6-AMT微型乘用車起步優(yōu)化控制＊

唐娜娜陳勇高陽郭立書高炳釗陳虹

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室;2.吉利汽車研究院）

6-AMT微型乘用車起步優(yōu)化控制＊

唐娜娜1陳勇2高陽2郭立書2高炳釗1陳虹1

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室;2.吉利汽車研究院）

為提高車輛起步過程中的舒適性及動力性，以6擋電控機械式自動變速器的起步控制為例進行了仿真試驗。搭建了6-AMT傳動系AMESim仿真模型，通過與試驗結果的對比驗證了仿真模型的可靠性,并對控制參數(shù)進行了優(yōu)化。分別采用優(yōu)化控制方法和PID控制方法對車輛起步進行控制試驗，結果表明，與PID控制方法相比，優(yōu)化控制方法的起步過程更快速、更平順。

1 前言

電控機械式自動變速器（AMT）具有傳動效率高、結構簡單、制造成本低、可靠性好、適應環(huán)境能力強且操作方便等優(yōu)點，較適合在微型乘用車上使用[1]。目前已經成功上市的AMT微型車如雪佛蘭新賽歐、奇瑞A1等車型的擋位均在5擋或以下。某汽車公司推出的AMT微型乘用車采用了6擋速比設計，與5擋位汽車相比，擋位數(shù)的增加降低了車輛高速行駛時發(fā)動機轉速，從而提高了燃油經濟性[2]。而在平順性控制方面，盡管6-AMT速比范圍變寬，但起步擋（1擋）的速比變化不大，因此仍需要較高性能的起步控制策略來實現(xiàn)快速平順的車輛起步。

AMT汽車依靠干式離合器滑摩起步，起步過程的主要性能指標是沖擊度和滑摩功[3，4]。由于起步過程中既要求車輛行駛平穩(wěn)沒有沖擊，又要求離合器滑摩損失小，所以沖擊度與滑摩功存在一定程度的矛盾性，如何權衡兩者之間的關系成為控制離合器起步過程的關鍵。基于對沖擊度和滑摩功性能指標的綜合考慮，本文對6-AMT車輛起步控制策略進行了研究，采用優(yōu)化控制實現(xiàn)了車輛的快速平順起步，并可兼顧降低沖擊度和減小滑摩功。

2 6-AMT介紹

6-AMT傳動系統(tǒng)機構如圖1所示，其變速器采用同步器式換擋方式，為減小換擋時齒輪的沖擊力，只有在待換入的齒輪副轉換差很小時才進行換擋。該變速器速比設定為3.308、1.913、1.276、0.971、0.763和0.731，共設置3個超速擋（4、5、6擋），通過3個電機分別控制選、換擋動作和離合器動作。

本文主要針對6-AMT車輛起步過程中離合器的控制進行研究。6-AMT離合器操縱機構如圖2所示，其利用高傳遞效率的滾珠絲杠作為減速機構，將電機的旋轉運動轉換為直線運動，再通過一系列桿件操縱離合器的分離與接合。

3 仿真模型建立與校驗

3.1 模型建立

如果直接通過實車試驗來驗證6-AMT的起步控制性能，需要耗費大量工時且工作成本較高。為此，在動態(tài)仿真模型的基礎上，利用仿真結果評價車輛控制性能的好壞，以減小實車標定工作量。搭建6-AMT的AMESim整車模型如圖3所示，以其為被控對象，通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，在實車試驗前驗證起步控制性能。AMESim整車模型包括發(fā)動機、離合器、變速器、驅動軸以及車輪和車身等。

3.2 模型校驗

為驗證所建立的6-AMT傳動系仿真模型的有效性，將相同的離合器信號和油門踏板信號分別輸入仿真模型和樣車，觀測它們的車速曲線并進行對比，對比結果如圖4所示。

由圖4可看出，在車輛起步過程中，離合器開始時均處于斷開狀態(tài)，從106 s開始，隨發(fā)動機油門開度的增加離合器緩慢接合，車輛緩慢起步。離合器徹底接合后油門開度和車速繼續(xù)增加，車輛在113 s和119 s時分別升入2擋和3擋行駛。包括起步在內的每一過程，仿真車速與試驗車速基本吻合，這表明所建立的仿真模型準確，能夠用于后續(xù)對起步控制器的性能驗證。

4 起步控制器設計

4.1 優(yōu)化控制

優(yōu)化控制是指在一定條件下，在完成所要求的控制任務時，使系統(tǒng)的某種性能指標具有最優(yōu)值[5]。車輛起步過程中，離合器經歷從開始滑摩到完全接合的過程，在制定性能指標時應該考慮以下3個主導因素：快速響應駕駛員操作;車輛起步沖擊小;離合器摩擦片滑摩損失小。

為達到以上控制要求，設計了基于LQR的優(yōu)化控制算法對離合器進行起步控制。選取6-AMT車輛的系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

狀態(tài)變量x和控制量u分別為：

狀態(tài)矩陣A、B分別為:

式中，ωe為發(fā)動機轉速;ωc為離合器輸出軸轉速;Tc為離合器傳遞扭矩;Te為發(fā)動機扭矩;Tl為車輛負載扭矩為離合器扭矩變化率;Ce和Cv為阻尼系數(shù); Ie和Iv為轉動慣量。

上述方程的詳細推導過程見參考文獻[5]。

采用LQR（線性二次調節(jié)器）控制算法，控制過程即尋求最優(yōu)控制量u使目標函數(shù)J最小。取狀態(tài)變量和控制變量的二次型函數(shù)的積分作為性能指標，該性能指標可寫成統(tǒng)一的解析表達式：

