基于接合指标逻辑切换的气动离合器控制算法研究.pdf

2 0 1 5年 第 3 7卷 第 5期 汽车工程 Au t o mo t i v e En g i ne e r i n g 2 01 5 0 9 5 基于接合指标逻辑切换的气动离合器控制算法研究 木 宋世欣 ， 曾华兵 ， 刘 斌 1 ．吉林大 学， 汽车仿真与控 制国家重点实验 室， 长春1 3 0 0 2 5； 2 ．北 京现代汽车有 限公 司， 北京1 0 1 3 0 0 [ 摘要] 针对 A MT气动离合器 自动控制系统 ， 采取了基于离合器接合指标逻辑切换的 P I D控制算法， 其中电 磁阀的控制采用 P WM开关阀的比例控制， 并基于该控制算法搭建 了该系统的控制器。在 A ME S i m中对 A MT气动 离合器 自动操纵系统建模 ， 并进行相关的仿真。离合器 自动操纵系统的台架试验， 验证了所制定的控制算法的有效 性， 大大提高了离合器的接合品质。 关键词 A MT； 气动离合器； 控制算法 A S t u d y o n t h e C o n t r o l Al g o r i t h m f o r P n e u ma t i c C l u t c h B a s e d o n En g a g e me n t I n d i c a t o r L o g i c S wi t c h i n g So ng S h i xi n ．Ze n g Hua b i ng Li u Bi n 1 ． J i l i n U n iv e r s i t y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fA u t o m o t i v e S i mu l a t io n a n d C o n t r o l ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 5 2 ． B e ij in g H y u n d a i Mo t o r C o ． ， L t d ．， B e ij in g 1 0 1 3 0 0 『 Ab s t r a c t ] A P I D c o n t r o l a l g o r i t h m f o r t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f AMT p n e u ma t i c c l u t c h i S a d o p t e d ba s e d o n e n g a g e me n t i n d i c a t o r l o g i c s wi t c hi ng o f c l u t c h．i n wh i c h t he p r o po r t i o n a l c o n t r o l o f PW M o n 一 0 f f v a l v e i s u s e d f o r s o l e n o i d v a l v e c o n t r o l a n d t h e c o nt r o l l e r f o r t he s y s t e m i S b u i l t b a s e d o n t h a t c o n t r o l a l g o rit hm．A mo de l for t he a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f AMT p n e uma t i c c l ut c h i S e s t a b l i s h e d wi t h AMES i m a n d a c o r r e s p o n d i n g s i mu l a t i o n i S c o n d u c t e d．Th e r e s u l t s o f t h e b e n c h t e s t o f c l u t c h a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m v e r i f y t he e f f e c t i v e n e s s o f t h e c o n t r o l a l g o r i t h m s e t u p，wh i c h g r e a t l y e n h a n c e s t h e e n g a g e me n t q u a l i t y o f c l u t c h． Ke y wo r dsAM T ；pn e u m a t i c c l u t c h；c o n t r o l a l g or i t hm 日 IJ舀 机械式 自动变速器系统开发的核心部分是电控 系统 的开发 ， 而离合器 的控制又是 电控系统 的关键 技术之一 l 1 ， 尤其是对气动离合器控制技术的研究 ， 离合器 自动操纵系统本身就是一个复杂的非线性系 统 ， 加上气体的强可压缩性和气 动传 动的响应精度 和速度都难以控制， 这些都增加了气动 A M T中离合 器控制的难度 ， 因此要实现 A MT气动离合器 的精确 控制还有诸多的难点需要攻克 。 