離合器位移PID補償控制算法的研究

王滿江

摘 要：離合器位移控制是AMT（機械式自動變速箱，automatic manual transmission）控制的重點和難點。離合器負載特性具有嚴重非線性，離合器執行器系統內部存在摩擦阻力增加離合器系統的滯環誤差，加上商用車通常采用氣體作為AMT執行器的驅動源，而氣體具有相當的可壓縮性，這些都給離合器位移精確控制增添了難度。本文以某六檔AMT的離合器系統為研究對象，對離合器分離接合特性進行分析，提出了一種離合器位移PID補償控制算法，并借助臺架測試及試驗樣車測試進行了驗證。試驗表明該補償控制算法能提高離合器控制精度，具有良好的魯棒性。

關鍵詞：AMT；離合器位移控制；PID；補償算法

中圖分類號：U463.211+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）05-0016-05

Abstract： Clutch position control is the difficult and key point of AMT （ automatic manual transmission ） control strategy . The clutch operating load is nonlinear ， the friction of the components of operating system lead to hysteresis loop ， and the commercial vehicle always use the compressed gas as driver source ， but the gas is compressibility， all of these cause more trouble of clutch control . The paper studies the clutch system in a six gear truck and analysis of the disengage and engage characteristics ， then presents PID compensation control strategy and have test in a clutch bench and test truck .test results show that the compensation control strategy can improves the control accuracy of the clutch position and have good robustness .

引言

機械自動變速器（AMT）由于其結構簡單，傳動效率高，成本低，適合在傳統變速箱基礎上做升級改進，國內外研究機構對其展開了深入研究[1]。由于離合器控制需要準確判斷駕駛員意圖，并適應各種路況，還需滿足乘坐舒適性、離合器磨損少、發動機不熄火等要求，因此離合器的位移控制是AMT控制的核心和難點[2]。AMT離合器執行器的主要驅動方式有氣動，電機驅動，液力驅動等，氣動離合器執行器由于其結構簡單，成本低廉，在國外的中重型卡車上得到了廣泛應用，本文也采用了氣動控制方式。但離合器負載具有非線性特性，執行器系統摩擦引起滯環差異，以及氣體的可壓縮性，這些因素都給離合器位置準確控制帶來了極大挑戰，需要控制系統具有良好的控制精度和適應性。傳統PID控制器結構簡單，算法容易實現，在離合器負載線性區域，具有良好控制精度和穩定性，但在離合器負載非線性區域，常出現控制超調和“自走”現象[3]。本文針對傳統PID控制器的不足，提出一種補償控制算法，在系統非線性區域通過模糊控制器補償修正PID控制量，防止控制超調，并通過臺架測試及試驗樣車測試手段，進行了離合器靜態動態試驗研究。

1 離合器系統執行機構設計與分析

1.1 離合器及其執行器系統介紹

離合器執行機構由傳統機械結構改造而成，使用自動控制氣缸替代傳統助力氣缸，同時取消了離合器踏板，通過控制執行氣缸內部氣壓，使活塞水平移動實現分離與接合動作。分離過程與接合過程分別由一組高速開關閥控制，通過調節開關閥占空比實現分離接合速度的控制。具體結構如圖1所示：

1.2 離合器受力分析

執行氣缸活塞在運動過程中最大加速度不超過200mm/s2，活塞質量為0.4kg，則計算得到的最大慣性力ma=0.8N，相對于活塞推桿負載可以忽略不計，則在分離接合過程中，執行氣缸受力平衡方程寫為：

離合器從分離點處開始接合，則必須經過排氣過程，克服靜摩擦力，使活塞開始向接合方向運動， 由于執行氣缸負載的非線性變化，使接合速度陡然增加，達到200mm/s，即自走現象[3]。若想在該區域進行位置精確控制，或者對接合速度進行控制，則必須進行反向彌補氣壓，傳統PID控制器無法進行調節，可通過補償控制器進行專項調節。開環接合過程如下：

2 補償控制器設計

2.1 控制器結構

模糊控制策略，對非線性系統控制問題，具有較強的表達能力。圖4中，補償控制器運用模糊控制策略，對PID控制量進行補償修正。補償控制器根據離合器目標位移與實際位移的偏差e（k）大小，以及偏差的微分?e（k），實時計算補償控制量的大小，用以修正PID控制器輸出量。

2.2 模糊控制規則及變量隸屬度函數的確定

模糊控制器以離合器位移偏差e（k）及離合器位移偏差微分?e（k）為輸入變量，以補償控制量為輸出量。當離合器偏差微分?e（k）太大且偏差e（k）逐漸減小時，說明此時離合器正快速接近目標，有超調的可能性，應當補償與離合器動作方向相反氣體流量；當離合器偏差微分?e（k）大且偏差e（k）逐漸增大，說明此時離合器正快速背離目標，應當加大補償與離合器動作方向相反氣體流量；當偏差微分?e（k）較小且離合器偏差e（k）較大時，說明離合器響應慢，需要提高響應速度，應該增加離合器動作方向相同氣體流量；當偏差微分?e（k）很小且離合器偏差e（k）較小時，說明此時位移正準確跟蹤，不需要補償。

