克服靜摩擦的AMT離合器起步控制算法

劉四海 師 帥 李永軍 于潔清

(一汽解放事業(yè)本部商用車(chē)開(kāi)發(fā)院電子電氣開(kāi)發(fā)部,長(zhǎng)春 130011)

0 引言

AMT，即機(jī)械式自動(dòng)變速器，主要是在干式離合器和傳統(tǒng)固定軸式手動(dòng)變速箱MT的基礎(chǔ)上采用自動(dòng)變速理論和先進(jìn)電控技術(shù)的自動(dòng)變速系統(tǒng)。隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)變速器的整體市場(chǎng)的影響不斷擴(kuò)大，商用車(chē)自動(dòng)變速器市場(chǎng)的需求也越來(lái)越大；在中國(guó)自動(dòng)變速器自主能力不足以及重型汽車(chē)自動(dòng)變速器裝車(chē)率很低的國(guó)情下，AMT變速器結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，在重型汽車(chē)領(lǐng)域已展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，將有十分廣闊的發(fā)展空間[1]。

目前，由于重型卡車(chē)工作環(huán)境比較惡劣，分離軸承負(fù)載大，離合器片磨損下來(lái)的碎屑、以及分離軸承進(jìn)水、生銹等因素導(dǎo)致分離軸承卡滯，需要克服的靜摩擦力比較大，而傳統(tǒng)的離合器控制算法應(yīng)用效果不好，因此我們采用一種疊加鋸齒波克服靜摩擦的控制算法，即在原有目標(biāo)位置控制基礎(chǔ)上疊加鋸齒波 PID位置控制。由于車(chē)輛行駛的復(fù)雜性和駕駛員意圖的多變性，尤其在重型汽車(chē)領(lǐng)域，AMT起步控制成為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一大難題[2]。AMT系統(tǒng)缺少柔性元件，使得控制上有一定的難度；離合器接合過(guò)快會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重沖擊，影響乘坐舒適性和傳動(dòng)系壽命，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；接合過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致滑摩時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫升加劇，加速摩擦副的磨損，同樣會(huì)影響到動(dòng)力性和離合器壽命[3]；所以起步的關(guān)鍵問(wèn)題是離合器的接合控制。

提高和改善重型車(chē)輛起步性能對(duì)于加快國(guó)內(nèi)重型汽車(chē)自主AMT的產(chǎn)品化進(jìn)程非常重要，因此本文以某重型汽車(chē)AMT為研究對(duì)象，著重分析鋸齒波疊加克服靜摩擦的控制算法以提高其AMT離合器的起步性能。

1 離合器系統(tǒng)分析

1.1 離合器操縱系統(tǒng)工作原理

本文所研究的某重型汽車(chē)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電控氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，離合器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 離合器控制機(jī)構(gòu)原理圖

離合器分離時(shí)，進(jìn)氣閥通電，氣源氣體經(jīng)進(jìn)氣閥塊直到離合器缸，推動(dòng)活塞移動(dòng)，完成離合器的分離動(dòng)作。

離合器結(jié)合時(shí)，排氣閥通電，在膜片彈簧力的作用下，離合器缸內(nèi)的氣體經(jīng)排氣閥塊排入大氣，完成離合器的結(jié)合動(dòng)作。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

為了提高重型汽車(chē)AMT的起步品質(zhì)，首先建立了在AMT離合器接合過(guò)程中傳動(dòng)系簡(jiǎn)化到離合器兩端的模型，如圖2所示，以更好的認(rèn)識(shí)離合器起步的特征。

列出離合器接合過(guò)程中的方程式為：

(1)

圖2 離合器系統(tǒng)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型

(2)

式中：

ωe——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角速度；

ωv——變速器輸入軸的角速度；

Iv——離合器從動(dòng)部分的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(對(duì)變速器，傳動(dòng)軸，主減速器，半軸，車(chē)輪，整車(chē)質(zhì)量的等效換算)；

be——發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪、曲軸和其他運(yùn)動(dòng)部件折合到曲軸上的當(dāng)量阻尼；

bv——離合器從動(dòng)部分的當(dāng)量阻尼；

Fcl——離合器的接合壓力；

Tcl——離合器接合中傳遞的扭矩；

Tload——離合器從動(dòng)部分的負(fù)載扭矩。

1.3 離合器結(jié)合過(guò)程分析

結(jié)合上述圖2以及本節(jié)圖3離合器轉(zhuǎn)矩傳遞情況得到AMT離合器從分離狀態(tài)到完全接合可分為三個(gè)階段：無(wú)轉(zhuǎn)矩傳遞階段、傳遞轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)階段和轉(zhuǎn)矩不再增長(zhǎng)階段。分析這三個(gè)階段：

