離合器位移PID補(bǔ)償控制算法的研究

王滿江

摘 要：離合器位移控制是AMT（機(jī)械式自動變速箱，automatic manual transmission）控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。離合器負(fù)載特性具有嚴(yán)重非線性，離合器執(zhí)行器系統(tǒng)內(nèi)部存在摩擦阻力增加離合器系統(tǒng)的滯環(huán)誤差，加上商用車通常采用氣體作為AMT執(zhí)行器的驅(qū)動源，而氣體具有相當(dāng)?shù)目蓧嚎s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(tǒng)為研究對象，對離合器分離接合特性進(jìn)行分析，提出了一種離合器位移PID補(bǔ)償控制算法，并借助臺架測試及試驗(yàn)樣車測試進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)表明該補(bǔ)償控制算法能提高離合器控制精度，具有良好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：AMT；離合器位移控制；PID；補(bǔ)償算法

中圖分類號：U463.211+.2 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)械自動變速器（AMT）由于其結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，成本低，適合在傳統(tǒng)變速箱基礎(chǔ)上做升級改進(jìn)，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對其展開了深入研究[1]。由于離合器控制需要準(zhǔn)確判斷駕駛員意圖，并適應(yīng)各種路況，還需滿足乘坐舒適性、離合器磨損少、發(fā)動機(jī)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(diǎn)[2]。AMT離合器執(zhí)行器的主要驅(qū)動方式有氣動，電機(jī)驅(qū)動，液力驅(qū)動等，氣動離合器執(zhí)行器由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，在國外的中重型卡車上得到了廣泛應(yīng)用，本文也采用了氣動控制方式。但離合器負(fù)載具有非線性特性，執(zhí)行器系統(tǒng)摩擦引起滯環(huán)差異，以及氣體的可壓縮性，這些因素都給離合器位置準(zhǔn)確控制帶來了極大挑戰(zhàn)，需要控制系統(tǒng)具有良好的控制精度和適應(yīng)性。傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，算法容易實(shí)現(xiàn)，在離合器負(fù)載線性區(qū)域，具有良好控制精度和穩(wěn)定性，但在離合器負(fù)載非線性區(qū)域，常出現(xiàn)控制超調(diào)和“自走”現(xiàn)象[3]。本文針對傳統(tǒng)PID控制器的不足，提出一種補(bǔ)償控制算法，在系統(tǒng)非線性區(qū)域通過模糊控制器補(bǔ)償修正PID控制量，防止控制超調(diào)，并通過臺架測試及試驗(yàn)樣車測試手段，進(jìn)行了離合器靜態(tài)動態(tài)試驗(yàn)研究。

1 離合器系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 離合器及其執(zhí)行器系統(tǒng)介紹

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)由傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造而成，使用自動控制氣缸替代傳統(tǒng)助力氣缸，同時取消了離合器踏板，通過控制執(zhí)行氣缸內(nèi)部氣壓，使活塞水平移動實(shí)現(xiàn)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(guān)閥控制，通過調(diào)節(jié)開關(guān)閥占空比實(shí)現(xiàn)分離接合速度的控制。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.2 離合器受力分析

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

離合器從分離點(diǎn)處開始接合，則必須經(jīng)過排氣過程，克服靜摩擦力，使活塞開始向接合方向運(yùn)動， 由于執(zhí)行氣缸負(fù)載的非線性變化，使接合速度陡然增加，達(dá)到200mm/s，即自走現(xiàn)象[3]。若想在該區(qū)域進(jìn)行位置精確控制，或者對接合速度進(jìn)行控制，則必須進(jìn)行反向彌補(bǔ)氣壓，傳統(tǒng)PID控制器無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，可通過補(bǔ)償控制器進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)節(jié)。開環(huán)接合過程如下：

