气动离合器控制技术研究

赵国强，李 强，邓金涛，乔运乾

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

AMT是在原有机械式手动变速器基本结构不变的情况下，加装了电子单元的自动操作机构，取代了人工操纵，实现自动换挡过程，AMT的高效率、低造价和操作方便等特性是其得以快速发展的主要动力。

以内燃机为主动力的AMT系统都配置有离合器，通常在断开动力源后换挡，难点在于满足平顺性及正确应对复杂情况的快速性要求，控制精度显得尤为重要。本文的主要任务是针对装配有AMT自动变速器的P2混动系统车辆起步过程进行控制系统的设计研究，通过所设计的控制系统对于起步过程中的离合器进行控制，以此来解决车辆起步过程中的控制问题，从而满足起步过程中对于驾乘舒适性、起步快速性和元件耐用性的要求。

本文通过搭建离合器系统测试台架，安装气缸压力传感器，分析气缸压力与传感器位移之间的关系，为控制算法及标定提供指导，同时引入新的控制算法，提高控制精度，避免超调及振荡，提升舒适性。

1 整体设计方案

P2混动系统中离合器位于发动机和电机之间，如图1所示，这种结构也称为并联系统，并不是说发动机轴和电机轴一定要并联到车桥上，而是说发动机可以单独驱动车轮，电机也可以单轴驱动车轮，当发动机介入动力传递时，离合器需要结合，尤其是起步阶段，离合器的精确控制显得尤为重要。

图1 P2并联结构示意图

图2为离合器系统测试方案介绍，通过在离合器气动执行机构气缸中安装气缸压力传感器进行气压的采集，离合器执行机构位置本体自带，用于离合器位置闭环控制。

图2 离合器系统测试方案介绍

图3是离合器工作过程示意图，横轴为时间，纵轴为离合器位移，默认状态下离合器处于分离状态，当上电后，离合器分离。当起步过程中需要发动机介入动力时，即混动起步或纯发动机模式起步，需要结合离合器，对离合器位置进行精确控制，控制过程为“快-慢-快”，先快合消除空行程，靠近滑磨点附近缓慢结合保证舒适性，通过滑磨点后，快速结合，缩短动力中断时间及保证离合器耐用性。

图3 离合器工作过程

目标位移可以看作是阶跃信号。描述稳定的系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t变化情况状况的指标，称为动态性能指标。其中调节时间t指响应到达并保持在终值±5%内所需的最短时间，如图4所示。在模块调度时间内，可以认为离合器位置控制为阶跃信号，在控制过程尤其是起步过程中，为了防止发动机熄火，需要保证控制不能超调。

图4 PID控制单位阶跃响应

图5是离合器的PID控制基本原理，控制器根据接收到的离合器目标位置与通过离合器位移传感器测量到的实际位移的差值对离合器电磁阀的占空比进行控制。当目标位置比实际位置大时，离合器分阀开启，合阀关闭，使实际位置控制到目标位置；当目标位置比实际位置小时，离合器合阀开启，分阀关闭，使实际位置控制到目标位置。

图5 离合器的PID控制基本原理

图6是传统PID控制效果图，运用直接输出占空比的PID控制，标定参数较多，快、慢两阀分配比例较难协调，易超调，跟随性较差。

图6 传统PID控制效果图

2 试验台架数据分析

图7是离合器分离气缸压力变化图。从图7可以看出，在离合器分离（离合器位移变大），用相同的占空比进行控制时，气缸压力传感器不是线性变化的，而是有一个拐点，并且离合器位移变化不是线性的。当快分阀打开时，气缸压力逐渐变大，但是离合器位移则是在一段时间后才开始动作。

图7 离合器分离气缸压力变化图

3 软件控制策略设计

图8是离合器结合气缸压力变化图。从图8可以看出，在离合器结合（离合器位移变小），当快合阀打开时，气缸压力在延时后逐渐下降，离合器位移间隔一段时间后才会动作，通过此现象，在控制离合器分离时不能分离太大，否则气缸压力内部压力过高，会导致电磁阀打开后释放一段时间气体后才会开始动作，影响响应速度。

图8 离合器结合气缸压力变化图

根据传统PID控制逻辑及气缸压力台架实测结果，设计离合器控制改进PID控制算法，如图9所示。以离合器结合为例，根据目标位置和实际位置作为闭环输入，输出合阀PID总输出值，然后利用合阀分配系数进行分配，得到快合阀和慢合阀的输出占空比，减小了标定工作，提高了程序覆盖度。

图9 改进PID控制逻辑图

图10是改进PID控制流程图。通过位置差进行占空比的分配，得到最终的输出占空比。一般来讲，离合器有结合需求时，离合器目标位置较实际位置小，此时需输出合阀占空比，分阀占空比输出为0。同理，离合器有分离需求时，离合器目标位置较实际位置大，此时需输出分阀占空比，合阀占空比输出为0。

图10 控制流程图

图11是利用改进PID控制进行的控制效果图，从图中可以看出，位置跟随性较图6中的传统PID要好。

图11 改进PID控制效果图

4 结论

本文搭建试验台架对气缸压力进行采集，通过分析气体可压缩性对离合器执行机构延时的影响，用于控制策略的开发标定中，缩短了离合器结合延时时间，同时针对传统PID控制中出现的跟随性差、标定工作量大等缺点，设计了改进PID控制算法。经试验验证对比，具有明显的改进效果，提高了位置控制精度，为气动控制执行机构控制提供一种思路。