基于AMESim與MatIab/SimuIink的某商用車AMT系統(tǒng)建模與仿真

鐘亮，徐世杰，周垚

（東風(fēng)商用車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

1 引言

AMT系統(tǒng)在保留機械變速箱與離合器的基礎(chǔ)上，加裝電控離合器和選換擋執(zhí)行機構(gòu)，替代駕駛員對離合器踏板和換擋操作桿的操作，但執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計，車輛起步、換擋控制等方面的關(guān)鍵技術(shù)復(fù)雜，控制難度大[1]。本文研究的AMT系統(tǒng)采用氣動式執(zhí)行機構(gòu)，動力源直接利用商用車上的氣源裝置，元件簡單，無污染。不足在于氣體的可壓縮特性使控制響應(yīng)慢，精度不易保證。

2 AMT的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 AMT離合器執(zhí)行機構(gòu)工作原理

如圖1，氣動AMT合器執(zhí)行器由四個電磁閥與單作用氣缸組成，通過四個兩位兩通電磁閥（兩個進氣離閥，兩個排氣閥）控制氣缸的進氣和排氣，實現(xiàn)氣缸內(nèi)活塞的前進后退，活塞推桿與離合器的分離軸承連接，控制離合器分離接合。

2.2 AMT選換擋執(zhí)行機構(gòu)工作原理

選換擋執(zhí)行機構(gòu)分選檔和換擋兩部分，分別各由三個兩位三通閥聯(lián)合進行進排氣控制，通過閥的開閉組合，使氣缸活塞移至特定位置。選檔和換擋活塞十字耦合，耦合處連接撥叉在圖2所示的換擋槽內(nèi)運動，實現(xiàn)選換擋操作。表1為不同檔位下的選換擋閥開閉組合，S1、S2、S3分別表示控制氣缸的三個電磁閥，○表示開啟，×表示關(guān)閉。

表1 選換擋閥控制表

3 AMT及整車建模

AMT車輛的傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)車一致，由發(fā)動機、離合器、扭轉(zhuǎn)減振器、變速箱和整車其他傳動系等部件組成，在此基礎(chǔ)上加裝離合器執(zhí)行機構(gòu)和選換擋執(zhí)行機構(gòu)，整體模型見圖3。

3.1 離合器執(zhí)行機構(gòu)建模

離合器執(zhí)行機構(gòu)由四個高頻兩位兩通電磁閥控制氣缸活塞的直線運動，實現(xiàn)離合器的分離與接合，建模如圖4。

為簡化模型，兩位兩通電磁閥選用節(jié)流閥模塊，閥口氣體流通面積A為：

A=A0·sig（0≤sig≤1）

式中：A0為最大截面積；sig為輸入信號。

電磁閥輸入信號前端增加遲滯模塊，可模擬電磁閥的死區(qū)特性。

電磁閥控制流通的質(zhì)量流：

式中：Cq為流體系數(shù)；Cm為質(zhì)量流參數(shù)；Pup和Tup分別為節(jié)流閥入口的氣壓和溫度。

如圖5，氣缸活塞力平衡方程為：

式中：F1為活塞桿端輸入力；F2為活塞輸出力；p為氣缸內(nèi)氣壓；s為活塞面積；fspr為氣缸內(nèi)彈簧初始壓力；x0為彈簧初始壓縮量； x為活塞位移；K為彈簧剛度；f 0為彈簧初始輸出力。

活塞桿與分離軸承之間由杠桿模塊連接，杠桿一端連接氣缸出端，另一端與離合器彈簧相連。

3.2 AMT選換擋執(zhí)行機構(gòu)建模

選換擋執(zhí)行機構(gòu)由選擋活塞和換擋活塞耦合對換擋撥叉操作，對選檔和換擋執(zhí)行機構(gòu)分別進行建模，見圖6、圖7。位置傳感器輸出活塞位置信號，通過判斷選換擋活塞的位置，輸出擋位信號。

