Способ автоматического адаптивного управления бесступенчатой трансмиссией тяговых и транспортных машин

Способ автоматического адаптивного управления бесступенчатой трансмиссией тяговых и транспортных машин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к тяговым и транспортным машинам, рельсовым и безрельсовым, колесным и гусеничным, электровозам, тепловозам и газотурбовозам, автомобилям всех видов, преимущественно большегрузным внедорожным, тракторам, сельскохозяйственным и строительно-дорожным машинам с автоматически управляемыми бесступенчатыми трансмиссиями, в частности электрическими и гидрообъемными.

Известен способ автоматического регулирования бесступенчатой, в частности электрической, трансмиссией тяговых и транспортных машин, заключающийся в предварительном задании максимальных значений параметров регулирования, измерении наблюдаемых параметров нагрузки, преобразовании их с формированием сигналов задания и управления и поддержании параметров регулирования на задаваемом водителем уровне, для чего формируют сигнал обратной связи, предварительно задают максимальное значение сигнала уставки регулирования, измеряют степень воздействия водителя на орган управления и формируют пропорционального результату измерения сигнал задания в пределах предварительно заданной максимальной величины уставки регулирования, сравнивают сигнал обратной связи с сигналом задания с получением результирующего разностного сигнала сравнения и воздействием последним на исполнительные устройства трансмиссии, описанный в [1] и реализованный во многих моделях машин.

При этом известном способе автоматического управления управление скоростью движения машины водитель осуществляет посредством рукоятки контроллера или педали газа, задавая ее положением уровень значений параметров тяговой характеристики машины, обеспечиваемый затем работой системы ее автоматического регулирования. Таким путем водитель через управление машиной управляет трансмиссией, задавая уставки (командные параметры работы) системе автоматического регулирования, работа которой протекает в условиях наблюдения, преобразования и обработки внутренних параметров работы машины и ее трансмиссии.

При трогании и низкой скорости движения машины система автоматического регулирования осуществляет регулирование трансмиссии на постоянство силы тяги в соответствии с сигналом задания, пропорциональным предварительно заданной максимальной величине уставки регулирования и нажатию водителя на педаль газа. При величине уставки регулирования и нажатию водителя на педаль газа. При этом максимальная величина силы тяги F_max задается жестко в соответствии с проектным расчетом и так называемой заводской настройкой, соответствующей среднестатистическим для данного типа, размерности и предназначения машины типичным обстоятельствам и условиям режима трогания и движения с малой скоростью при расчетных грузе, тяговой нагрузке и погодных условиях.

В этих стандартных условиях машина с такой уставкой регулирования будет обладать максимальными динамическими возможностями при трогают и движении. Таков порядок обычного автоматического управления и регулирования бесступенчатых трансмиссий тяговых и транспортных машин, имеющих тепловой двигатель внутреннего сгорания, рельсовых и безрельсовых, колесных и гусеничных, обеспечивающий им высокие эксплуатационные характеристики.

Но возможны случаи необычных условий движения (вода, грязь, лед или особое дорожное покрытие с высоким сцеплением, с одной стороны, и пониженная или повышенная загрузка машины, с другой), когда сцепление колес с дорогой слабое или наоборот - повышенное. В таких условиях, когда водитель выжмет педаль управления (газа) до конца, система автоматического регулирования установит максимальную расчетную силу тяги. И если это значение силы тяги превышает возможности сцепления, начнется разносное буксование. Неэффективно также разгоняться или ехать в гору на пониженной тяге, если условия сцепления лучше обычных и позволяют силу тяги прибавить - машина потеряет в динамике и проходимости.

Недостатком этого известного способа регулирования является жесткость (постоянство) уставки параметров работы машины, в частности пусковой силы тяги, и отсутствие учета дорожных и нагрузочных условий в процессе регулирования, что при плохих погодных и дорожных условиях приводит к появлению избыточного буксования движителей или к снижению динамических качеств машины и недоиспользованию ее сцепного веса. Положение можно улучшить, если изменить настройку максимальной силы тяги (снизить в первом случае и повысить во втором) в соответствии с условиями сцепления.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности автоматического регулирования, улучшение использования сцепного веса, обеспечение приспособляемости машины к условиям движения, повышение динамических свойств машины, защита машины от потери управляемости и предотвращение избыточного или разносного буксования благодаря учету дорожных условий в процессе регулирования средствами адаптивного регулирования.

