一种基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制方法与流程

本发明涉及一种基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制方法，更确切的说，本发明涉及一种轮毂液压变量泵排量控制方法。

背景技术：

不同于油电式混合动力系统，轮毂液压混合动力系统是一类典型的强非线性，参数时变的机电液耦合控制系统，前轮液压传动部件与中后轮机械传动部件的响应特性差异明显，同时受到重型商用车辆复杂运行工况以及负载大范围变化特点的影响，轮毂液压混合动力系统的动态控制品质难以保证，一方面，液压传动系统与机械传动系统之间的驱动力控制易产生干涉，影响系统助力功能的发挥；另一方面，液压系统本质非线性问题也容易引起液压执行部件控制的滞后或超调，导致液压系统响应较慢或产生较大的压力冲击，影响系统动态控制性能。

当前轮毂液压混合动力系统在国内的研究尚处于起步阶段，围绕该系统进行细致的方案优化与核心控制算法开发等关键技术理论研究仍具有较高的理论意义与应用价值，当前针对轮毂液压混合动力系统仍然存在以下技术难点问题：轮毂液压混合动力系统的动态控制品质受到系统本质非线性控制特征影响，同时液压传动路径与机械传动路径各部件动态响应特性差异明显；同时轮毂液压混合动力系统多模式能量管理问题复杂，由于车辆外部运行工况的不确定性以及不同工作模式的各异响应特性，使得实现系统工作模式与工况的优化匹配难度增大。

现有的一些专利，如中国专利公开号为CN103660915A，公开日为2014年3月26日，发明名称为“一种轮毂马达液压驱动系统变量泵排量控制方法”，该发明提出一种轮毂液压驱动变量泵控制方法，他能够保证车辆在通过低附着路面或较大坡度路面时保证整车滑转效率最优。中国专利公开号为CN105502191A，公开日为2016年4月20日，发明名称为“一种旋挖钻机主卷扬合流提升过程中主泵排量控制方法”，该发明提出将掉速率作为掉速状态的判断参数，当掉速率小于设定值时，不进行调节，当掉速率大于设定值时，通过实时PID调节比例减压阀的输入电流值，来控制主泵的排量。

综上所述，现有的关于轮毂液压变量泵排量控制方面的专利，采用软件进行轮毂模型搭建，同时利用简单的控制算法，由于受到搭建模型的限制与理想化的软件运行环境，使得仿真结果过于理想化，不能应用于实际。因此，有必要提供一种完善、可靠的轮毂液压变量泵排量控制方法来弥补现有技术的不足，保证系统不同工作模式下液压系统与机械系统的动力协调，并保证液压执行部件能够良好响应各模式下的优化控制目标，提高轮毂液压混合动力系统的动态控制品质。

技术实现要素：

本发明旨在解决轮毂液压车处于蠕行模式时控制变量泵排量以满足整车行驶负载需求以及协调发动机控制确保发动机与液压传动系统工作在高效区的问题，提出了一种基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制方法，基于当前蠕行车速，确定液压系统斜盘开度，进而求解得到对应开度下的发动机工作点，利用黄金分割算法迭代搜索最优斜盘开度和发动机最优工作点。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制方法，包括以下步骤：

步骤一、泵斜盘开度搜索区间确定，根据当前车辆蠕行车速，确定车轮处需求功率，根据流量一致性原理求解得到轮毂液压马达转速，同时结合当前闭式回路液压压力差，确定变量泵斜盘开度的搜索区间；

根据流量一致性原理，蠕行模式下两个轮毂液压马达的流量等于变量泵输出流量，如式(1)所示：

ωpβVpmaxηpvηvv＝2ωmVm/ηmv (1)

式中，ωp、ωm分别表示液压变量泵转速以及轮毂液压马达转速，ηvv表式液压控制阀组及管道的效率损失；

此时，轮毂液压马达转速ωm与液压变量泵转速ωp之间满足关系：

同时，计算两个前轮轮毂液压马达的输出转矩和，如式(3)所示：

进一步，得到车轮处轮毂液压马达的输出功率，如式(4)所示：

此外，轮毂液压混合动力系统中发动机与变量泵之间通过PTO进行连接，因此发动机转速和变量泵转速之间满足以下关系：

ωp＝ωe/ip (5)

