基于換擋過程的拖拉機離合器模糊控制研究

杜小芳，周自勇

（1.武漢理工大學 汽車工程學院，武漢 430070；2.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070）

拖拉機在我國的農業領域占有著重要地位。拖拉機變速器一般設置多個擋位以適應田間和道路的多種工作環境。拖拉機換擋過程中經常會出現換擋力較大以及換擋沖擊等問題。這些問題不僅會影響拖拉機的工作效率，也會縮短其使用壽命，同時還會引起駕駛員疲勞。此外大部分拖拉機目前仍舊裝備著比較老舊的機械式手動換擋變速器。故對于拖拉機機械式手動變速器的改進具有現實意義。

1 改進的液壓動力換擋系統

拖拉機液壓動力換擋系統是在傳統的機械式手動變速器的基礎上進行改進而得到的。該系統由換擋電控系統和液壓換擋執行機構組成。換擋電控系統包括傳感器、電氣線束、控制開關以及ECU等信號的處理機構；液壓換擋執行機構包括液壓泵、溢流閥、減壓閥、換擋電磁閥、換擋液壓缸、離合電磁閥、離合液壓缸以及比例調速閥等部件構成。

液壓動力換擋系統原理如圖1所示。在執行換擋過程時，ECU的指令首先傳遞到離合器電磁閥中，離合器電磁閥開啟，比例調速閥推動離合器液壓缸完成離合器的分離；離合器分離過程結束后，位移傳感器傳感器將采集的信號傳輸到ECU，ECU發出執行換擋動作的命令，換擋電磁閥接收到命令之后開啟，油液經過電磁閥、溢流閥和減壓閥之后推動換擋液壓缸進行換擋動作；在換擋動作結束后，位移傳感器將信號再次傳輸到ECU之中，ECU便發出使離合器結合的信號；當離合器完成結合，液壓動力換擋系統即停止工作，整個換擋過程結束。

圖1 液壓原理Fig.1 Hydraulic principle

2 離合器結合過程分析

2.1 控制的目標

離合器在結合的過程目標是保證在足夠的動力性的情況下盡可能平順無沖擊地完成結合過程[1]。如果結合速度過快，拖拉機容易產生沖擊感，會使得駕駛員產生不舒適感和疲勞感，同時會降低傳動系統的使用壽命。如果結合時間太長，則降低了拖拉機和駕駛員的工作效率，同時還會產生大量的滑磨功，降低離合器的使用壽命。故離合器結合過程所需控制的目標主要是沖擊度、結合時間、滑磨功[2]。

1）沖擊度 沖擊度定義為車輛加速度的導數，它是衡量車輛在換擋過程中產生沖擊的重要指標。為了保證在換擋過程中車輛頓挫沖擊感較小，需要將沖擊度限制在一定的數值之下。目前世界范圍內沖擊度的限定值尚未統一標準，如德國沖擊度推薦值為我國推薦值為其計算公式為

式中：a為車輛加速度；v為車輛行駛速度；i為傳動系統傳動比；nc為離合器從動盤轉速；r為車輪半徑。

2）離合器結合時間 離合器的結合時間是指離合器的分離杠桿開始運動到離合器主從動盤轉速差為零的過程所消耗的總時間。

3）離合器滑磨功 離合器滑磨功是由于離合器主從動盤在結合過程中存在打滑現象而產生的。這一過程發動機的轉矩并未完全轉化為從動盤的轉矩，發動機的機械能部分轉化為熱能，這就是滑磨功的由來。滑磨功會使得離合器摩擦片持續升溫，降低其摩擦性能，如果滑磨功長期過大，離合器的使用壽命就會降低?；ス4]為

式中：t為離合器結合時間；Tc為滑磨時的摩擦轉矩；ωe為發動機或者離合器主動盤的角速度；ωc為離合器從動盤角速度。

2.2 動力學分析

離合器結合過程分為空行程階段、滑磨階段、同步階段3個階段[5]。

1）空行程階段 在離合器結合的最初階段，分離軸承與離合器膜片彈簧之間有一段空行程，這一階段主從動盤沒有接觸，無轉矩傳遞，發動機轉速與離合器從動盤轉速均基本保持不變。

2）滑磨階段 這一階段，隨著分離軸承的繼續運動，離合器主從動盤開始接觸，摩擦轉矩逐漸增大。發動機轉速開始下降，離合器從動盤轉速經過短暫上的時間開始上升，直至離合器主從動盤轉速一致[6]。此階段離合器的摩擦轉矩為

式中：μ為離合器摩擦片的摩擦因數，其大小與滑磨功、主從動盤轉速差等有關；FN為主從動盤之間的正壓力，與離合器膜片彈簧的動態特性有關；Rc為離合器摩擦片平均半徑。此階段中，發動機以及離合的動力學方程為

式中：Je為發動機以及離合器主動盤的轉動慣量；Jc為離合器從動盤的當量轉動慣量；Te為發動機轉矩；Tf為拖拉機的當量阻力矩，與行駛阻力、傳動比以及車輪半徑等有關。

