基于Matlab/Simulink的汽車AMT系統仿真研究

摘 要：電控機械式自動變速器（AMT）和其他形式的自動變速器相對比具有傳動效率更高及燃油經濟性好、結構簡單等有點，其本身具有較好的市場發展前景。本文通過研究汽車AMT控制系統的被控對象模型，有效得到基于Matlab/Simulink設計系統的控制器模型，仿真結果凸顯出所構建的被控對象模型及所設計的控制器的合理性及可行性，為產品開發提供必要依據。

關鍵詞：汽車AMT系統 仿真研究

在汽車電控機械式自動變速器（AMT）控制系統具體實踐和相關產品開發的時候，要注重控制器始終是機械式自動變速器中的重要方面，為了使得產品開發速度加快，也要充分利用Matlab/Simulink構建汽車AMT系統的模型，促使其成為系統仿的首要利用方法。由于Matlab/Simulink多數情況下是用于可視化實現動態系統建模及仿真和分析的工具箱，在系統模塊的支撐下，要有效描述系統不同環節，在構建系統模型的時候，比較便利，能夠節省編程的時間，結合仿真效果設計系統的控制器及實時整定控制器參數的情況下，也要對系統性能進一步提升，在這一基礎上為實際系統設計處理提供理論支持，明確減少實際系統設計處理過程中可能浪費的時間和物力，最終達到開發控制系統的目標[1-2]。本文對汽車AMT系統被控對象模型建模，基于Matlab/Simulink設計汽車AMT系統仿真的控制器模型，并對其深入研究。

1 汽車AMT機械系統模型的建立

整車AM系統模型包含著控制器模型和被控對象模型兩部分，其中的被控對象模型包含著節氣門模型和發動機模型及離合器模型變速器模型、車輛模型等，控制器模型主要有節氣門控制器和離合器控制器及選換檔控制器等。對汽車AMT系統模型仿真結構如下圖1。仿真計算完成的功能主要包含著程序初始化和利用各功能子程序及協調各功能子模塊間的工作。

1.1 直流電機式油門執行器模型

直流電機式油門執行器主要是包含著節氣門驅動電機和及節氣門空氣流量閥片和節氣門復位彈簧等共同構成的。

根據電機工作的原理，在電機控制回路中存在著電壓平衡公式：

電動機的反電動勢顯示為，

電能到機械能轉換的公式顯示為，

在將電機至節氣門的減速結構轉動慣量，阻力當量等效轉化的情況下，使得其可以有效轉化到電機軸中，將油門執行器的轉矩平衡公式顯示為：

上面公式中，為減速機構和節氣門的阻力也要轉化得到電機軸中的阻力矩，這就進一步考慮到回位彈簧所產生的阻力矩及粘性摩擦力矩等，其方程顯示為：

公式中，為電機端電壓，為電機反電機勢，為電機轉動速度，為反電動勢比例的因子，為電機電樞電阻數值，為電機電樞電感數值，為電機轉矩數值，為電機電樞電流的數值，為電機輸出轉矩，為油門執行器系統轉動量，指電機角速度數據，指電機角位移，指節氣門回位彈簧剛度系數大小，指傳動機構減速比結果，為節氣門轉角，為傳動系效率，為節氣門角速度，為節氣門粘性阻力系數。

1.2 傳動系統模型

在汽車AMT中傳動系數建模過程中，容易忽視減震系統及其他彈性元件的構建。

2 控制系統模型的建立

PID控制實施的時候，其控制結構本身具有較為簡單和控制效果顯著等優勢，其屬于控制工程中比較常見的一種控制方法，這就使得汽車AMT系統仿真的時候，對節氣門和離合器及換檔控制等方面都應用分段PID控制。

2.1 節氣門控制模型

在非換檔情況下其主要包含著兩個方面，其中首先是在離合器從動軸轉速與發動據轉速逐漸相似的時候，加大電壓的情況下使得電子節氣門開度Ⅱ與加速踏板的角位移之后保持著正比的關系，在分段PID控制下對其有效處理。第二種情況則是發動機和離合器在動軸轉動速度相差相對較大的時候，在剛剛起步或者是換擋結束的時候，以發動機轉速和車速折算回來的發送機轉速的時候，其差距則為控制變量。換擋的時候，要以最大負向電壓回收油門，一直到油門顯示為零[3-4]。

2.2 離合器控制模型

離合器控制處理的時候，需要明確其包含著分離控制和結合控制等內容，在換擋處理的時候，要保持最快的速度將離合器分離到最大處理，這一時期為離合器電機加正向最大電壓，也就是。離合器結合的時候，其目標結合速度顯示為，。