目前在离合器控制 的实 际应用 中， 比较前沿 的 控制策略有基于最优控制理论 的控制策略和基于模 糊理论 的模糊控制等 ] ， 这些控制策略都将离合器 的接合位置作为控制 目标 ， 然而由于控制系统本 身的一些特性， 先进的控制策略并不能达到比较理 想的控制效果 ， 实 际应用 中使用较 为广泛 的控制算 法仍为经典的 P I D控制算法 J ， 该算法虽然简单实 用 ， 但 由于被控 系统复杂 的非线性 和气体 的强可压 缩性 ， 导致 了系统 的控制精度较低 、 鲁棒性较差 6 ] 。 本文 中采用了基于离合器接合指标逻辑切换 的 P I D 控制算法， 能够克服气动传动的大滞后性， 并能较好 地适应膜片弹簧离合 器的分段分离特性 ， 具有较强 的跟踪性能和较强的鲁棒性 ， 从而提高 了系统 的控 制精度 ， 改善了离合器的接合品质。 国家 自然科学基金 5 0 5 0 5 0 1 4 、 国家8 6 3计划项 目 2 0 1 2 A A 1 1 1 7 1 2 和吉林大学9 8 5工程资助。 原稿收到 日期为 2 0 1 3年 9月 2 5日， 修改稿收到 日期为 2 0 1 4年 6月 1 1日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m - 5 3 4 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 5期 1 气动离合器 自动操纵系统 本文所研究的离合器气动执行机构由电磁阀控 制阀块和离合器执行气缸组成 。其 中离合器控制 阀块 为 4个两位两通 的高速响应 的开关 电磁 阀组 合， 分别为2个进气阀和 2个排气阀。普通的开关 阀只能实现开和关两种状态 ， 而研究采用 的为高速 响应 的 开 关 电磁 阀， 可 以 通 过 变 速 器 控 制 单 元 T C U 改变脉冲宽度调制 P WM 控制下的 占空比， 实现高速开关 阀的 比例开关功能 ， 从而实 现气压 的 增压、 保压和减压的控制 ， 提高 了系统的响应速度和 控制精度。 图 1为离合器 气动执行 机构 的结构 图。其 中 A MT的电控单元 T C U主要用来采集试 验数据并对 数据进行处理分析 ， 同时协调与整车控制器和发动 机控制单元 E C U的控制 等。T C U是整个 变速器控 制的核心单元 ， 本文中采用 S T 1 0系列单片机。离合 器控制阀块即上面提到的为 2个进气阀和 2个排气 阀组成的高速响应的开关电磁阀组合阀块 。离合器 执行气缸为气压驱动活塞挺杆从而推动离合器分离 拨叉的助力机构。 离合器控制阀块 图 1 离合器气动执行机构结构图 图 2为离合器气动执行机构的原理图。T C U控 制离合器控制 阀块 ， 通过控制输入 电磁阀 1 、 输入 电 磁阀 2来控制 高压气体进入离合器执行气 缸 的快 慢 ， 实现离合器的分离 ， 通过控制输 出电磁 阀 1 、 输 出电磁阀2 来控制离合器执行气缸的高压气体排出 I一 _ T 一 一 一 一 一 一 一 一 1 ． l I 输 出 电 磁 阀1 l 输出电 磁阀2 1． I v - - - l - 输入 电磁阀1 l 输入 电磁阀2 U ]]■ r 一 卜T T] 压力传感器 一L 一 _ 气源 图 2 离合器气动执行机构原理图 的快慢 ， 实现离合器的接合 。 2 气动离合器控制方法 离合器的 自动控制是离合器控制单元根据采集 到的外界路况信息和驾驶员的驾驶意图等信息来控 制离合器执行机构的动作， 从而实现离合器的自动 分离和接合。装有 A MT的车辆对离合器 的控 制主 要是起步阶段离合器 的控制 ， 而离合器接合过程 的 控制则是离合器控制的核心。 2 ． 1 离合器最佳接合控制规律 离合器的整个接合过程如图 3所示 ， 分 为 4个 阶段 1 0 一 t 时刻为无转矩传递 阶段 ； 2 t 一 t 时 刻为传递转矩未克服行驶 阻力 阶段 ； 3 t ， 一 t 时刻 为传递转矩超过行驶阻力阶段； 4 ￡ 时刻之后为 同 步阶段 。 0 f 1 t 2 t 3 图3 离合器接合过程示意图 图中 为离合器传递 转矩 ； 为阻力矩 ； n 。 、 凡 分别为离合器主从动盘转速。 