3）同步階段 當離合器主從動盤轉速相等時，摩擦轉矩消失，此時離合器正式結合，拖拉機的動力直接由發動機提供。在此階段，發動機以及離合器的動力學方程為

離合器結合過程中，影響離合器摩擦轉矩的主要因素為主從動盤的正壓力，而正壓力與分離軸承的運動息息相關。為了提高結合平順性，第一階段離合器分離軸承的運動速度要盡量快，第二階段則應適量變慢以降低沖擊度，第三階段也應盡量快。對于結合過程的控制主要在于第二階段，這一階段離合器分離軸承的運動若太快，則容易產生較大的沖擊度，若運動太慢，不僅使得車輛動力性差，效率低下，還有可能造成車輛停止前行，造成二次沖擊。故在此階段離合器分離杠桿的運動應使得車輛的加速度平穩地增加[7]。對此，文中采用模糊控制策略對分離軸承的運動速度進行合理控制。

3 模糊控制策略的設計

模糊控制是利用傳感器等采集并且傳輸輸入信號到計算機里面，然后利用模糊處理器對于信號進行處理得到所需要的輸出量。其中，模糊控制器的邏輯處理方法借鑒熟練人員的豐富經驗，將人對于控制系統的感覺以及需要采取的措施進行數字化和邏輯化，經過模糊推理得到準確的輸出量[8]，從而避免對被控制系統進行復雜的數學建模過程。模糊控制器中模糊推理的準確性有賴于操作人員長期的經驗總結和描述。模糊控制系統的構成如圖2所示。

圖2 模糊控制器的構成Fig.2 Composition of the fuzzy controller

模糊控制的過程主要包括以下步驟：將由傳感器輸入的信號進行模糊化，使其對應于相應的模糊語言；根據模糊規則以及模糊邏輯等對模糊化的量進行處理，得到需要輸出的模糊量；將模糊輸出量進行清晰化，得到精確的輸出量數值；將輸出量作用于被控系統，使其按照規則運行。

離合模糊控制策略的設計包括選定影響離合其分離軸承運動速度的量即輸入量，確定輸入量論域，確定隸屬度函數，設計模糊規則等[9]。

3.1 輸入輸出量及其論域的確定

拖拉機的工作環境千差萬別，其工況也經常變化。對于離合器結合過程產生影響的主要輸入量為發動機油門開度及其變化率、離合器主從動盤的轉速差以及拖拉機的行駛速度；輸出量為駕駛員意圖、拖拉機狀態以及比例調速閥的電壓。

發動機油門開度及其變化率兩者表明了駕駛員的駕駛意圖。當駕駛員快速將油門踩到較大的開度時，表明駕駛員希望車速能迅速上升，此時離合器的結合過程也應當適當加快；當駕駛員將油門送到較小的開度，表明駕駛員希望離合器能平緩地結合，產生較小的沖擊感。

油門開度的論域確定為［0，1］，將其分為5個等級，對應的范圍分別為 ［0，0.2］，［0.2，0.4］，［0.4，0.6］，［0.6，0.8］，［0.8，1］； 模糊代號分別為 VS（很?。?，S（?。琈（中等），B（大），VB（很大）。 而油門開度變化率的論域為［-3，3］，對應于7個等級，分別為 ES（極?。?，VS（很?。琒（?。琌（零），B（大），VB（很大），EB（極大）。

離合器主從動盤轉速差若離合器主從動盤轉速差較大，可認為離合器處于滑磨的初始階段，此時離合器結合應適當緩慢[10]。當主從動盤轉速差很小甚至趨于相等的時候，可認為離合器主從動盤趨于同步狀態，此時分離軸承運動速度應該加快。

發動機轉速范圍為800～2300 r/min。在離合器結合過程中，發動機轉速會下降，從動盤的轉速也不會太低，可認為轉速差的論域為［0，2000］，對應于 6 個等級：O（零），VS（很?。?，S（?。琈（中），B（大），VB（很大）。

行駛速度與乘用車不同，拖拉機屬于低速車輛。低擋位時拖拉機的行駛速度很慢，如此時離合器結合太快也容易造成較強的沖擊感，故此時應適當降低結合速度[8]。當拖拉機處于高擋，車速較快時，離合器的結合速度能夠適當加快。行駛車速的論域為［0，11.5］，對應于 9 個等級：T（幾乎為零），ES（極?。琕S（很?。琒（?。琈（中等），B（大），VB（很大），EB（極大），H（最大）。

駕駛員意圖駕駛員意圖是根據油門開度以及其變化率得到的輸出量，表明了駕駛員對于提升車速的急切程度。它是一級模糊控制器的輸出，也是二級模糊控制器的輸入。其論域為［0，10］，分別對應于 5 個等級：VS（很慢），S（慢），M（中等），F（快），VF（很快）。

