DCT換擋液壓系統(tǒng)主油壓閥的模糊PID控制

孔慧芳，張恩源，鮑 偉

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

雙離合器式自動變速器（DCT）綜合了電控機(jī)械式自動變速器（AMT）和液力機(jī)械式自動變速器（AT）的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的自動變速器[1-2]。DCT采用液壓閥做執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DCT液壓系統(tǒng)能否按照既定的要求正常可靠地運(yùn)行，在很大程度上取決于液壓閥的性能優(yōu)劣[3-4]，因此對液壓系統(tǒng)中的電磁閥進(jìn)行有效控制就顯得尤為重要。

文中以裝載了濕式雙離合器式自動變速系統(tǒng)的主油壓閥為研究對象，分析了液壓換擋系統(tǒng)主油壓閥的工作原理，建立了主油壓閥的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)殡姶砰y具有非線性、參數(shù)時(shí)變、數(shù)學(xué)模型無法精準(zhǔn)獲得等特點(diǎn)，故采用模糊 PID控制器控制換擋壓力，提高抗干擾能力，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 DCT換擋液壓控制系統(tǒng)主油壓閥的數(shù)學(xué)建模

1.1 DCT換擋液壓系統(tǒng)主油壓閥的工作原理

液壓換擋系統(tǒng)的主油壓電磁閥為直動式電液比例減壓閥，根據(jù)直動式電液比例閥的工作原理，可以得到其傳遞函數(shù)。圖 1為直動式電液比例減壓閥的原理圖，其中比例電磁鐵提供指令力信號，減壓閥處于常開狀態(tài)，閥芯右端面直接驅(qū)動閥芯。

直動式電液比例閥的閥芯受力方程為[7]

式中，M 為閥芯質(zhì)量，kg；Bv為閥芯粘性阻尼系數(shù)，N·s/m；Bt為瞬態(tài)液動力阻尼系數(shù)，N·s/m；Ks為液動力彈簧剛度，N/m；A為出口壓力反饋?zhàn)饔妹娣e，m2。

當(dāng)給比例電磁鐵通電后，閥芯向右移動，這時(shí)閥口打開到最大開口位置，隨著負(fù)載的增加，減壓閥出口壓力隨著增加，出口壓力通過反饋通道作用在閥芯右端，與輸入的電磁力比較，當(dāng)比例減壓閥電磁力所對應(yīng)的輸出壓力高于其負(fù)載決定的壓力時(shí)，減壓閥口的開度不變化，減壓閥不起減壓作用。當(dāng)比例減壓閥的電磁力所對應(yīng)的輸出壓力等于其出口負(fù)載決定的壓力時(shí)，減壓閥開始起減壓作用，閥口開度減小，減壓縫隙的變化對應(yīng)一定的壓差，出口壓力基本上不隨進(jìn)口壓力的變化而變化。這樣保證了出口壓力保持不變，并且與輸入電流成正比，如果出口壓力對閥芯的作用力大于電磁力，閥芯左移，A口與T口相通，使A口壓力下降，直到閥芯處于新的平衡位置。

1.2 DCT換擋液壓系統(tǒng)主油壓閥的數(shù)學(xué)建模

比例電磁鐵輸出力方程

式中，K2為比例電磁鐵的電流-力增益系數(shù)，N/A。

減壓閥出口流量-壓力方程

在負(fù)載流量為零時(shí)，流量連續(xù)方程為

對上述公式進(jìn)行拉式變換可得

式中各參數(shù)值如表1所示。

表1 主油壓閥仿真參數(shù)表

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，可以提高被控對象的適應(yīng)能力，即魯棒性較好。常用的方法有2種：一種是將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的雙?？刂苹驈?fù)合控制；另一種是通過模糊推理自適應(yīng)整定，調(diào)整PID參數(shù)[7]。文中采用第1種方法。

