基于接合指標邏輯切換的氣動離合器控制算法研究*

宋世欣,曾華兵,劉 斌

(1.吉林大學,汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.北京現代汽車有限公司,北京 101300)

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2015095

基于接合指標邏輯切換的氣動離合器控制算法研究*

宋世欣1,曾華兵1,劉 斌2

(1.吉林大學,汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.北京現代汽車有限公司,北京 101300)

針對AMT氣動離合器自動控制系統，采取了基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制算法，其中電磁閥的控制采用PWM開關閥的比例控制，并基于該控制算法搭建了該系統的控制器。在AMESim中對AMT氣動離合器自動操縱系統建模，并進行相關的仿真。離合器自動操縱系統的臺架試驗，驗證了所制定的控制算法的有效性，大大提高了離合器的接合品質。

AMT；氣動離合器；控制算法

前言

機械式自動變速器系統開發的核心部分是電控系統的開發，而離合器的控制又是電控系統的關鍵技術之一[1]，尤其是對氣動離合器控制技術的研究，離合器自動操縱系統本身就是一個復雜的非線性系統，加上氣體的強可壓縮性和氣動傳動的響應精度和速度都難以控制，這些都增加了氣動AMT中離合器控制的難度，因此要實現AMT氣動離合器的精確控制還有諸多的難點需要攻克[2]。

目前在離合器控制的實際應用中，比較前沿的控制策略有基于最優控制理論的控制策略和基于模糊理論的模糊控制等[3]，這些控制策略都將離合器的接合位置作為控制目標[4]，然而由于控制系統本身的一些特性，先進的控制策略并不能達到比較理想的控制效果，實際應用中使用較為廣泛的控制算法仍為經典的PID控制算法[5]，該算法雖然簡單實用，但由于被控系統復雜的非線性和氣體的強可壓縮性，導致了系統的控制精度較低、魯棒性較差[6]。本文中采用了基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制算法，能夠克服氣動傳動的大滯后性，并能較好地適應膜片彈簧離合器的分段分離特性，具有較強的跟蹤性能和較強的魯棒性，從而提高了系統的控制精度，改善了離合器的接合品質。

1 氣動離合器自動操縱系統

本文所研究的離合器氣動執行機構由電磁閥控制閥塊和離合器執行氣缸組成[7]。其中離合器控制閥塊為4個兩位兩通的高速響應的開關電磁閥組合，分別為2個進氣閥和2個排氣閥。普通的開關閥只能實現開和關兩種狀態，而研究采用的為高速響應的開關電磁閥，可以通過變速器控制單元(TCU)改變脈沖寬度調制(PWM)控制下的占空比，實現高速開關閥的比例開關功能，從而實現氣壓的增壓、保壓和減壓的控制，提高了系統的響應速度和控制精度。

圖1為離合器氣動執行機構的結構圖。其中AMT的電控單元TCU主要用來采集試驗數據并對數據進行處理分析，同時協調與整車控制器和發動機控制單元ECU的控制等。TCU是整個變速器控制的核心單元，本文中采用ST10系列單片機。離合器控制閥塊即上面提到的為2個進氣閥和2個排氣閥組成的高速響應的開關電磁閥組合閥塊。離合器執行氣缸為氣壓驅動活塞挺桿從而推動離合器分離撥叉的助力機構。

圖2為離合器氣動執行機構的原理圖。TCU控制離合器控制閥塊，通過控制輸入電磁閥1、輸入電磁閥2來控制高壓氣體進入離合器執行氣缸的快慢，實現離合器的分離，通過控制輸出電磁閥1、輸出電磁閥2來控制離合器執行氣缸的高壓氣體排出的快慢，實現離合器的接合。

2 氣動離合器控制方法

離合器的自動控制是離合器控制單元根據采集到的外界路況信息和駕駛員的駕駛意圖等信息來控制離合器執行機構的動作，從而實現離合器的自動分離和接合。裝有AMT的車輛對離合器的控制主要是起步階段離合器的控制，而離合器接合過程的控制則是離合器控制的核心。