分析以上 4个阶段可知 ， 无转矩传递 阶段 中， 离 合器不输出转矩。为 了缩短离合器 接合 的时间 ， 在 该 阶段应尽快接合离合器 ； 在传递转矩未克服行驶 阻力阶段 ， 车辆仍静止 ， 离合器的接合也不会产生车 辆的冲击 ， 而滑摩功的大小则 为 t 2 L _『 T cw d tI 式中 为离合器主从动盘的角速度差 ， r a d ／ s ； t 和 f 分别为传递转矩未克服行驶阻力 阶段的开始和结 束时间。 因此该 阶段要在保证车辆不熄火 的前提下尽快 接合离合器 ， 使该阶段的滑摩功尽可能小 ； 进入传递 转矩超过行驶阻力阶段后 ， 车辆开始 由静止状态进 入运动状态， 随着离合器的接合， 离合器传递的摩擦 转矩也逐渐增 大到与发动机输 出的转矩一致 ， 此 阶 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 宋世欣， 等 基于接合指标逻辑切换的气动离合器控制算法研究 5 3 5 段 中， 离合器接合 的快慢将直接影 响车辆起 步冲击 度 的大小和产生滑摩功的大小 ， 这也是 离合器控制 接合过程中最为关键 的一个阶段 ； 同步之后 ， 离合器 主从动盘的转速差为零 ， 离合器继续 接合 可以使压 盘的压力更大， 但此时为静摩擦， 该阶段离合器的接 合对车辆起步的冲击 和产生滑摩功的大小没有太大 影响， 应使离合器尽快接合。 因此 ， 制定离合器的最佳接合规律 ， 其示意 图如 图4所示 ， 图中 1～ 4分别对应图 3中离合器接合过 程的 4个 阶段 。由上面分析可知 1 、 2、 4阶段应尽 快完成 ； 离合器的滑摩功产生于 2 、 3阶段 ， 而 3阶段 的接合直接影响车辆行驶 的平顺性 ， 故应尽量缓慢 接合。 图4 离合器最佳接合规律示意图 2 ． 2 基于接合指标逻辑切换的气动离合器 P I D控 制算法 为能实现离合器 的最佳接合 过程 ， 必须对离合 器的接合过程进行有效 的控制 ， 而膜片弹簧离合器 具有 明显的分段分离特性 ， 每一段的线性程度较高 ， 且离合器接合的时间较短， 因此采用基于离合器接 合指标逻辑切换的 P I D控制 ， 其原理图如图 5所示。 其 中 电 磁 阀 的 控 制 采 用 P WM 开 关 阀 的 比 例 控制 。 该控制算法是离合器控制器根据输入到控制器 中的离合器接合控制参数 包括车辆的冲击度 、 离合 器 目标接合速度与实际接合速度 的差的绝对值 、 离 合器的接合行程等 进行逻辑判断 ， 选择适合 当前接 合过程 的控制参数 ， 输 出有效的控制命令 ， 来完成 离合器的快速平顺接合， 从而保证车辆平稳起步。 3 自动操纵系统的建模与仿真 根据上述介绍的离合器自动操纵系统的工作原 理 ， 运用 L MS I m a g i n e ． L a b A ME S i m这一多学科领域 数据采集部分 ； 控制策略部分 图 5 离合器接合指标逻辑切换 的P I D控制的控制原理图 复杂系统建模与仿真软件对离合器分离 、 接合过程 建模并进行仿真 。本文的建模过程将离合器的 分离和接合过程分开 ， 使搭建的模 型针对性更强 ， 目 标更为明确 ， 同时也降低 了控制难度 ， 更好地分析离 合器的分离和接合过程。仿真中用的气动源为气制 动时用的储气泵 内的压缩气体⋯ ， 其特性参数如表 1所示 。 表 1 气动源内压缩气体的特性参数 名称 数值 气体类型系数 1 恒压 比热 C ／ J ／ k g K O 恒容 比热 C ／ J ／ k g K O 比热 比 1 ． 4 理想气体常数 r ／ J ／ mo l- K 2 8 7 绝对黏度 m ／ mP a s 0 ． 0 1 8 2 仿真中离合器 执行机 构的参数设 置如表 2所 示 ㈦ 。 表 2 离合器执行机构 的参数 名称 数值 气缸活塞 内径／ m m l 2 O 气缸活塞总行程／ mm 不小 于 7 O 活塞杆直径／ m m 1 5 气缸活塞质量／ k g 0 ． 8 气缸 内恢复弹簧刚度／ N ／ m 1 O O 气缸 内限位弹簧刚度／ N ／ m 1 0 0 o o 气缸 内热交换系数／ W／ m - K 5 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 3 6 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 5期 根据上述参数 ， 在 A ME S i m 中建立该气 动离合 器 自动操纵系统的控制仿真模型 ， 为了验证控制 算法 的有效性 ， 通过 以下两种控制方式对离合器 的 接合过程进行仿真分析。 1 离合器 的 目标位置为一个 阶跃信号 ， 离合 器接合过程 中能够在某一个 目标位置保持 一段 时 间， 最后完成离合器的接合 。