基于接合指標(biāo)邏輯切換的氣動離合器控制算法研究*

宋世欣,曾華兵,劉 斌

(1.吉林大學(xué),汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025； 2.北京現(xiàn)代汽車有限公司,北京 101300)

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2015095

基于接合指標(biāo)邏輯切換的氣動離合器控制算法研究*

宋世欣1,曾華兵1,劉 斌2

(1.吉林大學(xué),汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025； 2.北京現(xiàn)代汽車有限公司,北京 101300)

針對AMT氣動離合器自動控制系統(tǒng)，采取了基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制算法，其中電磁閥的控制采用PWM開關(guān)閥的比例控制，并基于該控制算法搭建了該系統(tǒng)的控制器。在AMESim中對AMT氣動離合器自動操縱系統(tǒng)建模，并進(jìn)行相關(guān)的仿真。離合器自動操縱系統(tǒng)的臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證了所制定的控制算法的有效性，大大提高了離合器的接合品質(zhì)。

AMT；氣動離合器；控制算法

前言

機(jī)械式自動變速器系統(tǒng)開發(fā)的核心部分是電控系統(tǒng)的開發(fā)，而離合器的控制又是電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，尤其是對氣動離合器控制技術(shù)的研究，離合器自動操縱系統(tǒng)本身就是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，加上氣體的強(qiáng)可壓縮性和氣動傳動的響應(yīng)精度和速度都難以控制，這些都增加了氣動AMT中離合器控制的難度，因此要實(shí)現(xiàn)AMT氣動離合器的精確控制還有諸多的難點(diǎn)需要攻克[2]。

目前在離合器控制的實(shí)際應(yīng)用中，比較前沿的控制策略有基于最優(yōu)控制理論的控制策略和基于模糊理論的模糊控制等[3]，這些控制策略都將離合器的接合位置作為控制目標(biāo)[4]，然而由于控制系統(tǒng)本身的一些特性，先進(jìn)的控制策略并不能達(dá)到比較理想的控制效果，實(shí)際應(yīng)用中使用較為廣泛的控制算法仍為經(jīng)典的PID控制算法[5]，該算法雖然簡單實(shí)用，但由于被控系統(tǒng)復(fù)雜的非線性和氣體的強(qiáng)可壓縮性，導(dǎo)致了系統(tǒng)的控制精度較低、魯棒性較差[6]。本文中采用了基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制算法，能夠克服氣動傳動的大滯后性，并能較好地適應(yīng)膜片彈簧離合器的分段分離特性，具有較強(qiáng)的跟蹤性能和較強(qiáng)的魯棒性，從而提高了系統(tǒng)的控制精度，改善了離合器的接合品質(zhì)。

1 氣動離合器自動操縱系統(tǒng)

本文所研究的離合器氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電磁閥控制閥塊和離合器執(zhí)行氣缸組成[7]。其中離合器控制閥塊為4個(gè)兩位兩通的高速響應(yīng)的開關(guān)電磁閥組合，分別為2個(gè)進(jìn)氣閥和2個(gè)排氣閥。普通的開關(guān)閥只能實(shí)現(xiàn)開和關(guān)兩種狀態(tài)，而研究采用的為高速響應(yīng)的開關(guān)電磁閥，可以通過變速器控制單元(TCU)改變脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制下的占空比，實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)閥的比例開關(guān)功能，從而實(shí)現(xiàn)氣壓的增壓、保壓和減壓的控制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

圖1為離合器氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。其中AMT的電控單元TCU主要用來采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，同時(shí)協(xié)調(diào)與整車控制器和發(fā)動機(jī)控制單元ECU的控制等。TCU是整個(gè)變速器控制的核心單元，本文中采用ST10系列單片機(jī)。離合器控制閥塊即上面提到的為2個(gè)進(jìn)氣閥和2個(gè)排氣閥組成的高速響應(yīng)的開關(guān)電磁閥組合閥塊。離合器執(zhí)行氣缸為氣壓驅(qū)動活塞挺桿從而推動離合器分離撥叉的助力機(jī)構(gòu)。

圖2為離合器氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理圖。TCU控制離合器控制閥塊，通過控制輸入電磁閥1、輸入電磁閥2來控制高壓氣體進(jìn)入離合器執(zhí)行氣缸的快慢，實(shí)現(xiàn)離合器的分離，通過控制輸出電磁閥1、輸出電磁閥2來控制離合器執(zhí)行氣缸的高壓氣體排出的快慢，實(shí)現(xiàn)離合器的接合。

2 氣動離合器控制方法

離合器的自動控制是離合器控制單元根據(jù)采集到的外界路況信息和駕駛員的駕駛意圖等信息來控制離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，從而實(shí)現(xiàn)離合器的自動分離和接合。裝有AMT的車輛對離合器的控制主要是起步階段離合器的控制，而離合器接合過程的控制則是離合器控制的核心。

