基于模糊控制的自動(dòng)離合器起步控制研究

莫舒玥（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023）

基于模糊控制的自動(dòng)離合器起步控制研究

莫舒玥
（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530023）

對(duì)微型汽車(chē)自動(dòng)離合器起步控制進(jìn)行了研究，根據(jù)汽車(chē)起步時(shí)機(jī)械式離合器接合的工作狀況，選擇模糊控制技術(shù)對(duì)自動(dòng)離合器起步控制，利用MATLAB/SIMULINK軟件搭建自動(dòng)離合器主要的起步仿真模型，并選取慢、正常、急起步和15°坡道正常起步的4種起步工況進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，模糊控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)離合器的控制，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的順利起步。另外，自動(dòng)離合器的裝車(chē)試驗(yàn)也證明均能按照駕駛員的旨意完成起步控制，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛順利起步。

自動(dòng)離合器 起步控制 模糊控制技術(shù)

1　前言

自動(dòng)離合器（Automatic Clutch System，ACS）主要針對(duì)手動(dòng)變速器的機(jī)械式離合器進(jìn)行改進(jìn)，加裝一套自動(dòng)控制離合器分離、接合的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無(wú)需駕駛員踩踏離合踏板，也能實(shí)現(xiàn)離合器自動(dòng)分離與接合，駕駛員只需操控?fù)Q擋即可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的起步和正常的換擋過(guò)程［1］。ACS可以解決目前微型汽車(chē)手動(dòng)變速器操作不方便的缺點(diǎn)，在不改變?cè)?chē)主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加裝一套自動(dòng)離合器控制機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離合器的功能。ACS的優(yōu)勢(shì)有，改裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，改裝之后可以提高車(chē)輛操控的便利性和安全性［2］；與自動(dòng)檔車(chē)型相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。而且在自動(dòng)離合器出現(xiàn)故障的情況下，還可通過(guò)腳踩離合的方式進(jìn)行離合器的接合分離，提高安全性和可靠性。

目前國(guó)內(nèi)外均有不少機(jī)構(gòu)或汽車(chē)廠商研究設(shè)計(jì)自動(dòng)離合器，如奔馳、寶馬等廠商，在其某些微型車(chē)上使用自動(dòng)離合器，國(guó)內(nèi)也有一些品牌如比亞迪、中華等車(chē)型上使用自動(dòng)離合器。但是，由于車(chē)輛在起步或行駛過(guò)程中，受駕駛員操作、路況等因素的影響不斷變化，規(guī)律復(fù)雜，用軟件進(jìn)行精確的模擬比較困難，存在起步車(chē)輛抖動(dòng)和行駛過(guò)程換擋抖動(dòng)的現(xiàn)象，影響了車(chē)輛的乘坐舒適性和安全性，也影響了自動(dòng)離合器的發(fā)展。

本文主要針對(duì)起步時(shí)自動(dòng)離合器接合過(guò)程進(jìn)行研究，采用模糊控制技術(shù)搭建起步控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)起步過(guò)程駕駛員不同起步意圖和不同路況下自動(dòng)離合器的控制，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的順利起步。

2　研究?jī)?nèi)容和方法

2.1車(chē)輛起步離合器接合研究

手動(dòng)變速器的車(chē)輛在起步時(shí)的要求是快速平穩(wěn)起步，盡量減少?zèng)_擊以提高乘坐舒適性，這個(gè)問(wèn)題只能通過(guò)駕駛員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于自動(dòng)離合器的車(chē)輛，這個(gè)問(wèn)題將由離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成，即離合器在最短的時(shí)間內(nèi)接合，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)起步，因此控制機(jī)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器在不同工況下離合器的平穩(wěn)快速接合或分離［2］。起步控制一直都是自動(dòng)離合器控制研究的重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)離合器接合過(guò)程的精確控制，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適性起到了關(guān)鍵的決定因素。

