邊洪寧　李永明　張燕

摘 要：以汽車的換擋平順性和舒適度為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行研究探討，通過離合器的控制方法以及工作特性結(jié)合特定的規(guī)律來提高電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的換擋性能和起步穩(wěn)定性，減少換擋操作，改善汽車的平順性和舒適性，檢驗(yàn)智能換擋控制的合理性。

關(guān)鍵詞：電控機(jī)械式;自動(dòng)變速器;控制系統(tǒng);仿真

中圖分類號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0095-05

Intelligent control and simulation design of electronically controlled mechanical automatic transmission

Abstract： Starting from the smoothness and comfort of the automobile， the transmission characteristics of the electronically controlled mechanical automatic transmission are researched and discussed. The control method and working characteristics of the clutch are combined with specific laws to study and improve the electronically controlled mechanical automatic transmission. Shift performance and starting stability， reduce shift operations， improve the ride comfort and comfort of the car， and test the rationality of intelligent shift control.

Key words：? electronically controlled mechanical;automatic transmission;control system;simulation

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)汽車配置要求也越來越高。自動(dòng)變速器可以消除駕駛者換擋操作技術(shù)的差異，提高開車的舒適性和安全性，所以自動(dòng)變速器發(fā)展是汽車發(fā)展市場(chǎng)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。自動(dòng)變速器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和行車安全性，以及較好的行駛平穩(wěn)性，彌補(bǔ)很多機(jī)械式變速器的不足，非常適合我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)實(shí)，是近幾年迅速發(fā)展起來的一種新型自動(dòng)變速技術(shù)，具有良好的產(chǎn)業(yè)前景。為了提高汽車換擋的平順性和舒適度，促進(jìn)汽車工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，通過車輛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性所占比例的分析，提出經(jīng)濟(jì)性對(duì)換擋點(diǎn)和權(quán)衡動(dòng)力性進(jìn)行綜合系統(tǒng)控制的一種方法。創(chuàng)建汽車電控機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)的模型進(jìn)行研究。

1 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的智能控制系統(tǒng) 基本結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的控制器相比較，控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加強(qiáng)功能性抗干擾能力是智能控制器的主要所在。簡(jiǎn)單的智能控制系統(tǒng)可以分為智能控制器和外界工作環(huán)境2部分，智能控制器由處理模塊、認(rèn)知學(xué)習(xí)、信息識(shí)別、控制決策以及最重要的數(shù)據(jù)庫(kù)等組成;而外界環(huán)境則由傳感器、執(zhí)行器、被控目標(biāo)和被外界信號(hào)干擾對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素組成?？刂葡到y(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)在汽車智能控制系統(tǒng)研究越來越廣泛，成為汽車控制系統(tǒng)的主流。當(dāng)前社會(huì)上智能控制方法的類型越來越多，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊控制等，因此在當(dāng)前市面上的應(yīng)用上，什么方法最有效要根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)的條件，被控制的對(duì)象的優(yōu)點(diǎn)，目的及要求等因素來考慮。

2 自動(dòng)變速器分類

市面上很多不同型號(hào)的自動(dòng)變速器，不同品牌的自動(dòng)變速器在構(gòu)造上、形式上都有很大的區(qū)別。

2.1 按照汽車驅(qū)動(dòng)方式分類

按汽車的驅(qū)動(dòng)方式的不同，自動(dòng)變速器可分為2種，這2種自動(dòng)變速器在布置上，構(gòu)造上有較大的差異，一種是前驅(qū)動(dòng)，另一種是后驅(qū)動(dòng)。后驅(qū)動(dòng)除了與前驅(qū)動(dòng)是一樣的組成部分外，前驅(qū)動(dòng)在自動(dòng)變速器的內(nèi)部還裝有差速器。后驅(qū)動(dòng)的軸向尺寸比較大，因?yàn)辇X輪變速器和變扭器的輸出軸以及輸入軸在同一條軸線上，在齒輪變速器的下方底殼內(nèi)布置閥板總成。

前驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有橫向和縱向2種：橫向發(fā)動(dòng)機(jī)的前驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器，要求有比較小的軸向尺寸，因?yàn)槠嚨臋M向尺寸有限制，縱向發(fā)動(dòng)機(jī)只是在后邊加了一個(gè)差速器，兩者的放置和構(gòu)造都差不多。因此，為了減少變速器總體的軸向尺寸，增加了變速器的高度，通常將輸出、輸入軸設(shè)計(jì)為兩個(gè)軸線，齒輪變速器與變扭器的輸出軸安在下方，輸入軸安放在上方。

2.2 按照控制方式分類

變速器的控制方式分為2種：一是電子控制方式;二是液力控制。電子控制方式是結(jié)合電腦來進(jìn)行的，電子控制自動(dòng)變速器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，將車速和節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速、水溫、變速器的油溫、液壓等參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)，通過傳感器獲得信號(hào)后，把信號(hào)輸進(jìn)電腦。電腦根據(jù)設(shè)定好的換擋規(guī)律、液壓、電子換擋電磁閥等發(fā)出控制信號(hào)，兩個(gè)電磁閥再將電腦的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓控制的信號(hào)，閥板的各個(gè)控制閥門根據(jù)信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。液力變速器是如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的？首先需要把節(jié)氣門開度和車速，這兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤旱目刂菩盘?hào)，在汽車行駛的時(shí)候，通過機(jī)械控制的手段獲得信號(hào)，然后控制換擋操作系統(tǒng)的動(dòng)作，通過多個(gè)控制閥門根據(jù)這些信號(hào)的大小，結(jié)合設(shè)定好的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

2.3 按照齒輪變速器的類型分類

市面上大多數(shù)轎車所采用的是行星齒輪變速器，還有一種普通齒輪的自動(dòng)變速器。行星齒輪變速器這款自動(dòng)變速器可以獲得很大值的傳動(dòng)比，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也緊湊，適用于大眾轎車;普通齒輪這款變速器的傳動(dòng)最大值很小，體積還很大，只是有特定的幾款少數(shù)車在使用。

2.4 按照對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式分類

控制方式可以分為柔性控制法和剛性控制法，“電子油門”就是很典型的柔性控制法的例子，在柔性控制法結(jié)構(gòu)中，只是控制相連傳感器，油門和加速踏板是分開的，將開車人的意圖轉(zhuǎn)換為信號(hào)，從而輸給電控單元。汽車在換擋過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)是按編制的指令通過油門執(zhí)行動(dòng)作控制的，而汽車正常行駛的過程中則是通過電控單元按照設(shè)定好的比例來控制油門，所以國(guó)內(nèi)外研究較多的是柔性控制法結(jié)構(gòu)。剛性控制法則是存在缺陷的，因?yàn)椤把埠健惫δ懿荒茉趧傂越Y(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，所以目前市面上的自動(dòng)變速汽車中大多沒有剛性結(jié)構(gòu)，剛性不需要外加油門執(zhí)行，加速油門和踏板兩者之間的機(jī)械連接，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速這個(gè)目的，在換擋中必須使用某種附加的方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.5 按照?qǐng)?zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)類型分類

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)類型分為3種，全電式執(zhí)行系統(tǒng)，電控液動(dòng)式執(zhí)行系統(tǒng)，電控氣動(dòng)式執(zhí)行系統(tǒng)，3種執(zhí)行系統(tǒng)的方式都各有不同，分類如圖2所示。

2.6 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的智能系統(tǒng)控制特點(diǎn)

飛數(shù)值的廣義模型和含有算法以及智能模型的數(shù)學(xué)模型展示的混合控制過程來是用知識(shí)來表示智能控制，使用定量、定性被循環(huán)控制與兩相結(jié)合的多種控制方式，對(duì)被控制的動(dòng)態(tài)進(jìn)行識(shí)別。

