混合動(dòng)力大客車起步AMT離合器控制研究

秦琳琳，李守成，孫成全，張洪生

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210194；2.75134部隊(duì) 保障處，廣西 崇左 532200)

混合動(dòng)力大客車起步AMT離合器控制研究

秦琳琳1，李守成1，孫成全2，張洪生1

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210194；2.75134部隊(duì) 保障處，廣西 崇左 532200)

起步離合器控制一直是AMT系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力大客車由于多個(gè)動(dòng)力源的存在，起步方式也變得多樣化，對離合器控制提出了新的要求。在傳統(tǒng)PID控制方法的基礎(chǔ)上增加了分段控制，建立了混合動(dòng)力大客車AMT離合器的起步控制模型并進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：該離合器控制模型能夠滿足不同起步意圖的要求，其性能得到很大改善。

起步；離合器； 混合動(dòng)力； AMT

0 引言

將電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)技術(shù)應(yīng)用在單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力大客車上，使原來的變速箱控制單元(TCU)與整車控制單元(HCU)集成在一起，控制發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、離合器、變速箱的協(xié)調(diào)工作。動(dòng)力源的增加一方面使得離合器控制變得更加復(fù)雜多樣化，另一方面可以在特定情況下改善離合器的控制效果，傳統(tǒng)的PID控制算法已經(jīng)不能適應(yīng)這種變化，為了達(dá)到離合器控制的要求，很多專家已經(jīng)研究出新的控制方法。

李冬冬[1]建立的模糊控制器，可以根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)推理出合理的接合速度去控制離合器的接合；羅文俊[2]研究的仿人智能控制理論可以利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能從而實(shí)現(xiàn)離合器的自學(xué)習(xí)控制；唐娜娜等人[3]提出的優(yōu)化控制方法可以在兼顧沖擊度和滑磨功的前題下實(shí)現(xiàn)車輛的快速平順起步；倪成群等人[4]提出的離合器接合過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制策略有效改善了整車的縱向沖擊度，提高了整車駕駛性能。以上控制方法都具有一定的可行性，但是計(jì)算量都比較大，會(huì)給離合器控制的及時(shí)性造成一定影響。本文研究對象是某單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力大客車AMT系統(tǒng)的離合器，在已經(jīng)成熟的增量式PID控制離合器的基礎(chǔ)上，增加分段控制，計(jì)算簡單，可以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力大客車的快速平穩(wěn)起步。

1 起步方式分析

單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力大客車AMT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該車采用永磁同步電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作，并將其置于離合器與自動(dòng)變速箱AMT之間，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的離合器，使得該混合動(dòng)力大客車的起步方式變得多樣化。

混合動(dòng)力大客車主要有3種起步方式：電機(jī)起步、發(fā)動(dòng)機(jī)起步和坡道起步。

圖1 單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力大客車AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 電機(jī)起步。在高壓電就緒之后，若SOC電池電量顯示正常(30%～80%)，則采用電機(jī)起步，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，離合器分離。在切換到發(fā)動(dòng)機(jī)工作之前，離合器將一直處于分離狀態(tài)。離合器采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣助力式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在氣助力作用下將離合器分離到位之后電機(jī)不需要再進(jìn)行工作，HCU只需控制電磁閥始終處于開啟狀態(tài)，離合器便在氣缸壓力的作用下保持分離，避免了離合器電機(jī)持續(xù)工作會(huì)產(chǎn)生過多熱量的弊端，也提高了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)起步。在電池電量不足或電機(jī)扭矩不足以克服整車阻力矩時(shí)，采用純發(fā)動(dòng)機(jī)起步方式，此時(shí)電機(jī)不參與工作。起步之前首先要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有兩種方式，一種是由發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，另一種是利用動(dòng)力電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)起步時(shí)與傳統(tǒng)AMT車起步情況類似，只是從動(dòng)部分多了一個(gè)電機(jī)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)油門踏板開度，又可分為慢起步、正常起步和快起步。

