黃智明 張建武 魯統(tǒng)利 向玉德 劉金剛

1.上海交通大學(xué),上海,200240 2.上海華普汽車有限公司,上海,201501 3.湘潭大學(xué),湘潭,411105

0 引言

車輛起步時(shí),駕駛員意圖、車況、路況等因素是多變的,另外,在乘員舒適性、離合器磨損、發(fā)動(dòng)機(jī)不能熄火等方面有所要求,再加上離合器控制問題具有非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合與難于建模的特征,而傳統(tǒng)的控制理論和控制方法具有一定的局限性[1],因此在車輛起步時(shí)如何控制離合器的接合過程成為AMT(automatic manual transmission)控制技術(shù)的核心和難點(diǎn)。

從工程應(yīng)用角度出發(fā)進(jìn)行起步離合器控制要解決兩個(gè)問題,即控制策略和對(duì)控制策略所確定的控制目標(biāo)進(jìn)行精確、快速和穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)跟蹤。目前許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)起步離合器的控制策略和算法進(jìn)行過研究。針對(duì)起步離合器這類難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng),有些專家采用模糊語言來描述駕駛員的起步意圖,通過一定的模糊控制規(guī)則對(duì)離合器起步過程進(jìn)行控制[2-3],但在其參數(shù)的模糊化過程中人為因素影響較大,控制規(guī)則中參數(shù)特性與控制目標(biāo)關(guān)系不明確,不易于進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整,獲得較優(yōu)的控制參數(shù)困難。離合器位置控制系統(tǒng)具有時(shí)滯弱非線性特征,這對(duì)目標(biāo)位置的動(dòng)態(tài)跟蹤是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)[4]。目前離合器位置的動(dòng)態(tài)跟蹤主要采用常規(guī)PID(proportion integration differentiation)算法 ,該算法雖然簡(jiǎn)單實(shí)用,但由于對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化比較敏感,且無法對(duì)控制效果進(jìn)行預(yù)測(cè),因此存在魯棒性差、控制精度低等缺點(diǎn)。

本文采用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行起步離合器控制系統(tǒng)的研究,一方面以降低起步?jīng)_擊度和減小離合器滑摩功為目標(biāo)提出起步離合器MAP圖控制策略,另一方面采用DMC-PID(dynamic matrix control-PID)串級(jí)控制算法對(duì)上層控制策略所確定的控制目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤,旨在克服傳統(tǒng)PID算法位置跟蹤能力差的缺點(diǎn)并提出一種適應(yīng)性強(qiáng)、易于整車實(shí)現(xiàn)的控制策略,實(shí)現(xiàn)AMT車輛的快速、平穩(wěn)起步。

1 起步離合器MAP圖控制策略

1.1 起步性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)車輛起步性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)時(shí),評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有沖擊度和滑摩功[5]。

1.1.1 沖擊度

沖擊度是車輛縱向加速度的變化率,即

式中,J為沖擊度(最大推薦值為10m/s3);a為車輛縱向加速度;Rt為驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑;i0為主減速比;ig為變速箱傳動(dòng)比;Tc為離合器傳遞的摩擦力矩;K為比例系數(shù)(由車輛固有特性決定);Ic為整車的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;vc為離合器接合速度。

由式(1)可看出,車輛在起步過程中產(chǎn)生的沖擊度主要與車輛固有特性及離合器的接合速度v c有關(guān)。

1.1.2 滑摩功

評(píng)價(jià)離合器使用壽命的指標(biāo)是滑摩功,它是離合器在接合過程中主動(dòng)盤、從動(dòng)盤間滑動(dòng)摩擦做功的大小,定義為

式中,W為滑摩功(它反映了離合器在接合過程中有多少機(jī)械能轉(zhuǎn)換成溫升和磨損);ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或離合器主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速;ωc為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。

式(2)中等號(hào)右邊的第一項(xiàng)表示離合器主動(dòng)盤、從動(dòng)盤開始滑摩到摩擦力矩T c剛好等于車輛行駛阻力的階段;式(2)中等號(hào)右邊的第二項(xiàng)表示 T c繼續(xù)增大,直到 ωc等于 ωe的階段或同步階段。由式(2)可知,滑摩功主要與離合器的接合時(shí)間和主動(dòng)盤、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差有關(guān),接合時(shí)間越長(zhǎng),轉(zhuǎn)速差越大,滑摩功就越大。

綜上所述,離合器的接合速度大小反映了離合器傳遞的摩擦力矩增加快慢程度以及離合器的滑摩時(shí)間,影響了沖擊度和滑摩功?？刂齐x合器的接合速度就是控制車輛起步的過程。

