克服靜摩擦的AMT離合器起步控制算法

劉四海 師 帥 李永軍 于潔清

(一汽解放事業本部商用車開發院電子電氣開發部,長春 130011)

0 引言

AMT，即機械式自動變速器，主要是在干式離合器和傳統固定軸式手動變速箱MT的基礎上采用自動變速理論和先進電控技術的自動變速系統。隨著國內自動變速器的整體市場的影響不斷擴大，商用車自動變速器市場的需求也越來越大；在中國自動變速器自主能力不足以及重型汽車自動變速器裝車率很低的國情下，AMT變速器結合自身優勢，在重型汽車領域已展現出巨大的發展潛力，將有十分廣闊的發展空間[1]。

目前，由于重型卡車工作環境比較惡劣，分離軸承負載大，離合器片磨損下來的碎屑、以及分離軸承進水、生銹等因素導致分離軸承卡滯，需要克服的靜摩擦力比較大，而傳統的離合器控制算法應用效果不好，因此我們采用一種疊加鋸齒波克服靜摩擦的控制算法，即在原有目標位置控制基礎上疊加鋸齒波 PID位置控制。由于車輛行駛的復雜性和駕駛員意圖的多變性，尤其在重型汽車領域，AMT起步控制成為系統開發過程中的一大難題[2]。AMT系統缺少柔性元件，使得控制上有一定的難度；離合器接合過快會帶來嚴重沖擊，影響乘坐舒適性和傳動系壽命，甚至發動機熄火；接合過慢，會導致滑摩時間過長，溫升加劇，加速摩擦副的磨損，同樣會影響到動力性和離合器壽命[3]；所以起步的關鍵問題是離合器的接合控制。

提高和改善重型車輛起步性能對于加快國內重型汽車自主AMT的產品化進程非常重要，因此本文以某重型汽車AMT為研究對象，著重分析鋸齒波疊加克服靜摩擦的控制算法以提高其AMT離合器的起步性能。

1 離合器系統分析

1.1 離合器操縱系統工作原理

本文所研究的某重型汽車離合器執行機構為電控氣動執行機構，離合器系統的工作原理如圖1所示。

圖1 離合器控制機構原理圖

離合器分離時，進氣閥通電，氣源氣體經進氣閥塊直到離合器缸，推動活塞移動，完成離合器的分離動作。

離合器結合時，排氣閥通電，在膜片彈簧力的作用下，離合器缸內的氣體經排氣閥塊排入大氣，完成離合器的結合動作。

1.2 系統動力學模型

為了提高重型汽車AMT的起步品質，首先建立了在AMT離合器接合過程中傳動系簡化到離合器兩端的模型，如圖2所示，以更好的認識離合器起步的特征。

列出離合器接合過程中的方程式為：

(1)

圖2 離合器系統的簡化數學模型

(2)

式中：

ωe——發動機曲軸的角速度；

ωv——變速器輸入軸的角速度；

Iv——離合器從動部分的等效轉動慣量(對變速器，傳動軸，主減速器，半軸，車輪，整車質量的等效換算)；

be——發動機飛輪、曲軸和其他運動部件折合到曲軸上的當量阻尼；

bv——離合器從動部分的當量阻尼；

Fcl——離合器的接合壓力；

Tcl——離合器接合中傳遞的扭矩；

Tload——離合器從動部分的負載扭矩。

1.3 離合器結合過程分析

結合上述圖2以及本節圖3離合器轉矩傳遞情況得到AMT離合器從分離狀態到完全接合可分為三個階段：無轉矩傳遞階段、傳遞轉矩增長階段和轉矩不再增長階段。分析這三個階段：

圖3 離合器接合過程傳遞轉矩示意圖

圖中：

Tc——離合器接合中傳遞的扭矩；

Ne——發動機輸出軸轉速；

Ni——離合器從動盤轉速。

1.0

離合器處于分離狀態，摩擦轉矩為零；消除離合器從動片與壓盤及飛輪之間的間隙，不會產生沖擊和滑磨，因此該階段接合要快。

2.tB

離合器處于滑磨狀態，其摩擦轉矩為滑動摩擦轉矩，根據轉矩傳遞情況，將該階段分成兩個階段，轉矩未克服行駛阻力階段和轉矩超過行駛阻力階段。

1)tB

起步時，車輛處于靜止狀態；應以發動機不熄火為前提，控制發動機轉速盡可能低以減少滑磨，同時離合器接合要快，減少接合時間。

2)tD

汽車克服行駛阻力開始運動，隨著離合器接合量的增加，加速度逐漸增大至某一穩定值，接著加速度緩慢增長至發動機輸出轉速與車速同步。該階段是產生沖擊和滑磨的主要階段，所以要放慢接合速度，以獲得平穩起步，提高舒適性，減少傳動系沖擊；同時亦需盡快完成對離合器的控制，減少結合時間。

