基于模糊控制的自動離合器起步控制研究

莫舒玥（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023）

基于模糊控制的自動離合器起步控制研究

莫舒玥
（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023）

對微型汽車自動離合器起步控制進(jìn)行了研究，根據(jù)汽車起步時機(jī)械式離合器接合的工作狀況，選擇模糊控制技術(shù)對自動離合器起步控制，利用MATLAB/SIMULINK軟件搭建自動離合器主要的起步仿真模型，并選取慢、正常、急起步和15°坡道正常起步的4種起步工況進(jìn)行臺架試驗。試驗結(jié)果表明，模糊控制技術(shù)可以實現(xiàn)對自動離合器的控制，實現(xiàn)車輛的順利起步。另外，自動離合器的裝車試驗也證明均能按照駕駛員的旨意完成起步控制，實現(xiàn)車輛順利起步。

自動離合器 起步控制 模糊控制技術(shù)

1　前言

自動離合器（Automatic Clutch System，ACS）主要針對手動變速器的機(jī)械式離合器進(jìn)行改進(jìn)，加裝一套自動控制離合器分離、接合的機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)無需駕駛員踩踏離合踏板，也能實現(xiàn)離合器自動分離與接合，駕駛員只需操控?fù)Q擋即可實現(xiàn)車輛的起步和正常的換擋過程［1］。ACS可以解決目前微型汽車手動變速器操作不方便的缺點(diǎn)，在不改變原車主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加裝一套自動離合器控制機(jī)構(gòu)即可實現(xiàn)自動離合器的功能。ACS的優(yōu)勢有，改裝結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，改裝之后可以提高車輛操控的便利性和安全性［2］；與自動檔車型相比，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。而且在自動離合器出現(xiàn)故障的情況下，還可通過腳踩離合的方式進(jìn)行離合器的接合分離，提高安全性和可靠性。

目前國內(nèi)外均有不少機(jī)構(gòu)或汽車廠商研究設(shè)計自動離合器，如奔馳、寶馬等廠商，在其某些微型車上使用自動離合器，國內(nèi)也有一些品牌如比亞迪、中華等車型上使用自動離合器。但是，由于車輛在起步或行駛過程中，受駕駛員操作、路況等因素的影響不斷變化，規(guī)律復(fù)雜，用軟件進(jìn)行精確的模擬比較困難，存在起步車輛抖動和行駛過程換擋抖動的現(xiàn)象，影響了車輛的乘坐舒適性和安全性，也影響了自動離合器的發(fā)展。

本文主要針對起步時自動離合器接合過程進(jìn)行研究，采用模糊控制技術(shù)搭建起步控制模型，實現(xiàn)對起步過程駕駛員不同起步意圖和不同路況下自動離合器的控制，實現(xiàn)車輛的順利起步。

2　研究內(nèi)容和方法

2.1車輛起步離合器接合研究

手動變速器的車輛在起步時的要求是快速平穩(wěn)起步，盡量減少沖擊以提高乘坐舒適性，這個問題只能通過駕駛員的技術(shù)和經(jīng)驗來實現(xiàn)。而對于自動離合器的車輛，這個問題將由離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成，即離合器在最短的時間內(nèi)接合，實現(xiàn)快速平穩(wěn)起步，因此控制機(jī)構(gòu)必須實現(xiàn)對離合器在不同工況下離合器的平穩(wěn)快速接合或分離［2］。起步控制一直都是自動離合器控制研究的重點(diǎn)，實現(xiàn)離合器接合過程的精確控制，對車輛動力性、經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適性起到了關(guān)鍵的決定因素。

對離合器工作過程進(jìn)行研究可以得知，離合器接合品質(zhì)主要與沖擊度和滑磨功有關(guān)［3］。沖擊度關(guān)系到起步的平順性，沖擊度越大，則離合器主、從動盤接合的速度越快，即二者之間的接合撞擊力越大，車輛產(chǎn)生的抖動、沖擊越大，這不但使得乘坐舒適性下降，嚴(yán)重的還會使車輛起步熄火。具體評價為沖擊度數(shù)值越大，接合時間越短，乘坐舒適性越差。減少沖擊的方法是延長主、從動盤的接合時間，這就勢必使得主、從動盤的摩擦?xí)r間延長，會使得兩盤之間的摩擦發(fā)熱量增加，摩擦片磨損加劇，且使得發(fā)動機(jī)輸出扭矩?fù)p耗增加，動力下降。接合過程由于摩擦引起的離合器摩擦片的磨損程度，采用滑摩功來評價［4］。具體評價就是滑磨功數(shù)值越大，摩擦熱損耗越大，主、從動盤的磨損越嚴(yán)重。

