混合動(dòng)力商用車AMT擋位自學(xué)習(xí)控制技術(shù)優(yōu)化

趙 力，冒曉建，祝軻卿，唐航波，王俊席

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

變速器的電子控制是現(xiàn)代汽車電子化典型代表[1]，其中電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission，AMT）是在傳統(tǒng)手動(dòng)固定軸式變速器的基礎(chǔ)上，加裝了電控離合器和選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即用電機(jī)代替了駕駛員進(jìn)行選擋、換擋和離合器分合動(dòng)作，從而降低了駕駛疲勞強(qiáng)度，保證了行車安全，提高了舒適性。AMT系統(tǒng)不僅具有控制精度高的換擋品質(zhì)，而且具有適應(yīng)性好、污染小和改裝成本低等優(yōu)點(diǎn)。

AMT系統(tǒng)在實(shí)際車載動(dòng)力換擋（變速器有轉(zhuǎn)矩傳遞時(shí)）過(guò)程前，必須獲得各個(gè)擋位位置數(shù)據(jù)，才能有效控制選換擋電機(jī)在車輛運(yùn)行時(shí)能準(zhǔn)確換擋，而各個(gè)擋位的位置數(shù)據(jù)需通過(guò)靜態(tài)（變速器無(wú)轉(zhuǎn)矩傳遞）時(shí)啟動(dòng)擋位自學(xué)習(xí)控制程序來(lái)獲得。

由于AMT選換擋驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸到變速器驅(qū)動(dòng)齒輪的尺寸鏈較長(zhǎng)，每臺(tái)AMT制造和裝配存在差異，使用后的零部件磨損、松動(dòng)及維修后的重裝也會(huì)產(chǎn)生差異，所以不同變速器各擋位的位置有所不同，且同臺(tái)變速器的位置也會(huì)相應(yīng)變化。因此需要不斷優(yōu)化AMT擋位自學(xué)習(xí)控制技術(shù)來(lái)自動(dòng)精確、高效地獲得每臺(tái)變速器各擋位坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)良好的選換擋控制效果和減小在線自學(xué)習(xí)的等待時(shí)間，以滿足快速、精準(zhǔn)的換擋品質(zhì)[2]，進(jìn)而滿足AMT的智能控制[3]，保證車輛運(yùn)行安全。本文就是以此為目標(biāo)，針對(duì)AMT靜態(tài)時(shí)各擋位位置自學(xué)習(xí)控制策略，從擋位學(xué)習(xí)順序、再次進(jìn)擋學(xué)習(xí)策略和通過(guò)自整定PID技術(shù)進(jìn)行自適應(yīng)參數(shù)優(yōu)化，開(kāi)展AMT擋位自學(xué)習(xí)控制技術(shù)優(yōu)化的研究。

1 AMT系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)采用的5個(gè)前進(jìn)擋位變速器體，分為3層，即R-1擋層、2-3擋層和4-5擋層，選換擋機(jī)械原理簡(jiǎn)圖及執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1和圖2所示。AMT通過(guò)脈寬調(diào)制法控制選擋電機(jī)和換擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)執(zhí)行將電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成所需選擋和換擋操作。當(dāng)3個(gè)撥塊在空擋時(shí)，通過(guò)控制選擋電機(jī)的占空比和旋轉(zhuǎn)方向，帶動(dòng)換擋軸沿軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行選擋操作；當(dāng)某個(gè)撥塊到達(dá)互鎖板換擋槽位置時(shí)，控制換擋電機(jī)的占空比和旋轉(zhuǎn)方向，就可以進(jìn)行相應(yīng)擋位層的換擋動(dòng)作，其中互鎖板的存在確保了選換擋的唯一性。

