基于四參數輸入的全電AMT離合器模糊控制仿真與試驗研究

楊 樂，李翔晟

YANG Le，LI Xiang-sheng

（中南林業科技大學 機電工程學院，長沙 410004）

0 引言

全電AMT（電控機械式自動變速器）是在傳統手動變速箱基礎上，用電機執行機構取代手動操縱機構，以實現離合器自動離合和自動選換檔位。汽車起步過程中的離合器控制是難點和核心[1]。在起步過程中，電控單元根據傳感器采集的信息，同時對發動機轉速和輸出轉矩以及離合器接合速度進行控制，既要滿足起步過程平穩，減小汽車傳動系受到的機械沖擊，提高乘坐的舒適性；又要盡量縮短起步時間，減少滑磨功損失以提高離合器的使用壽命。因此，必須平衡處理滑磨功和沖擊度這一對相互矛盾的評價指標[2]。

目前，針對AMT起步過程離合器控制，主要有以下方法：定量反饋控制[3]、優化控制[4]等。同時，針對AMT發動機控制主要有開環斷油控制和模糊控制[5，6]等研究方法。為了提高AMT車輛的起步品質，在基于油門開度和油門開度變化率兩參數控制[7]的基礎上，增加起步阻力以及離合器主從動盤轉速差比作為模糊控制器的輸入條件，對離合器的接合速度進行控制和優化，使車輛起步控制能更加全面真實的反映主客觀情況，有效的減小沖擊度，降低接合過程的滑磨損耗。

1 離合器接合過程數學模型及分析

車輛起步過程中，伴隨著離合器的狀態由分離到接合。此過程可以分為三個階段：自由行程段、滑磨階段、完全接合階段。發動機轉速、離合器從動盤轉速、離合器傳遞的摩擦扭矩以及起步阻力矩 之間的關系如圖1所示。離合器接合行程與其傳遞的摩擦扭矩的關系如圖2所示。

圖1 離合器起步過程接合示意圖

圖2 離合器行程L與摩擦扭矩的關系圖

1）自由行程階段

在圖1的OA階段（圖2的中I段），離合器主、從動盤未接觸，離合器應加快速接合速度，以消除主從動片間的間隙，縮短起步時間。此階段無扭矩傳遞，無沖擊和磨擦損耗。

2）滑膜階段

汽車起步過程中的滑膜階段為圖1的AC段（圖2的中II段），包含從離合器開始傳遞磨擦扭矩到離合器主從動盤完成同步的整個過程。

在AB階段，離合器主從動盤開始開始接觸并傳遞磨擦扭矩且逐漸增大，但仍不足以克服車輛的起步阻力矩。離合器從動盤轉速仍為0，但發動機轉速有下降。B時刻離合器處于半接合點位置。此時，離合器摩擦力矩Tc等于車輛起步阻力矩，車輛處于運動與靜止的臨界狀態。此階段主從動盤間存在磨損，但不產生車輛沖擊。此階段的滑磨功可表示為：

在BC階段，車輛開始起步，從動盤轉速開始增加。為獲得平穩起步，應放緩接合速度，減少傳動系的沖擊載荷。同時，應避免滑磨時間過長影響離合器使用壽命。此階段的滑磨功為：

由上式可以知道：

(1)車輛起步阻力矩越大，則磨擦力矩越大，滑磨功越多；

(2)油門開度越大，則發動機轉速越大，離合器主從動盤速差越大，滑磨功越多。

3）完全接合階段

離合器慢接合到達圖1的C點之后（圖2 中的III段），主從動盤轉速完成同步。此時的接合速度對于沖擊度和滑磨功W沒有影響。因此，此階段應以盡快的速度達到完全結合位置。在過程中，發動機轉速逐步下降，在這一階段要通過踩油門配合以控制發動機轉速，避免熄火。

2 起步評價

車輛起步品質的好壞可以用沖擊度的大小來評價。為平衡沖擊度與滑磨功，保證滑磨損失不至于過大，要使沖擊度適中。沖擊度用J（最大推薦值為10m/s3）表示：

式中a為車輛的縱向加速度。

根據汽車的行駛方程[8]：

式中，Tc為離合器傳遞的摩擦扭矩；m為汽車總質量（kg）；r為汽車驅動輪滾動半徑；i0為主減速比；ig為變速箱速比；為傳動系傳動效率；為汽車平移質量轉化為旋轉質量的轉換系數。根據（4）式并簡化得：

由于道路阻力矩變化不大，簡化后得沖擊度的表達式為：

可見，起步階段的磨擦扭矩變化率決定車輛沖擊度。想要控制沖擊度在一定的范圍內，磨擦扭矩的變化應保持平緩，不應有較大的突變。在半接合狀態，有如下關系[9]：

式中：L為離合器行程，Kc為離合器膜片彈簧剛度。由式（7）可知，磨擦扭矩的變化率由接合速度決定。因此，離合器的接合速度決定汽車起步階段的沖擊度。

3 模糊控制

3.1 離合器接合控制過程輸入參數的選取

在車輛的起步過程中，駕駛員的起步意圖和起步工況將決定車輛的起步品質。而選取合適的控制參數，對離合器的控制至關重要。

1）起步阻力

2）油門開度 及其變化率

油門開度 以及變化率是駕駛員起步意圖的體現。駕駛員可以通過調節油門開度，調節發動機轉速，決定離合器接合速度Vc。在ne突然上升時，說明離合器接合速度過慢而油門開度變化率增加較快，此時應該加快離合器的接合速度來降低發動機轉速；在ne突然下降時，說明發動機負載過大，應減小離合器的接合量，應保證發動機實際轉速大于目標轉速，避免發動機熄火。油門開度的變化率體現了駕駛員綜合路況車況等因素之后做出的判斷。不同的油門開度及其變化率，體現不同的駕駛意圖。

