自动离合器起步控制的模糊控制方法*

莫舒玥

（广西交通职业技术学院）

目前市场上汽车用变速器有2种，一种是手动变速器，价格较低，但驾驶的舒适性和安全性不够好；另一种是自动变速器，舒适性好但价格较高。文章在手动变速器的基础上对离合器部分进行改装，成为自动离合器（ACS）[1]。ACS的优势在于：改变全手动换挡的模式，对传统离合器加装一套自动控制系统，让驾驶操控更为简单也更安全；提高了变速器的相应速度与驾驶舒适性；价格低廉，1 000～2 000元即可实现，维修经济且省油。如果自动离合器控制系统出现故障，离合器还是保留人为控制（脚踩）的方式来接合或分离。

1 研究内容和方法

目前国外采用自动离合器的手动变速器已经在一些品牌的车型上运用[2]，如奔驰A190和C230；该技术在国内一些小型车或微型车上运用的较多。ACS具有广阔的市场，但其接合过程的冲击度控制还不完善，一定程度上影响乘坐的舒适性。

文章主要研究自动离合器的控制方面，且主要针对汽车起步时自动离合器的控制，实现能够根据驾驶员意图平稳快捷地起步，且该过程的冲击度和摩擦都尽量小，如何制定有效的控制策略是离合器起步控制的一个难点[3]。文章重点研究的方法是采用一种科学的多模控制方法来实现自动离合器的控制。

自动离合器性能是否优良是通过冲击度和滑摩功2个指标来进行评价。一方面，离合器接合过程中主从动盘接合瞬间由于转速不一样会产生一定的冲击，使得乘坐人员产生不舒适的感受。而且冲击度过大，使得零部件之间的撞击力增大，加速零部件的损坏，并可能引起汽车起步熄火。另一方面，离合器接合过程实际上就是主从动盘之间摩擦力矩传递的过程，有摩擦必然产生热量，热量在此过程中就会被损耗掉，同时摩擦产生了磨损，摩擦时间越久，转速差越大，摩擦损耗就越大[3]。

从以上分析得知，自动离合器接合控制的理想目标是冲击度和滑摩功均越小越好[4]。减少摩擦损耗（滑摩功），则必须让离合器接合速度缩短，但接合过快将导致冲击度增加，顿挫感增强，影响起步时的乘坐舒适性，而且冲击度的增加也会使得零部件受到冲击的影响而缩短寿命，同时汽车还容易熄火。因此，寻求一个合适的平衡点，制定一个科学合理的控制策略来解决冲击度和滑摩功的矛盾是离合器控制的关键[4]。

目前，对自动离合器结合点的大部分研究都是在保证汽车起步和换挡要求的前提下，根据离合器接合过程的一般特点采用“快—慢—快”的接合规律和模糊控制技术来实现的[5]。文章基于多模控制理论，对自动离合器接合规律进行多模控制策略研究及试验。

2 自动离合器起步控制方法及试验

2.1 起步多模控制方法

由于起步过程中离合器的工作状态同时受到驾驶员起步意图、路面状况及汽车负载情况等因素的共同影响，设计出多模控制系统，其设计原理，如图1所示。知识库代表驾驶员起步意图、路面状况及汽车负载情况等因素获得的精确数据，进行模糊化，实现对控制目标离合器的控制。

针对控制目标（冲击度和滑摩功最小的平衡点）以及离合器接合过程的特点，采用“快—慢—快”接合原则。离合器的接合过程分为3个阶段：1）转矩传到离合器的主动盘，此时离合器的从动盘还未与主动盘接触，未转动，无冲击度和滑摩功，可以加快接合速度；2）主从动盘接触，但是转速不一致，两者之间产生滑摩，此时应减缓接合速度以减少冲击度，提高乘坐舒适性[5]；3）主从动盘转速一致，汽车实现起步，此过程可以适当加快接合速度，以减少滑摩功，同时提高起步速度。

由离合器起步接合过程分析可以把离合器工作的第1阶段看成空行程控制阶段，此时，离合器主动盘没有摩擦力矩；第2阶段看成滑摩控制阶段；第3阶段看成同步控制阶段。根据3个阶段的特点，选择“比例—模糊—PID”多模控制方式。多模控制系统图，如图2所示。

