基于HIL的AMT離合器啟動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)

韓祥 劉忠途

摘要：分析電控機(jī)械式變速器（AMT）離合器接合過程評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的矛盾性，提出模糊控制的算法，以小型電動(dòng)汽車AMT為例，利用MATLAB/Simulink與PXI軟硬件系統(tǒng)，開發(fā)AMT硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，并將設(shè)計(jì)的模糊控制算法在硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制算法能夠正確反映駕駛員的起步意圖，同時(shí)沖擊度、滑磨功在推薦的范圍之內(nèi)，為后續(xù)AMT控制器的開發(fā)提供打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：AMT;模糊控制;硬件在環(huán)

引言

近年來，為了滿足人們對(duì)駕駛舒適及安全的需求，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）得到廣泛的使用。對(duì)于AMT，起步接合的控制策略是其中的關(guān)鍵技術(shù)。起步控制是一個(gè)復(fù)雜的非線性控制問題，既要求起步平穩(wěn)，沖擊度小，又要求起步能夠反映駕駛員的意圖，離合器滑磨功小，延長(zhǎng)AMT的使用壽命。因此對(duì)于離合器啟動(dòng)控制算法的研究是十分必要的。

本文以用于小型電動(dòng)汽車的兩檔AMT為例，針對(duì)AMT車輛離合器的接合過程，首先通過MATLAB/SIMULINK建模，加入模糊控制算法進(jìn)行離線仿真，然后搭建將真實(shí)AMT置于仿真回路的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，最后通過硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證控制算法的有效性，避免直接在車上測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約前期功能開發(fā)時(shí)間。

1.接合過程評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1?沖擊度

沖擊度用來衡量車輛起步和換擋時(shí)的舒適性，以汽車起步過程中的汽車縱向加速度的變化率來表征[1]。其計(jì)算公式如下：

（1-1）

其中為汽車質(zhì)量，分別為主減速比與變速器傳動(dòng)比，分別為傳動(dòng)系效率與車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，為離合器工作面數(shù)，為摩擦片有效半徑，為摩擦系數(shù)，為比例系數(shù)。

由式（1-1）可知，沖擊度與車輛自身參數(shù)及離合器的接合速度有關(guān)，只要合理的控制接合速度便能夠控制車輛的沖擊度。在舒適性行駛情況下，沖擊度的上限值?j為[2]。

1.2?滑磨功

滑磨功是離合器主從動(dòng)盤摩擦片間滑動(dòng)摩擦力所做功的大小[1]?；スτ?jì)算公式如下：

（1-2）

由式（1-2）可知，滑摩功的大小與離合器接合過程所傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩，接合時(shí)間以及主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差有關(guān)。

離合器接合時(shí)間越長(zhǎng)，滑摩功越大，但是接合過程也越平穩(wěn)，產(chǎn)生的沖擊度j?就越小;如果降低離合器的接合時(shí)間，雖然能夠減小滑摩功，但也會(huì)導(dǎo)致沖擊度的增加，這便是離合器兩個(gè)性能指標(biāo)的矛盾所在。

2.算法設(shè)計(jì)

針對(duì)離合器接合過程兩個(gè)指標(biāo)的相互矛盾性，設(shè)計(jì)模糊控制算法。該控制算法要體現(xiàn)駕駛員的起步意圖，而起步意圖是通過油門踏板的開度及其變化率來體現(xiàn)。另外，由上面分析可知，離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差對(duì)滑磨功有較大影響，因此要得出理想的接合速度，還要考慮離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差。

所設(shè)計(jì)的模糊控制器分為兩層，第一層模糊控制器通過駕駛員的油門開度及油門開度變化率獲取駕駛員起步意圖;第二層模糊控制器通過由第一層獲得的起步意圖以及主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差來獲得理想的離合器接合速度。

油門開度?K?的基本論域設(shè)為[0，1]，油門開度變化率?EK的基本論域設(shè)為[-3，3]，選取油門開度及駕駛員起步意圖I的論域設(shè)為{0，1，2，3，4，5，6}，油門開度變化率的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

定義轉(zhuǎn)速比d為離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差與主動(dòng)盤的比值。選取轉(zhuǎn)速比及離合器接合速度?V?的論域均為{0，1，2，3，4，5，6}。隸屬度函數(shù)選用高斯型。模糊控制規(guī)則如表1，表2所示。

表?1??起步意圖控制規(guī)則

起步意圖I

油門開度K

VS

S

M

B

VB

油門開度變化率Ek

NB

VS

VS

VS

VS

VS

NM

VS

VS

VS

S

S

NS

VS

S

S

M

M

O

VS

S

M

B

VB

PS

S

M

B

B

VB

PM

M

B

B

VB

VB

PB

B

B

VB

VB

VB

表?2??離合器接合速度控制規(guī)則

離合器接合速度V

起步意圖I

VS

S

M

B

VB

離合器轉(zhuǎn)速比d

VS

S

M

B

LB

VB

LS

LS

S

M

LB

VB

S

LS

LS

M

B

LB

M

VS

LS

S

M

LB

B

VS

LS

S

M

LB

LB

VS

VS

LS

S

B

VB

VS

VS

LS

LS

S

在主機(jī)上利用Simulink建立電動(dòng)機(jī)、離合器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型。進(jìn)行離線仿真后，加入I/O模塊，將控制算法模型編譯，生成代碼，并下載到PXI中。

3.硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證模糊控制算法的有效性，搭建AMT硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)。該仿真試驗(yàn)臺(tái)由小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)AMT，AMT的輸出軸連接小功率負(fù)載電機(jī)。由PXI控制變頻器，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)，通過各種傳感器采集AMT的輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速、扭矩等信號(hào)，將這些信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡導(dǎo)入軟件模型中進(jìn)行分析計(jì)算。該試驗(yàn)臺(tái)可以模擬AMT起步過程，觀察離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速、傳遞扭矩并實(shí)時(shí)顯示。

在進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)[3]，避免出現(xiàn)硬件故障，同時(shí)檢測(cè)各系統(tǒng)的性能;最后將被控硬件與實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)PXI連接。

4.試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)兩檔AMT進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)，獲得起步性能實(shí)時(shí)采樣圖。采用不同的起步意圖，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算每次起步時(shí)的沖擊度與滑磨功，獲得每次起步離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速達(dá)到一致時(shí)的時(shí)間，得出平均接合速度值，如表3所示。

表?3??不同起步意圖下的測(cè)試數(shù)據(jù)

起步意圖

接合時(shí)間（s）

接合速度平均值（mm/s）

沖擊度均方根值（）

滑磨功（KJ）

慢

1.704

9.268

5.143

5.021

中

1.442

10.952

7.830

4.697

快

1.218

12.967

9.275

4.068

由上表可知，駕駛員起步意圖越強(qiáng)烈，該模糊控制器控制下的離合器接合速度平均值越大，接合時(shí)間越短，充分體現(xiàn)了駕駛員的起步意圖。同時(shí)，接合速度越大，沖擊度也越大，相應(yīng)的滑磨功越小，沖擊度的最大值小于推薦的最大值10，滿足舒適性的要求。該算法對(duì)各種起步意圖均有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。

5.結(jié)論

（1）分析了離合器接合過程中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的矛盾性，

（2）針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的矛盾性，提出模糊控制的控制算法

（3）建立了AMT硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行模糊控制算法，對(duì)不同起步意圖下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證AMT離合器模糊控制算法的有效性，為后續(xù)進(jìn)行TCU開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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