Эта цель с указанным техническим результатом достигается тем, что в известном способе автоматического управления бесступенчатыми трансмиссиями тяговых и транспортных машин, состоящем в предварительном задании максимальных значений параметров регулирования трансмиссии, измерении параметров нагрузки, преобразовании их в сигналы задания и управления и поддержании параметров регулирования на задаваемом водителем уровне, для чего предварительно задают максимальное значение сигнала уставки регулирования, измеряют степень воздействия водителя на орган управления и формируют пропорционально результату измерения сигнал задания в пределах предварительно заданной максимальной величины уставки регулирования, формируют сигнал обратной связи, сравнивают сигнал обратной связи с сигналом задания с получением результирующего разностного сигнала сравнения и воздействием последним на исполнительные устройства трансмиссии, согласно изобретению в порядке осуществления адаптации системы автоматического управления к условиям движения определяют величину параметра условий движения машины и осуществляют коррекцию величины сигнала уставки регулирования и, следовательно, величины пусковой силы тяги машины в функции этого параметра, для чего предварительно задают значение сигнала уставки коррекции, пропорциональное задаваемому значению параметра условий движения, измеряют величину параметра условий движения, формируют пропорциональный ему сигнал параметра условий движения, сравнивают полученное значение этого сигнала с предварительно заданным значением сигнала уставки коррекции с получением результирующего сигнала сравнения коррекции и воздействуют последним на сигнал уставки регулирования, изменяя его значение.

При этом:

- в качестве параметра условий движения используют буксование движителей машины;

- коррекцию осуществляют, воздействуя результирующим сигналом сравнения коррекции на максимальное значение сигнала уставки регулирования;

- воздействуют на значение сигнала уставки при максимальном воздействии водителем на орган управления;

- воздействуют на значение сигнала уставки до выравнивания буксования со значением буксования, предварительно заданным сигналом уставки коррекции;

- предварительно заданное значение сигнала уставки коррекции задают диапазоном допустимых значений сигнала буксования и воздействуют на значение сигнала уставки регулирования до попадания буксования в указанный диапазон значений буксования;

- предварительно заданное значение сигнала уставки коррекции выполняют регулируемым;

- после прекращения максимального воздействия водителя на орган управления прекращают дальнейшее воздействие на сигнал уставки регулирования и запоминают его достигнутое значение;

- после выключения привода достигнутое в результате коррекции значение сигнала уставки регулирования уничтожают и восстанавливают его исходное значение;

- значение сигнала буксования формируют путем усреднения значений сигналов, пропорциональных буксованию всех движителей;

- значение сигнала буксования формируют путем выбора максимального из значений сигналов, пропорциональных буксованию всех движителей.

Результатом адаптивного автоматического регулирования по предложенному способу является осуществление пуска, разгона или движения и работы на низкой скорости движения с оптимальной расчетной величиной буксования, а не силы тяги, и тем самым обеспечение приспособляемости машины к условиям движения, повышение динамических свойств машины, защита машины от потери управляемости и предотвращение избыточного или разносного буксования, улучшение использования сцепного веса, и, таким образом, повышение эффективности автоматического регулирования.

Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы не выявил известности предлагаемой совокупности существенных признаков изобретения.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображены тяговые характеристики машины с автоматически регулируемой бесступенчатой трансмиссией - внешняя (предельная) и одна из частичных; на фиг.2 показаны кривые зависимостей силы тяги машины F от буксования (относительной скорости скольжения) ее движителей δ при разных нормальных нагрузках и состояниях опорной поверхности, поясняющие существо регулирования по предложенному способу; на фиг.3 представлена структурная схема тягового привода машины с бесступенчатой трансмиссией (автомобиля, главным образом внедорожного большегрузного, трактора, тепловоза или другого подобного тягового или транспортного средства), с возможной структурной схемой системы управления и автоматического регулирования бесступенчатой трансмиссии тягового привода, реализующей предложенный способ регулирования.

