6-AMT微型乘用車起步優(yōu)化控制＊

唐娜娜陳勇高陽郭立書高炳釗陳虹

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.吉利汽車研究院）

6-AMT微型乘用車起步優(yōu)化控制＊

唐娜娜1陳勇2高陽2郭立書2高炳釗1陳虹1

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.吉利汽車研究院）

為提高車輛起步過程中的舒適性及動(dòng)力性，以6擋電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的起步控制為例進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。搭建了6-AMT傳動(dòng)系A(chǔ)MESim仿真模型，通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了仿真模型的可靠性,并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。分別采用優(yōu)化控制方法和PID控制方法對(duì)車輛起步進(jìn)行控制試驗(yàn)，結(jié)果表明，與PID控制方法相比，優(yōu)化控制方法的起步過程更快速、更平順。

1 前言

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、可靠性好、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)且操作方便等優(yōu)點(diǎn)，較適合在微型乘用車上使用[1]。目前已經(jīng)成功上市的AMT微型車如雪佛蘭新賽歐、奇瑞A1等車型的擋位均在5擋或以下。某汽車公司推出的AMT微型乘用車采用了6擋速比設(shè)計(jì)，與5擋位汽車相比，擋位數(shù)的增加降低了車輛高速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性[2]。而在平順性控制方面，盡管6-AMT速比范圍變寬，但起步擋（1擋）的速比變化不大，因此仍需要較高性能的起步控制策略來實(shí)現(xiàn)快速平順的車輛起步。

AMT汽車依靠干式離合器滑摩起步，起步過程的主要性能指標(biāo)是沖擊度和滑摩功[3，4]。由于起步過程中既要求車輛行駛平穩(wěn)沒有沖擊，又要求離合器滑摩損失小，所以沖擊度與滑摩功存在一定程度的矛盾性，如何權(quán)衡兩者之間的關(guān)系成為控制離合器起步過程的關(guān)鍵。基于對(duì)沖擊度和滑摩功性能指標(biāo)的綜合考慮，本文對(duì)6-AMT車輛起步控制策略進(jìn)行了研究，采用優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)了車輛的快速平順起步，并可兼顧降低沖擊度和減小滑摩功。

2 6-AMT介紹

6-AMT傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖1所示，其變速器采用同步器式換擋方式，為減小換擋時(shí)齒輪的沖擊力，只有在待換入的齒輪副轉(zhuǎn)換差很小時(shí)才進(jìn)行換擋。該變速器速比設(shè)定為3.308、1.913、1.276、0.971、0.763和0.731，共設(shè)置3個(gè)超速擋（4、5、6擋），通過3個(gè)電機(jī)分別控制選、換擋動(dòng)作和離合器動(dòng)作。

本文主要針對(duì)6-AMT車輛起步過程中離合器的控制進(jìn)行研究。6-AMT離合器操縱機(jī)構(gòu)如圖2所示，其利用高傳遞效率的滾珠絲杠作為減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，再通過一系列桿件操縱離合器的分離與接合。

3 仿真模型建立與校驗(yàn)

3.1 模型建立

如果直接通過實(shí)車試驗(yàn)來驗(yàn)證6-AMT的起步控制性能，需要耗費(fèi)大量工時(shí)且工作成本較高。為此，在動(dòng)態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上，利用仿真結(jié)果評(píng)價(jià)車輛控制性能的好壞，以減小實(shí)車標(biāo)定工作量。搭建6-AMT的AMESim整車模型如圖3所示，以其為被控對(duì)象，通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，在實(shí)車試驗(yàn)前驗(yàn)證起步控制性能。AMESim整車模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、驅(qū)動(dòng)軸以及車輪和車身等。

3.2 模型校驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立的6-AMT傳動(dòng)系仿真模型的有效性，將相同的離合器信號(hào)和油門踏板信號(hào)分別輸入仿真模型和樣車，觀測(cè)它們的車速曲線并進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，在車輛起步過程中，離合器開始時(shí)均處于斷開狀態(tài)，從106 s開始，隨發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的增加離合器緩慢接合，車輛緩慢起步。離合器徹底接合后油門開度和車速繼續(xù)增加，車輛在113 s和119 s時(shí)分別升入2擋和3擋行駛。包括起步在內(nèi)的每一過程，仿真車速與試驗(yàn)車速基本吻合，這表明所建立的仿真模型準(zhǔn)確，能夠用于后續(xù)對(duì)起步控制器的性能驗(yàn)證。

4 起步控制器設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化控制

優(yōu)化控制是指在一定條件下，在完成所要求的控制任務(wù)時(shí)，使系統(tǒng)的某種性能指標(biāo)具有最優(yōu)值[5]。車輛起步過程中，離合器經(jīng)歷從開始滑摩到完全接合的過程，在制定性能指標(biāo)時(shí)應(yīng)該考慮以下3個(gè)主導(dǎo)因素：快速響應(yīng)駕駛員操作;車輛起步?jīng)_擊小;離合器摩擦片滑摩損失小。

為達(dá)到以上控制要求，設(shè)計(jì)了基于LQR的優(yōu)化控制算法對(duì)離合器進(jìn)行起步控制。選取6-AMT車輛的系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

狀態(tài)變量x和控制量u分別為：

狀態(tài)矩陣A、B分別為:

式中，ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;ωc為離合器輸出軸轉(zhuǎn)速;Tc為離合器傳遞扭矩;Te為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩;Tl為車輛負(fù)載扭矩為離合器扭矩變化率;Ce和Cv為阻尼系數(shù); Ie和Iv為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

