基于狀態圖的裝載機自動變速控制

朱玉田,李 凱,劉 釗

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

裝載機的工況和一般行駛車輛的工況差異較大,以作業為主的裝載機與以行駛為主的汽車有著本質的不同,汽車的自動變速技術無法滿足裝載機的動力性和經濟性要求[1].歐美、日本等發達國家于20世紀80年代率先在工程車輛上使用自動變速技術,已取得良好效果.我國自動變速技術在工程車輛上的應用起步較晚,與發達國家相比有很大的差距.目前國內的裝載機仍然普遍采用手動控制變速,自動變速控制技術應用較少.

1 裝載機主要作業工況

裝載機作為土方石自行式裝卸機械,需滿足行駛與裝卸兩大基本需求.裝載機開始裝卸作業前、結束裝卸作業后或作為運輸車輛時,通常離目的地較遠,需經歷一段長距離行駛過程.進行裝卸作業時,裝載機的作業模式具有重復性,裝載機不斷地循環執行既定的作業步驟,料堆與自卸汽車的距離根據作業場合不同有遠有近.此外,裝載機還存在推土作業、通過惡劣路況等工況.

據此,可將裝載機常見的作業工況分為4類:長距離行駛工況、短距離循環作業工況、長距離循環作業工況和重載工況.

1.1 長距離行駛工況

裝載機作為運輸車輛使用或長距離空載行駛時,處于長距離行駛工況,此時裝載機不進行鏟裝作業,類似普通行駛車輛.長距離行駛工況要求有較多的擋位選擇,以適應不同的行駛路況.

1.2 短距離循環作業工況

大多數情況下裝載機短距離循環作業可分為駛向料堆、鏟裝物料、駛離料堆、駛向自卸汽車并卸載物料、駛離自卸汽車5步.

在短距離循環作業工況下,裝載機以前進2擋駛向料堆,在接近料堆、開始鏟裝物料前,裝載機換入前進1擋,以1擋傳動系統輸出的大牽引力完成鏟裝物料的工作;完成鏟裝后,裝載機換入后退2擋,駛離料堆;接近換向點時,裝載機減速并換入前進2擋,駛向自卸汽車,接近自卸汽車時,裝載機制動停車,進行卸料;卸料后裝載機換入倒退2擋,駛離自卸汽車,回到初始位置,進入下一個作業循環.

1.3 長距離循環作業工況

長距離循環作業工況與短距離循環作業工況類似,區別在于料堆與自卸汽車距離較遠,駕駛員希望在運輸物料與返回的途中換入高擋,提高車速以提高循環作業效率.

1.4 重載工況

當裝載機處于重載工況時,駕駛員需要車輛處于低速、大牽引力的狀態.例如裝載機在進行推土作業或通過極其惡劣的路況時,需要持續處于低擋位,否則可能因為動力不足造成車輛停滯不前、發動機熄火等現象發生,影響作業效率.

2 基于工況模式的自動變速控制策略

2.1 裝載機工況模式的設定

針對裝載機4類不同的工況,定義4種工況模式:長距離行駛模式、長距離循環作業模式、短距離循環作業模式、重載強制1擋模式.裝載機運行時根據所處工況進入相應的工況模式.選擇工況模式的常見方法有兩種:裝載機自動識別和駕駛員手動設定.在此只討論駕駛員通過操作手柄手動設定工況模式的方法.

裝載機自動變速硬件系統主要部件由操作手柄、電子控制單元和電液變速操縱閥組成.其中:電液變速操縱閥是換擋的液壓執行部件,控制換擋離合器的充放油與結合油壓;電子控制單元具有通信功能,可整車聯合控制,具有速度輸入和模擬輸入通道,可實現車速、油門開度兩參數換擋規律控制等.

操作手柄集成方向選擇器、工況模式選擇器和KD按鈕,可實現行車方向選擇、工況模式選擇和強制降1擋KD功能.垂直手柄中軸推拉可切換前進擋、空擋和倒退擋,旋轉手柄末端可切換4種變速模式,沿手柄中軸按下為強制降1擋KD功能,如圖1所示.

圖1 操作手柄Fig.1 Operation handle

2.2 不同工況模式的控制策略

在長距離行駛模式下,裝載機不進行鏟裝工作,把擋位范圍限制為2～4擋,能夠滿足裝載機在長距離行駛工況下對擋位的需求.

換擋規律指兩排擋間自動變速時刻隨控制參數變化的規律[2].按控制參數的數量,換擋規律可以分為單參數、兩參數和三參數等換擋規律.兩參數換擋規律為當前采用最多的換擋規律,已能滿足車輛在穩定行駛時大部分情況的換擋需求.

在長距離行駛模式下,可選取車速、油門開度作為控制參數,利用兩參數換擋規律計算輸出擋位.根據對裝載機的動力性或經濟性的不同需求,可使用不同的換擋規律,如最佳動力性換擋規律、最佳經濟性換擋規律.最佳動力性換擋規律的控制目標是使車輛獲得最好的動力性能,換擋前后車輛牽引力變化不大;最佳經濟性換擋規律的控制目標是改善車輛的燃油經濟性,降低車輛燃油消耗率.

在短距離循環作業模式下,駕駛員的操作具有重復性,為了簡化操作,在操作手柄上引入強制降擋KD功能.KD功能指當車輛處于前進2擋時,將擋位強制降為1擋.當有新的擋位、方向變化或二次KD信號時,解除KD狀態.