(3) 坡道起步。在坡道上起步時(shí)，由于阻力較大，通常需要發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作以提供更大的驅(qū)動(dòng)力。此時(shí)對離合器的控制不再是單體控制，還要控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩平衡。傳統(tǒng)車輛坡道起步時(shí)，為了防止車輛溜車，離合器的半聯(lián)動(dòng)點(diǎn)控制就非常重要，在本文研究的混合動(dòng)力大客車上，需要根據(jù)坡度的不同確定半聯(lián)動(dòng)點(diǎn)的不同位置，使離合器接合控制更準(zhǔn)確，坡道起步更加平順。

2 起步控制方法

2.1 傳統(tǒng)PID控制

根據(jù)控制量的不同，將離散化的PID控制分為位置式PID控制和增量式PID控制兩種算法。位置式PID控制輸出控制量的絕對值，它決定了控制機(jī)構(gòu)的位置，其表達(dá)式如下：

KD[e(k)-e(k-1)]}.

(1)

其中：u(k)為第k次采樣時(shí)刻的輸出值；KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；e(k)、e(k-1)分別為第k次、第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。該控制方法的控制量輸出值與過去所有狀態(tài)都有關(guān)，一旦輸入信號受到干擾，u(k)就會(huì)出現(xiàn)較大偏差，導(dǎo)致控制機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種變化有可能會(huì)對動(dòng)力系統(tǒng)造成巨大的沖擊。

增量式PID控制是相對位置式PID控制定義的，它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收的是控制量的增量，增量式PID控制可根據(jù)位置式PID控制遞推得出其控制規(guī)律：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+

KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)].

(2)

其中：Δu(k)為第k次的輸出增量；u(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻的輸出值；e(k-2)為第k-2次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。增量式PID控制的優(yōu)勢在于錯(cuò)誤值不累加，輸出值只是和最近k次取樣有關(guān)，具有更好的控制效果，故本文采用增量式PID控制。

2.2 分段PID控制

分段PID控制是在增量式PID控制的基礎(chǔ)上增加分段控制區(qū)間而來的。離合器接合過程的控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，式(2)中的增量式PID控制采用一組固定的PID參數(shù)，難以保證離合器在各種狀態(tài)下均能獲得最佳控制效果。針對這種情況，本文增加分段控制區(qū)間，即根據(jù)誤差的大小及其變化規(guī)律將離合器位置機(jī)構(gòu)分為不同的區(qū)間，每個(gè)區(qū)間標(biāo)定相應(yīng)的控制參數(shù)。與傳統(tǒng)的增量式PID控制方法相比，增加分段控制區(qū)間的增量式PID控制具有不同的參數(shù)組合，能適應(yīng)各個(gè)階段離合器的工作狀態(tài)，從而可以達(dá)到更好的控制效果。

圖2為典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線。其中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ所表示的區(qū)域誤差絕對值在減小，此時(shí)可采取保持等待控制；Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ所代表的區(qū)域誤差絕對值在增加，此時(shí)可以根據(jù)誤差大小采用不同的控制強(qiáng)度，誤差越大，控制力度越大，從而抑制動(dòng)態(tài)誤差的存在[5]。

圖2 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線

離合器的分段式PID控制模塊如圖3所示。位置誤差e(k)和位置誤差增量Δe(k)反饋到閾值判斷模塊，根據(jù)e(k)和Δe(k)所在的區(qū)間來確定PID參數(shù)的值。基本思路如下：

圖3 離合器的分段式PID控制模塊

(1) 比例系數(shù)KP可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，同時(shí)提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，所以當(dāng)|e(k)|>M1或當(dāng)|e(k)|>M2且e(k)Δe(k)>0時(shí)(M1、M2為設(shè)定的誤差限值，且M1>M2)，要增加KP的值，使用控制器的最強(qiáng)修正作用。此時(shí)誤差已經(jīng)很大或者誤差正在增加，需要用最大的控制量來減小誤差。當(dāng)e(k)Δe(k)<0、Δe(k)Δe(k-1)>0或e(k)=0時(shí)，說明誤差值在趨于減小或者已經(jīng)達(dá)到平衡，此時(shí)不需要對控制器進(jìn)行修正。

