基于四參數(shù)輸入的全電AMT離合器模糊控制仿真與試驗(yàn)研究

楊 樂，李翔晟

YANG Le，LI Xiang-sheng

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

全電AMT（電控機(jī)械式自動(dòng)變速器）是在傳統(tǒng)手動(dòng)變速箱基礎(chǔ)上，用電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)取代手動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)離合器自動(dòng)離合和自動(dòng)選換檔位。汽車起步過(guò)程中的離合器控制是難點(diǎn)和核心[1]。在起步過(guò)程中，電控單元根據(jù)傳感器采集的信息，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩以及離合器接合速度進(jìn)行控制，既要滿足起步過(guò)程平穩(wěn)，減小汽車傳動(dòng)系受到的機(jī)械沖擊，提高乘坐的舒適性；又要盡量縮短起步時(shí)間，減少滑磨功損失以提高離合器的使用壽命。因此，必須平衡處理滑磨功和沖擊度這一對(duì)相互矛盾的評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。

目前，針對(duì)AMT起步過(guò)程離合器控制，主要有以下方法：定量反饋控制[3]、優(yōu)化控制[4]等。同時(shí)，針對(duì)AMT發(fā)動(dòng)機(jī)控制主要有開環(huán)斷油控制和模糊控制[5，6]等研究方法。為了提高AMT車輛的起步品質(zhì)，在基于油門開度和油門開度變化率兩參數(shù)控制[7]的基礎(chǔ)上，增加起步阻力以及離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差比作為模糊控制器的輸入條件，對(duì)離合器的接合速度進(jìn)行控制和優(yōu)化，使車輛起步控制能更加全面真實(shí)的反映主客觀情況，有效的減小沖擊度，降低接合過(guò)程的滑磨損耗。

1 離合器接合過(guò)程數(shù)學(xué)模型及分析

車輛起步過(guò)程中，伴隨著離合器的狀態(tài)由分離到接合。此過(guò)程可以分為三個(gè)階段：自由行程段、滑磨階段、完全接合階段。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速、離合器傳遞的摩擦扭矩以及起步阻力矩 之間的關(guān)系如圖1所示。離合器接合行程與其傳遞的摩擦扭矩的關(guān)系如圖2所示。

圖1 離合器起步過(guò)程接合示意圖

圖2 離合器行程L與摩擦扭矩的關(guān)系圖

1）自由行程階段

在圖1的OA階段（圖2的中I段），離合器主、從動(dòng)盤未接觸，離合器應(yīng)加快速接合速度，以消除主從動(dòng)片間的間隙，縮短起步時(shí)間。此階段無(wú)扭矩傳遞，無(wú)沖擊和磨擦損耗。

2）滑膜階段

汽車起步過(guò)程中的滑膜階段為圖1的AC段（圖2的中II段），包含從離合器開始傳遞磨擦扭矩到離合器主從動(dòng)盤完成同步的整個(gè)過(guò)程。

在AB階段，離合器主從動(dòng)盤開始開始接觸并傳遞磨擦扭矩且逐漸增大，但仍不足以克服車輛的起步阻力矩。離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速仍為0，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有下降。B時(shí)刻離合器處于半接合點(diǎn)位置。此時(shí)，離合器摩擦力矩Tc等于車輛起步阻力矩，車輛處于運(yùn)動(dòng)與靜止的臨界狀態(tài)。此階段主從動(dòng)盤間存在磨損，但不產(chǎn)生車輛沖擊。此階段的滑磨功可表示為：

在BC階段，車輛開始起步，從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速開始增加。為獲得平穩(wěn)起步，應(yīng)放緩接合速度，減少傳動(dòng)系的沖擊載荷。同時(shí)，應(yīng)避免滑磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響離合器使用壽命。此階段的滑磨功為：

由上式可以知道：

(1)車輛起步阻力矩越大，則磨擦力矩越大，滑磨功越多；

(2)油門開度越大，則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，離合器主從動(dòng)盤速差越大，滑磨功越多。

