氣動(dòng)離合器控制技術(shù)研究

趙國強(qiáng)，李 強(qiáng)，鄧金濤，喬運(yùn)乾

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

AMT是在原有機(jī)械式手動(dòng)變速器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，加裝了電子單元的自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，取代了人工操縱，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋過程，AMT的高效率、低造價(jià)和操作方便等特性是其得以快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

以內(nèi)燃機(jī)為主動(dòng)力的AMT系統(tǒng)都配置有離合器，通常在斷開動(dòng)力源后換擋，難點(diǎn)在于滿足平順性及正確應(yīng)對復(fù)雜情況的快速性要求，控制精度顯得尤為重要。本文的主要任務(wù)是針對裝配有AMT自動(dòng)變速器的P2混動(dòng)系統(tǒng)車輛起步過程進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，通過所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對于起步過程中的離合器進(jìn)行控制，以此來解決車輛起步過程中的控制問題，從而滿足起步過程中對于駕乘舒適性、起步快速性和元件耐用性的要求。

本文通過搭建離合器系統(tǒng)測試臺架，安裝氣缸壓力傳感器，分析氣缸壓力與傳感器位移之間的關(guān)系，為控制算法及標(biāo)定提供指導(dǎo)，同時(shí)引入新的控制算法，提高控制精度，避免超調(diào)及振蕩，提升舒適性。

1 整體設(shè)計(jì)方案

P2混動(dòng)系統(tǒng)中離合器位于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間，如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)也稱為并聯(lián)系統(tǒng)，并不是說發(fā)動(dòng)機(jī)軸和電機(jī)軸一定要并聯(lián)到車橋上，而是說發(fā)動(dòng)機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪，電機(jī)也可以單軸驅(qū)動(dòng)車輪，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)介入動(dòng)力傳遞時(shí)，離合器需要結(jié)合，尤其是起步階段，離合器的精確控制顯得尤為重要。

圖1 P2并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為離合器系統(tǒng)測試方案介紹，通過在離合器氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸中安裝氣缸壓力傳感器進(jìn)行氣壓的采集，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置本體自帶，用于離合器位置閉環(huán)控制。

圖2 離合器系統(tǒng)測試方案介紹

圖3是離合器工作過程示意圖，橫軸為時(shí)間，縱軸為離合器位移，默認(rèn)狀態(tài)下離合器處于分離狀態(tài)，當(dāng)上電后，離合器分離。當(dāng)起步過程中需要發(fā)動(dòng)機(jī)介入動(dòng)力時(shí)，即混動(dòng)起步或純發(fā)動(dòng)機(jī)模式起步，需要結(jié)合離合器，對離合器位置進(jìn)行精確控制，控制過程為“快-慢-快”，先快合消除空行程，靠近滑磨點(diǎn)附近緩慢結(jié)合保證舒適性，通過滑磨點(diǎn)后，快速結(jié)合，縮短動(dòng)力中斷時(shí)間及保證離合器耐用性。

圖3 離合器工作過程

目標(biāo)位移可以看作是階躍信號。描述穩(wěn)定的系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下，動(dòng)態(tài)過程隨時(shí)間t變化情況狀況的指標(biāo)，稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。其中調(diào)節(jié)時(shí)間t指響應(yīng)到達(dá)并保持在終值±5%內(nèi)所需的最短時(shí)間，如圖4所示。在模塊調(diào)度時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為離合器位置控制為階躍信號，在控制過程尤其是起步過程中，為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，需要保證控制不能超調(diào)。

圖4 PID控制單位階躍響應(yīng)

圖5是離合器的PID控制基本原理，控制器根據(jù)接收到的離合器目標(biāo)位置與通過離合器位移傳感器測量到的實(shí)際位移的差值對離合器電磁閥的占空比進(jìn)行控制。當(dāng)目標(biāo)位置比實(shí)際位置大時(shí)，離合器分閥開啟，合閥關(guān)閉，使實(shí)際位置控制到目標(biāo)位置；當(dāng)目標(biāo)位置比實(shí)際位置小時(shí)，離合器合閥開啟，分閥關(guān)閉，使實(shí)際位置控制到目標(biāo)位置。