如圖1所示，利用選擋角位移傳感器和換擋角位移傳感器檢測(cè)選擋和換擋情況，即本文用選/換擋角位移傳感器輸出的位置電壓（mV）表示選/換擋位置。

2 擋位位置定義分析

根據(jù)變速器選換擋原理，將換擋軸的選擋直線運(yùn)動(dòng)和換擋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成X-Y二維“王”字平面運(yùn)動(dòng)[4]，擋位位置信息如圖3所示?？論跷恢脼閤N=0.5(xNmin+xNmax)。在實(shí)際情況中，需要考慮到電機(jī)輸出特性，且為了避免碰壁沖擊，各擋位的目標(biāo)位置并不是物理極限位置，而是在物理極限位置的基礎(chǔ)上增加偏移量項(xiàng)，如1擋換擋極限位置為x1lim，偏移量為D1x；1擋選擋極限位置為y1lim，偏移量為D1y。則1擋的目標(biāo)位置點(diǎn)坐標(biāo)為： P1=(x1lim+D1x，y1min+D1y)，而有偏移量的選/換擋電機(jī)電流分別為is和ic，選/換擋電機(jī)占空比分別為 Ps和Pc，擋位極限位置為ymin、xlim和ymax，選/換擋電機(jī)靈敏度分別為φc和φs。同理可得其它擋位位置。

3 擋位位置自學(xué)習(xí)控制技術(shù)優(yōu)化

3.1 擋位自學(xué)習(xí)順序優(yōu)化

在AMT系統(tǒng)中，空擋位置的精確確定非常重要，因?yàn)槊看芜x換擋都要經(jīng)過(guò)空擋，若空擋位置有誤或未能回到正確的空擋位置，則會(huì)造成換擋卡滯或不能換擋的嚴(yán)重后果。常規(guī)的AMT擋位自學(xué)習(xí)順序是先學(xué)習(xí)空擋位置，再學(xué)習(xí)上層擋位位置、下層擋位位置、中間層擋位位置。

然而，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新裝配的AMT系統(tǒng)因零部件之間未經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)磨合，換擋阻力較大，影響空擋學(xué)習(xí)中換擋步長(zhǎng)移動(dòng)。在第1次擋位自學(xué)習(xí)過(guò)程中，空擋位置的左右偏差范圍明顯偏窄，見(jiàn)表1。第1次空擋寬度為434 mV，后3次的空擋寬度平均值為(682+702+674)/3=686 mV，與第1次差值252 mV，而后3次空擋寬度散差僅為28 mV。通過(guò)此學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)比較，說(shuō)明第1次學(xué)習(xí)的空擋位置的偏差很大，正確率很低。

表1 優(yōu)化前空擋位置自學(xué)習(xí)結(jié)果數(shù)據(jù)

為提高第1擋位自學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確性及效率，考慮改變擋位自學(xué)習(xí)順序，如圖4所示。通過(guò)先學(xué)習(xí)上層擋位位置，實(shí)現(xiàn)在空擋學(xué)習(xí)之前對(duì)換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行磨合以減小換擋阻力。

3.2 空擋自學(xué)習(xí)選擋自適應(yīng)性優(yōu)化

空擋位置的精確確定在AMT控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵，故空擋學(xué)習(xí)的時(shí)間相對(duì)其它擋位較長(zhǎng)，但為了提高自學(xué)習(xí)效率，減少自學(xué)習(xí)時(shí)間，需要對(duì)空擋學(xué)習(xí)時(shí)間優(yōu)化。因空擋位置的精確程度是由空擋位置的上偏差和下偏差確定的，都屬于換擋值，故可以從選擋運(yùn)動(dòng)中得以優(yōu)化。最初的自學(xué)習(xí)策略空擋位置學(xué)習(xí)時(shí)的選擋運(yùn)動(dòng)是定占空比運(yùn)動(dòng)模式，響應(yīng)比較慢，結(jié)合當(dāng)前成熟的控制技術(shù)[5-7]，采用自整定PID控制會(huì)加快響應(yīng)速度，節(jié)約時(shí)間，且控制柔和無(wú)沖擊。

圖5中r(k)、u(k)、y(k)分別為控制系統(tǒng)k時(shí)刻的輸入量、控制量、輸出量；e(k)為實(shí)時(shí)誤差；Kp(k)、Ki(k)、Kd(k)分別為比例積分微分系數(shù)，由實(shí)時(shí)誤差實(shí)時(shí)調(diào)整。數(shù)字PID控制式為

