電控機械式自動變速器的智能控制和仿真設計

邊洪寧　李永明　張燕

摘 要：以汽車的換擋平順性和舒適度為出發(fā)點，對電控機械式自動變速器的傳動特點進行研究探討，通過離合器的控制方法以及工作特性結合特定的規(guī)律來提高電控機械式自動變速器的換擋性能和起步穩(wěn)定性，減少換擋操作，改善汽車的平順性和舒適性，檢驗智能換擋控制的合理性。

關鍵詞：電控機械式;自動變速器;控制系統(tǒng);仿真

中圖分類號：U463.212 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0095-05

Intelligent control and simulation design of electronically controlled mechanical automatic transmission

Abstract： Starting from the smoothness and comfort of the automobile， the transmission characteristics of the electronically controlled mechanical automatic transmission are researched and discussed. The control method and working characteristics of the clutch are combined with specific laws to study and improve the electronically controlled mechanical automatic transmission. Shift performance and starting stability， reduce shift operations， improve the ride comfort and comfort of the car， and test the rationality of intelligent shift control.

Key words：? electronically controlled mechanical;automatic transmission;control system;simulation

隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展和科技的進步，人們對汽車配置要求也越來越高。自動變速器可以消除駕駛者換擋操作技術的差異，提高開車的舒適性和安全性，所以自動變速器發(fā)展是汽車發(fā)展市場不可逆轉的趨勢。自動變速器具有較強的自適應能力和行車安全性，以及較好的行駛平穩(wěn)性，彌補很多機械式變速器的不足，非常適合我國汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)實，是近幾年迅速發(fā)展起來的一種新型自動變速技術，具有良好的產業(yè)前景。為了提高汽車換擋的平順性和舒適度，促進汽車工業(yè)進一步發(fā)展，通過車輛經(jīng)濟性和動力性所占比例的分析，提出經(jīng)濟性對換擋點和權衡動力性進行綜合系統(tǒng)控制的一種方法。創(chuàng)建汽車電控機械式自動變速系統(tǒng)的模型進行研究。

1 電控機械式自動變速器的智能控制系統(tǒng) 基本結構

與傳統(tǒng)的控制器相比較，控制器內部結構復雜，加強功能性抗干擾能力是智能控制器的主要所在。簡單的智能控制系統(tǒng)可以分為智能控制器和外界工作環(huán)境2部分，智能控制器由處理模塊、認知學習、信息識別、控制決策以及最重要的數(shù)據(jù)庫等組成;而外界環(huán)境則由傳感器、執(zhí)行器、被控目標和被外界信號干擾對系統(tǒng)產生的不穩(wěn)定因素組成?？刂葡到y(tǒng)機構如圖1所示。

現(xiàn)在汽車智能控制系統(tǒng)研究越來越廣泛，成為汽車控制系統(tǒng)的主流。當前社會上智能控制方法的類型越來越多，比如神經(jīng)網(wǎng)絡控制，模糊控制等，因此在當前市面上的應用上，什么方法最有效要根據(jù)實際控制系統(tǒng)的條件，被控制的對象的優(yōu)點，目的及要求等因素來考慮。

2 自動變速器分類

市面上很多不同型號的自動變速器，不同品牌的自動變速器在構造上、形式上都有很大的區(qū)別。

2.1 按照汽車驅動方式分類

按汽車的驅動方式的不同，自動變速器可分為2種，這2種自動變速器在布置上，構造上有較大的差異，一種是前驅動，另一種是后驅動。后驅動除了與前驅動是一樣的組成部分外，前驅動在自動變速器的內部還裝有差速器。后驅動的軸向尺寸比較大，因為齒輪變速器和變扭器的輸出軸以及輸入軸在同一條軸線上，在齒輪變速器的下方底殼內布置閥板總成。

前驅動自動變速器的汽車發(fā)動機有橫向和縱向2種：橫向發(fā)動機的前驅動自動變速器，要求有比較小的軸向尺寸，因為汽車的橫向尺寸有限制，縱向發(fā)動機只是在后邊加了一個差速器，兩者的放置和構造都差不多。因此，為了減少變速器總體的軸向尺寸，增加了變速器的高度，通常將輸出、輸入軸設計為兩個軸線，齒輪變速器與變扭器的輸出軸安在下方，輸入軸安放在上方。