圖5 離合器的PID控制基本原理

圖6是傳統(tǒng)PID控制效果圖，運(yùn)用直接輸出占空比的PID控制，標(biāo)定參數(shù)較多，快、慢兩閥分配比例較難協(xié)調(diào)，易超調(diào)，跟隨性較差。

圖6 傳統(tǒng)PID控制效果圖

2 試驗(yàn)臺架數(shù)據(jù)分析

圖7是離合器分離氣缸壓力變化圖。從圖7可以看出，在離合器分離（離合器位移變大），用相同的占空比進(jìn)行控制時(shí)，氣缸壓力傳感器不是線性變化的，而是有一個(gè)拐點(diǎn)，并且離合器位移變化不是線性的。當(dāng)快分閥打開時(shí)，氣缸壓力逐漸變大，但是離合器位移則是在一段時(shí)間后才開始動(dòng)作。

圖7 離合器分離氣缸壓力變化圖

3 軟件控制策略設(shè)計(jì)

圖8是離合器結(jié)合氣缸壓力變化圖。從圖8可以看出，在離合器結(jié)合（離合器位移變小），當(dāng)快合閥打開時(shí)，氣缸壓力在延時(shí)后逐漸下降，離合器位移間隔一段時(shí)間后才會(huì)動(dòng)作，通過此現(xiàn)象，在控制離合器分離時(shí)不能分離太大，否則氣缸壓力內(nèi)部壓力過高，會(huì)導(dǎo)致電磁閥打開后釋放一段時(shí)間氣體后才會(huì)開始動(dòng)作，影響響應(yīng)速度。

圖8 離合器結(jié)合氣缸壓力變化圖

根據(jù)傳統(tǒng)PID控制邏輯及氣缸壓力臺架實(shí)測結(jié)果，設(shè)計(jì)離合器控制改進(jìn)PID控制算法，如圖9所示。以離合器結(jié)合為例，根據(jù)目標(biāo)位置和實(shí)際位置作為閉環(huán)輸入，輸出合閥PID總輸出值，然后利用合閥分配系數(shù)進(jìn)行分配，得到快合閥和慢合閥的輸出占空比，減小了標(biāo)定工作，提高了程序覆蓋度。

圖9 改進(jìn)PID控制邏輯圖

圖10是改進(jìn)PID控制流程圖。通過位置差進(jìn)行占空比的分配，得到最終的輸出占空比。一般來講，離合器有結(jié)合需求時(shí)，離合器目標(biāo)位置較實(shí)際位置小，此時(shí)需輸出合閥占空比，分閥占空比輸出為0。同理，離合器有分離需求時(shí)，離合器目標(biāo)位置較實(shí)際位置大，此時(shí)需輸出分閥占空比，合閥占空比輸出為0。

圖10 控制流程圖

圖11是利用改進(jìn)PID控制進(jìn)行的控制效果圖，從圖中可以看出，位置跟隨性較圖6中的傳統(tǒng)PID要好。

圖11 改進(jìn)PID控制效果圖

4 結(jié)論

本文搭建試驗(yàn)臺架對氣缸壓力進(jìn)行采集，通過分析氣體可壓縮性對離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)延時(shí)的影響，用于控制策略的開發(fā)標(biāo)定中，縮短了離合器結(jié)合延時(shí)時(shí)間，同時(shí)針對傳統(tǒng)PID控制中出現(xiàn)的跟隨性差、標(biāo)定工作量大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了改進(jìn)PID控制算法。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證對比，具有明顯的改進(jìn)效果，提高了位置控制精度，為氣動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制提供一種思路。