基于Matlab算法离合器设计与试验

王金永

【摘 要】本文针对重型车辆机械式自动变速器（AMT）进行研究，设计完成一种气动液压式离合器自动操纵系统。基于Matlab/Simulink完成控制算法编写，利用CANoe发出控制指令并监控离合器的执行动作。通过台架试验，验证了该系统能够执行对离合器位置和结合速度的精确控制。

【关键词】自动操纵系统；气动液压式； CAN通信

0.引言

重型车辆使用条件较为恶劣，变速器负载大，档位多，选换档操纵沉重，迫切需要实现自动化以减轻驾驶员劳动强度，提高行车安全性，同时交通运输和物流业的飞速发展也对重型车辆的自动化提出了较高要求[1] [2]。

本文对低成本、高性能的气动液压式离合器自动操纵系统的机构和控制系统进行设计与研究，以期改善车辆起步时的动态特性和提高换挡品质，减轻驾驶员的劳动强度，提高行驶安全性。

1.工作原理与系统结构

1.1 工作原理

把原车用干式膜片弹簧离合器操纵机构中的离合器踏板、液压主泵、气动分泵取消，利用原车气动源，采用气动主缸、液压副缸以气动液控方式实现离合器分离、结合的自动控制，通过两位三通气动电磁阀控制主缸进气、排气和液压比例流量电磁阀精确控制离合器分离/接合的速度和位置。基本操纵过程如下：

①气阀通电，气动源通过管路与气动缸相连，压力气体作用于气缸，同时通过电流控制比例流量阀的流量，实现分离速度、位置的精确控制；

②离合器分离到位后，调节电流使比例阀保持中位，保持离合器分离位置；

③气动阀断电，气缸与大气直接联通，通过调节电流来控制比例阀流量，靠离合器膜片弹簧和回位弹簧的作用，实现结合位置、速度的精确控制。

1.2 系统结构

通过控制比例流量阀的工作电流0mA-2000mA区间的电流值可以达到精确控制液压油流向和液流大小；离合器位移传感器选用霍尔式位移传感器。该系统具有以下优点：

①结构简单，成本低；

②利用原车气动源，不需附加动力源；

③液压比例流量阀控制离合器结合，精度高、可靠性好；

④液控离合器前期工作基础好。

2.自动操纵系统控制软件的实现

2.1 控制算法

控制算法的开发环境为Matlab/Simulink。RTW生成的C代码与Cosmic中的主程序集成。下载到电控单元TCU中。其中能够实现离合器目标位置的PID控制算法[3]的编写如图1所示。该模型的输入为目标结合位置和传感器通过TCU传来的离合器实际位置，输出量为比例流量阀的电流值。P、I、D参数通过试验标定。

图1离合器PID控制算法

2.2 CAN通信

实现上位机[4] [5]（CANoe）与电控单元TCU的CAN通信[6]。上位机发出分离指令、结合指令、目标位置、控制电流等，自动操纵系统执行相应动作。上位机接收离合器位置，气阀、液阀状态等监控量。上位机CANoe的控制面板和监控界面如图2所示。

3.试验

3.1 试验内容与试验方法

气动液压式离合器自动操纵系统试验台主要测试离合器分离和结合时的位置和速度的精确控制[7] [8] [9] [10]，以及离合器自动操纵系统的可靠性和稳定性。试验方法如图3所示。

3.2 试验数据采集和分析

①离合器分离速度；

离合器在0.3 s内分离彻底，如图4所示，满足实际工作要求。离合器分离时，比例流量阀给2000mA电流和离合器开始分离时间差为0.0297s，验证该系统反应灵敏，不滞后。

②按照目标位置、预定速度结合离合器；在2000mv、3000mv（半结合点处）、3500mv控制比例流量阀电流分别以快慢快的方式结合，试验数据如图5所示。试验表明通过控制算法可以使自动操纵系统精确控制离合器的结合速度和结合位置，为离合器编写快慢快的结合规律算法提供控制依据。

图3实验方法

图2上位机CANoe的控制面板和监控界面

图4测试离合器分离时间

③目标结合位置为一动态阶越斜坡输入，测试跟随性；从图6可以看出，给定目标位置是每隔50ms结合20mv的一个细微阶越斜坡输入（最终结合位置控制在3500mv），根据既定目标位置，调整比例流量阀的电流值，即调整回油口的大小，得到理想的实际位置跟随曲线。图中比例流量阀电流维持在820mA，其它控制电流亦可获得理想的结合曲线，随着电流值0——900mA变化，可以得到不同的结合速度。

图5结合位置和结合速度控制

图6测试离合器结合控制的精确性

④PID算法控制目标结合位置。图7表明自动操纵系统能够使离合器准确到达目标位置，且超调量小于200mv，振荡时间短。

图7离合器结合时对目标位置进行PID控制

4.结论与改进方案

通过对目标结合位置和实际位置曲线的对比分析，以及对各个结合速度的控制结果可以看出，气动液压式离合器自动操纵系统取得了满意的控制效果，能过达到精确控制离合器的目的，为重型车辆机械式自动变速器研发的下一步工作奠定了基础。

另外，该系统还有待改善和提高的方面如下：

1）气动源压力稳定性差，可以在气动管路上通过稳压和调压装置解决；

2）比例阀成本较高，但在大批量采购时可以有效降低成本。

参考文献：

[1]ZF Fried rich sha fen AG.Automatic transmissions for trucks and coaches[J].Experiences in development and application Drive System Technique，2001，（4）：1—13.

[2]M.velardocchia and F.Amisano.R.Flora. A linear thermal model for an automotive clutch， SAE2000-01-0834.

[3]刘金锟.先进PID控制及其MATLAB仿真，北京航空航天大学出版社，2003.1.