2.1 離合器最佳接合控制規律

離合器的整個接合過程如圖3所示，分為4個階段：(1)0-t1時刻為無轉矩傳遞階段；(2)t1-t2時刻為傳遞轉矩未克服行駛阻力階段；(3)t2-t3時刻為傳遞轉矩超過行駛阻力階段；(4)t3時刻之后為同步階段。

圖中：Tc為離合器傳遞轉矩；Tφ為阻力矩；ne、nc分別為離合器主從動盤轉速。

分析以上4個階段可知，無轉矩傳遞階段中，離合器不輸出轉矩。為了縮短離合器接合的時間，在該階段應盡快接合離合器；在傳遞轉矩未克服行駛阻力階段，車輛仍靜止，離合器的接合也不會產生車輛的沖擊，而滑摩功的大小則為

式中：wc為離合器主從動盤的角速度差，rad/s；t1和t2分別為傳遞轉矩未克服行駛阻力階段的開始和結束時間。

因此該階段要在保證車輛不熄火的前提下盡快接合離合器，使該階段的滑摩功盡可能小；進入傳遞轉矩超過行駛阻力階段后，車輛開始由靜止狀態進入運動狀態，隨著離合器的接合，離合器傳遞的摩擦轉矩也逐漸增大到與發動機輸出的轉矩一致，此階段中，離合器接合的快慢將直接影響車輛起步沖擊度的大小和產生滑摩功的大小，這也是離合器控制接合過程中最為關鍵的一個階段；同步之后，離合器主從動盤的轉速差為零，離合器繼續接合可以使壓盤的壓力更大，但此時為靜摩擦，該階段離合器的接合對車輛起步的沖擊和產生滑摩功的大小沒有太大影響，應使離合器盡快接合。

因此，制定離合器的最佳接合規律，其示意圖如圖4所示，圖中1～4分別對應圖3中離合器接合過程的4個階段。由上面分析可知：1、2、4階段應盡快完成；離合器的滑摩功產生于2、3階段，而3階段的接合直接影響車輛行駛的平順性，故應盡量緩慢接合。

2.2 基于接合指標邏輯切換的氣動離合器PID控

制算法 為能實現離合器的最佳接合過程，必須對離合器的接合過程進行有效的控制，而膜片彈簧離合器具有明顯的分段分離特性，每一段的線性程度較高，且離合器接合的時間較短，因此采用基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制，其原理圖如圖5所示。其中電磁閥的控制采用PWM開關閥的比例控制[8]。

該控制算法是離合器控制器根據輸入到控制器中的離合器接合控制參數(包括車輛的沖擊度、離合器目標接合速度與實際接合速度的差的絕對值、離合器的接合行程等)進行邏輯判斷，選擇適合當前接合過程的控制參數，輸出有效的控制命令[9]，來完成離合器的快速平順接合，從而保證車輛平穩起步。

3 自動操縱系統的建模與仿真

根據上述介紹的離合器自動操縱系統的工作原理，運用LMS Imagine.Lab AMESim這一多學科領域復雜系統建模與仿真軟件對離合器分離、接合過程建模并進行仿真[10]。本文的建模過程將離合器的分離和接合過程分開，使搭建的模型針對性更強，目標更為明確，同時也降低了控制難度，更好地分析離合器的分離和接合過程。仿真中用的氣動源為氣制動時用的儲氣泵內的壓縮氣體[11]，其特性參數如表1所示。

表1 氣動源內壓縮氣體的特性參數

仿真中離合器執行機構的參數設置如表2所示[12]。

表2 離合器執行機構的參數

根據上述參數，在AMESim中建立該氣動離合器自動操縱系統的控制仿真模型[13]，為了驗證控制算法的有效性，通過以下兩種控制方式對離合器的接合過程進行仿真分析。

(1) 離合器的目標位置為一個階躍信號，離合器接合過程中能夠在某一個目標位置保持一段時間，最后完成離合器的接合。仿真結果如圖6所示。

(2) 離合器目標位置為按照一定斜率(k1、k2和k3)變化的信號，變速器控制單元能夠通過調節離合器閥塊的充放氣，使離合器按照目標位置進行接合。仿真結果如圖7所示。