式中，Q和R分別為狀態(tài)變量x和控制量u的加權矩陣;t0為半接合點時刻;tf為完全接合時刻。

根據離合器起步過程的性能指標選取最佳Q值和R值，增大矩陣Q的取值可保證車輛快速起步，增大矩陣R的取值可保證車輛起步平順，經綜合權衡快速性和平順性后給定Q與R的具體取值。

所選取的最佳Q值和R值分別為：

控制量u的最優(yōu)解為：

由式（9）可知，控制量與狀態(tài)變量存在以下的線性疊加關系：

式中，k為對應控制變量x所占的加權比重，k的選取由加權矩陣Q和R的值決定。

式（10）中，ωe、ωc、Te由車輛CAN總線讀出，Tc由離合器推力軸承位置以及轉速信號進行在線辨識，Tl由坡度傳感器信號計算得到。

4.2 PID控制

為體現(xiàn)優(yōu)化控制算法的優(yōu)勢，同時采用傳統(tǒng)PID（比例-積分-微分）控制方法進行了車輛起步控制測試，并將控制結果與優(yōu)化控制結果進行對比。

PID控制方法采用發(fā)動機恒速起步控制原則，在起步過程中根據駕駛員給定的油門開度制定發(fā)動機目標轉速，通過控制離合器接合速度和接合量及發(fā)動機的油門開度來減小發(fā)動機目標轉速與實際轉速之間的偏差。PID控制算法將發(fā)動機實際轉速與目標轉速的差值進行數(shù)乘、積分、微分的運算，并將三者求和得出離合器期望扭矩，然后據此修正離合器的接合量。當發(fā)動機實際轉速大于目標轉速時，PID控制離合器的接合量增大，使發(fā)動機的負荷增加，降低發(fā)動機的實際轉速。反之，當發(fā)動機實際轉速低于目標轉速時，PID控制離合器的接合量減小，增加發(fā)動機的實際轉速。

5 起步控制結果

5.1 仿真結果

利用所搭建的仿真模型進行起步控制器的性能預測試。

優(yōu)化控制與PID控制的起步控制仿真結果見圖5。由圖5a～圖5d可看出，當油門開度在10%～50%內變化時，優(yōu)化控制下離合器力矩曲線更平順，發(fā)動機轉速變化也更小，這說明相對于PID控制，優(yōu)化控制能夠減小離合器滑摩損失。同時從圖5e和圖5f中的沖擊度（車輛加速度變化率）可看出，優(yōu)化控制下的起步沖擊度明顯小于PID控制下的沖擊度。

5.2 實車試驗結果

因優(yōu)化控制方法比PID控制方法更有效，所以選擇優(yōu)化控制策略進行實車試驗，試驗結果如圖6所示。由圖6可看出，從10.7 s開始，增大油門踏板開度，離合器開始接合，變速器輸入軸轉速（車速）逐漸增加，直至12.5 s時離合器滑摩過程結束（變速器輸入軸轉速與發(fā)動機轉速同步）。試驗結果表明，迅速踩下中大油門并沒有引起發(fā)動機轉速飛升，離合器可迅速接合到合適位置并傳遞動力;整個起步過程快速且平順，保證了起步沖擊小和摩擦片滑摩損失小。

6 結束語

將離合器接合過程中的沖擊度與滑摩功作為優(yōu)化性能指標，采用優(yōu)化控制算法設計了6-AMT微型車起步控制策略。通過在仿真模型和試驗樣車上進行測試，表明優(yōu)化控制可實現(xiàn)6-AMT微型車快速平順起步。與PID控制算法相比，優(yōu)化控制算法在快速響應駕駛員操作、減小車輛起步沖擊、減小離合器摩擦片滑摩損失等方面具有明顯優(yōu)勢。

1李君，張建武，馮金芝，等.電控機械式自動變速器的發(fā)展、現(xiàn)狀和展望.汽車技術，2000（3）:1～3.

2余志生.汽車理論.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

3Kahraman A.Natural modes of planetary gear trains，Journal Of Sound And Vibration，Vol.173，No.1，pp.125-130，1994.

4葛安林.車輛自動變速理論與設計.北京:機械工業(yè)出版社，1993.

5Gao B-Z，Chen H，Lu XH，et al。An Improved Optimal Controller for Start-up of AMT Trucks in Consideration of Driver's Intention，International Journal of Automotive Technology，Vol.14，No.2，pp.213-220.2013.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年3月24日。

Optimal Control of Starting-up Process of Mini Car with 6-speed AMT

Tang Nana1,Chen Yong2,Gao Yang2,Guo Lishu2,Gao Bingzhao1,Chen Hong1,3
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University;2.Geely Automobile Research Institute;3. Department of Control Science and Engineering,Jilin University）

To improve comfort and power performance of vehicle during the start-up process,a mini car equipped with 6-speed AMT is simulated and tested for starting control performance.AMESim model of the powertrain with 6-speed AMT is established,and compared with test results,which proves reliability of the simulation model,and the control parameters are also optimized.We use optimal control and PID control respectively to control the starting process.The simulation result indicates that the optimal control method features faster and smoother starting-up than PID control method.

Mini vehicle,AMT,Starting-up Control,Optimization

電控機械式自動變速器起步控制優(yōu)化

U463.211+.2

A

1000-3703（2014）04-0021-04

國家自然科學基金（61034001,61374046）、教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”（IRT1017）的資助。