式中，ωe表示发动机转速，ip表示PTO速比；

因此，车轮处液压马达的输出功率与油路压力差ΔP以及当前发动机转速ωe的关系，如式(6)所示：

可见，蠕行模式下轮毂液压马达的功率输出主要取决于变量泵斜盘开度β、液压油路压力差ΔP以及发动机转速ωe，其中，油路压力主要取决于前轮的负载转矩，当车辆在蠕行模式下的目标行驶车速确定的情况下，此时车辆行驶需求功率以及需求转矩可以相应的确定，进而可以确定当前需求的液压油路压力差ΔP，那么根据式(6)所示的关系，通过调整变量泵的排量(即斜盘开度β)即可调节发动机转速ωe的工作区间；

基于任意允许的蠕行行驶车速vcreep，在确定了当前车轮处的需求功率Pcreep，轮毂液压马达转速ωm以及闭式回路液压压力差ΔP后，可以进一步确定变量泵斜盘开度的搜索区间根据发动机的最优转速区间[ωe,opt,min,ωe,opt,max]，结合式(2)，可以确定蠕行模式下对应当前蠕行车速的变量泵的最小斜盘开度βcreep,min与最大斜盘开度βcreep,max，如式(7)所示：

进而可以确定当前蠕行车速下对应的泵斜盘开度搜索区间，[βcreep,min,…,βcreep,n,…,βcreep,max]。

步骤二、发动机需求功率确定，对应任意的泵斜盘开度以及当前闭式回路液压压力差，结合变量泵与轮毂液压马达的效率计算公式，得到当前泵斜盘开度下对应的发动机需求功率；

利用变量泵与轮毂液压马达的效率计算公式，计算得到当前泵斜盘开度对应的液压变量泵的容积效率ηcreep,pv,n，机械效率ηcreep,pm,n，以及轮毂液压马达的容积效率ηcreep,mv,n，机械效率ηcreep,mm,n；进而得到当前泵斜盘开度下对应的发动机需求功率Pe,req,n，如式(8)所示：

Pe,req,n＝Pcreep/ηcreep,pv,n/ηcreep,pm,n/ηcreep,mv,n/ηcreep,mm,n (8)

步骤三、发动机工作点确定，基于当前轮毂液压马达转速和泵斜盘开度信息，求解得到不同泵斜盘开度对应的发动机转速，利用步骤二中的需求功率，求解得到当前泵斜盘开度对应的发动机转速转矩工作点。

步骤四、设置目标寻优函数，基于综合效率最优原则，选取当前泵斜盘开度对应的发动机油耗作为目标优化函数，目标优化函数最小的点即为系统综合效率最优的点；

基于综合效率最优的思想，迭代搜索得到当前蠕行车速下对应的最优泵斜盘开度以及最优发动机工作点，选取当前泵斜盘开度对应的发动机油耗Be,n作为目标函数，如式(9)所示，显然，目标函数最小的点即为系统综合效率最优的点，即最优泵排量控制目标以及发动机最优转速、转矩控制目标；

Fn(βcreep,n)＝Be,n＝be,nPe,req,n (9)

式中，be,n表示当前发动机工作点下对应的燃油消耗率。

5.按照权利要求1所述的一种基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制方法，其特征在于，所述步骤五迭代寻优求解具体包括以下内容：

根据式(9)所示的目标寻优函数利用黄金分割算法迭代寻优，在泵斜盘开度搜索区间内快速求解当前蠕行车速对应的最优泵斜盘开度，具体如下所示：

1)选择已确定好的初始泵斜盘开度搜索区间，[a(1),b(1)]＝[βcreep,min,1]，设置搜索精度要求tol，黄金分割系数T＝0.618，循环计数器初始值k＝1；

2)令c(k)＝a(k)+(1-T)(b(k)-a(k))，d(k)＝b(k)-(1-T)(b(k)-a(k))，计算Fc＝F(c(k))，Fd＝F(d(k))；其中，F即表示目标寻优函数；