2.2 按照控制方式分類

變速器的控制方式分為2種：一是電子控制方式;二是液力控制。電子控制方式是結合電腦來進行的，電子控制自動變速器是實現(xiàn)自動換擋，將車速和節(jié)氣門開度、轉速、水溫、變速器的油溫、液壓等參數(shù)轉變?yōu)樾盘?，通過傳感器獲得信號后，把信號輸進電腦。電腦根據(jù)設定好的換擋規(guī)律、液壓、電子換擋電磁閥等發(fā)出控制信號，兩個電磁閥再將電腦的控制信號轉化為液壓控制的信號，閥板的各個控制閥門根據(jù)信號，執(zhí)行機構的動作，來實現(xiàn)自動換擋。液力變速器是如何實現(xiàn)目標的？首先需要把節(jié)氣門開度和車速，這兩個數(shù)據(jù)轉變?yōu)橐簤旱目刂菩盘枺谄囆旭偟臅r候，通過機械控制的手段獲得信號，然后控制換擋操作系統(tǒng)的動作，通過多個控制閥門根據(jù)這些信號的大小，結合設定好的規(guī)律，實現(xiàn)目標。

2.3 按照齒輪變速器的類型分類

市面上大多數(shù)轎車所采用的是行星齒輪變速器，還有一種普通齒輪的自動變速器。行星齒輪變速器這款自動變速器可以獲得很大值的傳動比，內部結構也緊湊，適用于大眾轎車;普通齒輪這款變速器的傳動最大值很小，體積還很大，只是有特定的幾款少數(shù)車在使用。

2.4 按照對發(fā)動機的控制方式分類

控制方式可以分為柔性控制法和剛性控制法，“電子油門”就是很典型的柔性控制法的例子，在柔性控制法結構中，只是控制相連傳感器，油門和加速踏板是分開的，將開車人的意圖轉換為信號，從而輸給電控單元。汽車在換擋過程中，發(fā)動機是按編制的指令通過油門執(zhí)行動作控制的，而汽車正常行駛的過程中則是通過電控單元按照設定好的比例來控制油門，所以國內外研究較多的是柔性控制法結構。剛性控制法則是存在缺陷的，因為“巡航”功能不能在剛性結構內實現(xiàn)，所以目前市面上的自動變速汽車中大多沒有剛性結構，剛性不需要外加油門執(zhí)行，加速油門和踏板兩者之間的機械連接，為了實現(xiàn)自動變速這個目的，在換擋中必須使用某種附加的方式控制發(fā)動機。

2.5 按照執(zhí)行系統(tǒng)的動力源驅動類型分類

動力驅動類型分為3種，全電式執(zhí)行系統(tǒng)，電控液動式執(zhí)行系統(tǒng)，電控氣動式執(zhí)行系統(tǒng)，3種執(zhí)行系統(tǒng)的方式都各有不同，分類如圖2所示。

2.6 電控機械式自動變速器的智能系統(tǒng)控制特點

飛數(shù)值的廣義模型和含有算法以及智能模型的數(shù)學模型展示的混合控制過程來是用知識來表示智能控制，使用定量、定性被循環(huán)控制與兩相結合的多種控制方式，對被控制的動態(tài)進行識別。

智能控制具有模擬人類學習、感知周圍環(huán)境、推理和邏輯思維等特點，此方法是高級階段的控制理論，而電控機械式自動變速器系統(tǒng)中有沒有辦法運用準確的數(shù)學來表達的人為因素影響，存在控制對象的時變性和非線性，同時規(guī)定控制結果和響應快速與目標參數(shù)沒有差錯，傳統(tǒng)控制都有著相當困難不好解決的多重復雜問題，對于參數(shù)的未知、模型結構都了解的不對的情況下，傳統(tǒng)控制方法就很難使用。根據(jù)以上原因使得傳統(tǒng)的控制方法很難實現(xiàn)對電控機械式自動變速器系統(tǒng)的控制，要解決傳統(tǒng)控制帶來的復雜問題，就很需要使用達到高級理論的智能控制方法，因此，電控機械式自動變速器系統(tǒng)智能控制較容易適用在模糊性、不確定性、高度非線性、不完全性等比較復雜多變的控制系統(tǒng)中。為了進一步完善改良控制系統(tǒng)的性能，在控制系統(tǒng)對很復雜的任務和分散的信息有自動協(xié)調組織的能力時，可通過規(guī)定的取值范圍，保證穩(wěn)定性的方式來改變控制器的參數(shù)，來解決參數(shù)得不到改變時所面對的情況。

2.7 電控機械式自動變速器系統(tǒng)智能控制算法

2.7.1 自適應算法

自適應控制算法是由Marsik等學者所提出的不需要辨識的自適應控制算法，不需要辨別過程參數(shù)，只需在線實時檢測過程實際輸出數(shù)值和期望輸出數(shù)值就能形成自適應控制，所以這類自適應控制器還有很多性能需大幅度的提高。自適應算法可以辨識系統(tǒng)，根據(jù)控制數(shù)值來計劃控制規(guī)律。結合以上方法需要在每個收集周期之內得出一些復雜的數(shù)值，有辨別所獲得的數(shù)學模型的準確性無法保證，所以自適應算法的應用受到了限制。