3.t>tC，轉矩不再增長階段：

離合器處于接合狀態，其摩擦轉矩為靜摩擦矩，不再打滑；其主從端角速度開始同步，轉速差為零，繼續接合，轉矩傳遞能力繼續增加；傳遞轉矩開始取決于發動機的輸出轉矩大小；該階段不會影響離合器沖擊和滑磨，接合要快。

綜上分析，離合器的接合過程應遵循“快-慢-快”的原則。從理論來說，在第一與第三階段里，離合器接合速度越快越好，而對起步性能影響最大的是第二階段，則重點對第二階段里提出以下三個要求：

1) 應盡量減少離合器結合時間，減少滑摩損失；

2) 接合要保證平順性，不應產生過大的沖擊和波動；

3) 離合器結合應能體現駕駛意圖，能夠根據駕駛員要求控制離合器接合速度。

2 離合器起步PID控制算法設計

2.1 控制算法現狀

目前，離合器起步控制算法主要是確定離合器運動的位移和速度[4]，其中有不少典型算法，都有其特定的適應性，對幾種典型算法做簡單介紹如下。

(1) 模糊控制

模糊控制算法一般用于控制復雜的非線性、大滯后的系統，控制規則用模糊語言來描述。對于離合器的控制，用模糊語言來描述駕駛員起步意圖的針對性比較強，控制意圖能得到比較準確的反映。

缺點是在參數模糊化過程中人為因素的影響較大，在控制規則中參數特性與控制目標關系不明確，不易進行參數調整。

(2) 自適應控制

由于離合器控制中參數的時變特性，自適應控制成為比較重要的一種控制方法。環境中的許多因素對執行器工作狀態會產生一定的影響，執行器在同樣工作行為下得到的控制效果會有差異，因此可以采用自適應控制的方法來調整控制規律。目前主要采用閉環自適應控制方法，不需要相應傳感器，在離合器快速接合過程中可以自動辨識控制模型，自動適應環境因素變化，降低成本，提高系統可靠性。

(3) 智能控制

智能控制方法對工作環境和工作任務的變化具有很快的應變能力。對于人—車—環境以及多參數化的復雜離合器控制系統，智能控制是很好的選擇。

智能控制方法可以在起步過程中根據離合器的起步過程特征，辨識各參數之間的關系，并根據相應評價指標的偏差對控制輸出量進行優化，從而提高起步性能。

(4) PID控制

PID控制算法在連續性的時間控制中，對閉環控制系統實行無差調節，應用較為廣泛，其控制技術比較簡單，容易搭建，易于實現，工程應用廣泛。但對于非線性參數時變的離合器接合過程動力學系統來說，單一參數的PID調節器難以滿足其控制要求；可以通過客觀評價指標實時檢測其大小，并與上一級輸出做比較，按照預規定的推理規則得出參數校正因子，進行參數調節。

2.2 疊加鋸齒波自適應PID控制算法設計

鑒于上述各種控制算法的優缺點，本文所研究重型汽車AMT控制選擇采用目標位置控制基礎上疊加鋸齒波自適應PID控制算法，其主要方案是在發動機轉速達指定轉速時車輛由靜止開始起步，起步過程中用疊加鋸齒波自適應PID控制算法對離合器接合過程進行控制。以離合器的目標位移和實際位移作為控制輸入，以氣閥的占空比作為控制輸出。首先，由Matlab/Simulink建立模型進行初步仿真驗證，所建控制模型如下圖4、5所示：

通過調節所建仿真模型中的氣閥的占空比，就能實現對AMT離合器分離、接合的控制；離合器“快-慢-快”接合時的位移仿真信號如下圖6(a)所示：

同時，得到仿真后的氣閥控制電流，如下圖6(b)所示：

結合上圖，可以看出在離合器接合初期由快到慢時，氣閥按接合速度增加閥的電流以減少流量，逐漸實現慢速結合；在中間的離合器慢接合階段，氣閥的電流快速增大；在離合器接合后期由慢變快時，電流也按接合速度同比例減小，以實現快速結合。

