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缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法

阅读：245发布：2020-05-18

专利汇可以提供缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法，首先通过反复的台架实验获得气压- 传动轴转速-缓速器制动扭矩关系；通过反复转鼓获得发动机转速-排气制动扭矩关系；然后分别通过不同模块获得缓速器制动力、排气制动力、风阻制动力和道路阻力制动力；最后叠加为总制动力，然后转化为加速度，最终转化为速度，从而实现车辆的恒速下坡功能和制动功能。本发明以MATLAB/SIMULINK为工具，建立包括环境阻力在内的缓速器和排气制动联合制动控制系统，通过快捷的改变控制系统模型参数来获得精确的缓速器和排气制动联合制动的结果。，下面是缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过反复的台架实验获得缓速器的外特性曲线，即：气压-传动轴转速-缓速器制动扭矩关系；
2)通过反复转鼓获得准确的排气制动外特性曲线，即：发动机转速-排气制动功率关系；
3)根据轮胎半径，后桥速比和车速获得传动轴转速，以缓速器的外特性曲线为依据，根据气压和传动轴转速获得缓速器制动扭矩，进而通过缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到缓速器制动力；根据传动轴转速和变速箱档位获得发动机转速，以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动功率，然后计算出排气制动扭矩，进而通过排气制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到排气制动力；根据空气阻力系数、迎风面积和车速获得风阻制动力；根据坡度、车重和摩擦阻力系数获得道路阻力制动力；
4)将缓速器制动力、排气制动力、风阻制动力和道路阻力制动力叠加为总制动力，然后转化为加速度，最终转化为速度，从而实现车辆的恒速下坡功能和制动功能。
2.根据权利要求1所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型建立方法，其特征在于，步骤3)中根据气压和传动轴转速获得缓速器制动扭矩的方法为：根据气压-传动轴转速-制动扭矩关系在MATLAB/SIMULINK中进行三维制表并插值查表即能够获得任何气压和整车传动轴转速下对应的缓速器制动扭矩。
3.根据权利要求1所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型建立方法，其特征在于，步骤3)中依照排气制动外特性曲线获得排气制动功率的方法为：根据发动机转速-排气制动功率关系在MATLAB/SIMULINK中进行二维制表并插值查表即能够得到任何发动机转速下的排气制动功率。
4.根据权利要求1所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型建立方法，其特征在于，步骤3)中根据排气制动功率计算排气制动扭矩的方法为：设定一个发动机转速，当发动机转速＞设定值时，T＝P×9550/N，其中T为排气制动扭矩，P为排气制动功率，N为发动机转速；当发动机转速≤设定值时，排气制动扭矩为0。
5.根据权利要求1所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型建立方法，其特征在于，步骤4)中的恒速下坡功能是以PID 算法做为恒速下坡过程中的控制算法，所述的PID算法包括比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td三个参数，通过输入实时车速与目标车速的差值调节参数至合适值，最终使车速保持平稳。
6.缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型，其特征在于，包括：
传动轴转速转换模块：用于将轮胎半径，后桥速比和车速转换为传动轴转速；
缓速器模块：用于将气压和传动轴转速转化为缓速器制动扭矩，进而通过缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到缓速器制动力；
排气制动模块：用于将传动轴转速和变速箱档位转化为发动机转速，并以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动功率，然后计算出排气制动扭矩，进而通过排气制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到排气制动力；
风阻模块：用于将空气阻力系数、迎风面积和车速转化为风阻制动力；
道路阻力模块：用于将坡度、车重和摩擦阻力系数转化为道路阻力制动力；
车速转化模块：用于将缓速器制动力、排气制动力、风阻制动力和道路阻力制动力叠加为总制动力，然后转化为加速度；
车速输出模块：用于将加速度转化为车速，并将车速传递给传动轴转速转换模块和风阻模块。
7.根据权利要求6所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型，其特征在于，还包括恒速PID控制模块：用于接收车速输出模块的车速，并根据车速与目标车速的差值调解自身参数，然后将输出的气压值传送给缓速器模块。
8.根据权利要求6所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型，其特征在于，缓速器模块包括用于将气压和传动轴转速转化为缓速器制动扭矩的制动扭矩转换子模块和用于将缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径转化为缓速器制动力的制动力转换子模块，其中制动扭矩转换子模块包括用于模拟缓速器充油过程的惯性环节模块。
9.根据权利要求6所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型，其特征在于，排气制动模块包括用于将传动轴转速和变速箱档位转化为发动机转速，并以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动扭矩的排气制动子模块，其中排气制动子模块包括用于判断发动机转速是否大于设定值的if-else判断模块，若是，以公式T＝P×9550/N计算出排气制动扭矩，其中T为排气制动扭矩，P为排气制动功率，N为发动机转速；若否，排气制动扭矩为0。
10.根据权利要求6所述的缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型，其特征在于，坡度通过坡度采集传感器采集。