對(duì)離合器工作過(guò)程進(jìn)行研究可以得知，離合器接合品質(zhì)主要與沖擊度和滑磨功有關(guān)［3］。沖擊度關(guān)系到起步的平順性，沖擊度越大，則離合器主、從動(dòng)盤(pán)接合的速度越快，即二者之間的接合撞擊力越大，車(chē)輛產(chǎn)生的抖動(dòng)、沖擊越大，這不但使得乘坐舒適性下降，嚴(yán)重的還會(huì)使車(chē)輛起步熄火。具體評(píng)價(jià)為沖擊度數(shù)值越大，接合時(shí)間越短，乘坐舒適性越差。減少?zèng)_擊的方法是延長(zhǎng)主、從動(dòng)盤(pán)的接合時(shí)間，這就勢(shì)必使得主、從動(dòng)盤(pán)的摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，會(huì)使得兩盤(pán)之間的摩擦發(fā)熱量增加，摩擦片磨損加劇，且使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩?fù)p耗增加，動(dòng)力下降。接合過(guò)程由于摩擦引起的離合器摩擦片的磨損程度，采用滑摩功來(lái)評(píng)價(jià)［4］。具體評(píng)價(jià)就是滑磨功數(shù)值越大，摩擦熱損耗越大，主、從動(dòng)盤(pán)的磨損越嚴(yán)重。

自動(dòng)離合器接合控制的最優(yōu)品質(zhì)是達(dá)到最小的沖擊度和滑摩功［5］。因此為了減少滑摩功，必須讓主、從動(dòng)盤(pán)盡快地接合，但接合過(guò)快將導(dǎo)致沖擊度增加，乘坐舒適性變差，零部件的瞬間沖擊變大，影響使用壽命，還有可能導(dǎo)致車(chē)輛起步熄火。如果為了增加乘坐舒適性，就要減緩主、從動(dòng)盤(pán)接合的時(shí)間，這樣就會(huì)增加滑磨功，增加摩擦損耗，損失更多的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，車(chē)輛起步時(shí)間延長(zhǎng)，這二者是矛盾的。因此，制定一個(gè)合理的控制策略來(lái)解決沖擊度和滑摩功的矛盾是離合器控制的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2自動(dòng)離合器起步控制原理

車(chē)輛的起步過(guò)程是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力從離合器、變速器傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，這個(gè)過(guò)程離合器必須完成主、從動(dòng)盤(pán)的接合，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。這個(gè)過(guò)程就是離合器的接合過(guò)程，此過(guò)程中離合器主、從動(dòng)盤(pán)從最大轉(zhuǎn)速差達(dá)到轉(zhuǎn)速一致。離合器的接合過(guò)程可分為4個(gè)階段［6］，如圖1所示。

圖1　離合器接合過(guò)程力矩變化

（1）0～t1階段：此時(shí)離合器的主、從動(dòng)盤(pán)還沒(méi)有接觸，為消除間隙階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似等于離合器主動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速，為了研究方便，可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等同于離合器主動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，但是由圖1所示，此時(shí)從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速為零，離合器摩擦力矩TC為零。

此時(shí)離合器主、從動(dòng)盤(pán)之間沒(méi)有接觸，因此沒(méi)有沖擊、也沒(méi)有摩擦損失，為了加快起步速度，應(yīng)該縮短這個(gè)時(shí)間。

（2）t1～t2階段：此時(shí)離合器主、從動(dòng)盤(pán)開(kāi)始接觸，二者之間產(chǎn)生摩擦力矩TC，但是此時(shí)的摩擦力矩TC比車(chē)輛本身和道路所產(chǎn)生的阻力矩TΦ小，還不足以帶動(dòng)離合器從動(dòng)盤(pán)，因此從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速為零，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，如圖1所示。