1.2 離合器接合速度的確定

在起步過程中,離合器的控制目標(biāo)是由駕駛員的起步意圖決定的,不僅要使車輛起步平穩(wěn)、沖擊度小,而且同時(shí)需要降低離合器的滑摩功。為了減小離合器的滑摩功,就要加快接合速度,而加快接合速度可能造成起步?jīng)_擊,甚至引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有較大的波動(dòng)或熄火。為了使車輛平穩(wěn)起步而降低離合器的接合速度,將增大離合器滑摩功,從而會(huì)降低離合器的使用壽命。提高車輛起步的平穩(wěn)性和減小離合器滑摩功是兩個(gè)相互矛盾的指標(biāo),本文通過對(duì)車輛起步過程的分析和大量起步道路試驗(yàn)的總結(jié),得到了影響離合器接合速度的主要因素,提出了一種起步離合器MAP圖控制策略。

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)接合速度影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高,發(fā)動(dòng)機(jī)承載能力越強(qiáng),越可以增大離合器的接合速度,反之亦然[6]。由式(2)可知,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低直接影響滑摩功的大小。

值得注意的是,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為850r/min或1300r/min時(shí),雖然此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同,但是離合器的接合速度應(yīng)該相同,因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)都處于怠速工況。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速由冷卻水溫和車載電器附件的工作狀態(tài)決定。為了避免不同怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)接合速度的影響,定義發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為

式中,ωnow_idle為當(dāng)前怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速;ωmin_idle為最低怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

如此這樣,不同怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)接合速度影響統(tǒng)一為發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速對(duì)接合速度的影響。

1.2.2 主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速比對(duì)接合速度影響

1.2.3 油門開度對(duì)接合速度影響

油門開度反映駕駛員的起步意圖,并體現(xiàn)駕駛員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的要求。通常大油門開度表示駕駛員希望急速起步,小油門開度表示司機(jī)希望緩慢平穩(wěn)起步,所以通過油門所確定的接合速度應(yīng)隨著油門開度的增大而增大。由于油門開度是前饋量,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于油門開度有較大的滯后,所以把油門開度作為接合速度的修正系數(shù),以避免把油門開度作為接合速度的主要控制量從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或轉(zhuǎn)速過高。

綜上所述,由發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速Ne和從動(dòng)盤與主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速比r所確定的離合器滑摩階段接合速度主MAP圖如圖1所示,油門開度對(duì)接合速度修正系數(shù)MAP圖如圖2所示。

圖1 離合器接合速度主MAP圖

圖2 接合速度修正系數(shù)MAP圖

2 離合器電液位置控制系統(tǒng)

2.1 離合器速度與位置控制的轉(zhuǎn)換

為了便于實(shí)際工程應(yīng)用,將離合器速度控制等效轉(zhuǎn)換為位置控制。設(shè)T0為離合器位置控制的控制周期,離合器在第n+1個(gè)控制周期的位置設(shè)定為

式中,xcs(n)為離合器在第n個(gè)控制周期的位置設(shè)定值;vc(n+1)為第n+1個(gè)控制周期的接合速度。

2.2 離合器電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)

離合器電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理如圖3所示。離合器主從動(dòng)盤接合量與離合器控制油缸的活塞桿位置是一一對(duì)應(yīng)的,所以精確控制活塞桿位置就是控制離合器主從動(dòng)盤的接合量。通過控制比例流量閥閥口向油缸供油或卸油來實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿的左右移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)離合器位置的控制。由于比例流量閥的流量特性隨壓差變化呈現(xiàn)出非線性特性,此外,比例流量閥本身存在死區(qū)及飽和區(qū)[7],所以使得在相同的輸入電流信號(hào)作用下,該閥的實(shí)際流量不同。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固有特性使得AMT離合器油缸活塞桿位置控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)滯弱非線性系統(tǒng)[8]。常規(guī)的PID控制算法由于不能得到控制作用的反饋信息,當(dāng)控制作用效果能夠通過傳感器反饋測(cè)量時(shí),控制量對(duì)系統(tǒng)的作用強(qiáng)度往往已經(jīng)過大了,這將導(dǎo)致離合器實(shí)際位置將以期望目標(biāo)位置為中心來回波動(dòng),從而降低控制精度。