智能控制具有模擬人類學(xué)習(xí)、感知周圍環(huán)境、推理和邏輯思維等特點(diǎn)，此方法是高級(jí)階段的控制理論，而電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)中有沒有辦法運(yùn)用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)來表達(dá)的人為因素影響，存在控制對(duì)象的時(shí)變性和非線性，同時(shí)規(guī)定控制結(jié)果和響應(yīng)快速與目標(biāo)參數(shù)沒有差錯(cuò)，傳統(tǒng)控制都有著相當(dāng)困難不好解決的多重復(fù)雜問題，對(duì)于參數(shù)的未知、模型結(jié)構(gòu)都了解的不對(duì)的情況下，傳統(tǒng)控制方法就很難使用。根據(jù)以上原因使得傳統(tǒng)的控制方法很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)的控制，要解決傳統(tǒng)控制帶來的復(fù)雜問題，就很需要使用達(dá)到高級(jí)理論的智能控制方法，因此，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)智能控制較容易適用在模糊性、不確定性、高度非線性、不完全性等比較復(fù)雜多變的控制系統(tǒng)中。為了進(jìn)一步完善改良控制系統(tǒng)的性能，在控制系統(tǒng)對(duì)很復(fù)雜的任務(wù)和分散的信息有自動(dòng)協(xié)調(diào)組織的能力時(shí)，可通過規(guī)定的取值范圍，保證穩(wěn)定性的方式來改變控制器的參數(shù)，來解決參數(shù)得不到改變時(shí)所面對(duì)的情況。

2.7 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)智能控制算法

2.7.1 自適應(yīng)算法

自適應(yīng)控制算法是由Marsik等學(xué)者所提出的不需要辨識(shí)的自適應(yīng)控制算法，不需要辨別過程參數(shù)，只需在線實(shí)時(shí)檢測(cè)過程實(shí)際輸出數(shù)值和期望輸出數(shù)值就能形成自適應(yīng)控制，所以這類自適應(yīng)控制器還有很多性能需大幅度的提高。自適應(yīng)算法可以辨識(shí)系統(tǒng)，根據(jù)控制數(shù)值來計(jì)劃控制規(guī)律。結(jié)合以上方法需要在每個(gè)收集周期之內(nèi)得出一些復(fù)雜的數(shù)值，有辨別所獲得的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性無(wú)法保證，所以自適應(yīng)算法的應(yīng)用受到了限制。

2.7.2 智能控制算法

當(dāng)今社會(huì)上有一些具有自適應(yīng)算法能力的PID控制算法，使用的是通過系統(tǒng)辨別的方法，算法上極其復(fù)雜，運(yùn)算量較大，并且只適合小范圍內(nèi)的模型不確定因素，但是在某些程度上解決了一些不確定的問題。深入研究后發(fā)現(xiàn)，為了使其能有更好的適應(yīng)能力，可以用PID來改寫神經(jīng)元中的變量，達(dá)到最佳效果。直流電機(jī)是傳統(tǒng)PID控制的，使用的閉環(huán)控制對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行偵查測(cè)驗(yàn)，可以最大化減少自動(dòng)糾偏能力比較弱，精確度低等缺點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的干擾和外界因素達(dá)到最大抑制。直流電機(jī)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型非常困難，會(huì)失去其本應(yīng)有的穩(wěn)定性和自帶的調(diào)節(jié)功能。

單神經(jīng)元自適應(yīng)算法可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定效果，使用過程很輕松，可以對(duì)PSD進(jìn)行自適應(yīng)、整定，不必要對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正處理，能節(jié)省很多時(shí)間，并且單神經(jīng)元自適應(yīng)PSD控制器能很好的將程序下載到車輛的主系統(tǒng)中。

3 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器原理

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器是21世紀(jì)正在研究的主流汽車產(chǎn)業(yè)，根據(jù)駕駛員的目的進(jìn)行自動(dòng)換擋控制行為以及結(jié)合汽車的駕駛狀況，路面狀況是它的工作原理。為了達(dá)到離合器、變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳匹配，來獲得更好的行駛性能、迅速換擋和平穩(wěn)起步的能力。在發(fā)動(dòng)機(jī)的車速、轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車的行駛狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，駕駛?cè)藛T通過踩加速踏板，變速桿向被電控單元表達(dá)目的，將得到的信號(hào)輸進(jìn)去，電控單元按預(yù)先設(shè)計(jì)好的有熟練駕駛員的駕駛規(guī)律對(duì)換擋、節(jié)氣門開度結(jié)合以及離合器進(jìn)行控制，原理如圖3所示。

