基于接合指标逻辑切换的气动离合器控制算法研究*

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 130025； 2.北京现代汽车有限公司,北京 101300)



2015095

基于接合指标逻辑切换的气动离合器控制算法研究*

宋世欣1,曾华兵1,刘 斌2

(1.吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.北京现代汽车有限公司,北京 101300)

针对AMT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PID控制算法，其中电磁阀的控制采用PWM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AMESim中对AMT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。

AMT；气动离合器；控制算法

前言

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[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AMT中离合器控制的难度，因此要实现AMT气动离合器的精确控制还有诸多的难点需要攻克[2]。

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[3]，这些控制策略都将离合器的接合位置作为控制目标[4]，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PID控制算法[5]，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PID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。

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[7]。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(TCU)改变脉冲宽度调制(PWM)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AMT的电控单元TCU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ECU的控制等。TCU是整个变速器控制的核心单元，本文中采用ST10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。

图2为离合器气动执行机构的原理图。TCU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AMT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-t1时刻为无转矩传递阶段；(2)t1-t2时刻为传递转矩未克服行驶阻力阶段；(3)t2-t3时刻为传递转矩超过行驶阻力阶段；(4)t3时刻之后为同步阶段。

图中：Tc为离合器传递转矩；Tφ为阻力矩；ne、nc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

式中：wc为离合器主从动盘的角速度差，rad/s；t1和t2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。

2.2 基于接合指标逻辑切换的气动离合器PID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PID控制，其原理图如图5所示。其中电磁阀的控制采用PWM开关阀的比例控制[8]。

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[9]，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LMS Imagine.Lab AMESim这一多学科领域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[10]。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[11]，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

仿真中离合器执行机构的参数设置如表2所示[12]。

表2 离合器执行机构的参数

根据上述参数，在AMESim中建立该气动离合器自动操纵系统的控制仿真模型[13]，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。

(2) 离合器目标位置为按照一定斜率(k1、k2和k3)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，使离合器按照目标位置进行接合。仿真结果如图7所示。

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PID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-慢-快”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 600mV，同步点为2 300mV，即要求从3 200到2 600mV时为快接合，从2 600到2 300mV时为慢结合，从2 300mV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PID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PID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dx为离合器目标位置变化斜率。

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1s和5s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PID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PID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2s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PID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PID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PID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PID控制算法有很大的应用前景。

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A Study on the Control Algorithm for Pneumatic Clutch Basedon Engagement Indicator Logic Switching

Song Shixin1, Zeng Huabing1& Liu Bin2

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025;2.BeijingHyundaiMotorCo.,Ltd.,Beijing101300

A PID control algorithm for the automatic control system of AMT pneumatic clutch is adopted based on engagement indicator logic switching of clutch, in which the proportional control of PWM on-off valve is used for solenoid valve control and the controller for the system is built based on that control algorithm. A model for the automatic control system of AMT pneumatic clutch is established with AMESim and a corresponding simulation is conducted. The results of the bench test of clutch automatic control system verify the effectiveness of the control algorithm set up, which greatly enhances the engagement quality of clutch.

AMT; pneumatic clutch; control algorithm

*国家自然科学基金(50505014)、国家863计划项目(2012AA111712)和吉林大学985工程资助。

原稿收到日期为2013年9月25日，修改稿收到日期为2014年6月11日。