说明书全文

缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法

技术领域

[0001] 本发明属于车辆制动技术领域，具体涉及缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法。

背景技术

[0002] 重型车辆在复杂的工况下，比如：长下坡制动，平路频繁制动等，行车主制动较一般工况制动强度大幅增加，如：制动器的加快磨损，制动衬片加速衰退等，达到某种严重程度，可导致主制动的失灵，造成交通事故。液力缓速器可实现恒速和分级制动功能，能有效减少主制动的压力。较其它辅助制动(发动机制动，电涡流缓速器)，具有制动力矩大，制动平稳，噪声小、寿命长，体积小等优点。

[0003] 国外对于电控液力缓速器的研发和应用已经取得了长足的发展，比如：德国CF,德国福伊特,瑞典斯堪尼亚，美国通用汽车公司的Allison系列液力缓速器等，但是国外液力缓速器虽技术成熟，但是成本较高，因此国内主机厂商未能进行大规模的匹配，国内液力缓速器的发展以法士特为先驱，近几年来国内液力缓速器技术不断的成熟并将液力缓速器推向了市场，得到了用户的认可，并且成本远低于国外厂商的液力缓速器。

[0004] 目前国内液力缓速器的电控系统全部为手写代码形式，但是对于控制系统的许多参数需要反复的实验才能确定，这对于台架实验和装车测试成本较高，如果参数一改再改，不但会造成开发成本增加，还会造成开发周期增加。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法，本发明以MATLAB/SIMULINK为工具，建立包括环境阻力在内的缓速器和排气制动联合制动控制系统模型，通过快捷的改变模型参数来获得精确的缓速器和排气制动联合制动的结果。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型建立方法，包括以下步骤：

[0008] 1)通过反复的台架实验获得缓速器的外特性曲线，即：气压-传动轴转速-缓速器制动扭矩关系；

[0009] 2)通过反复转鼓获得准确的排气制动外特性曲线，即：发动机转速-排气制动功率关系；

[0010] 3)根据轮胎半径，后桥速比和车速获得传动轴转速，以缓速器的外特性曲线为依据，根据气压和传动轴转速获得缓速器制动扭矩，进而通过缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到缓速器制动力；根据传动轴转速和变速箱档位获得发动机转速，以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动功率，然后计算出排气制动扭矩，进而通过排气制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到排气制动力；根据空气阻力系数、迎风面积和车速获得风阻制动力；根据坡度、车重和摩擦阻力系数获得道路阻力制动力；

[0011] 4)将缓速器制动力、排气制动力、风阻制动力和道路阻力制动力叠加为总制动力，然后转化为加速度，最终转化为速度，从而实现车辆的恒速下坡功能和制动功能。

[0012] 进一步地，步骤3)中根据气压和传动轴转速获得缓速器制动扭矩的方法为：根据气压-传动轴转速-制动扭矩关系在MATLAB/SIMULINK中进行三维制表并插值查表即能够获得任何气压和整车传动轴转速下对应的缓速器制动扭矩。