3.3 整車及傳動系統(tǒng)建模

發(fā)動機模型使用其外特性MAP圖表示，輸入試驗數(shù)據(jù)，插值獲得其輸出扭矩。發(fā)動機扭矩Te表示為：Te= f（α，ne）

式中：α為油門開度；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

離合器的建模分平動與轉(zhuǎn)動兩部分，根據(jù)臺架試驗數(shù)據(jù)輸入其傳扭特性。

離合器傳遞扭矩：

4 AMESim與SimuIink聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

4.1 AMESim與SimuIink聯(lián)合仿真建立

聯(lián)合仿真的建立基于被控對象模型的準(zhǔn)確性，因此，在與simulink進行聯(lián)合仿真前，需在AMESim環(huán)境內(nèi)進行獨立的模型在環(huán)仿真，以驗證模型的可靠性。

總成部件的模型建立完成后，利用AMESim軟件的超級元件功能進行封裝，定義其接口及名稱，以便后續(xù)的組裝與更換。在整車動力總成匹配中，為對比A、 B兩款扭轉(zhuǎn)減振器，根據(jù)圖8、9所示兩款扭轉(zhuǎn)減振器臺架試驗的特性曲線分別建立圖10、11所示模型，封裝在圖3所示的扭轉(zhuǎn)減振器模塊中，該超級元件模塊含輸入輸出兩接口，遵循AMESim的“因果關(guān)系”，保證其外部變量（扭矩和轉(zhuǎn)速）方向一致。為子模型添加角度輸入信號，輸出端添加扭轉(zhuǎn)固定端口，仿真其扭轉(zhuǎn)特性，結(jié)果見圖12、13，與試驗數(shù)據(jù)一致，完成該子模型的校驗。

所有子模型封裝校驗完成后，拼接成圖3所示的整車模型。由于整車仿真必須由控制策略才能完整運行，所以整車層面的模型在環(huán)仿真難以完全實現(xiàn)AMT車輛的功能，只能初步檢測模型的正確性，完整仿真由基于AMESim的被控對象模型與基于Simulink的控制策略聯(lián)合仿真實現(xiàn)。

AMESim為聯(lián)合仿真提供了三種接口，應(yīng)用于軟件在環(huán)的接口采用AME2SLCosim模塊。該模塊以simulink為主界面，便于調(diào)整控制參數(shù)，同時，分別調(diào)用兩個軟件的求解器運算，保證運算速度。仿真參數(shù)通過Simulink中接口模塊設(shè)置，文中為得到精確的氣動特性，設(shè)置被控對象仿真精度為10-5，根據(jù)控制策略設(shè)置通訊步長為1 ms。由于結(jié)果數(shù)據(jù)量大，在仿真前進行簡化處理，對不關(guān)注的參數(shù)，取消保存結(jié)果的勾選項，同時記錄步長定為0.1，這樣可有效縮短仿真時的數(shù)據(jù)寫入時間與查看結(jié)果的讀取時間。為提高仿真速度，還可以使用Performance Analyzer工具查看高頻運算的變量，通過修改對關(guān)注結(jié)果無影響的變量，降低運算頻率，可大幅提升運算速度。

AMT系統(tǒng)的信號輸入包括發(fā)動機油門踏板信號，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制信號，操作離合器和選換擋的電磁閥控制信號。反饋給控制系統(tǒng)的信號由AMESim中的傳感器模塊采集，由聯(lián)合仿真接口傳至simulink，包括離合器、選換擋執(zhí)行氣缸的位置，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸出扭矩，變速箱輸入軸、輸出軸轉(zhuǎn)速。由于軟件接口轉(zhuǎn)化的原因，信號在simulink中的排序會顛倒，因此信號名稱需表明清楚。同時，AMESim傳感器信號為標(biāo)準(zhǔn)單位，在輸入至控制策略前需轉(zhuǎn)化為真實傳感器統(tǒng)一的單位。

4.2 仿真結(jié)果分析與應(yīng)用

對AMT車輛從一檔起步到升檔至六檔的加速過程進行仿真，共計70 s。圖14為車輛輸入油門、檔位信號與車速的仿真結(jié)果。

圖14～16為仿真與實車測試的發(fā)動機和變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速，可以看出仿真曲線與車輛的真實運行情況基本一致，其中受道路（主要是坡度）參數(shù)影響，兩者存在一定偏差。對比結(jié)果驗證了模型的準(zhǔn)確性，為研究AMT系統(tǒng)規(guī)律提供了支持。