(2) 積分系數(shù)KI主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，也影響到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。當(dāng)|e(k)|≤ε時(shí)(ε為任意小的正實(shí)數(shù))，說明誤差絕對值很小，此時(shí)加入積分項(xiàng)，便可消除穩(wěn)態(tài)誤差。

(3) 微分系數(shù)KD的作用是對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)e(e)Δe(k)<0且Δe(k)Δ(k-1)<0時(shí)，說明誤差處在極值，如果此時(shí)誤差絕對值較大(即|e(k)|>M2)，則考慮較強(qiáng)控制作用，增大微分系數(shù)KD的值；如果此時(shí)誤差絕對值較小(即|e(k)|≤M2)時(shí)，則考慮較弱控制作用，減小微分系數(shù)KD的值。

3 仿真驗(yàn)證

利用MATLAB/Simulink仿真平臺建立離合器的起步控制模型，以電機(jī)起步和發(fā)動(dòng)機(jī)起步為例，對混合動(dòng)力大客車起步時(shí)離合器的分離和接合過程進(jìn)行分析，得到的相關(guān)參數(shù)變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 電機(jī)起步時(shí)相關(guān)參數(shù)變化曲線

從圖4和圖5中可以看出：電機(jī)起步時(shí)離合器分離速度快，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩為零，車速變化平穩(wěn)，沖擊度較小；發(fā)動(dòng)機(jī)起步時(shí)離合器總體上按照“快-慢-快”的規(guī)律接合，滑磨時(shí)間大約為1.9 s，電機(jī)不輸出扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和離合器接合的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，最終與發(fā)動(dòng)機(jī)同步，車輛起步成功，沖擊度也滿足極限值要求。兩種起步方式相比較，電機(jī)起步時(shí)沖擊度更小，故舒適性較好；發(fā)動(dòng)機(jī)起步時(shí)的動(dòng)力性更好，能在較短時(shí)間內(nèi)加速。

4 結(jié)論

以某單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力大客車為依托，對其起步過程中AMT離合器的控制進(jìn)行了研究，分析了混合動(dòng)力大客車的不同起步方式。將本文所提出的分段PID控制方法應(yīng)用于離合器系統(tǒng)，對起步時(shí)離合器的分離與接合過程進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該控制方法可以實(shí)現(xiàn)對離合器的有效控制，滿足車輛的動(dòng)力性與平順性要求，具有很好的可行性。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)起步時(shí)相關(guān)參數(shù)變化曲線

[1] 李冬冬.汽車起步階段AMT離合器模糊控制方法研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2013:31-32.

[2] 羅文俊.AMT系統(tǒng)離合器自學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010:24-27.

[3] 唐娜娜,陳勇,高陽,等.6-AMT微型乘用車起步優(yōu)化控制[J].汽車技術(shù),2014(4):21-24.

[4] 倪成群,張幽彤,趙強(qiáng),等.混合動(dòng)力離合器結(jié)合過程的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制策略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013(4):114-121.

[5] 馬濤.AMT離合器控制系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2014:41-42.

Study on AMT Clutch Control of Starting Hybrid Electric Bus

QIN Lin-lin1, LI Shou-cheng1, SUN Cheng-quan2, ZHANG Hong-sheng1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210194,China; 2.75134 Troop of PLA, Chongzuo 532200, China)

Starting clutch control is always the key point in AMT system. Single axle parallel hybrid electric bus has different starting ways due to the existence of multiple power sources, which puts forward new requirements for clutch control. This paper increases sectional control on the basis of traditional PID control method. The AMT clutch starting control model of hybrid electric bus is established and simulated. The simulation results show this clutch control model can meet the different requirements of starting intention. Its performance is greatly improved.

starting; clutch; hybrid power; AMT

1672- 6413(2015)06- 0167- 03

2015- 01- 13；

2015- 08- 20

秦琳琳(1991-)，女，山東泰安人，在讀碩士研究生，研究方向：汽車自動(dòng)變速器技術(shù)研究。

TP391.7∶U469.1

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