[0013] 进一步地，步骤3)中依照排气制动外特性曲线获得排气制动功率的方法为：根据发动机转速-排气制动功率关系在MATLAB/SIMULINK中进行二维制表并插值查表即能够得到任何发动机转速下的排气制动功率。

[0014] 进一步地，步骤3)中根据排气制动功率计算排气制动扭矩的方法为：设定一个发动机转速，当发动机转速＞设定值时，T＝P×9550/N，其中T为排气制动扭矩，P为排气制动功率，N为发动机转速；当发动机转速≤设定值时，排气制动扭矩为0。

[0015] 进一步地，步骤4)中的恒速下坡功能是以PID 算法做为恒速下坡过程中的控制算法，所述的PID算法包括比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td三个参数，通过输入实时车速与目标车速的差值调节参数至合适值，最终使车速保持平稳。

[0016] 缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型，包括：

[0017] 传动轴转速转换模块：用于将轮胎半径，后桥速比和车速转换为传动轴转速；

[0018] 缓速器模块：用于将气压和传动轴转速转化为缓速器制动扭矩，进而通过缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到缓速器制动力；

[0019] 排气制动模块：用于将传动轴转速和变速箱档位转化为发动机转速，并以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动功率，然后计算出排气制动扭矩，进而通过排气制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到排气制动力；

[0020] 风阻模块：用于将空气阻力系数、迎风面积和车速转化为风阻制动力；

[0021] 道路阻力模块：用于将坡度、车重和摩擦阻力系数转化为道路阻力制动力；

[0022] 车速转化模块：用于将缓速器制动力、排气制动力、风阻制动力和道路阻力制动力叠加为总制动力，然后转化为加速度；

[0023] 车速输出模块：用于将加速度转化为车速，并将车速传递给传动轴转速转换模块和风阻模块。

[0024] 进一步地，还包括恒速PID控制模块：用于接收车速输出模块的车速，并根据车速与目标车速的差值调解自身参数，然后将输出的气压值传送给缓速器模块。

[0025] 进一步地，缓速器模块包括用于将气压和传动轴转速转化为缓速器制动扭矩的制动扭矩转换子模块和用于将缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径转化为缓速器制动力的制动力转换子模块，其中制动扭矩转换子模块包括用于模拟缓速器充油过程的惯性环节模块。

[0026] 进一步地，排气制动模块包括用于将传动轴转速和变速箱档位转化为发动机转速，并以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动扭矩的排气制动子模块，其中排气制动子模块包括用于判断发动机转速是否大于设定值的if-else判断模块，若是，以公式T＝P×9550/N计算出排气制动扭矩，其中T为排气制动扭矩，P为排气制动功率，N为发动机转速；若否，排气制动扭矩为0。

[0027] 进一步地，坡度通过坡度采集传感器采集。

[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0029] 本发明以MATLAB/SIMULINK为工具，建立包括环境阻力在内的缓速器和排气制动联合制动控制系统，通过快捷的改变控制模型参数来获得精确的缓速器和排气制动联合制动的结果，可以借此控制系统模型快速、准确、有效的得出缓速器的恒速和制动效果，而且此控制系统模型全部为模块化形式，方便后续开发整车制动系统(缓速器制动、行车主制动、发动机制动、排气制动)的移植等。并建立不同工况下缓速器匹配整车的数据库，有效的缩短缓速器匹配整车的前期理论计算，可以对整车厂匹配缓速器尤其在批量化的整车匹配缓速器过程中，做出快速高效准确的响应，缩短缓速器匹配整车的周期，有效的提高工作效率，节约成本，提高经济效益。附图说明

[0030] 图1是本发明的控制系统整体框架图；

[0031] 图2是缓速器模块示意图；

[0032] 图3是制动扭矩转换子模块示意图；

[0033] 图4是制动力转换子模块示意图；

[0034] 图5是排气制动模块示意图；

[0035] 图6是排气制动子模块示意图；

[0036] 图7是风阻模块示意图；

[0037] 图8是道路阻力模块示意图；

[0038] 图9是正弦子模块示意图；

[0039] 图10是余弦子模块示意图；

[0040] 图11是恒速PID算法示意图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0042] 缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型建立方法，包括：

