韓祥 劉忠途

摘要：分析電控機(jī)械式變速器（AMT）離合器接合過(guò)程評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的矛盾性，提出模糊控制的算法，以小型電動(dòng)汽車(chē)AMT為例，利用MATLAB/Simulink與PXI軟硬件系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)AMT硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，并將設(shè)計(jì)的模糊控制算法在硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制算法能夠正確反映駕駛員的起步意圖，同時(shí)沖擊度、滑磨功在推薦的范圍之內(nèi)，為后續(xù)AMT控制器的開(kāi)發(fā)提供打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：AMT;模糊控制;硬件在環(huán)

引言

近年來(lái)，為了滿足人們對(duì)駕駛舒適及安全的需求，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）得到廣泛的使用。對(duì)于AMT，起步接合的控制策略是其中的關(guān)鍵技術(shù)。起步控制是一個(gè)復(fù)雜的非線性控制問(wèn)題，既要求起步平穩(wěn)，沖擊度小，又要求起步能夠反映駕駛員的意圖，離合器滑磨功小，延長(zhǎng)AMT的使用壽命。因此對(duì)于離合器啟動(dòng)控制算法的研究是十分必要的。

本文以用于小型電動(dòng)汽車(chē)的兩檔AMT為例，針對(duì)AMT車(chē)輛離合器的接合過(guò)程，首先通過(guò)MATLAB/SIMULINK建模，加入模糊控制算法進(jìn)行離線仿真，然后搭建將真實(shí)AMT置于仿真回路的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，最后通過(guò)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證控制算法的有效性，避免直接在車(chē)上測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約前期功能開(kāi)發(fā)時(shí)間。

1.接合過(guò)程評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1?沖擊度

沖擊度用來(lái)衡量車(chē)輛起步和換擋時(shí)的舒適性，以汽車(chē)起步過(guò)程中的汽車(chē)縱向加速度的變化率來(lái)表征[1]。其計(jì)算公式如下：

（1-1）

其中為汽車(chē)質(zhì)量，分別為主減速比與變速器傳動(dòng)比，分別為傳動(dòng)系效率與車(chē)輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，為離合器工作面數(shù)，為摩擦片有效半徑，為摩擦系數(shù)，為比例系數(shù)。

由式（1-1）可知，沖擊度與車(chē)輛自身參數(shù)及離合器的接合速度有關(guān)，只要合理的控制接合速度便能夠控制車(chē)輛的沖擊度。在舒適性行駛情況下，沖擊度的上限值?j為[2]。

1.2?滑磨功

滑磨功是離合器主從動(dòng)盤(pán)摩擦片間滑動(dòng)摩擦力所做功的大小[1]?；スτ?jì)算公式如下：

（1-2）

由式（1-2）可知，滑摩功的大小與離合器接合過(guò)程所傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩，接合時(shí)間以及主從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速差有關(guān)。

離合器接合時(shí)間越長(zhǎng)，滑摩功越大，但是接合過(guò)程也越平穩(wěn)，產(chǎn)生的沖擊度j?就越小;如果降低離合器的接合時(shí)間，雖然能夠減小滑摩功，但也會(huì)導(dǎo)致沖擊度的增加，這便是離合器兩個(gè)性能指標(biāo)的矛盾所在。

2.算法設(shè)計(jì)

針對(duì)離合器接合過(guò)程兩個(gè)指標(biāo)的相互矛盾性，設(shè)計(jì)模糊控制算法。該控制算法要體現(xiàn)駕駛員的起步意圖，而起步意圖是通過(guò)油門(mén)踏板的開(kāi)度及其變化率來(lái)體現(xiàn)。另外，由上面分析可知，離合器主從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速差對(duì)滑磨功有較大影響，因此要得出理想的接合速度，還要考慮離合器主從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速差。

所設(shè)計(jì)的模糊控制器分為兩層，第一層模糊控制器通過(guò)駕駛員的油門(mén)開(kāi)度及油門(mén)開(kāi)度變化率獲取駕駛員起步意圖;第二層模糊控制器通過(guò)由第一層獲得的起步意圖以及主從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速差來(lái)獲得理想的離合器接合速度。