2 補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制策略，對非線性系統(tǒng)控制問題，具有較強(qiáng)的表達(dá)能力。圖4中，補(bǔ)償控制器運(yùn)用模糊控制策略，對PID控制量進(jìn)行補(bǔ)償修正。補(bǔ)償控制器根據(jù)離合器目標(biāo)位移與實(shí)際位移的偏差e（k）大小，以及偏差的微分?e（k），實(shí)時計(jì)算補(bǔ)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(guī)則及變量隸屬度函數(shù)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(bǔ)償控制量為輸出量。當(dāng)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(biāo)，有超調(diào)的可能性，應(yīng)當(dāng)補(bǔ)償與離合器動作方向相反氣體流量；當(dāng)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(biāo)，應(yīng)當(dāng)加大補(bǔ)償與離合器動作方向相反氣體流量；當(dāng)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(yīng)慢，需要提高響應(yīng)速度，應(yīng)該增加離合器動作方向相同氣體流量；當(dāng)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(zhǔn)確跟蹤，不需要補(bǔ)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(jìn)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(qū)間，對應(yīng)論域?yàn)?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(qū)間，對于論域?yàn)?5～5，量化因子為0.1，模糊語言變量劃分為{很小（VS），小（S），中?。∕S），較?。↙S），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(qū)間，對應(yīng)論域?yàn)?5～5，量化因子為0.1，模糊語言變量劃分為{很小（VS），?。⊿），中?。∕S），較?。↙S），中等（M），較大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}。各語言變量設(shè)計(jì)隸屬度函數(shù)如下圖5：

根據(jù)前面敘述控制思想，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，由輸入輸出語言變量數(shù)目，共建立了63條控制規(guī)則：

離合器位移偏差大小及正負(fù)，總體決定補(bǔ)償控制量的大小及正負(fù)，對于某一偏差大小，由位移偏差微分自動調(diào)整補(bǔ)償控制量大小，使其滿足控制預(yù)期目標(biāo)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(guī)則的結(jié)論是不會作為另一條規(guī)則的前提條件來使用的，控制作用是基于一級的數(shù)據(jù)而前向驅(qū)動的推理[4]。本文運(yùn)用重心法對模糊量進(jìn)行去模糊化處理[4]。重心法的計(jì)算公式為：

（2）

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

3 實(shí)車及臺架試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 臺架靜態(tài)試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證離合器控制精度，控制響應(yīng)及控制穩(wěn)定性，將仿真模型控制策略及參數(shù)集成到臺架控制策略，進(jìn)行2mm階躍靜態(tài)測試，測試結(jié)果如圖6：

運(yùn)用常規(guī)PID控制，在離合器負(fù)載非線性區(qū)域接合時，當(dāng)實(shí)際位移不超過目標(biāo)位移時，計(jì)算得到的控制量始終為排氣接合控制，加上離合器負(fù)載隨著接合位移逐漸增大，使得活塞加速度進(jìn)一步增加，直到實(shí)際位移超過目標(biāo)位移，才會計(jì)算出反向補(bǔ)氣控制量，使實(shí)際位移返回到目標(biāo)位移處。運(yùn)用補(bǔ)償控制在接合過程中，當(dāng)離合器實(shí)際位移接近目標(biāo)位移且接合速度仍較快時，將會計(jì)算出反向補(bǔ)氣控制量，使接合速度逐漸變小，直到貼近目標(biāo)位移。補(bǔ)償控制算法能很好遏制超調(diào)現(xiàn)象，使位移跟蹤準(zhǔn)確，控制穩(wěn)定可靠。

3.2 實(shí)車動態(tài)試驗(yàn)與分析

實(shí)車動態(tài)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(shí)時變化的，需要位移控制器能夠適應(yīng)離合器目標(biāo)位移變化。將控制策略及參數(shù)集成到某中型卡車試驗(yàn)樣車，進(jìn)行了大量的動態(tài)試驗(yàn)，下圖為傳統(tǒng)PID控制與PID補(bǔ)償控制起步測試的結(jié)果對比。包含離合器目標(biāo)位移，離合器實(shí)際位移，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，變速箱輸入軸軸轉(zhuǎn)速以及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，駕駛員油門踏板開度等變量的變化過程。

對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)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(xiàn)控制位移超調(diào)，這是由于該階段執(zhí)行氣缸負(fù)載為非線性，在接合時，當(dāng)打破靜平衡后，活塞在負(fù)載作用下會自動向接合方向快速移動，傳統(tǒng)PID算法計(jì)算得到控制量始終為接合排氣控制，使接合速度進(jìn)一步加快，直到超過目標(biāo)曲線，才有補(bǔ)氣動作，使實(shí)際位移回調(diào)。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(yùn)用PID補(bǔ)償控制算法，在起步時，控制器根據(jù)控制偏差及偏差變化率自動補(bǔ)償氣量，調(diào)節(jié)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(biāo)曲線進(jìn)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(zhuǎn)速變化平緩，整車沖擊小，舒適度好。PID補(bǔ)償控制算法能較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制器的不足，能使離合器非線性階段接合過程自動補(bǔ)償氣量，有效控制離合器接合速度，同時使實(shí)際位移不至于超調(diào)，適應(yīng)性好。

4 結(jié)語

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

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