4 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)換擋仿真模型 創(chuàng)建

4.1 創(chuàng)建汽車模型

汽車運(yùn)行過程中的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)是根據(jù)設(shè)立汽車的動(dòng)力學(xué)模型反映的，結(jié)合汽車受力，汽車在運(yùn)行過程中的行動(dòng)阻力和驅(qū)動(dòng)設(shè)立一個(gè)平衡方程為：

Ft=Fr

式中：Fr為行駛時(shí)的阻力;Ft為汽車的驅(qū)動(dòng)力。

汽車在運(yùn)行時(shí)的阻力主要是坡道阻力Fi、滾動(dòng)時(shí)的阻力Ff、加速時(shí)的阻力Ft及空氣阻力Fw，汽車在發(fā)動(dòng)時(shí)遇到的力和運(yùn)行時(shí)遇到的力兩者的方程設(shè)為：

Fr=Ff+Fw+Fj+Fi

4.2 創(chuàng)建非線性模型

正常工作時(shí)所用的離合器都是常閉的，汽車壓盤和分離軸承桿為膜片，膜片在分離杠桿以及壓緊彈簧之間有兩重作用，是動(dòng)盤使用磨損后還能繼續(xù)使用。根據(jù)這些可以看出，創(chuàng)建電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)模型首先要?jiǎng)?chuàng)建離合器模型，創(chuàng)建結(jié)合一體模型。

4.3 創(chuàng)建傳動(dòng)性模型

離合器傳動(dòng)方程為：

Te-Tc=Je（dwe/dt）

Te-Tr=J（dwc/dt）

式中：Tr為車輛道路阻力矩;Tc是汽車離合器摩擦傳遞力矩;we為汽車行駛中的空氣阻力矩;Tc為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的輸出轉(zhuǎn)矩;Je為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行駛的慣量;wc為制動(dòng)力矩。

4.4 創(chuàng)建離合器模型

離合器摩擦過程中的相對(duì)摩擦肯定會(huì)對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響，使得摩擦片會(huì)出現(xiàn)一定變形、磨損以及發(fā)燙，可以把動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)忽略，從而更好的實(shí)現(xiàn)離合器的過渡，清楚考慮在離合器傳遞過程中的輸出力矩所帶來的影響。通過數(shù)據(jù)設(shè)的方程為：

ud=（a+b）e-cu+d

摩擦表面和離合器產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)為：

uds=a-bu-ae+d

式中：a，b，c為常數(shù)。

創(chuàng)建離合器的模型主要目的是得到汽車載荷變化和輸入力矩的變化具有相關(guān)關(guān)系的，也是為了體現(xiàn)離合器自己的傳遞特點(diǎn)和汽車載荷并沒有太大的關(guān)系。

5 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 電控機(jī)械式自動(dòng)變速離合器實(shí)驗(yàn)

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組件系統(tǒng)，原型是dsPACE的組件系統(tǒng)，將汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)和仿真機(jī)之間建立連接，這樣就可以把它作為實(shí)時(shí)仿真機(jī)使用?？焖倏刂圃拖到y(tǒng)中的基礎(chǔ)是機(jī)械結(jié)構(gòu)，支撐汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)，快速控制系統(tǒng)原型這兩樣是最主要的存在，前者分為電機(jī)支架和總裝圖，后者是換擋結(jié)構(gòu)和離合器總成。自動(dòng)變速系統(tǒng)控制的工作原理：系統(tǒng)的大腦為處理器，在直流電機(jī)和執(zhí)行構(gòu)造同時(shí)控制使得離合器運(yùn)動(dòng)起來的同時(shí)，把搜索集合到的有關(guān)的信號(hào)經(jīng)過處理器面板中的運(yùn)行方式算法獲得直流電機(jī)的電壓控制。創(chuàng)建系統(tǒng)原型測(cè)試的主要目標(biāo)，測(cè)試驗(yàn)證離合器在滑動(dòng)摩擦控制算法中的有效性，以及試驗(yàn)汽車在接受到正確的指令動(dòng)作時(shí)，同時(shí)在離合器在換擋、剎車與起步的情況下是否能夠完成。