Система тягового привода с системой управления и автоматического регулирования, представленная на фиг.3, включает объект 1 управления (бесступенчатую трансмиссию), управляемый водителем посредством органа управления 2, и регулирующую его режимы систему автоматического регулирования 3, включающую канал адаптивного регулирования 4. Канал адаптивного регулирования 4 включает блок уставок коррекции 5, блок настройки 6 и блок коммутации 7. Система автоматического регулирования 3, кроме того, содержит регулятор 8, блок измерения 9, функциональный блок управления 10 и функциональный блок задания 11, блок сравнения 12 и блок уставок регулирования 13. Все наблюдаемые параметры системы (неуправляемые внешние воздействия X, управляемые параметры нагрузки У и частично - управляющие воздействия U) измеряются блоком измерения 9 и составляют полную совокупность S информации о состоянии объекта. Блок измерения 9 измеряет параметры управления, нагрузки и характеристики движения, а также обрабатывает результаты измерения, в частности преобразует сигналы буксования многих движителей в один сигнал.

Поскольку регулируемых объектов в бесступенчатой трансмиссии, особенно в многодвигательном приводе тяговых и транспортных машин, особенно многоколесных, может быть много, регуляторов 8 в системе автоматического регулирования 3 также может быть много - по числу регулируемых объектов.

При известных силе тяги и зависящей от груза машины и развески силе нормального давления в опорной точке движителя, от состояния опорной поверхности (в обратной пропорции к ее качеству) зависит величина буксования движителя, благодаря чему эта величина может служить характеристикой состояния опорной поверхности. Точнее, совокупной характеристикой всех этих параметров, показателем эффективности их сочетания для тяги, иначе именуемого степенью использования сцепного веса и эффективности работы машины. Вообще имеется целый ряд параметров условий движения, характеризующих эффективность режима движения машины и степень использования сцепного веса, из которых буксование является наиболее удобным в настоящее время, поскольку устройства его измерения давно появились, вошли в техническую практику, и широко распространились, и в результате этого подешевели и стали технологически предпочтительными [2]. По этой причине в качестве параметра условий движения для адаптивной коррекции предпочтительно используем буксование движителей машины.

При одном активном движителе совокупность S информации о состоянии объекта содержит информацию о буксовании именно этого движителя, но в многомоторном (многодвигательном) приводе активных движителей может быть много, поэтому совокупность S содержит информацию о буксованиях многих или всех активных движителей. Поскольку сигнал задания общей нагрузки один, информацию о буксованиях многих или всех движителей преобразуют в один параметр. При мало различающихся условиях работы движителей преобразование осуществляется путем усреднения значений сигналов, пропорциональных буксованию всех движителей. При худших условиях движения, характерных неравномерным режимом работы движителей, значение сигнала буксования формируют путем выбора максимального из значений сигналов, пропорциональных буксованию всех движителей. Выбор и подключение одного из преобразователей вместо другого осуществляет водитель.

Система автоматического регулирования 3 бесступенчатой трансмиссии формирует сигнал задания для регулирования нагрузки, изменяемый водителем органом управления 2 (обыкновенно, рукояткой контроллера управления на тепловозах и педалью газа в автомобилях) в пределах максимальной заданной величины уставки, называемой иначе заводской настройкой. Максимальное заданное значение уставки регулирования нагрузки F_max записано в блоках уставок регулирования 13 и коррекции 5.

После включения двигателя и системы автоматического регулирования 3 и пуска привода водитель имеет возможность устанавливать органом управления 2 желаемую общую уставку регулирования и тем самым задавать системе автоматического регулирования требуемое значение пусковой силы тяги машины.

