氣動離合器控制技術(shù)研究

趙國強，李 強，鄧金濤，喬運乾

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

AMT是在原有機械式手動變速器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，加裝了電子單元的自動操作機構(gòu)，取代了人工操縱，實現(xiàn)自動換擋過程，AMT的高效率、低造價和操作方便等特性是其得以快速發(fā)展的主要動力。

以內(nèi)燃機為主動力的AMT系統(tǒng)都配置有離合器，通常在斷開動力源后換擋，難點在于滿足平順性及正確應(yīng)對復(fù)雜情況的快速性要求，控制精度顯得尤為重要。本文的主要任務(wù)是針對裝配有AMT自動變速器的P2混動系統(tǒng)車輛起步過程進行控制系統(tǒng)的設(shè)計研究，通過所設(shè)計的控制系統(tǒng)對于起步過程中的離合器進行控制，以此來解決車輛起步過程中的控制問題，從而滿足起步過程中對于駕乘舒適性、起步快速性和元件耐用性的要求。

本文通過搭建離合器系統(tǒng)測試臺架，安裝氣缸壓力傳感器，分析氣缸壓力與傳感器位移之間的關(guān)系，為控制算法及標(biāo)定提供指導(dǎo)，同時引入新的控制算法，提高控制精度，避免超調(diào)及振蕩，提升舒適性。

1 整體設(shè)計方案

P2混動系統(tǒng)中離合器位于發(fā)動機和電機之間，如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)也稱為并聯(lián)系統(tǒng)，并不是說發(fā)動機軸和電機軸一定要并聯(lián)到車橋上，而是說發(fā)動機可以單獨驅(qū)動車輪，電機也可以單軸驅(qū)動車輪，當(dāng)發(fā)動機介入動力傳遞時，離合器需要結(jié)合，尤其是起步階段，離合器的精確控制顯得尤為重要。

圖1 P2并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為離合器系統(tǒng)測試方案介紹，通過在離合器氣動執(zhí)行機構(gòu)氣缸中安裝氣缸壓力傳感器進行氣壓的采集，離合器執(zhí)行機構(gòu)位置本體自帶，用于離合器位置閉環(huán)控制。

圖2 離合器系統(tǒng)測試方案介紹

圖3是離合器工作過程示意圖，橫軸為時間，縱軸為離合器位移，默認(rèn)狀態(tài)下離合器處于分離狀態(tài)，當(dāng)上電后，離合器分離。當(dāng)起步過程中需要發(fā)動機介入動力時，即混動起步或純發(fā)動機模式起步，需要結(jié)合離合器，對離合器位置進行精確控制，控制過程為“快-慢-快”，先快合消除空行程，靠近滑磨點附近緩慢結(jié)合保證舒適性，通過滑磨點后，快速結(jié)合，縮短動力中斷時間及保證離合器耐用性。

圖3 離合器工作過程

目標(biāo)位移可以看作是階躍信號。描述穩(wěn)定的系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下，動態(tài)過程隨時間t變化情況狀況的指標(biāo)，稱為動態(tài)性能指標(biāo)。其中調(diào)節(jié)時間t指響應(yīng)到達并保持在終值±5%內(nèi)所需的最短時間，如圖4所示。在模塊調(diào)度時間內(nèi)，可以認(rèn)為離合器位置控制為階躍信號，在控制過程尤其是起步過程中，為了防止發(fā)動機熄火，需要保證控制不能超調(diào)。

圖4 PID控制單位階躍響應(yīng)

圖5是離合器的PID控制基本原理，控制器根據(jù)接收到的離合器目標(biāo)位置與通過離合器位移傳感器測量到的實際位移的差值對離合器電磁閥的占空比進行控制。當(dāng)目標(biāo)位置比實際位置大時，離合器分閥開啟，合閥關(guān)閉，使實際位置控制到目標(biāo)位置；當(dāng)目標(biāo)位置比實際位置小時，離合器合閥開啟，分閥關(guān)閉，使實際位置控制到目標(biāo)位置。

圖5 離合器的PID控制基本原理

圖6是傳統(tǒng)PID控制效果圖，運用直接輸出占空比的PID控制，標(biāo)定參數(shù)較多，快、慢兩閥分配比例較難協(xié)調(diào)，易超調(diào)，跟隨性較差。

圖6 傳統(tǒng)PID控制效果圖

2 試驗臺架數(shù)據(jù)分析

圖7是離合器分離氣缸壓力變化圖。從圖7可以看出，在離合器分離（離合器位移變大），用相同的占空比進行控制時，氣缸壓力傳感器不是線性變化的，而是有一個拐點，并且離合器位移變化不是線性的。當(dāng)快分閥打開時，氣缸壓力逐漸變大，但是離合器位移則是在一段時間后才開始動作。

圖7 離合器分離氣缸壓力變化圖

3 軟件控制策略設(shè)計

圖8是離合器結(jié)合氣缸壓力變化圖。從圖8可以看出，在離合器結(jié)合（離合器位移變?。?，當(dāng)快合閥打開時，氣缸壓力在延時后逐漸下降，離合器位移間隔一段時間后才會動作，通過此現(xiàn)象，在控制離合器分離時不能分離太大，否則氣缸壓力內(nèi)部壓力過高，會導(dǎo)致電磁閥打開后釋放一段時間氣體后才會開始動作，影響響應(yīng)速度。

圖8 離合器結(jié)合氣缸壓力變化圖

根據(jù)傳統(tǒng)PID控制邏輯及氣缸壓力臺架實測結(jié)果，設(shè)計離合器控制改進PID控制算法，如圖9所示。以離合器結(jié)合為例，根據(jù)目標(biāo)位置和實際位置作為閉環(huán)輸入，輸出合閥PID總輸出值，然后利用合閥分配系數(shù)進行分配，得到快合閥和慢合閥的輸出占空比，減小了標(biāo)定工作，提高了程序覆蓋度。

圖9 改進PID控制邏輯圖

圖10是改進PID控制流程圖。通過位置差進行占空比的分配，得到最終的輸出占空比。一般來講，離合器有結(jié)合需求時，離合器目標(biāo)位置較實際位置小，此時需輸出合閥占空比，分閥占空比輸出為0。同理，離合器有分離需求時，離合器目標(biāo)位置較實際位置大，此時需輸出分閥占空比，合閥占空比輸出為0。

圖10 控制流程圖

圖11是利用改進PID控制進行的控制效果圖，從圖中可以看出，位置跟隨性較圖6中的傳統(tǒng)PID要好。

圖11 改進PID控制效果圖

4 結(jié)論

本文搭建試驗臺架對氣缸壓力進行采集，通過分析氣體可壓縮性對離合器執(zhí)行機構(gòu)延時的影響，用于控制策略的開發(fā)標(biāo)定中，縮短了離合器結(jié)合延時時間，同時針對傳統(tǒng)PID控制中出現(xiàn)的跟隨性差、標(biāo)定工作量大等缺點，設(shè)計了改進PID控制算法。經(jīng)試驗驗證對比，具有明顯的改進效果，提高了位置控制精度，為氣動控制執(zhí)行機構(gòu)控制提供一種思路。