2.1 離合器最佳接合控制規(guī)律

離合器的整個(gè)接合過程如圖3所示，分為4個(gè)階段：(1)0-t1時(shí)刻為無轉(zhuǎn)矩傳遞階段；(2)t1-t2時(shí)刻為傳遞轉(zhuǎn)矩未克服行駛阻力階段；(3)t2-t3時(shí)刻為傳遞轉(zhuǎn)矩超過行駛阻力階段；(4)t3時(shí)刻之后為同步階段。

圖中：Tc為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩；Tφ為阻力矩；ne、nc分別為離合器主從動盤轉(zhuǎn)速。

分析以上4個(gè)階段可知，無轉(zhuǎn)矩傳遞階段中，離合器不輸出轉(zhuǎn)矩。為了縮短離合器接合的時(shí)間，在該階段應(yīng)盡快接合離合器；在傳遞轉(zhuǎn)矩未克服行駛阻力階段，車輛仍靜止，離合器的接合也不會產(chǎn)生車輛的沖擊，而滑摩功的大小則為

式中：wc為離合器主從動盤的角速度差，rad/s；t1和t2分別為傳遞轉(zhuǎn)矩未克服行駛阻力階段的開始和結(jié)束時(shí)間。

因此該階段要在保證車輛不熄火的前提下盡快接合離合器，使該階段的滑摩功盡可能??；進(jìn)入傳遞轉(zhuǎn)矩超過行駛阻力階段后，車輛開始由靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入運(yùn)動狀態(tài)，隨著離合器的接合，離合器傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩也逐漸增大到與發(fā)動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩一致，此階段中，離合器接合的快慢將直接影響車輛起步?jīng)_擊度的大小和產(chǎn)生滑摩功的大小，這也是離合器控制接合過程中最為關(guān)鍵的一個(gè)階段；同步之后，離合器主從動盤的轉(zhuǎn)速差為零，離合器繼續(xù)接合可以使壓盤的壓力更大，但此時(shí)為靜摩擦，該階段離合器的接合對車輛起步的沖擊和產(chǎn)生滑摩功的大小沒有太大影響，應(yīng)使離合器盡快接合。

因此，制定離合器的最佳接合規(guī)律，其示意圖如圖4所示，圖中1～4分別對應(yīng)圖3中離合器接合過程的4個(gè)階段。由上面分析可知：1、2、4階段應(yīng)盡快完成；離合器的滑摩功產(chǎn)生于2、3階段，而3階段的接合直接影響車輛行駛的平順性，故應(yīng)盡量緩慢接合。

2.2 基于接合指標(biāo)邏輯切換的氣動離合器PID控

制算法 為能實(shí)現(xiàn)離合器的最佳接合過程，必須對離合器的接合過程進(jìn)行有效的控制，而膜片彈簧離合器具有明顯的分段分離特性，每一段的線性程度較高，且離合器接合的時(shí)間較短，因此采用基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制，其原理圖如圖5所示。其中電磁閥的控制采用PWM開關(guān)閥的比例控制[8]。

該控制算法是離合器控制器根據(jù)輸入到控制器中的離合器接合控制參數(shù)(包括車輛的沖擊度、離合器目標(biāo)接合速度與實(shí)際接合速度的差的絕對值、離合器的接合行程等)進(jìn)行邏輯判斷，選擇適合當(dāng)前接合過程的控制參數(shù)，輸出有效的控制命令[9]，來完成離合器的快速平順接合，從而保證車輛平穩(wěn)起步。

3 自動操縱系統(tǒng)的建模與仿真

根據(jù)上述介紹的離合器自動操縱系統(tǒng)的工作原理，運(yùn)用LMS Imagine.Lab AMESim這一多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真軟件對離合器分離、接合過程建模并進(jìn)行仿真[10]。本文的建模過程將離合器的分離和接合過程分開，使搭建的模型針對性更強(qiáng)，目標(biāo)更為明確，同時(shí)也降低了控制難度，更好地分析離合器的分離和接合過程。仿真中用的氣動源為氣制動時(shí)用的儲氣泵內(nèi)的壓縮氣體[11]，其特性參數(shù)如表1所示。

表1 氣動源內(nèi)壓縮氣體的特性參數(shù)

仿真中離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置如表2所示[12]。

表2 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，在AMESim中建立該氣動離合器自動操縱系統(tǒng)的控制仿真模型[13]，為了驗(yàn)證控制算法的有效性，通過以下兩種控制方式對離合器的接合過程進(jìn)行仿真分析。

(1) 離合器的目標(biāo)位置為一個(gè)階躍信號，離合器接合過程中能夠在某一個(gè)目標(biāo)位置保持一段時(shí)間，最后完成離合器的接合。仿真結(jié)果如圖6所示。

(2) 離合器目標(biāo)位置為按照一定斜率(k1、k2和k3)變化的信號，變速器控制單元能夠通過調(diào)節(jié)離合器閥塊的充放氣，使離合器按照目標(biāo)位置進(jìn)行接合。仿真結(jié)果如圖7所示。