自動離合器接合控制的最優(yōu)品質(zhì)是達(dá)到最小的沖擊度和滑摩功［5］。因此為了減少滑摩功，必須讓主、從動盤盡快地接合，但接合過快將導(dǎo)致沖擊度增加，乘坐舒適性變差，零部件的瞬間沖擊變大，影響使用壽命，還有可能導(dǎo)致車輛起步熄火。如果為了增加乘坐舒適性，就要減緩主、從動盤接合的時間，這樣就會增加滑磨功，增加摩擦損耗，損失更多的發(fā)動機(jī)動力，車輛起步時間延長，這二者是矛盾的。因此，制定一個合理的控制策略來解決沖擊度和滑摩功的矛盾是離合器控制的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2自動離合器起步控制原理

車輛的起步過程是將發(fā)動機(jī)的動力從離合器、變速器傳遞到驅(qū)動輪，驅(qū)動車輛，這個過程離合器必須完成主、從動盤的接合，以實現(xiàn)動力的傳遞。這個過程就是離合器的接合過程，此過程中離合器主、從動盤從最大轉(zhuǎn)速差達(dá)到轉(zhuǎn)速一致。離合器的接合過程可分為4個階段［6］，如圖1所示。

圖1　離合器接合過程力矩變化

（1）0～t1階段：此時離合器的主、從動盤還沒有接觸，為消除間隙階段，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速近似等于離合器主動盤的轉(zhuǎn)速，為了研究方便，可認(rèn)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等同于離合器主動盤轉(zhuǎn)速，此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，但是由圖1所示，此時從動盤轉(zhuǎn)速為零，離合器摩擦力矩TC為零。

此時離合器主、從動盤之間沒有接觸，因此沒有沖擊、也沒有摩擦損失，為了加快起步速度，應(yīng)該縮短這個時間。

（2）t1～t2階段：此時離合器主、從動盤開始接觸，二者之間產(chǎn)生摩擦力矩TC，但是此時的摩擦力矩TC比車輛本身和道路所產(chǎn)生的阻力矩TΦ小，還不足以帶動離合器從動盤，因此從動盤轉(zhuǎn)速為零，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，如圖1所示。

（3）t2～t4階段：此階段分為t2～t3和t3～t4階段。t2～t3階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速即主動盤轉(zhuǎn)速增加，并增加到最大值，從動盤的轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，在t2時刻，車輛開始起步，因此這個點(diǎn)為半聯(lián)動接力點(diǎn)，即產(chǎn)生沖擊度的點(diǎn)，接合速度快，則沖擊度大，接合速度慢，則沖擊度小。由圖1可見，隨著接合深度增加，摩擦力矩TC增加。

t3～t4階段從動盤的轉(zhuǎn)速不斷增大，此時主動盤與從動盤的轉(zhuǎn)速差不斷變小到二者轉(zhuǎn)速一致，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從最大轉(zhuǎn)速下降到與從動盤轉(zhuǎn)速一致，到t4時刻主、從動盤速度一致，二者之間變成靜摩擦，這個階段轉(zhuǎn)速變化快會使得二者轉(zhuǎn)速一致瞬間沖擊過大，因此此時應(yīng)該適當(dāng)增加接合時間。

（4）t4以后：t4以后主、從動盤已經(jīng)合為一體，二者之間不存在摩擦損耗和沖擊，因此，此階段接合過程越短越好，盡快完成整個接合過程。

2.3基于模糊控制技術(shù)的起步控制方法的確定

由以上4個階段離合器接合過程分析可得，t2和t4兩個點(diǎn)是半聯(lián)動接力點(diǎn)和完全接力點(diǎn)。這兩個接力點(diǎn)之前應(yīng)該適當(dāng)延長接合時間，以減少沖擊度，其他時刻可以適當(dāng)?shù)乜s短接合時間，以減少滑磨功。