2.3 基于DMC-PID算法的離合器位置控制

圖3 離合器電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理圖

動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)是一種適用于漸近穩(wěn)定的線性或弱非線性系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制算法,它是基于對(duì)象階躍響應(yīng)系數(shù)建立預(yù)測(cè)模型的,利用電控單元的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)在線滾動(dòng)優(yōu)化與反饋校正相結(jié)合,能直接處理大時(shí)滯對(duì)象,并具有良好的跟蹤性能和較強(qiáng)的魯棒性[9],但在實(shí)際應(yīng)用中由于存在建模誤差、環(huán)境干擾以及系統(tǒng)非線性特征等因素的影響,DMC在實(shí)際控制中存在模型失配的問題,因而DMC在抗干擾能力方面存在不足[10]。本文將DMC-PID串級(jí)控制算法應(yīng)用于離合器位置控制中,其控制原理如圖4所示。圖4中,DMC為動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)控制器,PID為常規(guī)PID控制器,K為比例流量閥功率驅(qū)動(dòng)模塊的增益;G1(z)和G2(z)分別代表比例流量閥和被控液壓缸的數(shù)學(xué)模型。如圖4中虛線框所示,內(nèi)環(huán)路為常規(guī)PID控制器形成的位置閉環(huán)反饋控制環(huán)路,并作為外環(huán)路的被控對(duì)象,即廣義被控對(duì)象;外環(huán)路采用動(dòng)態(tài)矩陣控制器,r(k)為系統(tǒng)期望目標(biāo)值,u(k)為經(jīng)過動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制后的輸出,y(k+1)為系統(tǒng)的實(shí)際輸出。

圖4 DMC-PID串級(jí)控制原理圖

2.3.1 預(yù)測(cè)模型

為了獲得DMC所需的廣義控制對(duì)象的預(yù)測(cè)模型,首先給離合器位置閉環(huán)PID控制系統(tǒng)一個(gè)階躍輸入,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行采樣。采樣的值為αi=α(iT),其中,i=1,2,…,N 。階躍響應(yīng)在某一時(shí)刻tN=NT后趨于平衡,即αN=α(∞),這樣就獲得了一個(gè)描述被控對(duì)象動(dòng)態(tài)信息的參數(shù)集合,這個(gè)集合的參數(shù)就構(gòu)成了DMC模型參數(shù),向量(α1,α2,…,αi,…,αN)稱為模型向量,其中 T 為采樣周期。

在k時(shí)刻,假定控制作用保持不變時(shí)對(duì)未來N個(gè)時(shí)刻的輸出有初始預(yù)測(cè)值?y 0(k+i/k),則當(dāng)k時(shí)刻有控制增量Δu(k),Δu(k)對(duì)k+i時(shí)刻輸出的影響為αiΔu(k)時(shí),可算出在其作用下未來k+i時(shí)刻的輸出值為

同樣,設(shè)在 k時(shí)刻后的M個(gè)連續(xù)控制增量為Δu(k)、Δu(k+1)、 …、 Δu(k+M-1),設(shè)?y M(k+i/k)表示在控制量連續(xù)變化M次的情況下,在k時(shí)刻對(duì)k+i時(shí)刻輸出的預(yù)測(cè),則未來各時(shí)刻的輸出值為

式中,M被稱為控制時(shí)域。

從式(4)可以看出,只要知道了對(duì)象的初始預(yù)測(cè)值?y 0(k+i/k),就可根據(jù)預(yù)測(cè)模型式(4)計(jì)算出未來對(duì)象的輸出。在k時(shí)刻后的M個(gè)連續(xù)控制增量 Δu(k)、Δu(k+1)、…、Δu(k+M-1)的作用下,被控對(duì)象在未來P個(gè)時(shí)刻輸出預(yù)測(cè)值可以表示為

式中,P被稱為優(yōu)化時(shí)域。

2.3.2 滾動(dòng)優(yōu)化

設(shè)k時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)取為

式中,ωP(k)為期望的輸出;Q、R分別為誤差權(quán)系數(shù)矩陣和控制權(quán)系數(shù)矩陣。

由式(6)得到控制增量計(jì)算式為

2.3.3 反饋校正

DMC引入反饋校正來修正模型預(yù)測(cè)輸出值,利用實(shí)際輸出信息y(k+i/k)與模型預(yù)測(cè)輸出?y(k+i/k)相比較,構(gòu)成輸出誤差：