（3）t2～t4階段：此階段分為t2～t3和t3～t4階段。t2～t3階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即主動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速增加，并增加到最大值，從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，在t2時(shí)刻，車(chē)輛開(kāi)始起步，因此這個(gè)點(diǎn)為半聯(lián)動(dòng)接力點(diǎn)，即產(chǎn)生沖擊度的點(diǎn)，接合速度快，則沖擊度大，接合速度慢，則沖擊度小。由圖1可見(jiàn)，隨著接合深度增加，摩擦力矩TC增加。

t3～t4階段從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速不斷增大，此時(shí)主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速差不斷變小到二者轉(zhuǎn)速一致，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖畲筠D(zhuǎn)速下降到與從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速一致，到t4時(shí)刻主、從動(dòng)盤(pán)速度一致，二者之間變成靜摩擦，這個(gè)階段轉(zhuǎn)速變化快會(huì)使得二者轉(zhuǎn)速一致瞬間沖擊過(guò)大，因此此時(shí)應(yīng)該適當(dāng)增加接合時(shí)間。

（4）t4以后：t4以后主、從動(dòng)盤(pán)已經(jīng)合為一體，二者之間不存在摩擦損耗和沖擊，因此，此階段接合過(guò)程越短越好，盡快完成整個(gè)接合過(guò)程。

2.3基于模糊控制技術(shù)的起步控制方法的確定

由以上4個(gè)階段離合器接合過(guò)程分析可得，t2和t4兩個(gè)點(diǎn)是半聯(lián)動(dòng)接力點(diǎn)和完全接力點(diǎn)。這兩個(gè)接力點(diǎn)之前應(yīng)該適當(dāng)延長(zhǎng)接合時(shí)間，以減少?zèng)_擊度，其他時(shí)刻可以適當(dāng)?shù)乜s短接合時(shí)間，以減少滑磨功。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即分為3個(gè)階段，t2之前的階段為從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速為零，摩擦力矩為零，沖擊度和滑磨功均為零。為了加快起步和減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率的損耗，加快接合速度。t2至t4階段從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧阍黾拥脚c主動(dòng)盤(pán)一致，此階段為滑磨階段，如果為了減少滑磨損耗，應(yīng)該減少滑磨時(shí)間，但是這樣會(huì)使沖擊增大，因此要找到一個(gè)沖擊度和滑磨功都較小的折中點(diǎn)。第三階段主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速已經(jīng)一致，也不產(chǎn)生沖擊和滑磨功，因此也應(yīng)該加快接合速度，加快起步時(shí)間。由此得出，離合器起步控制的基本原則是“快-慢-快”的接合原則。針對(duì)這3個(gè)階段的特點(diǎn)，選擇了“比例-模糊-PID”多模式控制技術(shù)。第一階段采用比例控制，主要是利用其提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，提高接合速度；第二階段采用模糊控制，是把復(fù)雜的無(wú)法用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確描述的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)或?qū)嶋H操作數(shù)據(jù)通過(guò)模糊化的方式進(jìn)行描述，如模糊化駕駛員的意圖的模糊量，得出接合速度的控制模型并總結(jié)出來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；第三階段采用PID控制，主要利用其控制精度高，能有效地針對(duì)同步控制階段，主要實(shí)現(xiàn)快速接合的起步階段［7］。圖2是在MATLAB/SIMULINK軟件中搭建的離合器起步過(guò)程的仿真模型［8］。

圖2　離合器起步過(guò)程的仿真模型

3　自動(dòng)離合器起步控制仿真試驗(yàn)

3.1不同油門(mén)開(kāi)度、不同坡度下的仿真試驗(yàn)

圖3　電子自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)

為了試驗(yàn)自動(dòng)離合器是否能模擬駕駛員意圖正常起步，在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行仿真試驗(yàn)。選擇5檔手動(dòng)變速箱（與測(cè)試車(chē)型的一致）進(jìn)行連接（如圖3所示），在測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)。本文選擇坡度為0°的平路，油門(mén)開(kāi)度分別為20%、50%、80%分別對(duì)應(yīng)慢起步、正常起步、急起步三種路況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；另外選擇坡度為15°的路面，油門(mén)開(kāi)度為50%的路況進(jìn)行仿真試驗(yàn)。對(duì)比4次試驗(yàn)結(jié)果，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理與分析，得出結(jié)論。