圖3 離合器接合過(guò)程傳遞轉(zhuǎn)矩示意圖

圖中：

Tc——離合器接合中傳遞的扭矩；

Ne——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速；

Ni——離合器從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速。

1.0

離合器處于分離狀態(tài)，摩擦轉(zhuǎn)矩為零；消除離合器從動(dòng)片與壓盤(pán)及飛輪之間的間隙，不會(huì)產(chǎn)生沖擊和滑磨，因此該階段接合要快。

2.tB

離合器處于滑磨狀態(tài)，其摩擦轉(zhuǎn)矩為滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳遞情況，將該階段分成兩個(gè)階段，轉(zhuǎn)矩未克服行駛阻力階段和轉(zhuǎn)矩超過(guò)行駛阻力階段。

1)tB

起步時(shí)，車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)；應(yīng)以發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火為前提，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速盡可能低以減少滑磨，同時(shí)離合器接合要快，減少接合時(shí)間。

2)tD

汽車(chē)克服行駛阻力開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，隨著離合器接合量的增加，加速度逐漸增大至某一穩(wěn)定值，接著加速度緩慢增長(zhǎng)至發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與車(chē)速同步。該階段是產(chǎn)生沖擊和滑磨的主要階段，所以要放慢接合速度，以獲得平穩(wěn)起步，提高舒適性，減少傳動(dòng)系沖擊；同時(shí)亦需盡快完成對(duì)離合器的控制，減少結(jié)合時(shí)間。

3.t>tC，轉(zhuǎn)矩不再增長(zhǎng)階段：

離合器處于接合狀態(tài)，其摩擦轉(zhuǎn)矩為靜摩擦矩，不再打滑；其主從端角速度開(kāi)始同步，轉(zhuǎn)速差為零，繼續(xù)接合，轉(zhuǎn)矩傳遞能力繼續(xù)增加；傳遞轉(zhuǎn)矩開(kāi)始取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大??；該階段不會(huì)影響離合器沖擊和滑磨，接合要快。

綜上分析，離合器的接合過(guò)程應(yīng)遵循“快-慢-快”的原則。從理論來(lái)說(shuō)，在第一與第三階段里，離合器接合速度越快越好，而對(duì)起步性能影響最大的是第二階段，則重點(diǎn)對(duì)第二階段里提出以下三個(gè)要求：

1) 應(yīng)盡量減少離合器結(jié)合時(shí)間，減少滑摩損失；

2) 接合要保證平順性，不應(yīng)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊和波動(dòng)；

3) 離合器結(jié)合應(yīng)能體現(xiàn)駕駛意圖，能夠根據(jù)駕駛員要求控制離合器接合速度。

2 離合器起步PID控制算法設(shè)計(jì)

2.1 控制算法現(xiàn)狀

目前，離合器起步控制算法主要是確定離合器運(yùn)動(dòng)的位移和速度[4]，其中有不少典型算法，都有其特定的適應(yīng)性，對(duì)幾種典型算法做簡(jiǎn)單介紹如下。

(1) 模糊控制

模糊控制算法一般用于控制復(fù)雜的非線(xiàn)性、大滯后的系統(tǒng)，控制規(guī)則用模糊語(yǔ)言來(lái)描述。對(duì)于離合器的控制，用模糊語(yǔ)言來(lái)描述駕駛員起步意圖的針對(duì)性比較強(qiáng)，控制意圖能得到比較準(zhǔn)確的反映。

缺點(diǎn)是在參數(shù)模糊化過(guò)程中人為因素的影響較大，在控制規(guī)則中參數(shù)特性與控制目標(biāo)關(guān)系不明確，不易進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

(2) 自適應(yīng)控制

由于離合器控制中參數(shù)的時(shí)變特性，自適應(yīng)控制成為比較重要的一種控制方法。環(huán)境中的許多因素對(duì)執(zhí)行器工作狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，執(zhí)行器在同樣工作行為下得到的控制效果會(huì)有差異，因此可以采用自適應(yīng)控制的方法來(lái)調(diào)整控制規(guī)律。目前主要采用閉環(huán)自適應(yīng)控制方法，不需要相應(yīng)傳感器，在離合器快速接合過(guò)程中可以自動(dòng)辨識(shí)控制模型，自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境因素變化，降低成本，提高系統(tǒng)可靠性。