因此，自动离合器的控制实际上就是通过计算机软件设计一个多模控制程序，再通过自动离合器自动控制系统实现机械式离合器的自动控制目标，取代驾驶员离合器操纵，从而实现汽车起步离合器操纵的自动化。而这个功能只需要一套多模控制程序、直流电动机、离合器操纵机构、电控单元、传感器、线束及显示单元等部件组成的自动离合器控制系统就完全可以实现[6]。

2.2 离合器接合速度模糊控制

驾驶员通过操纵油门踏板和离合踏板来使汽车起步。驾驶员起步意图有慢起步、正常起步和急起步3种情况，一般通过油门开度及油门开度变化率2个参数来共同表现[4]。若油门开度大，表明驾驶员油门踩得较深，意图为急起步，但是会将其（冲击度）控制在合理的范围内，即低于国际上的冲击度限值（最大冲击度为10 m/s3，这是最大的舒适性限定值[5]）；反之，若油门开度小，表明驾驶员想慢起步。如果驾驶员踩踏油门踏板速度快，则油门开度变化率大[7]，反之，则油门开度变化率小。计算机多模控制技术将驾驶员的驾驶意图采用模糊控制的方式设计控制程序，实现自动离合器的控制。根据以上因素得到自动离合器起步模糊控制器，如图3所示。

2.3 自动离合器起步控制仿真试验

自动离合器系统研制完毕后，与发动机台架和手动变速箱台架进行连接，并与测功机台架连接且进行了自动离合器起步控制仿真试验。

2.3.1 慢起步

在同等载荷情况下，设定平地缓起步的油门开度为20%，地面坡度为0°，离合器的结合过程遵循“快—慢—快”多模控制策略。在主从动盘开始接触到两者转速同步的过程中，为了提高乘车舒适性，减少起步冲击，采用模糊控制适当降低接合速度，当到达同步阶段后，迅速提高离合器接合速度，完成起步。图4～图6分别示出油门开度为20%，地面坡度为0°时主从动盘转速、冲击度及滑摩功曲线。从图4～图6可以看出，主从动盘在1.8 s时实现同步，完成起步时间为1.9 s，最大冲击度为6.8 m/s3，最大滑摩功为8 750 N/m。

2.3.2 正常起步

设定油门开度为40%，地面坡度为0°，图7～图9分别示出此时主从动盘转速、冲击度及滑摩功曲线。从图7～图9可以看出，离合器主从动盘在1.25 s时实现同步，汽车完成起步时间为1.5 s，最大冲击度为5 m/s3，最大滑摩功为5 000 N/m。油门开度增加，设定的结合速度变快，冲击度也增加，但是由于同步时间变短，主从动盘因转速不同产生的滑摩功也相应减少。

2.3.3 急起步

设定油门开度为70%，地面坡度为0°，图10～图12分别示出此时主从动盘转速、冲击度及滑摩功曲线。从图10～图12可以看出，主从动盘在1.1 s时实现同步，完成起步时间为1.75 s，最大冲击度为8.2 m/s3，最大滑摩功为4 000 N/m。此时设定驾驶员意图为急起步，主从动盘同步时间进一步缩短，因此最大滑摩功也进一步下降；但是，由于两者之间的转速差过大，驱动汽车起步的时间反而比正常起步时间稍有延长。

3 结论

根据在试验台上进行3种常规起步试验（慢起步、正常起步及急起步）的试验结果，采用多模控制技术进行汽车起步离合器的自动控制，基本与驾驶员的手动控制模式相符。因此得出采用多模控制技术实现汽车起步时自动离合器的控制是可行的。

设计的自动离合器控制系统，在某微型车上进行了安装测试，包括不同油门开度下的测试。测试结果表明，系统能够可靠和平稳地实现离合器的自动控制，且安装此系统后的汽车油耗，比未安装自动离合器时的油耗降低了5%左右。因此，在微型车上将机械式离合器改装成自动离合器是可以实现的。不过，汽车的起步过程（比如在有坡道或汽车负荷变化的情况下）极其复杂，需要进一步完善多模控制技术实现控制，这也是今后需要研究的课题。