人-机-环境一体化下的大马力拖拉机多模式节能型机液复合系统传动规律和控制机理研究

Multi-mode hydro-mechanical composite transmission devices are mostly used for large horsepower tractors under various operating conditions, in order to realize coupling optimization between parameters and control, this project intends to carry out the research on energy management and interaction control for the mechanical electrical and hydraulic integration system. A multi-mode energy-saving hydro-mechanical composite transmission model is established, the impact mechanism of key parameters on energy management system under constraints is clarified, and the nonlinear coupling problem in the process of transmission system multi-parameter optimization is solved by multi-objective optimization algorithm. Dynamic coordination mechanism of multi-mode switching is explored by multi-factor and multi-level orthogonal tests, the optimization problem of multi-objective algorithm under constraints is solved. Logic threshold control strategy and optimization algorithm energy strategy are combined to explore adaptive matching relationship of transmission system under multi-mode and multi-station working conditions, the influence law of interaction control based driver’s intention and automatic regulation in “Man-Machine-Environment” integration on transmission system dynamic performance is revealed. Smoothness of transient condition and fuel economy of steady-state condition are verified, parasitic power and transmission efficiency of the transmission device are measured. The research can provide theoretical basis for solving the intelligent control problem of hydro-mechanical composite transmission system by coupling optimization method considering parameters and control, and provide a new thought for the intelligent interaction research on large horsepower tractors.

多模式机液复合传动装置适用于大马力拖拉机的各种运行工况，为实现参数与控制的耦合优化，开展针对该机电液一体化系统的能量管理和交互控制研究。建立多模式节能型机液复合传动模型，阐明约束条件下关键参数对能量管理系统的影响机制，采用多目标优化算法解决传动系统多参数优化过程中的非线性耦合问题；选择多因素多水平的正交试验法探究多模式切换的动态协调机理，解决约束条件下多目标优化算法的寻优问题；结合逻辑门限控制策略和优化算法能量策略探讨多模式多工况下传动系统的自适应匹配关系，揭示“人-机-环境”一体化下基于驾驶员意图和自动调节的交互控制对传动系统动态性能的影响规律；验证传动系统瞬态工况的平顺性和稳态工况的燃油经济性，完成传动装置寄生功率和传动效率的测定。本课题为用考虑参数和控制的耦合优化理论解决机液复合传动系统的智能控制问题提供了理论依据，也为大马力拖拉机的智能交互研究提供了新思路。

传统的大马力拖拉机多采用单模式传动方式，且设计时未考虑参数和控制的耦合优化，导致节能效果不佳；已有的传动系统控制策略未能很好地处理模式切换、驾驶员意图辨识和作业工况变化等方面的问题，导致匹配效果不佳。基于此，本项目根据大马力拖拉机传动系统的设计要求，以多模式节能型机液复合传动装置为研究对象，开展了以下研究：(1)机液复合系统传动规律研究；(2)基于多目标遗传算法的机液复合传动系统参数匹配研究；(3)变速器换挡控制策略研究；(4)考虑人-机-环境交互的机液复合传动系统交互控制研究。. 根据分矩汇速式机液复合传动装置设计思路，提出6种设计方案，并从动力反馈与补偿、制动能量回收两方面讨论该类传动装置的节能减排方案。针对一款多功能机液复合传动装置进行多目标参数优化分析。建立基于modeFRONTIER的传动系统目标优化模型，使用实验设计与优化算法相结合的方法对多目标遗传算法进行全局搜索以寻求Pareto最优解。确定传动装置主要参数，并进行调速特性和效率特性研究。建立了多功能变速传动装置等效动力学模型，使用Simulation X对多功能机液复合传动装置连续换挡过程和换挡影响因素进行研究。采用极差分析法对考虑物理参数和换挡时序的换挡影响因素进行仿真分析，并通过方差分析法进行试验验证。结果表明：通过正交分析配置传动系统物理参数和换挡时序可大大提高换挡品质。建立了大马力拖拉机整车系统的人-机-环境一体化模型，使用MATLAB对液压机械无级变速器的匹配控制策略进行分析。正向控制策略表明：带有反馈的闭环系统可更好地实现驾驶员的操纵意图，使车辆运行在最佳经济性和最佳动力性运行曲线之间。逆向控制策略表明：ECU根据车辆速度及负载阻力的变化情况自动调节发动机油门开度，在工况变化时，通过油门开度动力因子保障车辆运行的动力性；在稳态工况时，自动调节油门开度确保车辆运行的经济性。. 本项目基本完成了预期目标，为大马力拖拉机多模式节能型机液复合系统传动规律和控制机理研究提供了参考。