2.7.2 智能控制算法

當今社會上有一些具有自適應算法能力的PID控制算法，使用的是通過系統(tǒng)辨別的方法，算法上極其復雜，運算量較大，并且只適合小范圍內的模型不確定因素，但是在某些程度上解決了一些不確定的問題。深入研究后發(fā)現(xiàn)，為了使其能有更好的適應能力，可以用PID來改寫神經(jīng)元中的變量，達到最佳效果。直流電機是傳統(tǒng)PID控制的，使用的閉環(huán)控制對控制結果進行偵查測驗，可以最大化減少自動糾偏能力比較弱，精確度低等缺點，對系統(tǒng)參數(shù)變化的干擾和外界因素達到最大抑制。直流電機建立準確的數(shù)學模型非常困難，會失去其本應有的穩(wěn)定性和自帶的調節(jié)功能。

單神經(jīng)元自適應算法可以在相當短的時間內達到穩(wěn)定效果，使用過程很輕松，可以對PSD進行自適應、整定，不必要對參數(shù)進行修正處理，能節(jié)省很多時間，并且單神經(jīng)元自適應PSD控制器能很好的將程序下載到車輛的主系統(tǒng)中。

3 電控機械式自動變速器原理

電控機械式自動變速器是21世紀正在研究的主流汽車產業(yè)，根據(jù)駕駛員的目的進行自動換擋控制行為以及結合汽車的駕駛狀況，路面狀況是它的工作原理。為了達到離合器、變速器和發(fā)動機的最佳匹配，來獲得更好的行駛性能、迅速換擋和平穩(wěn)起步的能力。在發(fā)動機的車速、轉速傳感器實時監(jiān)控汽車的行駛狀況和發(fā)動機狀態(tài)下，駕駛人員通過踩加速踏板，變速桿向被電控單元表達目的，將得到的信號輸進去，電控單元按預先設計好的有熟練駕駛員的駕駛規(guī)律對換擋、節(jié)氣門開度結合以及離合器進行控制，原理如圖3所示。

4 電控機械式自動變速器系統(tǒng)換擋仿真模型 創(chuàng)建

4.1 創(chuàng)建汽車模型

汽車運行過程中的驅動特點是根據(jù)設立汽車的動力學模型反映的，結合汽車受力，汽車在運行過程中的行動阻力和驅動設立一個平衡方程為：

Ft=Fr

式中：Fr為行駛時的阻力;Ft為汽車的驅動力。

汽車在運行時的阻力主要是坡道阻力Fi、滾動時的阻力Ff、加速時的阻力Ft及空氣阻力Fw，汽車在發(fā)動時遇到的力和運行時遇到的力兩者的方程設為：

Fr=Ff+Fw+Fj+Fi

4.2 創(chuàng)建非線性模型

正常工作時所用的離合器都是常閉的，汽車壓盤和分離軸承桿為膜片，膜片在分離杠桿以及壓緊彈簧之間有兩重作用，是動盤使用磨損后還能繼續(xù)使用。根據(jù)這些可以看出，創(chuàng)建電控機械式自動變速器系統(tǒng)模型首先要創(chuàng)建離合器模型，創(chuàng)建結合一體模型。

4.3 創(chuàng)建傳動性模型

離合器傳動方程為：

Te-Tc=Je（dwe/dt）

Te-Tr=J（dwc/dt）

式中：Tr為車輛道路阻力矩;Tc是汽車離合器摩擦傳遞力矩;we為汽車行駛中的空氣阻力矩;Tc為汽車發(fā)動機中的輸出轉矩;Je為汽車發(fā)動機行駛的慣量;wc為制動力矩。

4.4 創(chuàng)建離合器模型

離合器摩擦過程中的相對摩擦肯定會對摩擦系數(shù)產生影響，使得摩擦片會出現(xiàn)一定變形、磨損以及發(fā)燙，可以把動態(tài)摩擦系數(shù)忽略，從而更好的實現(xiàn)離合器的過渡，清楚考慮在離合器傳遞過程中的輸出力矩所帶來的影響。通過數(shù)據(jù)設的方程為：

ud=（a+b）e-cu+d

摩擦表面和離合器產生的動態(tài)摩擦系數(shù)為：

uds=a-bu-ae+d

式中：a，b，c為常數(shù)。

創(chuàng)建離合器的模型主要目的是得到汽車載荷變化和輸入力矩的變化具有相關關系的，也是為了體現(xiàn)離合器自己的傳遞特點和汽車載荷并沒有太大的關系。