3）完全接合階段

離合器慢接合到達(dá)圖1的C點(diǎn)之后（圖2 中的III段），主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速完成同步。此時(shí)的接合速度對(duì)于沖擊度和滑磨功W沒有影響。因此，此階段應(yīng)以盡快的速度達(dá)到完全結(jié)合位置。在過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步下降，在這一階段要通過(guò)踩油門配合以控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，避免熄火。

2 起步評(píng)價(jià)

車輛起步品質(zhì)的好壞可以用沖擊度的大小來(lái)評(píng)價(jià)。為平衡沖擊度與滑磨功，保證滑磨損失不至于過(guò)大，要使沖擊度適中。沖擊度用J（最大推薦值為10m/s3）表示：

式中a為車輛的縱向加速度。

根據(jù)汽車的行駛方程[8]：

式中，Tc為離合器傳遞的摩擦扭矩；m為汽車總質(zhì)量（kg）；r為汽車驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑；i0為主減速比；ig為變速箱速比；為傳動(dòng)系傳動(dòng)效率；為汽車平移質(zhì)量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。根據(jù)（4）式并簡(jiǎn)化得：

由于道路阻力矩變化不大，簡(jiǎn)化后得沖擊度的表達(dá)式為：

可見，起步階段的磨擦扭矩變化率決定車輛沖擊度。想要控制沖擊度在一定的范圍內(nèi)，磨擦扭矩的變化應(yīng)保持平緩，不應(yīng)有較大的突變。在半接合狀態(tài)，有如下關(guān)系[9]：

式中：L為離合器行程，Kc為離合器膜片彈簧剛度。由式（7）可知，磨擦扭矩的變化率由接合速度決定。因此，離合器的接合速度決定汽車起步階段的沖擊度。

3 模糊控制

3.1 離合器接合控制過(guò)程輸入?yún)?shù)的選取

在車輛的起步過(guò)程中，駕駛員的起步意圖和起步工況將決定車輛的起步品質(zhì)。而選取合適的控制參數(shù)，對(duì)離合器的控制至關(guān)重要。

1）起步阻力

2）油門開度 及其變化率

油門開度 以及變化率是駕駛員起步意圖的體現(xiàn)。駕駛員可以通過(guò)調(diào)節(jié)油門開度，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，決定離合器接合速度Vc。在ne突然上升時(shí)，說(shuō)明離合器接合速度過(guò)慢而油門開度變化率增加較快，此時(shí)應(yīng)該加快離合器的接合速度來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；在ne突然下降時(shí)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大，應(yīng)減小離合器的接合量，應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。油門開度的變化率體現(xiàn)了駕駛員綜合路況車況等因素之后做出的判斷。不同的油門開度及其變化率，體現(xiàn)不同的駕駛意圖。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne及離合器主從動(dòng)片的轉(zhuǎn)速差比

離合器的接合速度將影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne，二者存在ne=f(vc)的關(guān)系。在起步階段，離合器接合速度過(guò)快，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降甚至熄火；接合速度過(guò)慢，則會(huì)引起滑磨功增加。離合器主從動(dòng)片的速差比N=(ne-vc)/ne，它反映了離合器的接合程度。速差比大時(shí)，適當(dāng)降低接合速度以減小起步?jīng)_擊；速差比小時(shí)，可以適當(dāng)加快接合速度，縮短滑磨時(shí)間。

3.2 模糊控制原理

模糊控制的原理是：把控制器的輸入變量，經(jīng)過(guò)模糊化、依據(jù)模糊規(guī)則庫(kù)進(jìn)行的模糊推理、清晰化，輸出控制量的過(guò)程。其原理如圖3所示。

圖3 模糊控制原理圖

圖4 離合器模糊控制框架圖

由油門開度 及其變化率共同反映駕駛員起步意圖，綜合主從動(dòng)盤速差比N來(lái)決定離合器初級(jí)接合速度。根據(jù)不同的起步阻力，控制離合器最終接合速度。離合器模糊控制框架圖如圖4所示。