[0043] 1)通过反复的台架实验获得缓速器的外特性曲线，即：气压-传动轴转速-缓速器制动扭矩关系；

[0044] 2)通过反复转鼓获得准确的排气制动外特性曲线，即：发动机转速-排气制动功率关系；

[0045] 3)根据轮胎半径，后桥速比和车速获得传动轴转速，以缓速器的外特性曲线为依据，根据气压和传动轴转速获得缓速器制动扭矩，其方法为根据气压-传动轴转速-制动扭矩关系在MATLAB/SIMULINK中进行三维制表并插值查表即能够获得任何气压和整车传动轴转速下对应的缓速器制动扭矩，进而通过缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到缓速器制动力；

[0046] 根据传动轴转速和变速箱档位获得发动机转速，以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动功率，其方法为根据发动机转速-排气制动功率关系在MATLAB/SIMULINK中进行二维制表并插值查表即能够得到任何发动机转速下的排气制动功率，然后计算出排气制动扭矩，当发动机转速＞设定值时，T＝P×9550/N，其中T为排气制动扭矩，P为排气制动功率，N为发动机转速；当发动机转速≤设定值时，排气制动扭矩为0，进而通过排气制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到排气制动力；

[0047] 根据空气阻力系数、迎风面积和车速风阻制动力；根据坡度、车重和摩擦阻力系数获得道路阻力制动力；

[0048] 4)将缓速器制动力、排气制动力、风阻制动力和道路阻力制动力叠加为总制动力，然后转化为加速度，最终转化为速度，从而实现车辆的恒速下坡功能和制动功能，其中恒速下坡功能是以PID算法做为恒速下坡过程中的控制算法，所述的PID算法包括比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td三个参数，通过输入实时车速与目标车速的差值调节参数至合适值，最终使车速保持平稳。

[0049] 参见图1，缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型，包括：

[0050] 传动轴转速转换模块：用于将轮胎半径，后桥速比和车速转换为传动轴转速；

[0051] 缓速器模块：用于将气压和传动轴转速转化为缓速器制动扭矩，进而通过缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到缓速器制动力；缓速器模块包括用于将气压和传动轴转速转化为缓速器制动扭矩的制动扭矩转换子模块和用于将缓速器制动扭矩、后桥速比和轮胎半径转化为缓速器制动力的制动力转换子模块，其中制动扭矩转换子模块包括用于模拟缓速器充油过程的惯性环节模块。

[0052] 排气制动模块：用于将传动轴转速和变速箱档位转化为发动机转速，并以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动功率，然后计算出排气制动扭矩，进而通过排气制动扭矩、后桥速比和轮胎半径得到排气制动力；排气制动模块包括用于将传动轴转速和变速箱档位转化为发动机转速，并以排气制动外特性曲线为依据，根据发动机转速获得排气制动扭矩的排气制动子模块，其中排气制动子模块包括用于判断发动机转速是否大于设定值的if-else判断模块，若是，以公式T＝P×9550/N计算出排气制动扭矩，其中T为排气制动扭矩，P为排气制动功率，N为发动机转速；若否，排气制动扭矩为0。

[0053] 风阻模块：用于将空气阻力系数、迎风面积和车速转化为风阻制动力；

[0054] 道路阻力模块：用于将坡度、车重和摩擦阻力系数转化为道路阻力制动力；其中坡度通过坡度采集传感器采集。

[0055] 车速转化模块：用于将缓速器制动力、排气制动力、风阻制动力和道路阻力制动力叠加为总制动力，然后转化为加速度；

[0056] 车速输出模块：用于将加速度转化为车速，并将车速传递给传动轴转速转换模块和风阻模块；

[0057] 恒速PID控制模块：用于接收车速输出模块的车速，并根据车速与目标车速的差值调解自身参数，并将输出的气压值传送给缓速器模块。

[0058] 参见图2至图4，缓速器模块如图2所示，传动轴转速可以依据轮胎半径、后桥速比和车速计算而来，缓速器模块包括制动扭矩转换子模块和制动力转换子模块，在制动扭矩转换子模块中，其中气压为标定值，传动轴转速为实时计算值，通过缓速器的外特性曲线(气压-传动轴转速-制动扭矩)可以准确的获得缓速器的制动扭矩，在制动力转换子模块中通过扭矩和力的转换关系可以获得缓速器制动力。为了模拟缓速器实际充油过程，在制动扭矩转换子模块中加入了一个惯性环节模块。