引入KD功能后,駕駛員進行短距離循環作業的換擋操作流程:空擋起步,操作手柄換入前進2擋,裝載機以前進2擋駛向料堆;鏟裝物料前,按下手柄KD按鈕,裝載機以前進1擋進行鏟裝物料;完成鏟裝后,直接將手柄切入倒擋,裝載機以后退2擋駛離料堆;接近換向點時,手柄切入前進檔,裝載機以前進2擋駛向自卸汽車,接近自卸汽車時,裝載機停車卸料;卸料后手柄切入倒擋,裝載機以后退2擋駛離自卸汽車,回到初始位置,進入下一個作業循環.

由此得出短距離循環作業模式的控制策略:鎖定2擋行駛,KD信號有效.裝載機默認輸出2擋,當處于前進2擋時,若滿足進入KD條件,則換入前進1擋;滿足解除KD條件或變換方向后,則回到2擋行駛的狀態.

此變速策略能滿足裝載機短距離循環作業工況下的動力要求,同時減少駕駛員操縱手柄的次數,降低駕駛員的勞動強度,有利于提高作業效率.

在長距離循環作業模式下,使用車速、油門開度兩參數換擋規律控制裝載機在2～3擋之間切換,同時KD有效.即當車輛處于前進2擋且滿足進入KD條件時,裝載機換入前進1擋.當滿足解除KD條件或變換方向時,則重新換入2擋.裝載機不處于KD狀態時遵循換擋規律控制擋位在2～3擋之間切換.

裝載機處于重載強制1擋模式時,為了滿足大牽引力需求,鎖定裝載機擋位,使其始終處于1擋.

3 基于狀態圖的控制策略描述

根據對裝載機不同工況下工作情況的分析,使用傳統的流程圖方法編寫軟件并不可取.因為在裝載機運行過程中,駕駛員根據作業工況的變化隨時可能改變車輛的變速策略,改變策略后車輛將如何反應、進入什么狀態以及進入各狀態后該如何動作,此類問題用流程圖并不能表示清楚[3].因此,需要采用基于狀態圖的編程方法編寫軟件.

3.1 基于狀態圖的編程方法

狀態機(或稱有限狀態機,Finite State Machine)是用來描述對象在其生命周期內經歷的各種狀態,以及這些狀態之間的轉移和行為動作的模型.因其在邏輯順序和時序規律對象的建模方面的便利性,其被廣泛應用于電子工程、計算機科學、語言學、邏輯學等學科[4].

狀態機包含若干個狀態圖,狀態圖的基本要素有狀態、遷移和動作.狀態圖包含有限個狀態,在某一時刻,狀態圖只能處于某一狀態.當遷移事件發生或滿足遷移條件時,狀態之間發生轉移,并執行狀態內的動作,如圖2所示.狀態動作類型有多種,常用的動作類型如表1所示.

3.2 狀態總圖

根據不同工況模式之間的關系可繪制出狀態總圖,其描述了不同工況模式之間如何切換,如圖3所示.

圖2 狀態圖的組成Fig.2 Parts of state chart

動作類型英文縮寫定義轉入en進入該狀態時的動作執行du處于該狀態時的動作轉出ex離開該狀態時的動作

圖3 狀態總圖Fig.3 General state chart

狀態總圖包含4個子狀態,對應4種工況模式.裝載機啟動后,由駕駛員操作手柄選擇工況模式,裝載機進入該工況模式的狀態,執行該狀態下的控制策略.一旦駕駛員改變工況模式,則狀態圖發生遷移,跳出當前狀態,進入新的工況模式對應狀態.

3.3 狀態分圖

以短距離循環作業模式為例繪制狀態分圖,如圖4所示.

短距離循環作業工況下的裝載機存在兩個大狀態:空擋狀態和非空擋狀態.其中,非空擋狀態包含兩個子狀態:強制2擋行駛狀態和強制1擋行駛狀態.強制2擋行駛狀態執行動作為輸出2擋,既包括前進2擋也包括后退2擋.強制1擋行駛狀態執行動作為輸出前進1擋.

當車輛處于強制2擋行駛狀態時,若擋位為前進2擋且滿足進入KD條件,則車輛進入強制1擋行駛狀態,輸出前進1擋;若滿足解除KD條件,車輛則回到強制2擋行駛狀態.KD觸發與解除方式包括人工KD方式和自動KD方式.人工KD方式即駕駛員通過操作手柄上的KD按鈕實現觸發或解除KD功能,按下按鈕觸發KD,再次按下解除KD;自動KD方式通過采集車輛的狀態信號,由控制器自動判斷是否觸發或解除KD功能,例如采集車速、油門開度信號,當車速低且油門大時,車輛自動進入KD狀態.兩種方式既可單獨采用其中一種,也可結合兩者共同使用.

圖4 短距離循環作業模式狀態分圖Fig.4 State chart of short-range cycle

4 結語

本文對裝載機工作過程進行了分析,總結了裝載機常見的4種作業工況以及各工況的特點,在此基礎上設置了4種工況模式,并采用了駕駛員通過操作手柄設定工況模式的方法.進一步制定了裝載機多工況模式的自動變速控制策略,其中重點分析了車輛長距離行駛模式和短距離循環作業模式的控制策略.制定長距離行駛模式控制策略時進行了車輛換擋規律分析,并根據工況特點采用了兩參數換擋規律控制車輛換擋;制定短距離循環作業模式控制策略時分析了循環作業工況的操作特點,在手動變速系統操作基礎上增加KD功能,簡化了駕駛員的操作,提高作業效率.策略的實現使用了基于狀態圖的自動變速控制編程方法,開發了自動變速控制軟件,繪制了自動變速控制的狀態總圖和狀態分圖.