離合器結合的時候，其目標結合速度顯示為：

式子中K1，K2，K3，K4，K5，Kp，Ti等為控制參數。

3 Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink仿真討論的時候，其中所包含著的各個組成部分的數學模式在轉化為matlab/simulink下的動態結構圖可以構建得到整體化的AMT系統的仿真框圖，仿真框圖所涉及到的參數顯示為汽車的相關參數，在實際情況分析的時候，控制器模型主要包含著節氣門控制器和離合器控制器及選換檔控制器的流程圖等，控制流程顯示出汽車AMT系統的控制工作的具體過程。AMT系統仿真模擬實際汽車AMT系統的工作過程主要是在實際開展實施之前，離合器分離到最大的時候，其油門顯示處于零位，假設在第一檔開始后，起步之后在踩下油門踏板之后，汽車的節氣門開度a也會得以增大，控制器輸出離合器控制電壓使得執行離合器結合，隨后進行車速檢測，判斷節氣門開度是否要換檔，當滿足換檔條件之后，實施控制器輸出換檔狀態指示器控制處理，這一階段中控制器執行節氣門回零位操作，離合器分離操作情況下，檔位退至空擋換上新檔后，也要注重控制節氣門開度，在重新回到平衡狀態的時候，這一情況下需要將狀態指示器state重置為0，則標志換檔結束，離合器隨后動作重復，一直到仿真結束。

根據離合器的模擬過程，結原本得到的AMT系統實際運行過程式測量得到曲線的時候，注重分析AMT系統運行規律，隨后在實際運行規律下有效對仿真模型實施調試和修改，且將仿真模型中設計的控制器應用到電動式AMT臺架，隨后對AMT控制系統實施必要的臺架試驗處理，AMT試驗臺架有發動機和干式離合器及油門踏板、制動踏板、控制中必要的傳感器和線束共同構成。在實時記錄試驗處理過程中包含著相關數據，仿真曲線圖與試驗曲線圖相對比的基礎上能夠使得仿真得到的曲線對汽車AMT系統的實際運行過程反映出來，驗證得到被控對象數據模型和所設計得到的控制器的合理性和有效性[5]。在點火發動機開始工作的情況下，離合器主動盤和從動盤是分離出來，隨后離合器在動盤轉速為零的時候，也要在離合器電壓加大的情況，注重電壓控制問題，推動離合器和動盤結合在一起，在離合器主動盤和從動盤沒有接觸和摩擦的時候，離合器從動盤轉速則為零，只有離合器主動盤和從動盤接觸的情況下，離合器結合后，動盤轉速加大之后，離合器主動盤和從動盤完全結合的情況下，動盤轉速與發動機轉速則會保持一致，而汽車從第一檔行駛后，AMT系統也容易早車速上升從第一檔換到第二檔、第三檔的時候，逐漸加大，顯示為最高檔第五檔，在回收油門踏板之后節氣們開度會隨之回收，這一情況下發動機的轉速容易出現明顯下降，轉速逐漸下降也會推動AMT系統有效從最高檔降到第四檔和第三檔一直到最低檔。

4 結語

在建立汽車AMT控制系統的模型基礎上實施仿真研究，仿真結果在可以驗證系統模型及控制器模型可行程度，為汽車AMT系統的產品開發及控制器設計都提供必要的參考依據。

上海民航職業技術學院校級教科研課題2020年度課題：仿真技術在航空地面設備維修專業教學中的應用，課題編號：XJKT2020-33，項目負責人：張鵬。

參考文獻：

[1]李琤，張錢斌.基于Matlab/Simulink的磁流變阻尼器力學模型的仿真分析[J].機械強度，2020，42（03）：734-740.

[2]李萍，蘭海龍.基于MATLAB/Simulink及dSPACE/TargetLink的AMT控制軟件開發[J].機械管理開發，2018，33（10）：206-208.

[3]秦洪艷，劉京靜，江發潮，仇斌.電動客車AMT控制策略的Cruise和Matlab/Simulink聯合仿真研究[J].機械傳動，2016，40（06）：47-51.

[4]郭大勇，王鋒，趙河明.基于MATLAB/Simulink汽車懸架系統仿真[J].機械工程與自動化，2016（02）：79-80.

[5]鐘亮，徐世杰，周垚.基于AMESim與Matlab/Simulink的某商用車AMT系統建模與仿真[J].汽車科技，2015（06）：32-36.