[0059] 参见图5和图6，排气制动模型包括排气制动子模块，在排气制动子模块中，以法士特9JSD200T机械变速箱为依据，通过建立发动机转速和排气制动功率二维表，以公式T＝P×9550/N计算出排气制动扭矩，其中:T为扭矩(N·M)，P为功率(kW)，N为发动机转速(rpm)。当发动机转速≤1200rpm时，排气制动输出扭矩将为0，故在排气制动子模块中加入if-else判断模块作为判断。

[0060] 参见图7，在实际行车过程中，风阻与空气阻力系数、迎风面积和车速有关，依据公2 2
式：FA＝S×C×V /21.15来确定，其中，FA为风阻制动力(N)，S为迎风面积(m )，C为空气阻力系数，V为车速(km/h)。空气阻力系数取经验值，对于特定车型，迎风面积为固定值，即对于空气阻力系数和迎风面积都为标定值。

[0061] 参见图8至图10，在下坡时，道路阻力体现为重力沿斜坡方向的分力和滚动摩擦力，在平直道路上只体现为滚动摩擦力，加入坡度传感器采集实时坡度。图9为正弦子模块，将百分坡度转化为角度的正弦值，图10为余弦子模块，将百分坡度转化为角度的余弦值，道路阻力最终的表现形式为：

[0062]

[0063] 其中：m为车重(kg)；g为重力加速度(m/s2)；μ为滚动摩擦系数；i为百分坡度。

[0064] 参见图11，缓速器最重要的功能之一就是恒速下坡功能，对恒速的控制采用PID算法，恒速PID控制模块的输入为实时车速与目标车速的差值，输出为气压值。PID包括三个参数：比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td，参数的调节对PID控制算法非常重要，当参数调节合适时，可以使车速保持的相对平稳减少震荡。通过对现有匹配缓速器实车数据的分析和不断的实验调整，最终确定的PID参数为Kp：8、Ti：4、Td：2，在此参数下，车速可以保持相对的平稳。

[0065] 本发明主要包括缓速器和排气制动联合制动的控制系统模型及其建立方法。整个控制系统模型基于MATLAB/SIMULINK完成，将各部分模块(缓速器模块、排气制动模块、风阻模块和道路阻力模块)各自搭建完，依据整车参数搭建整体框架。

[0066] 对于缓速器模块，以法士特FHB320B并联液力缓速器为依据，在我单位实验中心做大量台架实验，获得准确的气压-传动轴转速-制动扭矩的关系，在MATLAB/SIMULINK中进行三维制表并进行插值。

[0067] 以潍柴WP12发动机，375 马力，法士特9JSD200T机械变速箱，法士特FHB320B并联液力缓速器为整车配置，在转鼓实验室只在排气制动的情况下获得发动机转速和排气制动功率的关系数据，在MATLAB/SIMULINK中进行二维制表并进行插值。风阻模块和道路阻力模块根据各自的数学物理模型进行建立。

[0068] 当整体模块搭建完成以后，对不同的车重和坡度下调试恒速功能，确定出缓速器和排气制动联合制动下在不同特定速度下实现恒速的车重范围和坡度范围，在平路制动过程中，确认缓速器不同气压下和排气制动联合制动的制动加速度。建立不同工况下缓速器匹配整车的数据库，有效的缩短缓速器匹配整车的前期理论计算，可以对整车厂匹配缓速器尤其在批量化的整车匹配缓速器过程中，做出快速高效准确的响应。

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