簡單來說，即分為3個階段，t2之前的階段為從動盤轉(zhuǎn)速為零，摩擦力矩為零，沖擊度和滑磨功均為零。為了加快起步和減少發(fā)動機(jī)功率的損耗，加快接合速度。t2至t4階段從動盤的轉(zhuǎn)速從零增加到與主動盤一致，此階段為滑磨階段，如果為了減少滑磨損耗，應(yīng)該減少滑磨時間，但是這樣會使沖擊增大，因此要找到一個沖擊度和滑磨功都較小的折中點(diǎn)。第三階段主、從動盤轉(zhuǎn)速已經(jīng)一致，也不產(chǎn)生沖擊和滑磨功，因此也應(yīng)該加快接合速度，加快起步時間。由此得出，離合器起步控制的基本原則是“快-慢-快”的接合原則。針對這3個階段的特點(diǎn)，選擇了“比例-模糊-PID”多模式控制技術(shù)。第一階段采用比例控制，主要是利用其提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，提高接合速度；第二階段采用模糊控制，是把復(fù)雜的無法用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確描述的經(jīng)驗總結(jié)或?qū)嶋H操作數(shù)據(jù)通過模糊化的方式進(jìn)行描述，如模糊化駕駛員的意圖的模糊量，得出接合速度的控制模型并總結(jié)出來實現(xiàn)自動控制；第三階段采用PID控制，主要利用其控制精度高，能有效地針對同步控制階段，主要實現(xiàn)快速接合的起步階段［7］。圖2是在MATLAB/SIMULINK軟件中搭建的離合器起步過程的仿真模型［8］。

圖2　離合器起步過程的仿真模型

3　自動離合器起步控制仿真試驗

3.1不同油門開度、不同坡度下的仿真試驗

圖3　電子自動離合器控制系統(tǒng)

為了試驗自動離合器是否能模擬駕駛員意圖正常起步，在試驗臺架上進(jìn)行仿真試驗。選擇5檔手動變速箱（與測試車型的一致）進(jìn)行連接（如圖3所示），在測功機(jī)臺架上進(jìn)行了試驗。本文選擇坡度為0°的平路，油門開度分別為20%、50%、80%分別對應(yīng)慢起步、正常起步、急起步三種路況進(jìn)行仿真實驗；另外選擇坡度為15°的路面，油門開度為50%的路況進(jìn)行仿真試驗。對比4次試驗結(jié)果，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理與分析，得出結(jié)論。

離合器的接合過程遵循“快-慢-快”的“比例-模糊-PID”多模控制技術(shù)［9］，在主、從動盤開始接觸到二者轉(zhuǎn)速同步的過程中，采用模糊控制適當(dāng)降低接合速度，減少起步?jīng)_擊，以提高乘車舒適性。當(dāng)?shù)竭_(dá)同步階段后，迅速提高離合器接合速度，完成起步。

3.1.1平路慢起步

試驗路況：坡度為0°的平路，油門開度20%，慢起步。圖4為沖擊度和主、從動盤轉(zhuǎn)速，圖5為滑磨功和主、從動盤轉(zhuǎn)矩。主、從動盤在1.88 s時實現(xiàn)同步，完成起步時間為2.8 s，最大沖擊度為3.7m/s3，最大滑磨功為7.81 kJ。

圖4　平路慢起步的主、從動盤轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖5　平路慢起步的主、從動盤轉(zhuǎn)矩和磨滑功

3.1.2平路正常起步

試驗路況：坡度為0°的平路，油門開度50%，正常起步。此時，主、從動盤在1.8 s時實現(xiàn)同步，完成起步時間為2.2 s，從同步到車輛起步的過程比慢起步的時間縮短，最大沖擊度為5.1m/s3，最大滑磨功為5 kJ。由于滑磨時間縮短，所以滑磨功也減小。圖6為沖擊度和主、從動盤轉(zhuǎn)速，圖7為滑磨功和主、從動盤轉(zhuǎn)矩。

3.1.3平路急起步

試驗路況：坡度為0°的平路，油門開度80%，急起步。在此路況下，主、從動盤在1.25 s時實現(xiàn)同步，完成起步時間為1.65 s，從同步到車輛起步的過程比慢起步的時間縮短，最大沖擊度為8.63 m/s3，最大滑磨功為4 kJ。由于滑磨時間縮短，所以滑磨功也減小。圖8為沖擊度和主、從動盤轉(zhuǎn)速，圖9為滑磨功和主、從動盤轉(zhuǎn)矩。

圖6　平路正常起步的主、從動盤轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖7　平路正常起步的主、從動盤轉(zhuǎn)矩和磨滑功

3.1.4坡路正常起步

試驗路況：坡度為15°的坡路，油門開度80%，正常起步。此時，主、從動盤在2 s時實現(xiàn)同步，完成起步時間為2.7 s，從同步到車輛起步的過程比慢起步的時間縮短，最大沖擊度為6.7 m/s3，最大滑磨功為5.78 kJ。圖10為沖擊度和主、從動盤轉(zhuǎn)速，圖11為滑磨功和主、從動盤轉(zhuǎn)矩。

3.2試驗結(jié)果分析

由以上試驗匯總出表1。根據(jù)試驗結(jié)果分析可得以下結(jié)論。

圖8　平路急起步的主、從動盤轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖9　平路急起步的主、從動盤轉(zhuǎn)矩和磨滑功

