為擋位變換的條件。shift_control狀態圖包含有三個狀態：擋位保持（steady），升擋（upshifting）和降擋（downshifting）。當shift_control被激活后，無條件轉移激活steady，然后通過判斷狀態轉移條件是否滿足，如果滿足則激活upshifting或者downshifting狀態；如果不滿足條件，則維持steady狀態。

2.3 自動變速器控制模型離線仿真

進行自動變速器控制模型離線仿真是實現控制快速原型的基礎。自動變速器控制模型離線仿真采用的輸入信號是根據實際車輛運行狀況采集的數據，主要輸入量為車速、油門開度和撥桿信號。其中撥桿信號直接輸入常值，如前進擋為1，后退擋為0；實驗輸入的油門開度、車速以及換擋結果如圖10所示。

從0~20 s模擬叉車執行裝載、倒車等動作，隨著油門開度變化，車速不斷變化，對應擋位也發生變化，在6 s左右擋位升為2擋，但由于車速變化迅速，很快降為1擋；從20 s到36 s模擬的是車輛平路加速行駛后滑行直到停車，在此階段，隨著油門開度的增加，車速迅速上升，在23 s擋位升為2擋，之后油門將為0，叉車處于滑行狀態，車速不斷減小，在38 s左右擋位降為1擋；從36 s到44 s車輛處于舉升階段，雖然油門開度不斷增加，但是車速很小，所以擋位維持1擋不變，這與實際操作是相符的。

綜合實驗結果分析得出，所建立的基于油門開度和車速的兩參數控制規律基本實現自動換擋的功能，但是模型的實際控制效果還有待在快速原型實驗中來驗證。

3 自動變速器控制系統快速原型

3.1 電磁閥動作邏輯

本實驗的執行原件動作是由電磁閥來控制的，實驗車輛具有空擋、兩個前進擋和兩個后退擋，通過三個開關閥和一個節流閥控制。不同擋位時各電磁閥動作狀態如表2所示。其中需要注意的是在空擋狀態所有的電磁閥均不工作；擋位開關閥上電為2擋，不上電為1擋；節流閥為常開閥，在1擋和2擋之間進行切換時，先延遲，后上電延遲，再斷電，目的是為了降低換擋瞬間的油壓波動，降低換擋沖擊。

3.2 電磁閥模型

將建立的自動變速器控制模型編譯到dSPACE中，模擬TCU控制自動變速器的運行，圖11給出了對應的電磁閥模型和實現dSPACE與電磁閥驅動芯片之間連接的RTI接口。

3.3 快速原型實驗

自動變速器控制規律快速原型實驗是進行硬件在環實驗的基礎，在快速原型實驗中，dSPACE用來模擬車輛的TCU控制單元，在這個階段主要是處理兩個問題，一是對建立的自動變速器進行在線驗證，另一方面對換擋曲線進行調整，使換擋時刻符合車輛的實際運行工況和駕駛員的操作習慣。

3.3.1 快速原型實驗流程

快速原型實驗流程如圖12所示，首先利用PC機將自動換擋控制模型（含電磁閥模型）編譯下載到dSPACE中，并且將電磁閥驅動程序下載到電磁閥驅動電路中；dSPACE根據從實車上采集到的傳感器信號執行控制策略，并將電磁閥控制信號輸入到電磁閥驅動電路，根據預先存儲于驅動電路中的電磁閥驅動程序對由dSPACE傳來的控制信號進行處理，最終向實車上的電磁閥輸入電磁閥動作信號，電磁閥接收到控制信號后，作出相應的動作，實現自動換擋。這樣就形成了快速原型控制［6-8］，實物如圖13所示。

3.3.2 快速原型實驗仿真結果分析

快速原型實驗主要分為兩部分：一是叉車正常（平路）行駛實驗；二是叉車在特殊工況行駛實驗，如急加速急減速工況。快速原型實驗過程中，利用ControlDesk綜合實驗和測試平臺對仿真實驗進行數據管理和監控。采集的數據主要有油門、車速和擋位。

3.3.2.1 正常行駛實驗

本實驗主要目的是為了驗證車輛在正常行駛過程中能否嚴格按照換擋規律進行換擋，實驗曲線圖如圖14所示。

從0 s到10 s叉車啟動為空擋N，10 s開始叉車掛前進擋，叉車以前進一擋F1向前行駛，車速不斷升高，在30 s左右車速達到與此刻油門開度相對應的換擋點，擋位升為前進二擋F2，在40 s油門開度降低，但是車速始終高于與油門開度對應的換擋車速，所以叉車始終保持以F2向前行駛。

可以證明叉車在正常行駛時自動變速器嚴格按照換擋規律中的換擋點進行換擋，基本實現自動換擋功能。

3.3.2.2 特殊工況實驗

特殊工況實驗主要是驗證處于急加速急減速工況中的叉車能否按照換擋規律正確換擋，實驗曲線圖如圖15所示。

從0 s到7 s叉車啟動為空擋N，7 s叉車掛倒擋，迅速加大油門開度，7 s到17 s叉車以倒一擋R1行駛，在17 s車速達到與此刻油門開度相對應的換擋點，擋位升為倒二擋R2，之后在很短的時間里，叉車由于車速降到對應的降擋點以下，擋位由R2換為R1，并且迅速帶制動停車并掛前進擋，急加速讓車速迅速提高，在34 s左右擋位由F1換為F2，并且保持不變，53 s左右車速迅速降低到降擋點之下，擋位換為F1，之后油門開度急速增大，車速隨之升高，擋位換為F2。

根據上述分析叉車在特殊工況中可以按照制定的換擋策略動作，所以上述制定的換擋策略對叉車特殊行駛工況也是適用的。

4 結論

本文對叉車的發動機與液力變矩器的性能進行匹配，建立基于車速和油門的自動變速器最佳動力性控制模型，并基于dSPACE對控制模型進行快速原型實驗，實驗結果表明：所建立的控制系統模型正確，能夠實現自動換擋，效果良好，為開發叉車自動變速器控制器提供了參考。

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