При переводе водителем рукоятки контроллера в крайнюю позицию или при полном нажатии на педаль уставка регулирования силы тяги устанавливается на максимальном уровне, заданном блоком 13. При этом движители трансмиссии (колеса или гусеницы), развивая все вместе заданную нажатой до конца педалью и поддерживаемую системой автоматического регулирования максимальную пусковую силу тяги машины F_max (фиг.1), максимально возможную по условиям расчета, приходят во вращение с некоторым значением буксования δ.

Если состояние опорной поверхности соответствует расчетному (кривая 1 фиг.2), буксование δ движителей при максимальной величине силы тяги машины F_max также будет расчетным, равным δ₁. Если же дорожные условия плохие (кривые 2 и 2′), буксование при силе тяги F_max окажется повышенным δ₂, вплоть до разносного при условиях, соответствующих кривой 2′. При условиях, лучших чем расчетные (кривая 3), буксование при той же силе тяги F_max окажется пониженным, равным δ₃. В обоих случаях эти значения δ могут оказаться, как на фиг.2, за границами диапазона буксовании, заранее принятого за допустимый, например,

где δ_доп - допустимое расхождение δ. Ввиду нелинейности характеристик F=ƒ(S) допустимые отклонения δ от расчетного значения вверх и вниз могут быть неодинаковыми. В этом случае могут быть назначены две границы диапазона буксования inf δ и sup δ без назначения δ₁, и тогда

Значения этих уставок, характеризующие допустимые граничные параметры буксования δ_гран, задаются предварительно в порядке заводской настройки, находятся в блоке 5 и могут быть изменены водителем ручной настройкой.

Способ автоматического адаптивного управления бесступенчатыми трансмиссиями тяговых и транспортных машин состоит в следующем.

До начала движения в блоке уставок коррекции 5 находятся уставки буксования δ_гран и уставка максимального значения нагрузки машины F_max, а в блоке уставок регулирования 13 находится копия уставки максимального значения нагрузки F_max, оригинал которой находится в блоке уставок коррекции 5.

После запуска теплового двигателя и включения привода начинается автоматическое регулирование, в ходе которого в блоке измерения 9 измеряют значения нагрузок машины, параметров управления и движения, в блоке управления 10 формируют сигнал управления (или обратной связи) i_y, который в каждый момент времени пропорционален какому-либо параметру регулирования: либо силе тяги, либо мощности, потребляемой приводом от теплового двигателя (или от любого другого источника энергии), либо скорости движения машины, определяемым частью непосредственно, частью (те параметры регулирования, которые по какой-либо причине непосредственно не измеряются, такие как мощность и сила тяги) - по другим наблюдаемым параметрам нагрузки. В процессе трогания или снижения скорости движения машины ниже границы смены зон регулирования, определяемой функциональным блоком управления 10 или скоростью движения V_гр (фиг.1), сигнал управления пропорционален силе тяги. Сигнал задания; i_зад, формируемый функциональным блоком задания 11, пропорционален предварительно заданной уставке максимальной величины нагрузки F_max и степени воздействия водителя на орган управления 2. Водитель устанавливает органом управления 2 желаемую общую уставку регулирования и тем самым задает системе автоматического регулирования требуемое значение пусковой силы тяги машины.

В результате такого регулирования формируются и выдерживаются трехзонные тяговые характеристики машины (фиг.1): внешняя - ABCD и множество частичных А′В′С′D′, располагающихся внутри внешней, с зонами: I - постоянной силы тяги, II - постоянной потребляемой трансмиссией от двигателя мощности и III - постоянной скорости движения.

После включения двигателя и привода в блоке измерения 9, наряду с измерением внутренних параметров трансмиссии и параметров управления, фиксируют событие максимального нажатия α_гран водителя на педаль 2 и определяют величину параметра условий движения, в качестве которого используют буксование движителей машины, и осуществляют коррекцию величины сигнала уставки регулирования в функции этого параметра. Для этого в блоке измерения 9 измеряют буксования движителей и преобразует их в один сигнал δ, в блоке 6 оценивают полученное значение δ и сравнивают его со значением δ_гран (δ₁ или со значениями для диапазона Δδ) предварительно заданного значения сигнала уставки коррекции с получением результирующего сигнала сравнения - сигнала коррекции i_к. И в случае наличия события α_гран воздействуют сигналом коррекции i_к на сигнал уставки регулирования F_max, изменяя его значение и, следовательно, значение сигнала i_зад, и в результате этого - значение силы тяги машины F_max.