3）發動機轉速ne及離合器主從動片的轉速差比

離合器的接合速度將影響發動機轉速ne，二者存在ne=f(vc)的關系。在起步階段，離合器接合速度過快，會使發動機過載而導致轉速下降甚至熄火；接合速度過慢，則會引起滑磨功增加。離合器主從動片的速差比N=(ne-vc)/ne，它反映了離合器的接合程度。速差比大時，適當降低接合速度以減小起步沖擊；速差比小時，可以適當加快接合速度，縮短滑磨時間。

3.2 模糊控制原理

模糊控制的原理是：把控制器的輸入變量，經過模糊化、依據模糊規則庫進行的模糊推理、清晰化，輸出控制量的過程。其原理如圖3所示。

圖3 模糊控制原理圖

圖4 離合器模糊控制框架圖

由油門開度 及其變化率共同反映駕駛員起步意圖，綜合主從動盤速差比N來決定離合器初級接合速度。根據不同的起步阻力，控制離合器最終接合速度。離合器模糊控制框架圖如圖4所示。

1）輸入輸出變量的模糊分割

為取得滿意的控制效果，同時避免控制規則過于復雜，應靈活的劃分模糊變量的論域等級。此模糊控制中，將油門開度（0-）分為7個區間：{非常小（VS）、小（S）、較小（LS）、中(M)、較大(LB)、大（B）、非常大（VB）}；油門開度變化率的模糊量論域集為{負大（NB）、負中（N M）、負小（N S）、零(Z E)、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}；速差比的論域集可用{小（S）、中（M）、大（B）}共3個狀態量表示；起步阻力的論域集可分為{小（S）、較小（LS）、中(M)、較大(LB)、大（B）}。控制器的輸出量離合器接合速度的論域集為{非常小（VS）、小（S）、較小（LS）、中(M)、較大(LB)、大（B）、非常大（VB）}。因此，此模糊控制器最多可能有M=7×7×3×5=735條模糊規則。

2）隸屬函數

此模糊集合的隸屬度函數采用高斯函數，其表達式為：

式中，x0決定函數的中心位置；是方差。決定函數的寬度，即靈敏度。

3）模糊推理算法

本系統采用Mamdani系統。Mamdani模糊規則的前件與后件均是用語言表示的模糊集合。此方法模擬人的控制過程，且不要求已知的受控對象模型，實現比較容易[10]。本系統的輸入輸出變量的模糊控制規則如表1～表3所示。

表1 油門開度與油門開度變化率控制接合速度規則表

表2 油門開度與起步阻力控制接合速度規則表

表3 油門開度與轉速差比控制接合速度規則表

4 仿真及分析

將油門開度、油門開度變化率、轉速差比以及起步阻力作為輸入變量，借助軟件MATLAB/Simulink，使用控制單一變量的試驗方法，分別對車輛在平路和坡路、滿載和空載的情況下，進行快/慢起步的仿真。綜合分析各起步時離合器的接合情況。仿真結果如圖5所示。

圖5 車輛起步過程中的離合器接合狀態

表4 起步工況試驗數據

從圖5可以看出各起步工況下的同步轉速、半接合點以及同步時間；表4則可以得出不同起步工況下的沖擊度及其變化。

1）起步意圖的不同，會影響離合器的接合狀態。相較于慢起步，車輛快起步過程中，半接合點出現的時間更早，發動機轉速和離合器從動盤轉速變化率更大，沖擊度增大，整個過程離合器接合速度更快。

2）起步阻力的變化，同樣會影響離合器的接合過程。在坡道或滿載的情況下，由于起步阻力矩增大，需要更大的摩擦扭矩才能達到半接合點，半接合點出現時間更晚。同時，離合器從動盤轉速變化緩慢，離合器接合速度較慢，使得滑磨時間增長，滑磨功增大。

5 結論

本文在對起步過程離合器接合過程進行分析的基礎上，以油門開度、油門開度變化率、離合器主從動盤轉速差比以及起步阻力作為模糊控制的輸入，基于駕駛員的經驗，提出離合器的模糊控制方法并對六種離合器起步工況進行模型仿真。仿真結果表明，運用四參數輸入模糊控制的方法，通過控制單一變量，能夠很好的控制離合器的接合，全面的反映離合器接合過程中發動機和離合器狀態。制定較好模糊控制策略，可以減少起步階段的機械沖擊，充分利用發動機的功率，減少滑磨功，延長離合器的使用壽命。

[1]Lei Yulong,Niu Mingkui,Ge Anlin.A research on starting control strategy of vehicle with AMT[J].SAE Paper,2000-05-00d7.

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[3]湯霞清,侯朝楨.基于定量反饋理論的AMT離合器接合控制研究[J].北京理工大學學報,2002,22(1)：94-97.

[4]江發潮,陳全世,曹正清.機械式自動變速器的離合器優化控制[J].清華大學學報(自然科學版),2005,45(2)：242-245.

[5]馬景龍,劉振軍,秦大同,張輝.重型AMT汽車發動機轉速控制[J].內燃機,2007,(4)：21-23,37.

[6]王云成,施國標,唐志東,吳錦秋.模糊控制在AMT系統發動機轉速控制中的應用[J].內燃機工程,2000,21(2)：11-16.

[7]葛安林.車輛自動變速理論與設計[M].北京：機械工業出版社,1993.

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[9]徐石安,等編著.汽車離合器.北京：清華大學出版社，2005.

[10]孫增圻,等編著.智能控制理論與技術(第2版).北京：清華大學出版社,2011.