1）輸入輸出變量的模糊分割

為取得滿意的控制效果，同時(shí)避免控制規(guī)則過(guò)于復(fù)雜，應(yīng)靈活的劃分模糊變量的論域等級(jí)。此模糊控制中，將油門開度（0-）分為7個(gè)區(qū)間：{非常?。╒S）、?。⊿）、較小（LS）、中(M)、較大(LB)、大（B）、非常大（VB）}；油門開度變化率的模糊量論域集為{負(fù)大（NB）、負(fù)中（N M）、負(fù)?。∟ S）、零(Z E)、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}；速差比的論域集可用{小（S）、中（M）、大（B）}共3個(gè)狀態(tài)量表示；起步阻力的論域集可分為{?。⊿）、較?。↙S）、中(M)、較大(LB)、大（B）}?？刂破鞯妮敵隽侩x合器接合速度的論域集為{非常小（VS）、?。⊿）、較小（LS）、中(M)、較大(LB)、大（B）、非常大（VB）}。因此，此模糊控制器最多可能有M=7×7×3×5=735條模糊規(guī)則。

2）隸屬函數(shù)

此模糊集合的隸屬度函數(shù)采用高斯函數(shù)，其表達(dá)式為：

式中，x0決定函數(shù)的中心位置；是方差。決定函數(shù)的寬度，即靈敏度。

3）模糊推理算法

本系統(tǒng)采用Mamdani系統(tǒng)。Mamdani模糊規(guī)則的前件與后件均是用語(yǔ)言表示的模糊集合。此方法模擬人的控制過(guò)程，且不要求已知的受控對(duì)象模型，實(shí)現(xiàn)比較容易[10]。本系統(tǒng)的輸入輸出變量的模糊控制規(guī)則如表1～表3所示。

表1 油門開度與油門開度變化率控制接合速度規(guī)則表

表2 油門開度與起步阻力控制接合速度規(guī)則表

表3 油門開度與轉(zhuǎn)速差比控制接合速度規(guī)則表

4 仿真及分析

將油門開度、油門開度變化率、轉(zhuǎn)速差比以及起步阻力作為輸入變量，借助軟件MATLAB/Simulink，使用控制單一變量的試驗(yàn)方法，分別對(duì)車輛在平路和坡路、滿載和空載的情況下，進(jìn)行快/慢起步的仿真。綜合分析各起步時(shí)離合器的接合情況。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 車輛起步過(guò)程中的離合器接合狀態(tài)

表4 起步工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖5可以看出各起步工況下的同步轉(zhuǎn)速、半接合點(diǎn)以及同步時(shí)間；表4則可以得出不同起步工況下的沖擊度及其變化。

1）起步意圖的不同，會(huì)影響離合器的接合狀態(tài)。相較于慢起步，車輛快起步過(guò)程中，半接合點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間更早，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速變化率更大，沖擊度增大，整個(gè)過(guò)程離合器接合速度更快。

2）起步阻力的變化，同樣會(huì)影響離合器的接合過(guò)程。在坡道或滿載的情況下，由于起步阻力矩增大，需要更大的摩擦扭矩才能達(dá)到半接合點(diǎn)，半接合點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間更晚。同時(shí)，離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速變化緩慢，離合器接合速度較慢，使得滑磨時(shí)間增長(zhǎng)，滑磨功增大。

5 結(jié)論

本文在對(duì)起步過(guò)程離合器接合過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以油門開度、油門開度變化率、離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差比以及起步阻力作為模糊控制的輸入，基于駕駛員的經(jīng)驗(yàn)，提出離合器的模糊控制方法并對(duì)六種離合器起步工況進(jìn)行模型仿真。仿真結(jié)果表明，運(yùn)用四參數(shù)輸入模糊控制的方法，通過(guò)控制單一變量，能夠很好的控制離合器的接合，全面的反映離合器接合過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器狀態(tài)。制定較好模糊控制策略，可以減少起步階段的機(jī)械沖擊，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，減少滑磨功，延長(zhǎng)離合器的使用壽命。

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