通過分析仿真結果，可以看出離合器分離行程能夠迅速地響應目標位置的變化，并且最終能夠穩定在目標位置，控制精度較高。在目標位置為一斜率變化的信號時，離合器分離行程能夠很好地跟蹤目標位置的變化，并最終達到分離位置。從而驗證了本文中采用的控制算法在對離合器目標位置控制、離合器目標速度控制和離合器位置的控制精度方面具有較好的控制效果。

4 試驗研究

將基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制技術應用于該氣動離合器自動控制系統，通過模擬離合器按照正常“快-慢-快”接合規律進行試驗，離合器控制器通過采集到的離合器分離行程信號和執行氣缸壓力信號，控制離合器分離和接合的位置與速度。車輛行駛過程中，離合器的接合點、半接合點和分離點皆可通過控制器的自學習功能獲得，在本試驗中，設定半接合點為2 600mV，同步點為2 300mV，即要求從3 200到2 600mV時為快接合，從2 600到2 300mV時為慢結合，從2 300mV到接合點為快接合。為了驗證基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制技術的有效性，試驗中通過修改控制器中采用的控制算法對離合器的接合品質進行對比。采用經典PID控制算法和本文中制定的控制算法的試驗結果分別如圖8和圖9所示。圖中dx為離合器目標位置變化斜率。

通過圖6仿真數據和圖9試驗數據的對比可見，仿真數據中，在離合器目標位置為一階躍信號時，在信號穩定階段，離合器實際位置能夠精確地吻合離合器目標位置，而在試驗數據中，在1s和5s位置，離合器實際位置能夠準確跟蹤目標位置，試驗與仿真結果基本一致。通過圖7仿真數據和圖9試驗數據的分析對比可知，離合器目標位置為一斜率變化曲線時，離合器實際位置能夠快速地跟蹤目標位置，仿真數據中的跟蹤遲滯時間穩定，過程平緩，圖9試驗數據中，離合器跟蹤遲滯時間與仿真數據基本相同；而且對比圖8和圖9發現，采用基于離合器結合指標邏輯切換的PID控制算法，離合器跟蹤遲滯時間更短，說明離合器響應速度和精度都得到提高，驗證了控制算法的正確性，采用基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制具有更強的魯棒性和更高的控制精度。

采用新的控制算法后，離合器執行氣缸壓力變化更加平穩，在采樣時間2s處得到了體現。本文中采用的控制算法相比工程中常用到的經典PID控制算法，在離合器接合的開始階段能夠更快速地作出響應，克服了氣動傳動系統的強滯后性，并且控制精度相比經典PID控制有了很大的提高，使得該控制系統具有更強的抗干擾能力。

5 結論

氣動離合器自動控制系統具有很強的時滯性和非線性，增加了控制的難度，而采用基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制技術，在很大程度上提高了系統的控制精度，增強控制系統的魯棒性，從而提高了離合器的接合品質。因此，在不增加硬件加工成本的前提下，針對解決氣動離合器自動控制系統的控制精度低的問題，采用基于離合器接合指標邏輯切換的PID控制算法有很大的應用前景。

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A Study on the Control Algorithm for Pneumatic Clutch Basedon Engagement Indicator Logic Switching

Song Shixin1, Zeng Huabing1& Liu Bin2

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025;2.BeijingHyundaiMotorCo.,Ltd.,Beijing101300

A PID control algorithm for the automatic control system of AMT pneumatic clutch is adopted based on engagement indicator logic switching of clutch, in which the proportional control of PWM on-off valve is used for solenoid valve control and the controller for the system is built based on that control algorithm. A model for the automatic control system of AMT pneumatic clutch is established with AMESim and a corresponding simulation is conducted. The results of the bench test of clutch automatic control system verify the effectiveness of the control algorithm set up, which greatly enhances the engagement quality of clutch.

AMT; pneumatic clutch; control algorithm

*國家自然科學基金(50505014)、國家863計劃項目(2012AA111712)和吉林大學985工程資助。

原稿收到日期為2013年9月25日，修改稿收到日期為2014年6月11日。