(3) 智能控制

智能控制方法對(duì)工作環(huán)境和工作任務(wù)的變化具有很快的應(yīng)變能力。對(duì)于人—車(chē)—環(huán)境以及多參數(shù)化的復(fù)雜離合器控制系統(tǒng)，智能控制是很好的選擇。

智能控制方法可以在起步過(guò)程中根據(jù)離合器的起步過(guò)程特征，辨識(shí)各參數(shù)之間的關(guān)系，并根據(jù)相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的偏差對(duì)控制輸出量進(jìn)行優(yōu)化，從而提高起步性能。

(4) PID控制

PID控制算法在連續(xù)性的時(shí)間控制中，對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)行無(wú)差調(diào)節(jié)，應(yīng)用較為廣泛，其控制技術(shù)比較簡(jiǎn)單，容易搭建，易于實(shí)現(xiàn)，工程應(yīng)用廣泛。但對(duì)于非線(xiàn)性參數(shù)時(shí)變的離合器接合過(guò)程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單一參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器難以滿(mǎn)足其控制要求；可以通過(guò)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)其大小，并與上一級(jí)輸出做比較，按照預(yù)規(guī)定的推理規(guī)則得出參數(shù)校正因子，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。

2.2 疊加鋸齒波自適應(yīng)PID控制算法設(shè)計(jì)

鑒于上述各種控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文所研究重型汽車(chē)AMT控制選擇采用目標(biāo)位置控制基礎(chǔ)上疊加鋸齒波自適應(yīng)PID控制算法，其主要方案是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)指定轉(zhuǎn)速時(shí)車(chē)輛由靜止開(kāi)始起步，起步過(guò)程中用疊加鋸齒波自適應(yīng)PID控制算法對(duì)離合器接合過(guò)程進(jìn)行控制。以離合器的目標(biāo)位移和實(shí)際位移作為控制輸入，以氣閥的占空比作為控制輸出。首先，由Matlab/Simulink建立模型進(jìn)行初步仿真驗(yàn)證，所建控制模型如下圖4、5所示：

通過(guò)調(diào)節(jié)所建仿真模型中的氣閥的占空比，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)AMT離合器分離、接合的控制；離合器“快-慢-快”接合時(shí)的位移仿真信號(hào)如下圖6(a)所示：

同時(shí)，得到仿真后的氣閥控制電流，如下圖6(b)所示：

結(jié)合上圖，可以看出在離合器接合初期由快到慢時(shí)，氣閥按接合速度增加閥的電流以減少流量，逐漸實(shí)現(xiàn)慢速結(jié)合；在中間的離合器慢接合階段，氣閥的電流快速增大；在離合器接合后期由慢變快時(shí)，電流也按接合速度同比例減小，以實(shí)現(xiàn)快速結(jié)合。

圖4 車(chē)輛起步過(guò)程離合器模型

圖5 氣閥的PID控制模型

圖6(a) 快-慢-快接合時(shí)離合器的位移

圖6(b) 快-慢-快接合時(shí)閥的控制電流

3 整車(chē)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的疊加鋸齒波的自適應(yīng)PID控制算法對(duì)離合器起步控制優(yōu)化的效果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)方案；以重型卡車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，如圖7所示；針對(duì)AMT離合器自動(dòng)操縱系統(tǒng)基于總線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)人員為一名技術(shù)人員和一名駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富的重型汽車(chē)駕駛員。對(duì)于重型汽車(chē)來(lái)說(shuō)，坡道起步是比較常見(jiàn)又急需解決的問(wèn)題，所以試驗(yàn)工況選擇為坡道大油門(mén)起步。

圖7 試驗(yàn)用整車(chē)

將加入所設(shè)計(jì)自適應(yīng)PID控制算法的控制程序刷寫(xiě)到TCU中。由PC機(jī)作為上位機(jī)，用CANape來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行；采集離合器在分離、接合過(guò)程的位移及其他信號(hào)數(shù)據(jù)并加以處理和分析。最后對(duì)比給出傳統(tǒng)PID控制算法以及疊加鋸齒波的自適應(yīng)PID控制算法進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)。