Если состояние поверхности слабое (соответствует кривой 2, фиг.2), буксование окажется равным δ₂ и будет превышать верхнее значение этого диапазона:

δ>supδ

Если блок измерения 9 зафиксировал наличие максимального воздействия водителя на орган управления α_гран, блок коммутации 7 канала адаптивного регулирования 4 подключает блок настройки 6 и блок уставок коррекции 5, в котором содержатся значения уставок δ₁, или Δδ, sup δ и inf δ, на вход блока 13, и процесс коррекции включается. Канал адаптивного регулирования 4 начнет снижать уставку максимальной силы тяги F_max до величины, соответствующей силе тяги F_max ⁽²⁾ (фиг.2), при которой δ окажется равным δ₁, или, возможно, до любой другой величины в пределах ΔF₂, при отслеживании которой автоматикой величина буксования окажется в границах, допустимых заданным диапазоном Δδ значений.

Если же сцепление колес с поверхностью повышенное (кривая 3, фиг.2) и буксование после включения привода поэтому окажется равным δ₃, т.е. низким, ниже нижней границы диапазона

δ<inf δ,

блок настройки 6 канала адаптивного регулирования 4 начнет увеличивать максимальное значение уставки регулирования и, следовательно, пусковой силы тяги до величины, равной F_max ⁽³⁾, при которой δ окажется равным δ₁, или до некоторого значения в диапазоне сил тяги ΔF₃ при которой значение буксования окажется в пределах назначенного диапазона буксовании Δδ.

Канал адаптивного регулирования 4 системы автоматического регулирования 3 функционально представляет собой систему низкого уровня, имеющую целью коррекцию максимального значения уставки блока уставок регулирования 13 основного канала системы автоматического регулирования 3. Блок настройки 6 канала адаптивного регулирования 4, связанный с блоком уставок коррекции 5, подключается блоком коммутации 7 к блоку уставок регулирования 13 системы автоматического регулирования 3 при появлении на выходе блока 9 сигнала о максимальном воздействии водителя на орган управления 2 и отключается от него блоком коммутации 7 после его исчезновения. Таким образом, канал адаптивного регулирования 4 включается в работу основной системы автоматического регулирования 3 и выключается из нее только при определенных условиях, определяемых им на основании информации U блока измерения 9. В частном случае - при максимальном воздействии водителем на орган управления 2. Канал адаптации 4 почти все время работы системы автоматического регулирования 3 находится в ждущем режиме, а работает периодически, с неопределенной периодичностью и длительностью, не прерывая и не нарушая порядок работы системы автоматического регулирования 3. В процессе настройки участвует вся система автоматического регулирования 3, работающая в своем обычном порядке.

Таким образом, согласно предлагаемому способу коррекция состоит в изменении значения уставки регулирования таким образом, чтобы изменение вследствие этого величины силы тяги привело к установке величины буксования движителей равным заданному значению или не выходящим за заданные пределы.

При любом отклонении органа управления 2 от крайнего положения коррекция прекращается посредством отключения блока настройки 6 блоком коммутации 7 от блока уставок регулирования 13.

После окончания процесса адаптивной коррекции уставки максимальной силы тяги тяговые характеристики соответствующим образом изменяются (фиг.1, где стрелками показаны возможные результаты процесса адаптации - изменение значения F_max на внешней тяговой характеристике ABCD) со всеми сопутствующими этому изменению результатами, а именно - с пропорциональным скорректированному значению F_max изменением силы тяги при изменении нажатия на педаль газа внутри нового диапазона (от вновь полученного, настроенного в процессе адаптации, максимального значения F_max при полном нажатии до нулевого значения при отсутствии нажатия). Новое значение границы запоминается до следующей инициации процесса адаптации очередным полным нажатием на педаль и сбрасывается при выключении привода.