5 電控機械式自動變速器系統(tǒng)仿真實驗

5.1 電控機械式自動變速離合器實驗

電控機械式自動變速器系統(tǒng)是一個標準的組件系統(tǒng)，原型是dsPACE的組件系統(tǒng)，將汽車的傳動系統(tǒng)和仿真機之間建立連接，這樣就可以把它作為實時仿真機使用?？焖倏刂圃拖到y(tǒng)中的基礎是機械結構，支撐汽車的傳動系統(tǒng)架構，快速控制系統(tǒng)原型這兩樣是最主要的存在，前者分為電機支架和總裝圖，后者是換擋結構和離合器總成。自動變速系統(tǒng)控制的工作原理：系統(tǒng)的大腦為處理器，在直流電機和執(zhí)行構造同時控制使得離合器運動起來的同時，把搜索集合到的有關的信號經(jīng)過處理器面板中的運行方式算法獲得直流電機的電壓控制。創(chuàng)建系統(tǒng)原型測試的主要目標，測試驗證離合器在滑動摩擦控制算法中的有效性，以及試驗汽車在接受到正確的指令動作時，同時在離合器在換擋、剎車與起步的情況下是否能夠完成。

在電控機械式自動變速系統(tǒng)中要緊的比如離合器的運作邏輯，離合器的分離、處理，信號的收集等，工作流程為：初始步驟—采集和管理信號—判斷離合運作邏輯—分離離合—完成換擋—結合離合—完成退出—結束。

在通用試驗軟件中創(chuàng)建調試試驗的周圍環(huán)境，可以從此環(huán)境中輕松獲得收集數(shù)據(jù)和調整參數(shù)。離合器運作邏輯是正確的，等于說電控機械式自動變速器系統(tǒng)的運作邏輯是沒有問題的，是正確的。

5.2 快起步控制離合器

汽車正常起步，節(jié)氣門也正常，在離合器主盤和從盤的轉盤速度一致后，離合器速度變快有快—正常—快的規(guī)律，在汽車從、動兩盤同時以及運作之前，離合器速度正常，離合器主盤從盤步伐一致之前，速度在數(shù)值范圍內中間部分。汽車的發(fā)動機轉速在規(guī)定數(shù)值時，車輛起步平穩(wěn)，使用正常。

5.3 慢起步控制離合器

汽車平穩(wěn)起步時，節(jié)氣門開度也比較小的話，在汽車從動盤，主動盤的步伐一致時，汽車開始運作并離合器連接速度比較慢。兩盤轉盤速度一致后，離合器會快速整合到一起，在離合器主動盤、從動盤同步之前，離合器速度的數(shù)值不變化。在此間過程中的結合有快—慢—快的規(guī)律，汽車發(fā)動機的轉速在一定數(shù)值時，起步平穩(wěn)，車速變化比較慢。

6 電控機械式自動變速器系統(tǒng)智能控制仿真 驗證

直流電機的參數(shù)為：La=0.088;G=1 000;Ra=0.036 1;D=0.029 2;La×Jm=0.076 57;Ra×Jm=0.031 407。

在電控機械式自動變速器換擋過程中，離合器分為3種：摩擦部件結合狀態(tài)、摩擦部件分離狀態(tài)、滑動摩擦狀態(tài)。根據(jù)階躍函數(shù)，模擬3種狀態(tài)分別進行試驗，設定初始函數(shù)為1，時間為5 s，函數(shù)值為2時，時間為10 s，試驗證明單神經(jīng)元算法是有系統(tǒng)穩(wěn)定能力、大的自學能力、響應速度快這3大優(yōu)點。單神經(jīng)元算法在系統(tǒng)穩(wěn)定性、學習能力、組織能力3大方面都有較大的改善，比傳統(tǒng)算法要高出很多優(yōu)勢，單神經(jīng)元控制器在2 s內就可以做到無靜差、無超調、穩(wěn)定值、震蕩時間短，在很短時間就能安穩(wěn)下來。因此單神經(jīng)元算法是最適合應用在離合器的執(zhí)行構造控制算法中。

7 結語

隨著社會的發(fā)展與進步，汽車工業(yè)的發(fā)展也是取得巨大的進步，汽車換擋也從當初的手動變速換到了現(xiàn)在大面積使用的自動變速的車，自動變速的車成為了當今社會的主流趨勢。各大汽車品牌汽車工廠都在研究這些功能以求進步，通過本文的仿真模型創(chuàng)建及試驗可以證明單神經(jīng)元算法的可行性，獲得比較明顯的進步，能更好的應用在當今社會的汽車工業(yè)。

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收稿日期：2021-10-03;修回日期：2022-04-22

作者簡介：邊洪寧（1987-），女，碩士，副教授，研究方向：自動化、飛機機電設備。