將離合器位移偏差微分?e（k）以及離合器位移偏差e（k）進行模糊化處理，作為模糊控制器輸入。將離合器位移偏差e（k）范圍 -6mm～6mm均分成7個區間，對應論域為-6～6，量化因子為1，，模糊語言變量劃分為{很?。╒S），?。⊿），較?。↙S），中等（M），較大（LB），大（B），很大（VB）}；對于離合器位移偏差微分?e（k），將-50 mm/s～50mm/s均分成9個區間，對于論域為-5～5，量化因子為0.1，模糊語言變量劃分為{很?。╒S），?。⊿），中?。∕S），較小（LS），中等（M），較大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}；對于模糊控制輸出控制量，將-50～50均分成9個區間，對應論域為-5～5，量化因子為0.1，模糊語言變量劃分為{很?。╒S），小（S），中?。∕S），較小（LS），中等（M），較大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}。各語言變量設計隸屬度函數如下圖5：

根據前面敘述控制思想，設計模糊規則，由輸入輸出語言變量數目，共建立了63條控制規則：

離合器位移偏差大小及正負，總體決定補償控制量的大小及正負，對于某一偏差大小，由位移偏差微分自動調整補償控制量大小，使其滿足控制預期目標要求。

2.3 模糊推理與反模糊化

本文采用Mamdani模糊推理算法。在模糊控制器中一條規則的結論是不會作為另一條規則的前提條件來使用的，控制作用是基于一級的數據而前向驅動的推理[4]。本文運用重心法對模糊量進行去模糊化處理[4]。重心法的計算公式為：

（2）

其中 xi 為輸入量映射到模糊論域后對應值，A（ xi ）為對應 xi 的隸屬度值。針對不同位移偏差，不同位移偏差微分，能計算出對應的精確控制量輸出。

3 實車及臺架試驗與結果分析

3.1 臺架靜態試驗與分析

為了驗證離合器控制精度，控制響應及控制穩定性，將仿真模型控制策略及參數集成到臺架控制策略，進行2mm階躍靜態測試，測試結果如圖6：

運用常規PID控制，在離合器負載非線性區域接合時，當實際位移不超過目標位移時，計算得到的控制量始終為排氣接合控制，加上離合器負載隨著接合位移逐漸增大，使得活塞加速度進一步增加，直到實際位移超過目標位移，才會計算出反向補氣控制量，使實際位移返回到目標位移處。運用補償控制在接合過程中，當離合器實際位移接近目標位移且接合速度仍較快時，將會計算出反向補氣控制量，使接合速度逐漸變小，直到貼近目標位移。補償控制算法能很好遏制超調現象，使位移跟蹤準確，控制穩定可靠。

3.2 實車動態試驗與分析

實車動態測試時，離合器控制需要考慮駕駛員的駕駛意圖，離合器位移控制是實時變化的，需要位移控制器能夠適應離合器目標位移變化。將控制策略及參數集成到某中型卡車試驗樣車，進行了大量的動態試驗，下圖為傳統PID控制與PID補償控制起步測試的結果對比。包含離合器目標位移，離合器實際位移，發動機轉速，變速箱輸入軸軸轉速以及變速箱輸出軸轉速，駕駛員油門踏板開度等變量的變化過程。

對比發現，傳統PID控制算法在起步時，離合器位移在接合初始階段的接合速度超過120mm/s，且出現控制位移超調，這是由于該階段執行氣缸負載為非線性，在接合時，當打破靜平衡后，活塞在負載作用下會自動向接合方向快速移動，傳統PID算法計算得到控制量始終為接合排氣控制，使接合速度進一步加快，直到超過目標曲線，才有補氣動作，使實際位移回調。從離合器空行程階段到滑磨階段，沒有接合速度漸變過程，離合器主從動盤接觸過快，引起傳動系抖動，影響整車舒適性能。運用PID補償控制算法，在起步時，控制器根據控制偏差及偏差變化率自動補償氣量，調節離合器接合速度，使離合器接合初始階段接合速度由60mm/s逐漸減小到2mm/s，貼合目標曲線進入滑磨階段，離合器主從動盤接觸瞬間，離合器接合速度慢，一軸轉速變化平緩，整車沖擊小，舒適度好。PID補償控制算法能較好的彌補傳統PID控制器的不足，能使離合器非線性階段接合過程自動補償氣量，有效控制離合器接合速度，同時使實際位移不至于超調，適應性好。

4 結語

離合器控制是一個非線性控制問題，通過常規PID控制方法，在離合器負載非線性區域，由于受力條件惡化，容易造成位置控制超調，引起整車沖擊，不滿足控制要求。本文通過PID補償控制器彌補常規PID控制器的不足，在離合器負載非線性控制區域能自動補償執行氣缸內部氣壓，有效防止離合器位移突變超調，提高了離合器控制精度，具有良好的魯棒性。

參考文獻：

[1]U463.212 葛安林.車輛自動變速理論與設計[M]， 北京：機械工業出版社， 1993.5.

[2] U463.211 葛安林， 吳錦秋，郭萬富.離合器最佳接合規律的研討[M]54——65.吉林工業大學.

[3]TH13周憶， 于今主編， 流體傳動與控制， 科學出版社， 2008年.

[4]TP13石辛民， 郝整清.模糊控制及matlab仿真.清華大學出版社.

[5]Tp13黃建明， 曹長修， 蘇玉剛， 汽車起步過程的離合器控制， 重慶大學學報（自然科學版）1000-582 X（2005）03-0091-04.

[6]Tp13王旭東， 謝先平， 吳曉剛，余騰偉.自動離合器起步模糊控制.農業機械學報， 第39卷第12期， 20 08年12月.