3)若Fc＜Fd，则转到步骤4)；否则转到步骤5)；

4)令a(k+1)＝a(k)，b(k+1)＝d(k)，d(k+1)＝c(k)，Fd＝Fc；

令c(k+1)＝a(k+1)+(1-T)(b(k+1)-a(k+1))，计算Fc＝F(c(k+1))，转到步骤6)；

5)令a(k+1)＝c(k)，c(k+1)＝d(k)，b(k+1)＝b(k)，Fc＝Fd；

令d(k+1)＝b(k+1)-(1-T)(b(k+1)-a(k+1))；计算Fd＝F(d(k+1))，转到步骤6)；

6)令k＝k+1；此时若满足b(k)-a(k)＞＝tol，则返回步骤3)继续迭代计算，直至迭代计算结果收敛；否则停止搜索。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.基于综合效率最优原则，减小轮毂液压动力系统部件响应差异特性，消除液压系统液压容积效率带来的计算误差，控制效果更加真实、可效，同时保证车辆系统整体效率最优，改善提高部件运行品质；

2.选取当前泵斜盘开度对应的发动机油耗为目标寻优函数，获得的发动机、变量泵工作点可保证整车的油耗降低，改善车辆的经济性能，提高了整车的节能效果；

3.利用黄金分割算法进行目标函数的迭代寻优，限制变量搜索区间，简化求解步骤，加快目标函数寻优速度，保证计算所得结果具有良好的鲁棒性，更具实用性。

4.基于轮毂液压系统，分析整车蠕行模式下的变量泵响应特性，基于能量守恒原理和理论公式求解获得变量泵控制排量，为之后轮毂液压车变量泵排量控制提供了坚实可靠的理论基础。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的轮毂液压混合动力系统变量泵排量控制整体流程图；

图2为本发明所述的轮毂液压混合动力系统的构型图；

图3为本发明所述的发动机工作点求解流程图；

图4为本发明所述的黄金分割方法流程图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的轮毂液压蠕行模式泵排量控制方法分为五个步骤：步骤一为确定泵斜盘开度搜索区间，基于任意允许的蠕行行驶车速，在确定了当前车轮处的需求功率，轮毂液压马达转速以及闭式回路液压压力差后，可以进一步确定变量泵斜盘开度的搜索区间；步骤二为确定泵斜盘开度对应的发动机需求功率，结合当前闭合回路液压压力差以及相关的发动机、变量泵容积效率求解获得对应泵斜盘开度下的发动机需求功率；步骤三为发动机工作点的确定，基于当前轮毂液压马达转速，求解得到对应发动机转速，应用步骤二获得的发动机需求功率计算得到发动机需求转矩；步骤四为设置目标寻优函数。基于整车油耗最优原则，以发动机燃油消耗率作为目标寻优函数；步骤五为迭代寻优求解，利用黄金分割算法求解步骤四设置的目标寻优函数，得到发动机最优工作点与泵排量控制参数。

本发明所述的一种基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制方法，包括以下步骤：

步骤一、泵斜盘开度搜索区间确定。

轮毂液压泵斜盘开度搜索区间确定内容包括：(1)确定车轮处需求功率；(2)求解轮毂液压马达转速，(3)变量泵斜盘开度的搜索区间确定。具体包括以下内容：

根据流量一致性原理，蠕行模式下两个轮毂液压马达的流量等于变量泵输出流量，如式(10)所示。

ωpβVpmaxηpvηvv＝2ωmVm/ηmv (10)

式中，ωp、ωm分别表示液压变量泵转速以及轮毂液压马达转速，ηvv表式液压控制阀组及管道的效率损失。

此时，轮毂液压马达转速ωm与液压变量泵转速ωp之间满足关系：

同时，计算两个前轮轮毂液压马达的输出转矩和，如式(12)所示：

进一步，得到车轮处轮毂液压马达的输出功率，如式(13)所示：

此外，轮毂液压混合动力系统中发动机与变量泵之间通过PTO进行连接，因此发动机转速和变量泵转速之间满足以下关系：

ωp＝ωe/ip (14)

式中，ωe表示发动机转速，ip表示PTO速比。

因此，车轮处液压马达的输出功率与油路压力差ΔP以及当前发动机转速ωe的关系，如式(15)所示：

可见，蠕行模式下轮毂液压马达的功率输出主要取决于变量泵斜盘开度β、液压油路压力差ΔP以及发动机转速ωe，其中，油路压力主要取决于前轮的负载转矩，当车辆在蠕行模式下的目标行驶车速确定的情况下，此时车辆行驶需求功率以及需求转矩可以相应的确定，进而可以确定当前需求的液压油路压力差ΔP，那么根据式(15)所示的关系，通过调整变量泵的排量(即斜盘开度β)即可调节发动机转速ωe的工作区间。