3.3 再次進(jìn)擋學(xué)習(xí)策略

對(duì)于新裝配的AMT系統(tǒng)，在第1次擋位位置自學(xué)習(xí)時(shí)因零部件之間未經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)磨合換擋阻力較大，會(huì)影響擋位位置的準(zhǔn)確性，一般需要多次學(xué)習(xí)校正。為提高第1次自學(xué)習(xí)的擋位位置值的準(zhǔn)確性，減少多次學(xué)習(xí)以提高效率節(jié)省時(shí)間，提出了再次進(jìn)擋學(xué)習(xí)策略，即在學(xué)習(xí)某擋位過(guò)程中，當(dāng)學(xué)習(xí)擋位極限值成功后，進(jìn)行回退學(xué)習(xí)功能，在回退學(xué)習(xí)成功后不及時(shí)回?fù)?，而是再次進(jìn)擋學(xué)習(xí)擋位位置值，兩次進(jìn)擋選取最佳值作為為此輪學(xué)習(xí)的擋位極限值。此策略避免了第2輪重復(fù)學(xué)習(xí)及校驗(yàn)合格擋位的時(shí)間，從而使擋位學(xué)習(xí)效率大大提升。

4 優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 擋位自學(xué)習(xí)順序優(yōu)化及一致性比較

優(yōu)化前的擋位自學(xué)習(xí)是先學(xué)習(xí)空擋位置再學(xué)習(xí)上層、下層、中層位置，優(yōu)化后是通過(guò)先學(xué)習(xí)上層擋位位置，實(shí)現(xiàn)在空擋學(xué)習(xí)之前對(duì)換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行磨合以減小換擋阻力，從而提高空擋左右偏差位置的學(xué)習(xí)準(zhǔn)確性。優(yōu)化前后檢測(cè)圖如圖6和圖7所示，第1次自學(xué)習(xí)擋位的準(zhǔn)確性及一致性比較見(jiàn)表1和表2。

比較圖6和圖7中的學(xué)習(xí)時(shí)間可得到，優(yōu)化前總體自學(xué)習(xí)時(shí)間可由圖6中時(shí)間軸看出，即134.16－8.52=125.64 s，優(yōu)化后總體自學(xué)習(xí)時(shí)間可由圖7時(shí)間軸看出，即112.81－22.13=90.68 s，故優(yōu)化后每輪自學(xué)習(xí)能夠節(jié)約時(shí)間125.64－90.68=34.96 s，由此可見(jiàn)優(yōu)化方法能夠縮短自學(xué)習(xí)時(shí)間，提高自學(xué)習(xí)效率。

通過(guò)比較表2和表3中的數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化前的后3次自學(xué)習(xí)的散差最大值為16，明顯大于優(yōu)化后的最大散差值4；優(yōu)化前第1次自學(xué)習(xí)值誤差較大，與后3次均值之差最大值為204，而優(yōu)化后第1次自學(xué)習(xí)值誤差較小，與后3次均值之差最大為8，由此可得出優(yōu)化方法能夠提高自學(xué)習(xí)的一致性及第1次自學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確性。

表2 優(yōu)化前自學(xué)習(xí)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 優(yōu)化后自學(xué)習(xí)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.2 空擋自學(xué)習(xí)選擋自適應(yīng)性優(yōu)化

為對(duì)比空擋自學(xué)習(xí)選擋自適應(yīng)性優(yōu)化效果，將優(yōu)化前空擋學(xué)習(xí)檢測(cè)圖和優(yōu)化后檢測(cè)圖列出，如圖8和圖9所示。從兩圖的時(shí)間軸中可看出優(yōu)化前后選擋每循環(huán)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化前后空擋選擋時(shí)間對(duì)比

從圖8和圖9中可以看出空擋學(xué)習(xí)過(guò)程中選擋運(yùn)動(dòng)的比較。由表4可以看出，優(yōu)化后選擋上下一次的時(shí)間AC為1.42 s，比優(yōu)化前AC時(shí)間6.44 s少了5.02 s，效率提高了80%，從而使優(yōu)化后自學(xué)習(xí)時(shí)間大大節(jié)約，減少了自學(xué)習(xí)的等待時(shí)間。