仿真结果如图 6所示。 咖 坦 图6 离合器 目标位置为一阶跃信号时的仿真结果 2 离合器 目标位置为按照一定斜率 k 、 k 和 k 变化的信号 ， 变速器控制单元能够通过调节离合 器阀块 的充放气 ， 使离合器按照 E l 标位置进行接合 。 仿真结果如图 7所示 。 姜 咖 蛆 时间／ s 图7 离合器 目标位置为一定斜率变化曲线的仿真结果 通过分析仿真结果 ， 可 以看 出离合器分离行程 能够迅速地响应 目标位置的变化 ， 并且最终能够稳 定在 目标位置 ， 控制精度较 高。在 目标位置为一斜 率变化 的信号时 ， 离合器分 离行程能够很好地跟踪 目标位置的变化 ， 并最终达到分离位置。从 而验证 了本文中采 用的控制算 法在对离合器 目标位置控 制 、 离合器 目标速度控制和离合器位置的控制精度 方面具有较好的控制效果。 4 试验研究 将基于离合器接合指标逻辑切换 的 P I D控制技 术应用于该气动离合器 自动控制 系统 ， 通过模拟离 合器按照正常“ 快_ 一 慢一 陕” 接合规律进行试验， 离合 器控制器通过采集到的离合器分离行程信号和执行 气缸压力信号 ， 控制离合器分离和接合 的位置与速 度。车辆行驶过程 中， 离合器的接合点 、 半接合点和 分离点皆可通过控制器的 自学习功能获得 ， 在本试 验中， 设定半接合点为 2 6 0 0 mV， 同步点为2 3 0 0 m V， 即要求从 3 2 0 0到 2 6 0 0 m V时为快接合 ， 从 2 6 0 0到 2 3 0 0 mV时为慢结合 ， 从 2 3 0 0 mV到接合点 为快接 合。为了验证基于离合器接合指标逻辑切换 的 P I D 控制技术的有效性 ， 试验中通过修改控 制器 中采用 的控制算法对离合器的接合品质进行对 比。采用经 典 P I D控制算法和本文 中制定的控制算法的试验结 果分别如图 8和 图 9所示。图中 为离合器 目标 位置变化斜率 。 g 橱 匣 稚 d Ⅱ 括 匿 褪 稚 缸 褪 图8 采用经典 P I D控制算法的试验曲线 图9 采用基于离合器接合指标逻辑切 换的 P I D控制算法的试验曲线 姜 埔 g 幽 目 通过图 6仿 真数据 和 图 9试验数 据 的对 比可 见 ， 仿真数 据 中， 在 离合器 目标 位置 为一 阶跃 信号 Ⅲ 如 ∞ 加 ∞ 如 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 V o 1 ． 3 7 N o ． 5 宋世欣 ， 等 基于接合指标逻辑切换的气动离合器控制算法研究 5 3 7 时， 在信号稳定阶段， 离合器实际位置能够精确地吻 合离合器 目标位置 ， 而在试验数据中 ， 在 1 s和 5 s 位 置 ， 离合器实际位置能够准确跟踪 目标位置 ， 试验与 仿真结果基本一致 。通过图 7仿真数据和图 9试验 数据 的分析对 比可知 ， 离合器 目标位置为一斜率变 化曲线时， 离合器实际位置能够快速地跟踪 目标位 置 ， 仿真数据 中的跟踪迟滞 时间稳定 ， 过程平缓 ， 图 9试验数据 中， 离合器跟踪迟滞 时间与仿真数据基 本相 同； 而且对 比图 8和图 9发现 ， 采用基于离合器 结合指标逻辑切换 的 P I D控制算法 ， 离合器跟踪迟 滞时间更短， 说明离合器响应速度和精度都得到提 高 ， 验证 了控制算法的正确性 ， 采用基于离合器接合 指标逻辑切换的 P I D控制具有更强的鲁棒性和更高 的控制精度。 采用新的控制算法后， 离合器执行气缸压力变 化更加平稳 ， 在采样时间 2 s 处得 到了体现。本文中 采用的控制算法相 比工程中常用到的经典 P I D控制 算法 ， 在离合器接合 的开始阶段能够更快 速地作 出 响应 ， 克服了气动传动系统的强滞后性 ， 并且控制精 度相比经典 P I D控制有了很大的提高， 使得该控制 系统具有更强的抗干扰能力 。 5 结论 气动离合器 自动控制系统具有很强 的时滞性和 非线性 ， 增加了控制的难度 ， 而采用基于离合器接合 指标逻辑切换的 P I D控制技术 ， 在很大程度上提高 了系统的控制精度 ， 增强控制系统的鲁棒性 ， 从而提 高了离合器的接合品质。因此， 在不增加硬件加工 成本的前提下 ， 针对解决气动离合器 自动控制系统 的控制精度低 的问题 ， 采用基于离合器接合指标逻 辑切换的 P I D控制算法有很大的应用前景 。 参考文献 [ 1 ] K n u t N o r d g a r d ．D e v e l o p m e n t s i n A u t o m a t e d C l u t c h M a n a g e m e n t S y s - 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