上述方程的詳細(xì)推導(dǎo)過程見參考文獻(xiàn)[5]。

采用LQR（線性二次調(diào)節(jié)器）控制算法，控制過程即尋求最優(yōu)控制量u使目標(biāo)函數(shù)J最小。取狀態(tài)變量和控制變量的二次型函數(shù)的積分作為性能指標(biāo)，該性能指標(biāo)可寫成統(tǒng)一的解析表達(dá)式：

式中，Q和R分別為狀態(tài)變量x和控制量u的加權(quán)矩陣;t0為半接合點(diǎn)時(shí)刻;tf為完全接合時(shí)刻。

根據(jù)離合器起步過程的性能指標(biāo)選取最佳Q值和R值，增大矩陣Q的取值可保證車輛快速起步，增大矩陣R的取值可保證車輛起步平順，經(jīng)綜合權(quán)衡快速性和平順性后給定Q與R的具體取值。

所選取的最佳Q值和R值分別為：

控制量u的最優(yōu)解為：

由式（9）可知，控制量與狀態(tài)變量存在以下的線性疊加關(guān)系：

式中，k為對(duì)應(yīng)控制變量x所占的加權(quán)比重，k的選取由加權(quán)矩陣Q和R的值決定。

式（10）中，ωe、ωc、Te由車輛CAN總線讀出，Tc由離合器推力軸承位置以及轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行在線辨識(shí)，Tl由坡度傳感器信號(hào)計(jì)算得到。

4.2 PID控制

為體現(xiàn)優(yōu)化控制算法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用傳統(tǒng)PID（比例-積分-微分）控制方法進(jìn)行了車輛起步控制測(cè)試，并將控制結(jié)果與優(yōu)化控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

PID控制方法采用發(fā)動(dòng)機(jī)恒速起步控制原則，在起步過程中根據(jù)駕駛員給定的油門開度制定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過控制離合器接合速度和接合量及發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度來減小發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差。PID控制算法將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值進(jìn)行數(shù)乘、積分、微分的運(yùn)算，并將三者求和得出離合器期望扭矩，然后據(jù)此修正離合器的接合量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，PID控制離合器的接合量增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。反之，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，PID控制離合器的接合量減小，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

5 起步控制結(jié)果

5.1 仿真結(jié)果

利用所搭建的仿真模型進(jìn)行起步控制器的性能預(yù)測(cè)試。

優(yōu)化控制與PID控制的起步控制仿真結(jié)果見圖5。由圖5a～圖5d可看出，當(dāng)油門開度在10%～50%內(nèi)變化時(shí)，優(yōu)化控制下離合器力矩曲線更平順，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化也更小，這說明相對(duì)于PID控制，優(yōu)化控制能夠減小離合器滑摩損失。同時(shí)從圖5e和圖5f中的沖擊度（車輛加速度變化率）可看出，優(yōu)化控制下的起步?jīng)_擊度明顯小于PID控制下的沖擊度。

5.2 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果

因優(yōu)化控制方法比PID控制方法更有效，所以選擇優(yōu)化控制策略進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出，從10.7 s開始，增大油門踏板開度，離合器開始接合，變速器輸入軸轉(zhuǎn)速（車速）逐漸增加，直至12.5 s時(shí)離合器滑摩過程結(jié)束（變速器輸入軸轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步）。試驗(yàn)結(jié)果表明，迅速踩下中大油門并沒有引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，離合器可迅速接合到合適位置并傳遞動(dòng)力;整個(gè)起步過程快速且平順，保證了起步?jīng)_擊小和摩擦片滑摩損失小。

6 結(jié)束語

將離合器接合過程中的沖擊度與滑摩功作為優(yōu)化性能指標(biāo)，采用優(yōu)化控制算法設(shè)計(jì)了6-AMT微型車起步控制策略。通過在仿真模型和試驗(yàn)樣車上進(jìn)行測(cè)試，表明優(yōu)化控制可實(shí)現(xiàn)6-AMT微型車快速平順起步。與PID控制算法相比，優(yōu)化控制算法在快速響應(yīng)駕駛員操作、減小車輛起步?jīng)_擊、減小離合器摩擦片滑摩損失等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1李君，張建武，馮金芝，等.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的發(fā)展、現(xiàn)狀和展望.汽車技術(shù)，2000（3）:1～3.

2余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

3Kahraman A.Natural modes of planetary gear trains，Journal Of Sound And Vibration，Vol.173，No.1，pp.125-130，1994.

4葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

5Gao B-Z，Chen H，Lu XH，et al。An Improved Optimal Controller for Start-up of AMT Trucks in Consideration of Driver's Intention，International Journal of Automotive Technology，Vol.14，No.2，pp.213-220.2013.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年3月24日。

Optimal Control of Starting-up Process of Mini Car with 6-speed AMT

Tang Nana1,Chen Yong2,Gao Yang2,Guo Lishu2,Gao Bingzhao1,Chen Hong1,3
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University;2.Geely Automobile Research Institute;3. Department of Control Science and Engineering,Jilin University）

To improve comfort and power performance of vehicle during the start-up process,a mini car equipped with 6-speed AMT is simulated and tested for starting control performance.AMESim model of the powertrain with 6-speed AMT is established,and compared with test results,which proves reliability of the simulation model,and the control parameters are also optimized.We use optimal control and PID control respectively to control the starting process.The simulation result indicates that the optimal control method features faster and smoother starting-up than PID control method.

Mini vehicle,AMT,Starting-up Control,Optimization

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器起步控制優(yōu)化

U463.211+.2

A

1000-3703（2014）04-0021-04

國家自然科學(xué)基金（61034001,61374046）、教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”（IRT1017）的資助。