離合器的接合過(guò)程遵循“快-慢-快”的“比例-模糊-PID”多模控制技術(shù)［9］，在主、從動(dòng)盤(pán)開(kāi)始接觸到二者轉(zhuǎn)速同步的過(guò)程中，采用模糊控制適當(dāng)降低接合速度，減少起步?jīng)_擊，以提高乘車(chē)舒適性。當(dāng)?shù)竭_(dá)同步階段后，迅速提高離合器接合速度，完成起步。

3.1.1平路慢起步

試驗(yàn)路況：坡度為0°的平路，油門(mén)開(kāi)度20%，慢起步。圖4為沖擊度和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速，圖5為滑磨功和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩。主、從動(dòng)盤(pán)在1.88 s時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為2.8 s，最大沖擊度為3.7m/s3，最大滑磨功為7.81 kJ。

圖4　平路慢起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖5　平路慢起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩和磨滑功

3.1.2平路正常起步

試驗(yàn)路況：坡度為0°的平路，油門(mén)開(kāi)度50%，正常起步。此時(shí)，主、從動(dòng)盤(pán)在1.8 s時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為2.2 s，從同步到車(chē)輛起步的過(guò)程比慢起步的時(shí)間縮短，最大沖擊度為5.1m/s3，最大滑磨功為5 kJ。由于滑磨時(shí)間縮短，所以滑磨功也減小。圖6為沖擊度和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速，圖7為滑磨功和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩。

3.1.3平路急起步

試驗(yàn)路況：坡度為0°的平路，油門(mén)開(kāi)度80%，急起步。在此路況下，主、從動(dòng)盤(pán)在1.25 s時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為1.65 s，從同步到車(chē)輛起步的過(guò)程比慢起步的時(shí)間縮短，最大沖擊度為8.63 m/s3，最大滑磨功為4 kJ。由于滑磨時(shí)間縮短，所以滑磨功也減小。圖8為沖擊度和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速，圖9為滑磨功和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩。

圖6　平路正常起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖7　平路正常起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩和磨滑功

3.1.4坡路正常起步

試驗(yàn)路況：坡度為15°的坡路，油門(mén)開(kāi)度80%，正常起步。此時(shí)，主、從動(dòng)盤(pán)在2 s時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，完成起步時(shí)間為2.7 s，從同步到車(chē)輛起步的過(guò)程比慢起步的時(shí)間縮短，最大沖擊度為6.7 m/s3，最大滑磨功為5.78 kJ。圖10為沖擊度和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速，圖11為滑磨功和主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由以上試驗(yàn)匯總出表1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得以下結(jié)論。

圖8　平路急起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖9　平路急起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩和磨滑功

表1　試驗(yàn)結(jié)果

圖10　坡路正常起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速和沖擊度

圖11　坡路正常起步的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)矩和磨滑功

（1）隨著油門(mén)開(kāi)度的增加，離合器同步時(shí)間縮短，車(chē)輛起步時(shí)間也相應(yīng)地縮短，證明運(yùn)用“比例-模糊-PID”控制技術(shù)能較好地反應(yīng)駕駛員真實(shí)的起步意圖，實(shí)現(xiàn)與駕駛員手動(dòng)操作基本一致的起步動(dòng)作。

（2）最大沖擊度數(shù)值變化基本上與油門(mén)開(kāi)度和離合器同步時(shí)間成比例關(guān)系，開(kāi)度越大，離合器同步時(shí)間越短，沖擊度越大，證明運(yùn)用“比例-模糊-PID”技術(shù)控制與駕駛員手動(dòng)控制下沖擊度變化規(guī)律基本一致。