Адаптация в зоне работы машины с постоянной силой тяги состоит в коррекции предельного, максимального, значения задаваемой водителем величины силы тяги по достигнутой величине буксования. Процесс адаптации происходит при полном, предельном, нажатии водителем на педаль и прекращается с запоминанием полученного в результате адаптации значения уставки при отклонении педали от этого крайнего положения на любой угол. Следовательно, процесс инициируется водителем и прекращается также водителем, с закреплением, однако, результата процесса до следующего полного нажатия на педаль.

Заявленное техническое решение является новым, соответствующим изобретательскому уровню и промышленно применимым.

Реализация заявленного технического решения предполагается на многоколесном большегрузном полноприводном автомобиле специального назначения с тепловым дизельным двигателем, мотор-колесами и электрической бесступенчатой трансмиссией переменного тока с асинхронными двигателями и преобразователями частоты.

Источники информации

1. Новиков Г.В. Автоматическое регулирование тягового привода машин с бесступенчатыми трансмиссиями // "Тракторы и с.х. машины", №8, 2003, с.15-21.

2. Новиков Г.В., Хаби B.C., Шипилевский Г.Б. Устройства радиолокационного измерения скорости на зарубежных тракторах // "Тракторы и с.х. машины", 1993, №6, с.34-39, и №7, с.37-38.

1. Способ автоматического адаптивного управления бесступенчатой трансмиссией тяговых и транспортных машин, заключающийся в предварительном задании максимальных значений параметров регулирования трансмиссии, преобразовании их в сигналы задания, измерении параметров нагрузки, преобразовании их в сигналы обратной связи и поддержании параметров регулирования на задаваемом водителем уровне, для чего предварительно задают максимальное значение сигнала уставки регулирования, измеряют степень воздействия водителя на орган управления и формируют пропорционально результату измерения сигнал задания в пределах предварительно заданной максимальной величины уставки регулирования, формируют сигнал обратной связи, сравнивают сигнал обратной связи с сигналом задания с получением результирующего разностного сигнала сравнения и воздействием последним на исполнительные устройства трансмиссии, отличающийся тем, что в процессе регулирования дополнительно измеряют величину буксования движителей машины и осуществляют коррекцию величины сигнала уставки регулирования в функции этого параметра, для чего предварительно задают значение сигнала уставки коррекции, пропорциональное задаваемому значению буксования, измеряют величину буксования, формируют пропорциональный ему сигнал, сравнивают полученное значение этого сигнала с предварительно заданным значением сигнала уставки коррекции с получением результирующего сигнала сравнения коррекции и воздействуют последним на сигнал уставки регулирования, изменяя его значение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коррекцию осуществляют, воздействуя результирующим сигналом сравнения коррекции на максимальное значение сигнала уставки регулирования.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что воздействуют на значение сигнала уставки регулирования при максимальном воздействии водителем на орган управления.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что коррекцию осуществляют, воздействуя на значение сигнала уставки регулирования до выравнивания буксования со значением буксования предварительно заданным сигналом уставки коррекции.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что предварительно заданное значение сигнала уставки коррекции задают диапазоном допустимых значений сигнала буксования и воздействуют на значение сигнала уставки регулирования до попадания буксования в указанный диапазон значений.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что предварительно заданное значение сигнала уставки коррекции выполняют регулируемым.

7. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что после прекращения максимального воздействия водителя на орган управления прекращают корректирующее воздействие на сигнал уставки регулирования и запоминают его достигнутое значение.

8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что после выключения привода достигнутое в результате коррекции значение сигнала уставки регулирования уничтожают и восстанавливают его исходное значение.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение сигнала буксования формируют путем усреднения значений сигналов, пропорциональных буксованию всех движителей.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение сигнала буксования формируют путем выбора максимального из значений сигналов, пропорциональных буксованию всех движителей.