反饋校正后的預(yù)測(cè)輸出可以取為

式中,h為校正參數(shù);?Yeor(k+1)為k+1時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值。

k+1時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值

而?Y0(k+1+N/(k+1))≈?Y0(k+N/(k+1))。有了k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值,又可以像在k時(shí)刻那樣進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,求出Δu(k+1)。就這樣使整個(gè)系統(tǒng)的滾動(dòng)優(yōu)化建立在預(yù)測(cè)模型輸出誤差反饋校正的基礎(chǔ)上。

將DMC-PID控制算法應(yīng)用于離合器電液位置控制系統(tǒng),利用電控單元進(jìn)行離合器位置控制試驗(yàn)。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)取模型時(shí)域長(zhǎng)度N為50,采樣周期 T為20ms,校正參數(shù)取h=(1,0.5,0.5,0,…),由DMC-PID算法得到當(dāng)前的控制增量用于調(diào)節(jié)比例流量閥的電流大小。PID控制參數(shù)依然采用常規(guī)PID控制算法的參數(shù)：比例系數(shù)K p=80,積分系數(shù)K i=20,微分系數(shù)K d=5。總結(jié)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)后得到DMC預(yù)測(cè)控制器的各參數(shù)取值如下：優(yōu)化時(shí)域P為20;控制時(shí)域M為3;誤差系數(shù)q i與P的選取相對(duì)應(yīng),對(duì)應(yīng)時(shí)滯部分qi=0,其他部分取1;控制權(quán)系數(shù)r1=0,r2=0.8,r3=0。

為了比較常規(guī)PID算法和DMC-PID算法在離合器電液位置控制系統(tǒng)中的控制品質(zhì),本文給出兩組對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。在離合器階躍響應(yīng)控制試驗(yàn)中,目標(biāo)位置從0階躍增加到10mm時(shí),PID控制與DMC-PID串級(jí)控制的階躍響應(yīng)輸出曲線如圖 5所示。與常規(guī)的PID控制算法相比,DMC-PID串級(jí)控制算法使得系統(tǒng)的超調(diào)量σp由11%下降為4%,過渡時(shí)間 T s由460ms縮短為280ms(以進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值±2%誤差帶計(jì)算),上升時(shí)間 T r也略有減小,從180ms減小到150ms。在離合器斜坡響應(yīng)控制試驗(yàn)中,目標(biāo)位置從10mm按照“兩快一慢”的接合速度遞減到0時(shí),PID控制與DMC-PID串級(jí)控制的斜坡響應(yīng)輸出曲線如圖6所示。由圖6可知,常規(guī)PID控制產(chǎn)生的波動(dòng)較大,而DMC-PID控制算法可以有效抑制這種波動(dòng)。

圖5 PID控制與DMC-PID串級(jí)控制的階躍響應(yīng)輸出曲線

圖6 PID控制與DMC-PID串級(jí)控制的斜坡響應(yīng)輸出曲線

3 道路試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的AMT車輛起步離合器MAP圖控制策略,在上海華普AMT樣車上做了起步道路試驗(yàn)。圖7和圖8所示為大小兩種油門車輛起步試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知,油門在10%以下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1200r/min左右時(shí),首先離合器快速接合進(jìn)入滑摩階段,然后離合器緩慢接合,一方面把車輛帶起來,另一方面要維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降,直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和一軸轉(zhuǎn)速同步,最后快速接合離合器,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與一軸轉(zhuǎn)速同步上升,整個(gè)起步過程歷時(shí)3.2s。圖8所示為大油門(75%開度)起步試驗(yàn)結(jié)果,整個(gè)過程與小油門起步一樣,只是油門開度越大,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升越快,離合器接合速度越快,一方面維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/min以下,減小離合器滑摩功,另一方面盡可能快地啟動(dòng)車輛,滿足駕駛員快速起步的駕駛意圖,整個(gè)起步過程歷時(shí)為1.8s,且沒有明顯的沖擊感。

4 結(jié)論

(1)本文將DMC-PID串級(jí)控制算法應(yīng)用于AMT離合器電液位置控制系統(tǒng),對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：DMC-PID算法比常規(guī)PID算法有更好的跟蹤性能,為實(shí)現(xiàn)上層起步離合器MAP圖控制策略打好了基礎(chǔ)。

(2)分析了離合器起步過程中的影響因素,根據(jù)油門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速以及一軸轉(zhuǎn)速等影響參數(shù)提出了起步離合器MAP圖控制策略。應(yīng)用于上海華普AMT樣車的試驗(yàn)證明,該控制策略簡(jiǎn)單實(shí)用,易于整車實(shí)現(xiàn)。

圖7 小油門開度起步試驗(yàn)結(jié)果

圖8 大油門開度起步試驗(yàn)結(jié)果

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