油門(mén)開(kāi)度?K?的基本論域設(shè)為[0，1]，油門(mén)開(kāi)度變化率?EK的基本論域設(shè)為[-3，3]，選取油門(mén)開(kāi)度及駕駛員起步意圖I的論域設(shè)為{0，1，2，3，4，5，6}，油門(mén)開(kāi)度變化率的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

定義轉(zhuǎn)速比d為離合器主從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速差與主動(dòng)盤(pán)的比值。選取轉(zhuǎn)速比及離合器接合速度?V?的論域均為{0，1，2，3，4，5，6}。隸屬度函數(shù)選用高斯型。模糊控制規(guī)則如表1，表2所示。

表?1??起步意圖控制規(guī)則

起步意圖I

油門(mén)開(kāi)度K

VS

S

M

B

VB

油門(mén)開(kāi)度變化率Ek

NB

VS

VS

VS

VS

VS

NM

VS

VS

VS

S

S

NS

VS

S

S

M

M

O

VS

S

M

B

VB

PS

S

M

B

B

VB

PM

M

B

B

VB

VB

PB

B

B

VB

VB

VB

表?2??離合器接合速度控制規(guī)則

離合器接合速度V

起步意圖I

VS

S

M

B

VB

離合器轉(zhuǎn)速比d

VS

S

M

B

LB

VB

LS

LS

S

M

LB

VB

S

LS

LS

M

B

LB

M

VS

LS

S

M

LB

B

VS

LS

S

M

LB

LB

VS

VS

LS

S

B

VB

VS

VS

LS

LS

S

在主機(jī)上利用Simulink建立電動(dòng)機(jī)、離合器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型。進(jìn)行離線仿真后，加入I/O模塊，將控制算法模型編譯，生成代碼，并下載到PXI中。

3.硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證模糊控制算法的有效性，搭建AMT硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)。該仿真試驗(yàn)臺(tái)由小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)AMT，AMT的輸出軸連接小功率負(fù)載電機(jī)。由PXI控制變頻器，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)，通過(guò)各種傳感器采集AMT的輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速、扭矩等信號(hào)，將這些信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡導(dǎo)入軟件模型中進(jìn)行分析計(jì)算。該試驗(yàn)臺(tái)可以模擬AMT起步過(guò)程，觀察離合器主從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、傳遞扭矩并實(shí)時(shí)顯示。

在進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)[3]，避免出現(xiàn)硬件故障，同時(shí)檢測(cè)各系統(tǒng)的性能;最后將被控硬件與實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)PXI連接。

4.試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)兩檔AMT進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)，獲得起步性能實(shí)時(shí)采樣圖。采用不同的起步意圖，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算每次起步時(shí)的沖擊度與滑磨功，獲得每次起步離合器主從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到一致時(shí)的時(shí)間，得出平均接合速度值，如表3所示。

表?3??不同起步意圖下的測(cè)試數(shù)據(jù)

起步意圖

接合時(shí)間（s）

接合速度平均值（mm/s）

沖擊度均方根值（）

滑磨功（KJ）

慢

1.704

9.268

5.143

5.021

中

1.442

10.952

7.830

4.697

快

1.218

12.967

9.275

4.068

由上表可知，駕駛員起步意圖越強(qiáng)烈，該模糊控制器控制下的離合器接合速度平均值越大，接合時(shí)間越短，充分體現(xiàn)了駕駛員的起步意圖。同時(shí)，接合速度越大，沖擊度也越大，相應(yīng)的滑磨功越小，沖擊度的最大值小于推薦的最大值10，滿足舒適性的要求。該算法對(duì)各種起步意圖均有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。

5.結(jié)論

（1）分析了離合器接合過(guò)程中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的矛盾性，

（2）針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的矛盾性，提出模糊控制的控制算法

（3）建立了AMT硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行模糊控制算法，對(duì)不同起步意圖下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證AMT離合器模糊控制算法的有效性，為后續(xù)進(jìn)行TCU開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李勇，常思勤，魏英俊.基于轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制的?AMT?換擋策略[J].中國(guó)機(jī)械工程，?2011，22（15）：1880-1885

[3]范光強(qiáng).金屬帶式無(wú)級(jí)變速器電控單元硬件在環(huán)仿真研究[D].鎮(zhèn)江：?江蘇大學(xué)，?2009.