圖4 車輛起步過程離合器模型

圖5 氣閥的PID控制模型

圖6(a) 快-慢-快接合時離合器的位移

圖6(b) 快-慢-快接合時閥的控制電流

3 整車試驗

為了驗證所設計的疊加鋸齒波的自適應PID控制算法對離合器起步控制優化的效果，設計了相應的試驗方案；以重型卡車為試驗對象，如圖7所示；針對AMT離合器自動操縱系統基于總線技術設計數據采集系統。

3.1 試驗內容

試驗人員為一名技術人員和一名駕駛經驗豐富的重型汽車駕駛員。對于重型汽車來說，坡道起步是比較常見又急需解決的問題，所以試驗工況選擇為坡道大油門起步。

圖7 試驗用整車

將加入所設計自適應PID控制算法的控制程序刷寫到TCU中。由PC機作為上位機，用CANape來監測系統的運行；采集離合器在分離、接合過程的位移及其他信號數據并加以處理和分析。最后對比給出傳統PID控制算法以及疊加鋸齒波的自適應PID控制算法進行對比監測。

所以本試驗主要工作內容如下：

1．控制離合器分離位移；

2．控制離合器接合位移，結合過程為快-慢-快的原則，按正常規律接合。

3.2 試驗結果分析及總結

1．控制離合器分離對比

從圖8上可以看出克服分離軸承的靜摩擦，離合器分離過程中明顯有個過沖，傳統PID控制算法會產生超調；而圖9中在原有目標位置中疊加鋸齒波，由于目標位置在動態變化，實際位置能及時跟隨目標值變動但分離效果平順；分離后期跟隨性較好。

圖8 傳統PID離合器分離位移

圖9 疊加鋸齒波的PID自適應算法的離合器分離位移

Fig.9 Clutch separation displacement of PID adaptive algorithm with superimposed sawtooth wave

2．控制離合器結合位移

離合器結合過程位移數據為快-慢-快原則，按正常規律接合。

由圖10得知，傳統的PID控制起步結合到半結合點附近時，會有一個大的下沖，再回調，離合器結合不平順，反映到整車上就是一個大的聳動，而圖11在原有目標位置疊加鋸齒波，離合器在接合時實際位移能及時跟隨目標值變動，跟隨性比較好，而且在中間位置時跟隨目標位置保持一段時間。

圖10 傳統PID離合器結合位移

Fig.10 Traditional PID clutch combined with displacement

圖11 疊加鋸齒波的自適應PID算法的離合器結合位移

Fig.11 Clutch combined displacement of adaptive PID algorithm with superimposed sawtooth

圖12、13、14分別給出了油門踏板位置、以及疊加鋸齒波的自適應PID算法的離合器主從動端轉速和車速的變化曲線。

圖12 油門踏板位置

根據離合器主、從動端轉速和車速隨油門踏板以及起步時間的變化規律可以看出，轉速和車速變化基本沒有大的波動，平順性較好。

圖13 疊加鋸齒波自適應PID算法的離合器主從動端轉速

Fig.13 Clutch active end and driven end speed of superimposed sawtooth adaptive PID algorithm

圖14 疊加鋸齒波自適應PID算法的車速

Fig.14 Superimposed sawtooth adaptive PID algorithm for vehicle speed

4 結束語

針對重型卡車工作環境比較惡劣，分離軸承負載大，離合器片磨損下來的碎屑、以及分離軸承進水、生銹等因素導致分離軸承卡滯，需要克服的靜摩擦力比較大，而傳統的離合器控制算法應用效果不好這個問題，以某重型汽車AMT離合器介紹了操縱系統工作原理，討論了離合器的起步過程，并對系統進行動力學建模；介紹當前典型的控制方法并選用合適的PID控制算法進行優化設計。

最后，利用在原有目標位置信號疊加鋸齒波的自適應PID控制算法與傳統的PID控制算法在整車上進行了對比驗證，離合器分離和結合實際動作相對于期望目標的跟隨性良好，車輛在起步過程中具有不錯的平順性，極大的改變了起步性能，在一定范圍內能夠解決分離軸承生產一致性問題或者分離軸承由于環境因素導致的卡滯問題，并能夠適當延長分離軸承的使用壽命。