（3）最大滑磨功與離合器同步時(shí)間（主、從動(dòng)盤(pán)達(dá)到轉(zhuǎn)速一致）有關(guān)，時(shí)間越長(zhǎng)，滑磨功越大，證明運(yùn)用“比例-模糊-PID”控制技術(shù)最大滑磨功與駕駛員手動(dòng)控制的數(shù)值變化規(guī)律基本一致。

（4）根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛最大沖擊度jmax＜10 m/s3［10］，4種情況試驗(yàn)結(jié)果最大沖擊度都在10m/s3范圍內(nèi)，低于國(guó)際上影響舒適度的極限值10m/s3［9］，證明“比例-模糊-PID”控制技術(shù)可行。總體證明，本研究理論是正確的，自動(dòng)離合器的設(shè)計(jì)是合理的。

4　實(shí)車(chē)測(cè)試

為了進(jìn)一步測(cè)試自動(dòng)離合器的性能，將其安裝在東風(fēng)日產(chǎn)軒逸車(chē)型上。該車(chē)基本參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)HR16DE，排量為1.6 L，搭載5檔手動(dòng)變速箱。安裝位置如圖12所示。圖13為與自動(dòng)離合器配套安裝在駕駛室儀表板上的檔位顯示儀與智能語(yǔ)音提醒，顯示為3檔。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)車(chē)測(cè)試獲得的結(jié)果表明，在起步控制過(guò)程中，自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)均能較好地根據(jù)地面情況及駕駛員意圖完成起步的自動(dòng)離合器接合，實(shí)現(xiàn)起步。

圖12　自動(dòng)離合器控制實(shí)車(chē)安裝位置

圖13　檔位顯示儀與智能語(yǔ)音提醒

5　結(jié)論

由本文所進(jìn)行的臺(tái)架測(cè)試與裝車(chē)測(cè)試得知，自動(dòng)離合器的起步控制是可以實(shí)現(xiàn)的。它可以獨(dú)立加裝在手動(dòng)離合器的車(chē)型上，對(duì)原車(chē)型基本不需要進(jìn)行復(fù)雜的改裝，而且成本也相當(dāng)?shù)土慵M(fèi)用加上改裝費(fèi)只需要1 000～2 000元，根據(jù)車(chē)型以及零件品牌不同略有差別。

本文對(duì)機(jī)械離合器起步過(guò)程接合規(guī)律進(jìn)行了研究，根據(jù)結(jié)論采用多模控制方法，對(duì)離合器起步的接合過(guò)程采用了模糊控制“比例-模糊-PID”總體控制策略，該控制方法能夠基本實(shí)現(xiàn)離合器“快-慢-快”接合要求，能較好地完成起步的離合器控制，且通過(guò)裝車(chē)測(cè)試也證明了自動(dòng)離合器的性能基本穩(wěn)定。

下一步研究改進(jìn)的方向是進(jìn)一步提高自動(dòng)離合器起步控制的舒適性，以及換擋時(shí)離合器接合的速度也應(yīng)該進(jìn)一步的優(yōu)化。

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Study on Fuzzy ControlMethod ofAutomatic Clutch Starting Process

Mo Shuyue
（Guangxi Vocationaland TechnicalCollege of Communications，Nanning530023，China）

This article studied theminiautomobile automatic clutch starting control，according to the working condition ofmechanical clutch during vehicle starting，the automatic process of clutch engagement control method using fuzzy set up step，automatic clutch engagement simulation model by using MATLAB/SIMULINK software，and selected the slow，normal，shortand 15DEG ramp normal four kinds of starting conditions for bench test.The experiment results prove that the fuzzy control technology can realize the control of automatic clutch，vehicle start smoothly.In addition，the loading testof automatic clutch can also proveaccording to thedriverwill complete starting control，realize the vehicle startsmoothly.

automatic clutch，starting control，fuzzy control technology

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.007

來(lái)稿日期：2016-01-28基金項(xiàng)目：2014年廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014GXNSFBA118262）

玥莫舒（1980-），女，講師，碩士，主要研究方向?yàn)槠?chē)應(yīng)用技術(shù)。