選換擋操作由執(zhí)行氣缸活塞的嵌套和閥開啟的組合實現(xiàn)，閥開啟時，活塞的位置由其截面積和氣缸限位決定，選換擋執(zhí)行機構(gòu)的氣缸根據(jù)這兩個參數(shù)進行設(shè)計。圖17～18反映出選換擋閥控制信號與氣缸活塞位移的關(guān)系，驗證了結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。值得一提的是，模型驗證時通常輸入常量信號，即使未考慮摩擦，其位移結(jié)果也與現(xiàn)實情況一致。但實際控制策略中，由于位移信號的反饋，氣缸活塞到達目標(biāo)位置后，電磁閥即關(guān)閉，而活塞兩側(cè)氣腔容量不同導(dǎo)致排氣時間不同，存在先關(guān)閉閥對應(yīng)氣腔內(nèi)壓力大于后關(guān)閉閥對應(yīng)的氣腔，使活塞在閥全部關(guān)閉后位置偏移，這就必須引入摩擦力來修正此影響。

圖19為離合器執(zhí)行氣缸位移，位移增大方向為離合器分離方向，離合器執(zhí)行機構(gòu)的動作要求為：換擋前，進氣閥打開，離合器快速分離，執(zhí)行選換擋動作，換擋完成后，排氣閥按一定占空比打開，使離合器按“快-慢-快”的方式接合，即完全分離的位置到開始傳扭點，離合器快速接合；開始傳扭時，緩慢接合，使變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速與發(fā)動機逐漸同步；轉(zhuǎn)速同步時，排氣閥打開，使離合器完全接合。離合器執(zhí)行機構(gòu)的動作快慢與輸入氣壓，閥的節(jié)流口面積、響應(yīng)時間，活塞直徑，氣腔容量以及活塞與氣缸的摩擦力有關(guān)，通過參數(shù)修正，仿真對比，對結(jié)構(gòu)方案進行優(yōu)化。

離合器執(zhí)行機構(gòu)的目標(biāo)位移涉及對油門踏板、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速等大量車輛信息的判斷，其控制模型的建模與參數(shù)標(biāo)定有相當(dāng)大的工作量。為縮短開發(fā)周期并降低臺架試驗成本，在實物驗證前，通過將控制策略與被控對象的聯(lián)合仿真，可快速完善控制模型，根據(jù)離合器位移曲線調(diào)整電磁閥的PID參數(shù)，完成離合器執(zhí)行機構(gòu)目標(biāo)位置的優(yōu)化工作。

5 結(jié)束語

根據(jù)AMT工作原理，分析其數(shù)學(xué)模型，利用AMESim搭建被控對象模型，并與MATLAB/Simulink進行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果與實車數(shù)據(jù)基本一致，驗證了模型的可靠性。基于此模型，可以有效研究AMT車輛的換擋規(guī)律，為AMT執(zhí)行機構(gòu)開發(fā)提供依據(jù)，通過軟件在環(huán)仿真完成控制策略的開發(fā)與優(yōu)化工作。

[1]王興野,李國強,彭志召,等. AMT關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 四川兵工學(xué)報，2014(9):43-47.

[2] 付永領(lǐng),齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊. 北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3]付永領(lǐng),齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實例教程. 北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4]Johan Schonning,Sebastian Zamani. Modeling and Control of Opticruise -a Pneumatic Force Actuator[D]. KTH Electrical Engineering，2007(023).

[5]Klas Hakansson,Mikael Johansson. Modeling and Control of an Electro-Pneumatic Actuator System Using On/Off Valves[D].Linkopings universitet,2007(3971).

[6]Jia Ma,Tom Stuecken,Harold Schock,Guoming Zhu and Jim Winkelman. Model Reference Adaptive Control of a Pneumatic Valve Actuator for Infinitely Variable Valve Timing and Lift[J].Variable Valve Actuation,2007(2135).

[7]李謹(jǐn),鄧衛(wèi)華.AMESim與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)及應(yīng)用[J].情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù),2004(5):61-64.

[8]周紅芳,張新華,謝勁松,等.AMESim軟件在氣動伺服系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù),2008(12):53-56.

[9]袁洪濱,張民慶,孫彥堂.基于AMESim的直動式電磁閥動態(tài)仿真研究[J].火箭推進,2011(10):30-35.