表1　試驗結(jié)果

圖10　坡路正常起步的主、從動盤轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖11　坡路正常起步的主、從動盤轉(zhuǎn)矩和磨滑功

（1）隨著油門開度的增加，離合器同步時間縮短，車輛起步時間也相應(yīng)地縮短，證明運(yùn)用“比例-模糊-PID”控制技術(shù)能較好地反應(yīng)駕駛員真實的起步意圖，實現(xiàn)與駕駛員手動操作基本一致的起步動作。

（2）最大沖擊度數(shù)值變化基本上與油門開度和離合器同步時間成比例關(guān)系，開度越大，離合器同步時間越短，沖擊度越大，證明運(yùn)用“比例-模糊-PID”技術(shù)控制與駕駛員手動控制下沖擊度變化規(guī)律基本一致。

（3）最大滑磨功與離合器同步時間（主、從動盤達(dá)到轉(zhuǎn)速一致）有關(guān)，時間越長，滑磨功越大，證明運(yùn)用“比例-模糊-PID”控制技術(shù)最大滑磨功與駕駛員手動控制的數(shù)值變化規(guī)律基本一致。

（4）根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)車輛最大沖擊度jmax＜10 m/s3［10］，4種情況試驗結(jié)果最大沖擊度都在10m/s3范圍內(nèi)，低于國際上影響舒適度的極限值10m/s3［9］，證明“比例-模糊-PID”控制技術(shù)可行。總體證明，本研究理論是正確的，自動離合器的設(shè)計是合理的。

4　實車測試

為了進(jìn)一步測試自動離合器的性能，將其安裝在東風(fēng)日產(chǎn)軒逸車型上。該車基本參數(shù)：發(fā)動機(jī)型號HR16DE，排量為1.6 L，搭載5檔手動變速箱。安裝位置如圖12所示。圖13為與自動離合器配套安裝在駕駛室儀表板上的檔位顯示儀與智能語音提醒，顯示為3檔。經(jīng)過長期實車測試獲得的結(jié)果表明，在起步控制過程中，自動離合器控制系統(tǒng)均能較好地根據(jù)地面情況及駕駛員意圖完成起步的自動離合器接合，實現(xiàn)起步。

圖12　自動離合器控制實車安裝位置

圖13　檔位顯示儀與智能語音提醒

5　結(jié)論

由本文所進(jìn)行的臺架測試與裝車測試得知，自動離合器的起步控制是可以實現(xiàn)的。它可以獨(dú)立加裝在手動離合器的車型上，對原車型基本不需要進(jìn)行復(fù)雜的改裝，而且成本也相當(dāng)?shù)土慵M(fèi)用加上改裝費(fèi)只需要1 000～2 000元，根據(jù)車型以及零件品牌不同略有差別。

本文對機(jī)械離合器起步過程接合規(guī)律進(jìn)行了研究，根據(jù)結(jié)論采用多?？刂品椒ǎ瑢﹄x合器起步的接合過程采用了模糊控制“比例-模糊-PID”總體控制策略，該控制方法能夠基本實現(xiàn)離合器“快-慢-快”接合要求，能較好地完成起步的離合器控制，且通過裝車測試也證明了自動離合器的性能基本穩(wěn)定。

下一步研究改進(jìn)的方向是進(jìn)一步提高自動離合器起步控制的舒適性，以及換擋時離合器接合的速度也應(yīng)該進(jìn)一步的優(yōu)化。

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Study on Fuzzy ControlMethod ofAutomatic Clutch Starting Process

Mo Shuyue
（Guangxi Vocationaland TechnicalCollege of Communications，Nanning530023，China）

This article studied theminiautomobile automatic clutch starting control，according to the working condition ofmechanical clutch during vehicle starting，the automatic process of clutch engagement control method using fuzzy set up step，automatic clutch engagement simulation model by using MATLAB/SIMULINK software，and selected the slow，normal，shortand 15DEG ramp normal four kinds of starting conditions for bench test.The experiment results prove that the fuzzy control technology can realize the control of automatic clutch，vehicle start smoothly.In addition，the loading testof automatic clutch can also proveaccording to thedriverwill complete starting control，realize the vehicle startsmoothly.

automatic clutch，starting control，fuzzy control technology

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.007

來稿日期：2016-01-28基金項目：2014年廣西自然科學(xué)基金項目（2014GXNSFBA118262）

玥莫舒（1980-），女，講師，碩士，主要研究方向為汽車應(yīng)用技術(shù)。