在電控機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)中要緊的比如離合器的運(yùn)作邏輯，離合器的分離、處理，信號(hào)的收集等，工作流程為：初始步驟—采集和管理信號(hào)—判斷離合運(yùn)作邏輯—分離離合—完成換擋—結(jié)合離合—完成退出—結(jié)束。

在通用試驗(yàn)軟件中創(chuàng)建調(diào)試試驗(yàn)的周圍環(huán)境，可以從此環(huán)境中輕松獲得收集數(shù)據(jù)和調(diào)整參數(shù)。離合器運(yùn)作邏輯是正確的，等于說電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)的運(yùn)作邏輯是沒有問題的，是正確的。

5.2 快起步控制離合器

汽車正常起步，節(jié)氣門也正常，在離合器主盤和從盤的轉(zhuǎn)盤速度一致后，離合器速度變快有快—正?！斓囊?guī)律，在汽車從、動(dòng)兩盤同時(shí)以及運(yùn)作之前，離合器速度正常，離合器主盤從盤步伐一致之前，速度在數(shù)值范圍內(nèi)中間部分。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在規(guī)定數(shù)值時(shí)，車輛起步平穩(wěn)，使用正常。

5.3 慢起步控制離合器

汽車平穩(wěn)起步時(shí)，節(jié)氣門開度也比較小的話，在汽車從動(dòng)盤，主動(dòng)盤的步伐一致時(shí)，汽車開始運(yùn)作并離合器連接速度比較慢。兩盤轉(zhuǎn)盤速度一致后，離合器會(huì)快速整合到一起，在離合器主動(dòng)盤、從動(dòng)盤同步之前，離合器速度的數(shù)值不變化。在此間過程中的結(jié)合有快—慢—快的規(guī)律，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定數(shù)值時(shí)，起步平穩(wěn)，車速變化比較慢。

6 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器系統(tǒng)智能控制仿真 驗(yàn)證

直流電機(jī)的參數(shù)為：La=0.088;G=1 000;Ra=0.036 1;D=0.029 2;La×Jm=0.076 57;Ra×Jm=0.031 407。

在電控機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋過程中，離合器分為3種：摩擦部件結(jié)合狀態(tài)、摩擦部件分離狀態(tài)、滑動(dòng)摩擦狀態(tài)。根據(jù)階躍函數(shù)，模擬3種狀態(tài)分別進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定初始函數(shù)為1，時(shí)間為5 s，函數(shù)值為2時(shí)，時(shí)間為10 s，試驗(yàn)證明單神經(jīng)元算法是有系統(tǒng)穩(wěn)定能力、大的自學(xué)能力、響應(yīng)速度快這3大優(yōu)點(diǎn)。單神經(jīng)元算法在系統(tǒng)穩(wěn)定性、學(xué)習(xí)能力、組織能力3大方面都有較大的改善，比傳統(tǒng)算法要高出很多優(yōu)勢(shì)，單神經(jīng)元控制器在2 s內(nèi)就可以做到無(wú)靜差、無(wú)超調(diào)、穩(wěn)定值、震蕩時(shí)間短，在很短時(shí)間就能安穩(wěn)下來。因此單神經(jīng)元算法是最適合應(yīng)用在離合器的執(zhí)行構(gòu)造控制算法中。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，汽車工業(yè)的發(fā)展也是取得巨大的進(jìn)步，汽車換擋也從當(dāng)初的手動(dòng)變速換到了現(xiàn)在大面積使用的自動(dòng)變速的車，自動(dòng)變速的車成為了當(dāng)今社會(huì)的主流趨勢(shì)。各大汽車品牌汽車工廠都在研究這些功能以求進(jìn)步，通過本文的仿真模型創(chuàng)建及試驗(yàn)可以證明單神經(jīng)元算法的可行性，獲得比較明顯的進(jìn)步，能更好的應(yīng)用在當(dāng)今社會(huì)的汽車工業(yè)。

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收稿日期：2021-10-03;修回日期：2022-04-22

作者簡(jiǎn)介：邊洪寧（1987-），女，碩士，副教授，研究方向：自動(dòng)化、飛機(jī)機(jī)電設(shè)備。