基于任意允许的蠕行行驶车速vcreep，在确定了当前车轮处的需求功率Pcreep，轮毂液压马达转速ωm以及闭式回路液压压力差ΔP后，可以进一步确定变量泵斜盘开度的搜索区间，根据发动机的最优转速区间[ωe,opt,min,ωe,opt,max]，结合式(11)，可以确定蠕行模式下对应当前蠕行车速的变量泵的最小斜盘开度βcreep,min与最大斜盘开度βcreep,max，如式(16)所示。

进而可以确定当前蠕行车速下对应的泵斜盘开度搜索区间，[βcreep,min,…,βcreep,n,…,βcreep,max]。

步骤二、发动机需求功率确定。具体包括以下内容：

利用变量泵与轮毂液压马达的效率计算公式，计算得到当前泵斜盘开度对应的液压变量泵的容积效率ηcreep,pv,n，机械效率ηcreep,pm,n，以及轮毂液压马达的容积效率ηcreep,mv,n，机械效率ηcreep,mm,n；进而得到当前泵斜盘开度下对应的发动机需求功率Pe,req,n，如式(17)所示。

Pe,req,n＝Pcreep/ηcreep,pv,n/ηcreep,pm,n/ηcreep,mv,n/ηcreep,mm,n (17)

步骤三、发动机工作点确定。

参阅图3，基于当前轮毂液压马达转速和泵斜盘开度信息，求解得到不同泵斜盘开度对应的发动机转速，利用步骤二中的需求功率，求解得到当前泵斜盘开度对应的发动机转速转矩工作点。

步骤四、设置目标寻优函数。

基于综合效率最优的思想，迭代搜索得到当前蠕行车速下对应的最优泵斜盘开度以及最优发动机工作点，选取当前泵斜盘开度对应的发动机油耗Be,n作为目标函数，如式(18)所示，显然，目标函数最小的点即为系统综合效率最优的点，即最优泵排量控制目标以及发动机最优转速、转矩控制目标。

Fn(βcreep,n)＝Be,n＝be,nPe,req,n (18)

式中，be,n表示当前发动机工作点下对应的燃油消耗率；

步骤五、迭代寻优求解。

为了加快搜索寻优的速度，利用黄金分割法进行迭代寻优，在泵斜盘开度搜索区间内快速求解当前蠕行车速对应的最优泵斜盘开度。具体包括以下内容：

参照图3，根据(18)所示的目标寻优函数利用黄金分割算法迭代寻优，在泵斜盘开度搜索区间内快速求解当前蠕行车速对应的最优泵斜盘开度，具体如下所示：

1)选择已确定好的初始泵斜盘开度搜索区间，[a(1),b(1)]＝[βcreep,min,1]，设置搜索精度要求tol，黄金分割系数T＝0.618，循环计数器初始值k＝1；

2)令c(k)＝a(k)+(1-T)(b(k)-a(k))，d(k)＝b(k)-(1-T)(b(k)-a(k))，计算Fc＝F(c(k))，Fd＝F(d(k))；其中，F即表示目标寻优函数；

3)若Fc＜Fd，则转到步骤4)；否则转到步骤5)；

4)令a(k+1)＝a(k)，b(k+1)＝d(k)，d(k+1)＝c(k)，Fd＝Fc；

令c(k+1)＝a(k+1)+(1-T)(b(k+1)-a(k+1))，计算Fc＝F(c(k+1))，转到步骤6)；

5)令a(k+1)＝c(k)，c(k+1)＝d(k)，b(k+1)＝b(k)，Fc＝Fd；

令d(k+1)＝b(k+1)-(1-T)(b(k+1)-a(k+1))；计算Fd＝F(d(k+1))，转到步骤6)；

6)令k＝k+1；此时若满足b(k)-a(k)＞＝tol，则返回步骤3)继续迭代计算，直至迭代计算结果收敛；否则停止搜索。