姜建滿,趙 韓,趙曉敏

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,合肥 230009)

2016169

AMT自動(dòng)離合器的變論域模糊控制*

姜建滿,趙 韓,趙曉敏

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,合肥 230009)

本文中針對(duì)AMT自動(dòng)離合器的不確定性、非線性和時(shí)變性，采用基于模糊推理的變論域方法，為AMT自動(dòng)離合器提出了變論域模糊控制策略，設(shè)計(jì)了不依賴于精確數(shù)學(xué)模型的雙二維離合器模糊控制器。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，與模糊邏輯控制相比，變論域模糊控制能有效地減小換擋沖擊，降低離合器的磨損，提高換擋過程的平順性。

AMT；自動(dòng)離合器；變論域；模糊控制

前言

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)是在傳統(tǒng)手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、自動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變速器控制單元(TCU),以判斷換擋時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。離合器控制是AMT的關(guān)鍵技術(shù)之一，其控制性能的好壞直接影響車輛的換擋平順性。由于離合器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)存在諸多的非線性、時(shí)變及外界干擾，傳統(tǒng)的控制方法難以達(dá)到精確控制的要求。因此，必須尋找有效的離合器控制方法，以降低離合器控制過程中轉(zhuǎn)矩超調(diào)和振蕩帶來的沖擊等問題[1]。

針對(duì)AMT換擋過程中離合器的控制，近年來人們做了大量的研究，如自適應(yīng)控制[2]、最優(yōu)控制[3-4]等，然而這些控制方法大多建立在已知的系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上。由于真實(shí)系統(tǒng)存在復(fù)雜性、非線性和時(shí)變性，往往很難獲得精確的數(shù)學(xué)模型。因此不依賴精確數(shù)學(xué)模型的智能控制逐漸成為研究的熱點(diǎn)。例如，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中將主觀評(píng)價(jià)與客觀數(shù)據(jù)相比較，利用模糊邏輯規(guī)則得出優(yōu)化的離合器接合規(guī)則；文獻(xiàn)[7]中利用灰色預(yù)測(cè)PID控制使控制系統(tǒng)的灰度得到一定程度的白化，解決了離合器控制的超調(diào)和振蕩問題；文獻(xiàn)[8]中采用動(dòng)態(tài)滑模控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器的有效控制,降低了常規(guī)滑?？刂破鞯亩墩瘳F(xiàn)象。文獻(xiàn)[9]中采用離合器滑差控制的方法，實(shí)現(xiàn)離合器接合和離合器分離之間的協(xié)調(diào)控制。

模糊控制不需要大量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，可以利用專家知識(shí)建立模糊規(guī)則庫(kù)，具有較好的控制性能[10]。模糊控制能整合人類專家的語言信息來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。然而,基于領(lǐng)域?qū)＜业玫降目刂埔?guī)則總是有限的，在既定的規(guī)則下無法保障控制器的插值精度(或逼近精度)。要想達(dá)到指定的控制精度,勢(shì)必要增加控制規(guī)則，這就增加了控制器的計(jì)算復(fù)雜性。因此模糊控制在控制精度和計(jì)算復(fù)雜性之間存在矛盾[11-13]。而變論域模糊控制的思想是在規(guī)則形式不變的前題下，論域隨著誤差變小而收縮(亦可隨著誤差增大而擴(kuò)展)，局部地看，論域收縮相當(dāng)于增加規(guī)則，從而提高了精度。

本文中在模糊控制的基礎(chǔ)上加入變論域思想，采用基于模糊推理的變論域方法，使伸縮因子隨輸入量的變化而變化，以便實(shí)現(xiàn)論域的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和解決控制器參數(shù)設(shè)置的難題。同時(shí)，考慮到控制器4個(gè)輸入變量之間的耦合關(guān)系，將離合器的控制設(shè)計(jì)成4輸入單輸出的雙二維模糊控制器，簡(jiǎn)化了解耦方法和控制器結(jié)構(gòu)。通過仿真和試驗(yàn)，研究該方法的有效性，并與傳統(tǒng)的模糊控制進(jìn)行比較。

1 離合器控制目標(biāo)與換擋過程

1.1 換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1) 換擋時(shí)間

換擋時(shí)間t是指從發(fā)出換擋指令開始至換入目標(biāo)擋后離合器完全接合，完成整個(gè)換擋操縱的總時(shí)間。若要求換擋快捷，應(yīng)減小t；反之若要求換擋平穩(wěn)，則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)t。

(2) 滑摩功

滑摩功W為離合器和同步器的摩擦力矩所作的功之和，分別記為Wclt和Wsyn。

式中：Tc(t)為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩；ωe(t)，ωc(t)和ωs(t)分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器從動(dòng)盤和同步器輸出軸的角速度；igin為換入新?lián)鯐r(shí)的目標(biāo)傳動(dòng)比；tc為離合器接合時(shí)間(即離合器的滑摩時(shí)間)；ts為同步器的同步時(shí)間。換擋過程中，應(yīng)盡可能減小滑摩功，以減小離合器的磨損。

