工程机械在国民经济的发展中,发挥着重要作用。在当前节能减排和产业升级的背景下,对工程机械的燃油经济性、排放性能、工况适应能力以及智能化控制水平提出了更高的要求。变速传动系统是工程机械的关键部件,工程机械作业环境复杂,作业载荷变化剧烈,由于液力机械自动变速系统具有自动适应性好、起步加速平稳、缓冲减震等优点,得到了广泛应用。可是,由于液力变矩器的存在,导致整个液力机械传动系统的效率比较低。因此,在现有的传动技术条件下,开发出一款全新的自动变速传动系统,并制定相关的控制策略以提升工程机械的综合作业性能,是当前国内工程机械发展的迫切需要。本文依托于国家自然科学基金“新型回流式液力机械自动变速传动系统设计理论与控制方法”（项目编号:51375505）和“回流变速传动系列构建及其设计理论与控制方法”（项目编号:51875055）,针对配备液力式回流自动变速系统（power-cycling continuously variable transmission,PCVT）的装载机复杂多变的工况特点和特殊的结构传动特点,以改善燃油经济性和动力性、提高作业效率,改善起步换挡品质为目标,深入研究不同作业工况下PCVT装载机的换挡策略、起步及换挡过程控制方法。本文的主要研究内容如下:（1）根据PCVT装载机的传动结构和传动机理,从动力传递和运动学分析的角度,推导了系统的速比和效率特性;为了便于后边的动力学分析,建立了装载机整车系统各部分模型;同时,为了使理论建模尽可能与实际相符,引入了包括铲掘阻力在内的装载机阻力模型。（2）分析了PCVT系统的换挡特点,认为其换挡是无级调速和有级变速的结合形式,提出以“油门开度、车速和液力变矩器工况点”为换挡控制参数,基于柴油机稳态实验数据,提出了三参数最佳动力性和最佳经济性换挡策略。装载机通常运行在典型工况下,而采用基本换挡策略,往往要在最佳动力性和经济性模式下来回切换,故这里利用动态规划算法,并通过增加惩罚函数用于避免频繁换挡现象,优化设计了PCVT装载机在V型作业工况下的最佳换挡规律。（3）当装载机在非稳态工况（整机质量和坡度经常发生改变）作业时,基于稳态工况制定的换挡策略不再适用,采用双遗忘因子最小二乘法对PCVT装载机的整机质量和道路坡度进行辨识。研究了装载机不同装载质量对PCVT换挡规律的影响及其变化规律,提出了基于装载质量变化的自适应修正换挡策略;研究了在不同的上坡坡度下PCVT换挡点的变化规律,提出了不同上坡坡度的换挡点的修正方法,仿真结果表明,所提出的上坡修正策略能在保证动力性的前提下,有效地避免了上坡循环换挡现象,并能保证液力变矩器工作于高效率区域,提高了燃油经济性;基于发动机的制动特性,研究了带挡滑行时不同下坡坡度下的平衡车速的变化规律,并基于下坡平衡车速制定了下坡工况的换挡策略,最后仿真验证了所提出的下坡换挡策略可以充分利用发动机制动,有效保证下坡行驶安全。（4）基于PCVT结构的特殊性和存在功率回流的特点,提出了纯油门起步和离合器起步两种起步方式,建立了PCVT起步动力学模型。在发动机恒转速控制的基础上,分析了纯油门起步与离合器起步过程,制定了起步时发动机油门和离合器接合速度的控制策略。为了实现PCVT起步性能的综合优化,这里以冲击度、滑磨功、液力变矩器发热量和起步时间为起步评价指标,优化两种起步方式的PID控制器的控制参数。仿真结果表明:与纯油门起步方式相比,PCVT装载机采用离合器起步时液力变矩器的发热量较少,但是多了一项离合器的滑磨功。通过优化,两种起步方式均能有效地降低冲击度,保证平稳起步。（5）建立了换挡过程动力学模型,同时详细分析了PCVT的换挡过程。在转矩相阶段,提出以冲击度和滑磨功作为优化目标函数,采用二次型最优控制理论优化了离合器的接合转矩变化率,该阶段发动机采取PID闭环控制;在惯性相阶段,为了保证系统速比的突变不引起回流传动系统较大的转矩变化,提出以离合器主从动盘转速差、液力变矩器实际与目标速比差和PCVT系统效率变化率为输入,利用模糊控制算法设计了离合器控制器,以发动机的目标与实际转速差、液力变矩器实际与目标速比差和PCVT系统效率变化率为输入,利用模糊控制算法设计了发动机转矩控制器。仿真结果表明,提出的换挡过程控制策略可以实现平顺换挡和满足控制要求。（6）搭建了三相异步电机驱动的液力变矩器和液力式回流传动系统样机试验台架,利用台架开展了液力变矩器以及液力式回流基本性能研究。试验首先证实了PCVT传动方案的可行性;通过液力变矩器和样机试验分别获得基本性能参数。