4.3 再次進(jìn)擋試驗(yàn)驗(yàn)證

從圖10的圓圈處可以看出，選擋處于最大位置，換擋也處于最大位置附近，即為4擋學(xué)習(xí)檢測(cè)圖，圓圈中第1次進(jìn)擋位置為A(3 750 mV)處，因AMT機(jī)構(gòu)裝配后零部件之間未經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)磨合，換擋阻力較大，進(jìn)擋深度不夠。經(jīng)過(guò)回退學(xué)習(xí)后，第2次進(jìn)擋為B (4 013 mV)點(diǎn)，明顯比A點(diǎn)深，經(jīng)過(guò)多次學(xué)習(xí)驗(yàn)證4擋最深即4 013 mV，深度增加了19%，由此說(shuō)明了二次進(jìn)擋的必要性及有效性。

5 結(jié)論

（1）本文通過(guò)對(duì)擋位自學(xué)習(xí)優(yōu)化，縮短了擋位自學(xué)習(xí)時(shí)間，提高了擋位自學(xué)習(xí)的一致性以及第1次自學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確率，從而提高了擋位自學(xué)習(xí)的整體效率。

（2）利用自整定PID控制技術(shù)對(duì)空擋擋位自學(xué)習(xí)過(guò)程中的選擋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，通過(guò)優(yōu)化前后比較，結(jié)果表明空擋擋位學(xué)習(xí)時(shí)間大為縮短，提高了學(xué)習(xí)效率。

（3）再次進(jìn)擋學(xué)習(xí)功能，減少了對(duì)擋位位置的重新校核，提高了擋位位置學(xué)習(xí)值的正確性。

總之， 對(duì)AMT擋位自學(xué)習(xí)控制策略的優(yōu)化，提高了擋位自學(xué)習(xí)成功率、效率和一致性。

References)

[1]何忠波，白鴻柏. AMT技術(shù)的展望[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(5)：181-186.He Zhongbo，Bai Hongbai. Automatic Mechanical Transmission Technique Development Actuality and Expectation[J]. Transaction of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，38(5)：181-186. (in Chinese)

[2]葛安林，沈波. AMT換擋品質(zhì)的研究[J]. 汽車技術(shù)，2003(3)：43-45.Ge Anlin，Shen Bo. Study on AMT Gear Shifting Behavior [J]. Automobile Technology， 2003(3)：43-45.(in Chinese)

[3]李勇，常思勤，魏英俊. AMT選換擋機(jī)構(gòu)自學(xué)習(xí)控制策略研究[J]. 汽車工程，2010，32(10)：878-882.Li Yong，Chang Siqin，Wei Yingjun. A Study on the Self-Learning Control Strategy for AMT Shift Actuator [J].Automotive Engineering，2010，32(10)：878-882.(in Chinese)

[4]楊志剛，曹長(zhǎng)修，黃建明.智能控制技術(shù)在汽車AMT中的應(yīng)用[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21(4)：110-113.Yang Zhigang，Cao Changxiu，Huang Jianming. Application of Intelligent Control Methods in Automobile AMT System[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University，2002，21(4)：110-113. (in Chinese)

[5]余天明，鄭磊，李頌.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器離合器灰色預(yù)測(cè)PID控制技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(8)：1-6.Yu Tianming， Zheng Lei，Li Song. Gray Prediction PID Control Technology of Automated Mechanical Transmission Clutch [J]. Transaction of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42(8)：1-6.(in Chinese)

[6]任正云，邵惠鶴，張立群. 幾種不穩(wěn)定滯后對(duì)象的預(yù)測(cè)PID控制[J]. 控制與決策，2004，19(6)：671-674.Ren Zhengyun，Shao Huihe，Zhang Liqun. Predictive PID Control for Several Kinds of Unstable Plus Time Delay Processes [J]. Control and Decision，2004，19(6)：671-674. (in Chinese)

[7]吳振順，姚建均，岳東海. 模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2004， 36(11)：1578-1580.Wu Zhenshun，Yao Jianjun，Yue Donghai. A Self-Tuning Fuzzy PID Controller and Its Application [J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2004，36(11)：1578-1580. (in Chinese)