通過分析仿真結(jié)果，可以看出離合器分離行程能夠迅速地響應(yīng)目標(biāo)位置的變化，并且最終能夠穩(wěn)定在目標(biāo)位置，控制精度較高。在目標(biāo)位置為一斜率變化的信號時(shí)，離合器分離行程能夠很好地跟蹤目標(biāo)位置的變化，并最終達(dá)到分離位置。從而驗(yàn)證了本文中采用的控制算法在對離合器目標(biāo)位置控制、離合器目標(biāo)速度控制和離合器位置的控制精度方面具有較好的控制效果。

4 試驗(yàn)研究

將基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制技術(shù)應(yīng)用于該氣動離合器自動控制系統(tǒng)，通過模擬離合器按照正?！翱?慢-快”接合規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)，離合器控制器通過采集到的離合器分離行程信號和執(zhí)行氣缸壓力信號，控制離合器分離和接合的位置與速度。車輛行駛過程中，離合器的接合點(diǎn)、半接合點(diǎn)和分離點(diǎn)皆可通過控制器的自學(xué)習(xí)功能獲得，在本試驗(yàn)中，設(shè)定半接合點(diǎn)為2 600mV，同步點(diǎn)為2 300mV，即要求從3 200到2 600mV時(shí)為快接合，從2 600到2 300mV時(shí)為慢結(jié)合，從2 300mV到接合點(diǎn)為快接合。為了驗(yàn)證基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制技術(shù)的有效性，試驗(yàn)中通過修改控制器中采用的控制算法對離合器的接合品質(zhì)進(jìn)行對比。采用經(jīng)典PID控制算法和本文中制定的控制算法的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖8和圖9所示。圖中dx為離合器目標(biāo)位置變化斜率。

通過圖6仿真數(shù)據(jù)和圖9試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比可見，仿真數(shù)據(jù)中，在離合器目標(biāo)位置為一階躍信號時(shí)，在信號穩(wěn)定階段，離合器實(shí)際位置能夠精確地吻合離合器目標(biāo)位置，而在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，在1s和5s位置，離合器實(shí)際位置能夠準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)位置，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致。通過圖7仿真數(shù)據(jù)和圖9試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析對比可知，離合器目標(biāo)位置為一斜率變化曲線時(shí)，離合器實(shí)際位置能夠快速地跟蹤目標(biāo)位置，仿真數(shù)據(jù)中的跟蹤遲滯時(shí)間穩(wěn)定，過程平緩，圖9試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，離合器跟蹤遲滯時(shí)間與仿真數(shù)據(jù)基本相同；而且對比圖8和圖9發(fā)現(xiàn)，采用基于離合器結(jié)合指標(biāo)邏輯切換的PID控制算法，離合器跟蹤遲滯時(shí)間更短，說明離合器響應(yīng)速度和精度都得到提高，驗(yàn)證了控制算法的正確性，采用基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制具有更強(qiáng)的魯棒性和更高的控制精度。

采用新的控制算法后，離合器執(zhí)行氣缸壓力變化更加平穩(wěn)，在采樣時(shí)間2s處得到了體現(xiàn)。本文中采用的控制算法相比工程中常用到的經(jīng)典PID控制算法，在離合器接合的開始階段能夠更快速地作出響應(yīng)，克服了氣動傳動系統(tǒng)的強(qiáng)滯后性，并且控制精度相比經(jīng)典PID控制有了很大的提高，使得該控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

5 結(jié)論

氣動離合器自動控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的時(shí)滯性和非線性，增加了控制的難度，而采用基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制技術(shù)，在很大程度上提高了系統(tǒng)的控制精度，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性，從而提高了離合器的接合品質(zhì)。因此，在不增加硬件加工成本的前提下，針對解決氣動離合器自動控制系統(tǒng)的控制精度低的問題，采用基于離合器接合指標(biāo)邏輯切換的PID控制算法有很大的應(yīng)用前景。

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A Study on the Control Algorithm for Pneumatic Clutch Basedon Engagement Indicator Logic Switching

Song Shixin1, Zeng Huabing1& Liu Bin2

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025;2.BeijingHyundaiMotorCo.,Ltd.,Beijing101300

A PID control algorithm for the automatic control system of AMT pneumatic clutch is adopted based on engagement indicator logic switching of clutch, in which the proportional control of PWM on-off valve is used for solenoid valve control and the controller for the system is built based on that control algorithm. A model for the automatic control system of AMT pneumatic clutch is established with AMESim and a corresponding simulation is conducted. The results of the bench test of clutch automatic control system verify the effectiveness of the control algorithm set up, which greatly enhances the engagement quality of clutch.

AMT; pneumatic clutch; control algorithm

*國家自然科學(xué)基金(50505014)、國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111712)和吉林大學(xué)985工程資助。

原稿收到日期為2013年9月25日，修改稿收到日期為2014年6月11日。