拖拉機狀態拖拉機狀態是根據離合器主從動盤轉速差一級拖拉機的行駛速度得到的輸出量，表明了拖拉機適合快速結合離合器的程度。與駕駛員意圖一樣，它也是一級模糊控制器的輸出、二級模糊控制器的輸入。其論域為［0，10］，分別對應于9個等級：TR（糟糕），EB（極差），VB（很差），B（差），M（中等），G（好），VG（很好），EG（極好），EX（最好）。

比例調速閥的電壓比例調速閥是可以根據電壓大小輸出相應流量液壓油的液壓閥，改變電壓的大小就可以調節進入液壓缸的流量，進而改變液壓缸以及離合器分離軸承的運動速度。它是二級模糊控制器的最終輸出。其論域為［0，0.4］，該數值為輸出電壓與最大電壓的比值，分別對應于7個等級：VS（很?。?，S（?。琈S（中小），M（中），MB（中），B（大），VB（很大）。

3.2 模糊控制規則的確定

該模糊控制的基本思想是：當駕駛員輸入油門信號越大，拖拉機離合器主從動盤轉速差越小，拖拉機車速越快時，輸出比例調速閥的電壓越大。一級模糊控制器中，油門開度α及其變化率與駕駛員意圖的模糊規則見表1。一級模糊控制器中離合器主從動盤轉速差Δn（即ne-nc），拖拉機車速v與拖拉機狀態的模糊規則見表2。駕駛員意圖、拖拉機狀態與比例調速閥電壓的模糊規則見表3。

表1 駕駛員意圖模糊規則Tab.1 Fuzzy rule of driver’s purpose

表2 拖拉機狀態模糊規則Tab.2 Fuzzy rule of tractor state

表3 比例調速閥電壓模糊規則Tab.3 Fuzzy rule of proportional speed control valve output voltage

3.3 模糊控制輸入輸出量隸屬度函數

隸屬函數通常包含三角形、梯形以及高斯等多種形式，其中高斯型的隸屬度函數具有過渡平滑的特點，文中所有輸入、輸出量均采用高斯型隸屬度函數。圖3和圖4分別為各輸入、輸出量的隸屬度函數圖形。圖5為比例調速閥輸出電壓的模糊推理三維圖。

圖3 輸入量的隸屬度函數Fig.3 Membership function of input quantity

圖4 輸出量的隸屬度函數Fig.4 Membership function of output quantity

圖5 比例調速閥輸出電壓的模糊推理Fig.5 Fuzzy inference rules of proportional speed control valve output voltage

4 模糊控制器仿真分析

4.1 模糊控制器Simulink模型

離合器結合過程模糊控制器模型如圖6所示。該模型需要外界輸入3個信號：油門開度曲線、主從動盤轉速差曲線以及拖拉機速度曲線。3個模糊控制器分別根據各自的輸入以及模糊規則得到相應的輸出，最后得到比例調速閥的電壓輸出曲線。發動機、離合器以及變速器的模塊按照上述的動力學方程進行構建。

圖6 離合器結合過程模糊控制器模型Fig.6 Fuzzy controller model of clutch bonding process

4.2 仿真結果及其分析

由于拖拉機在田間工作時通常負載較大，車速和擋位通常較低。故以80%以及100%油門開度、1擋升2擋的工況為例，進行仿真分析。圖7和圖8分別為油門開度為80%，100%時沖擊度與滑磨功隨時間的變化。

圖7 80%開度模糊控制下的沖擊度和滑磨功Fig.7 Jerk and sliding work with fuzzy control under throttle opening of 80%

圖8 100%開度模糊控制下的沖擊度和滑磨功Fig.8 Jerk and sliding work with fuzzy control under throttle opening of 100%

圖9和圖10為采用傳統“快-慢-快”控制策略下滑磨功與沖擊度隨時間的變化。

圖9 80%開度無模糊控制下的沖擊度和滑磨功Fig.9 Jerk and sliding work without fuzzy control under throttle opening of 80%

圖10 100%開度無模糊控制下的沖擊度和滑磨功Fig.10 Jerk and sliding work without fuzzy control under throttle opening of 100%

由圖可見，在這4種仿真結果中，離合器結合所需要的時間均在0.6～0.75 s。100%開度下運用模糊控制，沖擊度最大值為16.1 m/s3，滑磨功為3800 J，與之對應，采用傳統“快-慢-快”控制策略的模型雖然大部分時間內也能將沖擊度控制在14 m/s3以內，但在80%開度下較短的時間內產生了很大的沖擊度，這會導致較強的換擋沖擊，滑磨功與模糊控制策略相比較小。

5 結語

傳統“快-慢-快”策略在拖拉機的不同工況下對離合器采取相同的控制策略，即在離合器結合過程中三階段的速度不隨拖拉機的工況變化而改變。而模糊控制策略可以對根據拖拉機狀態以及駕駛員的意圖改變離合器三階段的運動速度，因此具有較好的適應性。根據仿真結果可以看出，以沖擊度，結合時間以及滑磨功為目標，模糊控制策略的綜合效果要優于傳統的“快-慢-快”策略。

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