王滿江

摘 要：離合器位移控制是AMT（機械式自動變速箱，automatic manual transmission）控制的重點和難點。離合器負載特性具有嚴重非線性，離合器執(zhí)行器系統(tǒng)內(nèi)部存在摩擦阻力增加離合器系統(tǒng)的滯環(huán)誤差，加上商用車通常采用氣體作為AMT執(zhí)行器的驅(qū)動源，而氣體具有相當?shù)目蓧嚎s性，這些都給離合器位移精確控制增添了難度。本文以某六檔AMT的離合器系統(tǒng)為研究對象，對離合器分離接合特性進行分析，提出了一種離合器位移PID補償控制算法，并借助臺架測試及試驗樣車測試進行了驗證。試驗表明該補償控制算法能提高離合器控制精度，具有良好的魯棒性。

關鍵詞：AMT；離合器位移控制；PID；補償算法

中圖分類號：U463.211+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）05-0016-05

Abstract： Clutch position control is the difficult and key point of AMT （ automatic manual transmission ） control strategy . The clutch operating load is nonlinear ， the friction of the components of operating system lead to hysteresis loop ， and the commercial vehicle always use the compressed gas as driver source ， but the gas is compressibility， all of these cause more trouble of clutch control . The paper studies the clutch system in a six gear truck and analysis of the disengage and engage characteristics ， then presents PID compensation control strategy and have test in a clutch bench and test truck .test results show that the compensation control strategy can improves the control accuracy of the clutch position and have good robustness .

引言

機械自動變速器（AMT）由于其結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，成本低，適合在傳統(tǒng)變速箱基礎上做升級改進，國內(nèi)外研究機構(gòu)對其展開了深入研究[1]。由于離合器控制需要準確判斷駕駛員意圖，并適應各種路況，還需滿足乘坐舒適性、離合器磨損少、發(fā)動機不熄火等要求，因此離合器的位移控制是AMT控制的核心和難點[2]。AMT離合器執(zhí)行器的主要驅(qū)動方式有氣動，電機驅(qū)動，液力驅(qū)動等，氣動離合器執(zhí)行器由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，在國外的中重型卡車上得到了廣泛應用，本文也采用了氣動控制方式。但離合器負載具有非線性特性，執(zhí)行器系統(tǒng)摩擦引起滯環(huán)差異，以及氣體的可壓縮性，這些因素都給離合器位置準確控制帶來了極大挑戰(zhàn)，需要控制系統(tǒng)具有良好的控制精度和適應性。傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，算法容易實現(xiàn)，在離合器負載線性區(qū)域，具有良好控制精度和穩(wěn)定性，但在離合器負載非線性區(qū)域，常出現(xiàn)控制超調(diào)和“自走”現(xiàn)象[3]。本文針對傳統(tǒng)PID控制器的不足，提出一種補償控制算法，在系統(tǒng)非線性區(qū)域通過模糊控制器補償修正PID控制量，防止控制超調(diào)，并通過臺架測試及試驗樣車測試手段，進行了離合器靜態(tài)動態(tài)試驗研究。

1 離合器系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)設計與分析

1.1 離合器及其執(zhí)行器系統(tǒng)介紹

離合器執(zhí)行機構(gòu)由傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)改造而成，使用自動控制氣缸替代傳統(tǒng)助力氣缸，同時取消了離合器踏板，通過控制執(zhí)行氣缸內(nèi)部氣壓，使活塞水平移動實現(xiàn)分離與接合動作。分離過程與接合過程分別由一組高速開關閥控制，通過調(diào)節(jié)開關閥占空比實現(xiàn)分離接合速度的控制。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.2 離合器受力分析

執(zhí)行氣缸活塞在運動過程中最大加速度不超過200mm/s2，活塞質(zhì)量為0.4kg，則計算得到的最大慣性力ma=0.8N，相對于活塞推桿負載可以忽略不計，則在分離接合過程中，執(zhí)行氣缸受力平衡方程寫為：

離合器從分離點處開始接合，則必須經(jīng)過排氣過程，克服靜摩擦力，使活塞開始向接合方向運動， 由于執(zhí)行氣缸負載的非線性變化，使接合速度陡然增加，達到200mm/s，即自走現(xiàn)象[3]。若想在該區(qū)域進行位置精確控制，或者對接合速度進行控制，則必須進行反向彌補氣壓，傳統(tǒng)PID控制器無法進行調(diào)節(jié)，可通過補償控制器進行專項調(diào)節(jié)。開環(huán)接合過程如下：

2 補償控制器設計

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制策略，對非線性系統(tǒng)控制問題，具有較強的表達能力。圖4中，補償控制器運用模糊控制策略，對PID控制量進行補償修正。補償控制器根據(jù)離合器目標位移與實際位移的偏差e（k）大小，以及偏差的微分?e（k），實時計算補償控制量的大小，用以修正PID控制器輸出量。

2.2 模糊控制規(guī)則及變量隸屬度函數(shù)的確定

模糊控制器以離合器位移偏差e（k）及離合器位移偏差微分?e（k）為輸入變量，以補償控制量為輸出量。當離合器偏差微分?e（k）太大且偏差e（k）逐漸減小時，說明此時離合器正快速接近目標，有超調(diào)的可能性，應當補償與離合器動作方向相反氣體流量；當離合器偏差微分?e（k）大且偏差e（k）逐漸增大，說明此時離合器正快速背離目標，應當加大補償與離合器動作方向相反氣體流量；當偏差微分?e（k）較小且離合器偏差e（k）較大時，說明離合器響應慢，需要提高響應速度，應該增加離合器動作方向相同氣體流量；當偏差微分?e（k）很小且離合器偏差e（k）較小時，說明此時位移正準確跟蹤，不需要補償。