根據(jù)直動式電液比例減壓閥傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)的基于模糊PID雙?？刂扑惴ǖ目刂颇Ｐ腿鐖D2所示，用來控制油壓，使油壓的變化滿足需要。圖中r為輸入量，e為輸入和輸出的誤差量，y為輸出量。

模糊-PID復(fù)合控制的策略是：在誤差或者誤差變化較大時(shí)采用模糊控制，在誤差小時(shí)轉(zhuǎn)化為PID控制?；蛘哒f由模糊控制負(fù)責(zé)粗調(diào)、由 PID負(fù)責(zé)細(xì)調(diào)。二者的轉(zhuǎn)換根據(jù)設(shè)定的誤差閥值由計(jì)算機(jī)軟件自動實(shí)現(xiàn)。誤差閥值的計(jì)算公式為

其中，emax為誤差最大值，n為量化級數(shù)[8]。

文中設(shè)計(jì)的控制器中，量化級數(shù)n=7，根據(jù)計(jì)算公式，誤差最大值emax為3，所以設(shè)置為 0.2。

電磁閥通過控制輸入電流來控制輸出壓力。設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)以電磁閥輸出壓力的誤差 e和輸出壓力的誤差變化率Δe作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出為電流增量Δi。

1）輸入量的模糊化。將壓力誤差的模糊語言定為：{負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）}，設(shè)定基本論域?yàn)椋簕-2，-1，0，1，2}；輸出壓力的變化率的模糊語言定義為：{負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正大（PB）}，設(shè)定基本論域?yàn)椋簕-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；

2）輸出量的模糊化。將輸出離合器壓力增量Δi 的模糊語言定義為：{負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）}，設(shè)定基本論域?yàn)椋簕-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。

3）模糊控制規(guī)則的確定。模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是將操作員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，從而得出一條條模糊條件語句的集合。確定模糊控制規(guī)則的原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動態(tài)性能達(dá)到最佳，如圖3所示。

4）清晰化。采用最大隸屬度法。若輸出量模糊集合C′的隸屬度函數(shù)只有一個峰值，則取隸屬度函數(shù)的最大值為清晰值，即

其中，z0為清晰值。若輸出量的隸屬度函數(shù)有多個極值，則取這些極值的平均值為清晰值。

利用上述設(shè)計(jì)的模糊控制器可以建立比例電液閥的模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。其中P=0.8，I=0.6，D=0.1。

3 仿真結(jié)果與分析

由于電磁閥在工作時(shí)不是理想的狀態(tài)，可能會出現(xiàn)勞損、磨損或者卡滯等現(xiàn)象，造成閥口面積梯度變化或者閥口流量系數(shù)變化等。這時(shí)，主油壓閥的傳遞函數(shù)將發(fā)生變化，傳統(tǒng)的PID控制器由于參數(shù)并不變化，可能無法保證控制的效果。

取閥口面積梯度為2.512×10-2，閥口流量系數(shù)為0.62時(shí)，仿真結(jié)果如圖5（a）所示；取閥口面積梯度為2.0×10-2，閥口流量系數(shù)為0.5時(shí)，仿真結(jié)果如圖5b所示。

仿真結(jié)果可見，模糊PID與常規(guī)PID的控制方式相比具有超調(diào)量小和調(diào)節(jié)時(shí)間短的優(yōu)勢。這是因?yàn)槟：齈ID控制規(guī)則是通過專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則，當(dāng)被控對象發(fā)生變化時(shí)，模糊控制器仍然可以進(jìn)行有效控制，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試后其魯棒性很容易達(dá)到要求。

4 結(jié) 論

在分析雙離合式自動變速器液壓換擋系統(tǒng)主油壓閥的工作原理的基礎(chǔ)上，建立了主油壓閥的數(shù)學(xué)模型。通過理論分析，依據(jù)主油壓閥的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。仿真結(jié)果表明該控制器在電磁閥的某些參數(shù)改變，并導(dǎo)致其傳遞函數(shù)變化的情況下，仍然能保證良好的控制效果，即在模糊PID控制算法下能夠滿足系統(tǒng)的魯棒性要求。

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