所以本試驗(yàn)主要工作內(nèi)容如下：

1．控制離合器分離位移；

2．控制離合器接合位移，結(jié)合過(guò)程為快-慢-快的原則，按正常規(guī)律接合。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析及總結(jié)

1．控制離合器分離對(duì)比

從圖8上可以看出克服分離軸承的靜摩擦，離合器分離過(guò)程中明顯有個(gè)過(guò)沖，傳統(tǒng)PID控制算法會(huì)產(chǎn)生超調(diào)；而圖9中在原有目標(biāo)位置中疊加鋸齒波，由于目標(biāo)位置在動(dòng)態(tài)變化，實(shí)際位置能及時(shí)跟隨目標(biāo)值變動(dòng)但分離效果平順；分離后期跟隨性較好。

圖8 傳統(tǒng)PID離合器分離位移

圖9 疊加鋸齒波的PID自適應(yīng)算法的離合器分離位移

Fig.9 Clutch separation displacement of PID adaptive algorithm with superimposed sawtooth wave

2．控制離合器結(jié)合位移

離合器結(jié)合過(guò)程位移數(shù)據(jù)為快-慢-快原則，按正常規(guī)律接合。

由圖10得知，傳統(tǒng)的PID控制起步結(jié)合到半結(jié)合點(diǎn)附近時(shí)，會(huì)有一個(gè)大的下沖，再回調(diào)，離合器結(jié)合不平順，反映到整車(chē)上就是一個(gè)大的聳動(dòng)，而圖11在原有目標(biāo)位置疊加鋸齒波，離合器在接合時(shí)實(shí)際位移能及時(shí)跟隨目標(biāo)值變動(dòng)，跟隨性比較好，而且在中間位置時(shí)跟隨目標(biāo)位置保持一段時(shí)間。

圖10 傳統(tǒng)PID離合器結(jié)合位移

Fig.10 Traditional PID clutch combined with displacement

圖11 疊加鋸齒波的自適應(yīng)PID算法的離合器結(jié)合位移

Fig.11 Clutch combined displacement of adaptive PID algorithm with superimposed sawtooth

圖12、13、14分別給出了油門(mén)踏板位置、以及疊加鋸齒波的自適應(yīng)PID算法的離合器主從動(dòng)端轉(zhuǎn)速和車(chē)速的變化曲線(xiàn)。

圖12 油門(mén)踏板位置

根據(jù)離合器主、從動(dòng)端轉(zhuǎn)速和車(chē)速隨油門(mén)踏板以及起步時(shí)間的變化規(guī)律可以看出，轉(zhuǎn)速和車(chē)速變化基本沒(méi)有大的波動(dòng)，平順性較好。

圖13 疊加鋸齒波自適應(yīng)PID算法的離合器主從動(dòng)端轉(zhuǎn)速

Fig.13 Clutch active end and driven end speed of superimposed sawtooth adaptive PID algorithm

圖14 疊加鋸齒波自適應(yīng)PID算法的車(chē)速

Fig.14 Superimposed sawtooth adaptive PID algorithm for vehicle speed

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)重型卡車(chē)工作環(huán)境比較惡劣，分離軸承負(fù)載大，離合器片磨損下來(lái)的碎屑、以及分離軸承進(jìn)水、生銹等因素導(dǎo)致分離軸承卡滯，需要克服的靜摩擦力比較大，而傳統(tǒng)的離合器控制算法應(yīng)用效果不好這個(gè)問(wèn)題，以某重型汽車(chē)AMT離合器介紹了操縱系統(tǒng)工作原理，討論了離合器的起步過(guò)程，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模；介紹當(dāng)前典型的控制方法并選用合適的PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

最后，利用在原有目標(biāo)位置信號(hào)疊加鋸齒波的自適應(yīng)PID控制算法與傳統(tǒng)的PID控制算法在整車(chē)上進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，離合器分離和結(jié)合實(shí)際動(dòng)作相對(duì)于期望目標(biāo)的跟隨性良好，車(chē)輛在起步過(guò)程中具有不錯(cuò)的平順性，極大的改變了起步性能，在一定范圍內(nèi)能夠解決分離軸承生產(chǎn)一致性問(wèn)題或者分離軸承由于環(huán)境因素導(dǎo)致的卡滯問(wèn)題，并能夠適當(dāng)延長(zhǎng)分離軸承的使用壽命。