將離合器位移偏差微分?e（k）以及離合器位移偏差e（k）進行模糊化處理，作為模糊控制器輸入。將離合器位移偏差e（k）范圍 -6mm～6mm均分成7個區(qū)間，對應論域為-6～6，量化因子為1，，模糊語言變量劃分為{很?。╒S），?。⊿），較小（LS），中等（M），較大（LB），大（B），很大（VB）}；對于離合器位移偏差微分?e（k），將-50 mm/s～50mm/s均分成9個區(qū)間，對于論域為-5～5，量化因子為0.1，模糊語言變量劃分為{很小（VS），?。⊿），中?。∕S），較?。↙S），中等（M），較大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}；對于模糊控制輸出控制量，將-50～50均分成9個區(qū)間，對應論域為-5～5，量化因子為0.1，模糊語言變量劃分為{很?。╒S），?。⊿），中?。∕S），較?。↙S），中等（M），較大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}。各語言變量設計隸屬度函數(shù)如下圖5：

根據(jù)前面敘述控制思想，設計模糊規(guī)則，由輸入輸出語言變量數(shù)目，共建立了63條控制規(guī)則：

離合器位移偏差大小及正負，總體決定補償控制量的大小及正負，對于某一偏差大小，由位移偏差微分自動調(diào)整補償控制量大小，使其滿足控制預期目標要求。

2.3 模糊推理與反模糊化

本文采用Mamdani模糊推理算法。在模糊控制器中一條規(guī)則的結(jié)論是不會作為另一條規(guī)則的前提條件來使用的，控制作用是基于一級的數(shù)據(jù)而前向驅(qū)動的推理[4]。本文運用重心法對模糊量進行去模糊化處理[4]。重心法的計算公式為：

（2）

其中 xi 為輸入量映射到模糊論域后對應值，A（ xi ）為對應 xi 的隸屬度值。針對不同位移偏差，不同位移偏差微分，能計算出對應的精確控制量輸出。

3 實車及臺架試驗與結(jié)果分析

3.1 臺架靜態(tài)試驗與分析

為了驗證離合器控制精度，控制響應及控制穩(wěn)定性，將仿真模型控制策略及參數(shù)集成到臺架控制策略，進行2mm階躍靜態(tài)測試，測試結(jié)果如圖6：

運用常規(guī)PID控制，在離合器負載非線性區(qū)域接合時，當實際位移不超過目標位移時，計算得到的控制量始終為排氣接合控制，加上離合器負載隨著接合位移逐漸增大，使得活塞加速度進一步增加，直到實際位移超過目標位移，才會計算出反向補氣控制量，使實際位移返回到目標位移處。運用補償控制在接合過程中，當離合器實際位移接近目標位移且接合速度仍較快時，將會計算出反向補氣控制量，使接合速度逐漸變小，直到貼近目標位移。補償控制算法能很好遏制超調(diào)現(xiàn)象，使位移跟蹤準確，控制穩(wěn)定可靠。

3.2 實車動態(tài)試驗與分析

實車動態(tài)測試時，離合器控制需要考慮駕駛員的駕駛意圖，離合器位移控制是實時變化的，需要位移控制器能夠適應離合器目標位移變化。將控制策略及參數(shù)集成到某中型卡車試驗樣車，進行了大量的動態(tài)試驗，下圖為傳統(tǒng)PID控制與PID補償控制起步測試的結(jié)果對比。包含離合器目標位移，離合器實際位移，發(fā)動機轉(zhuǎn)速，變速箱輸入軸軸轉(zhuǎn)速以及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，駕駛員油門踏板開度等變量的變化過程。

對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)PID控制算法在起步時，離合器位移在接合初始階段的接合速度超過120mm/s，且出現(xiàn)控制位移超調(diào)，這是由于該階段執(zhí)行氣缸負載為非線性，在接合時，當打破靜平衡后，活塞在負載作用下會自動向接合方向快速移動，傳統(tǒng)PID算法計算得到控制量始終為接合排氣控制，使接合速度進一步加快，直到超過目標曲線，才有補氣動作，使實際位移回調(diào)。從離合器空行程階段到滑磨階段，沒有接合速度漸變過程，離合器主從動盤接觸過快，引起傳動系抖動，影響整車舒適性能。運用PID補償控制算法，在起步時，控制器根據(jù)控制偏差及偏差變化率自動補償氣量，調(diào)節(jié)離合器接合速度，使離合器接合初始階段接合速度由60mm/s逐漸減小到2mm/s，貼合目標曲線進入滑磨階段，離合器主從動盤接觸瞬間，離合器接合速度慢，一軸轉(zhuǎn)速變化平緩，整車沖擊小，舒適度好。PID補償控制算法能較好的彌補傳統(tǒng)PID控制器的不足，能使離合器非線性階段接合過程自動補償氣量，有效控制離合器接合速度，同時使實際位移不至于超調(diào)，適應性好。

4 結(jié)語

離合器控制是一個非線性控制問題，通過常規(guī)PID控制方法，在離合器負載非線性區(qū)域，由于受力條件惡化，容易造成位置控制超調(diào)，引起整車沖擊，不滿足控制要求。本文通過PID補償控制器彌補常規(guī)PID控制器的不足，在離合器負載非線性控制區(qū)域能自動補償執(zhí)行氣缸內(nèi)部氣壓，有效防止離合器位移突變超調(diào)，提高了離合器控制精度，具有良好的魯棒性。

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