(3) 沖擊度

沖擊度j是評(píng)價(jià)換擋品質(zhì)最重要的指標(biāo)，一般用車輛縱向加速度的變化率來表示：

式中：v(t)為車輛行駛速度；a(t)為車輛加速度。換擋過程中應(yīng)當(dāng)使沖擊度盡可能的小，以保證換擋過程的平穩(wěn)性。

1.2 換擋過程分析

進(jìn)行換擋過程的動(dòng)力學(xué)分析，以便找出影響換擋品質(zhì)的關(guān)鍵因素，AMT換擋過程可以分為3個(gè)階段，圖1為換擋過程的動(dòng)力系統(tǒng)傳遞模型。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)傳遞模型

(1) 分離離合器階段

當(dāng)車輛以一定速度正常行駛時(shí),離合器處于完全接合狀態(tài)，動(dòng)力源到車輪間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系是確定的，此階段的沖擊度為

式中：Je，J1和J2分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、折合到離合器從動(dòng)盤上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和折合到變速器輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te(t)為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；r為車輪滾動(dòng)半徑。此階段的沖擊度主要取決于動(dòng)力源輸出轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)情況，因此，應(yīng)當(dāng)在換擋前后平穩(wěn)地加減動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，以提高車輛行駛的平穩(wěn)性。

當(dāng)車輛需要換擋時(shí),減小節(jié)氣門開度并迅速分離離合器。分離時(shí)間由離合器操縱機(jī)構(gòu)的執(zhí)行速度決定，在此階段中，車速可認(rèn)為基本不變，而沖擊度主要來自地面阻力矩的變化，也可認(rèn)為幾乎不變。

(2) 選換擋階段

離合器完全分離后將變速器擋位退至空擋,接下來是同步器的同步階段，此時(shí)，在同步器摩擦力矩的作用下，目標(biāo)檔位的主被動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速差開始減小，此階段的沖擊度為

式中：Fs(t)為作用在同步器嚙合套上的軸向力(也叫換擋力),它與作用在變速桿手柄上的力成正比；μs為同步器錐面的摩擦因數(shù)；Rs為同步器錐面的平均半徑；α為錐面角。

可見，掛擋過程產(chǎn)生的沖擊主要取決于dFs(t)/dt，其值越大，即換擋越“粗暴”，則掛擋沖擊越大。由于掛擋階段離合器處于分離狀態(tài)，且掛擋同步過程本身產(chǎn)生的沖擊很小，因此掛擋階段所產(chǎn)生的沖擊對(duì)整車的行駛平穩(wěn)性影響很小。真正影響車輛行駛平穩(wěn)性的是離合器接合階段所產(chǎn)生的沖擊。

(3) 離合器接合階段

換入新?lián)鹾?，離合器開始接合，節(jié)氣門開度增大，動(dòng)力恢復(fù)傳遞。此過程的時(shí)間由離合器的接合速度決定。此階段的沖擊度為

離合器滑摩過程中，離合器的摩擦阻力矩Tc(t)變化越快，換擋沖擊度越大。

換入新?lián)鹾螅瑒?dòng)力源動(dòng)力輸出端到車輪之間又恢復(fù)了確定的關(guān)系，之后的沖擊度為

換擋結(jié)束后，沖擊度的大小與動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩的變化率成正比，因此，車輛在正常行駛過程中，要求油門踏板平穩(wěn)變化，以提高車輛行駛的穩(wěn)定性。

由以上分析可知，離合器接合過程中，若接合速度過快，離合器從動(dòng)盤傳遞的轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)較快，引起車輛沖擊度較大，但換擋時(shí)間較短，離合器接合過程中造成的能量傳遞損失少，滑摩功少；反之，若離合器接合過慢，離合器從動(dòng)盤傳遞轉(zhuǎn)矩的增長(zhǎng)速度較慢，車輛的沖擊度較小，但換擋時(shí)間較長(zhǎng)，滑摩功較大，影響離合器的使用壽命。可見，離合器的沖擊度和滑摩功是兩個(gè)相互矛盾的指標(biāo)，影響著整車的動(dòng)力響應(yīng)特性、駕駛舒適性、動(dòng)力傳遞效率和離合器的使用壽命等。

由離合器傳遞轉(zhuǎn)矩特性可知，Tc(t)與離合器的壓緊力Fc(t)成正比，而Fc(t)與離合器行程Xc成正比，分析影響換擋平順性的dTc(t)/dt∝dXc/dt，即分析換擋過程中離合器的接合速度vc可有效地優(yōu)化換擋控制。由以上分析，本文采取“快-慢-快”的離合器接合控制。

2 變論域模糊控制設(shè)計(jì)

由于汽車行駛過程中的外界環(huán)境、駕駛員意圖復(fù)雜多變，且發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器本身存在非線性、時(shí)滯、參數(shù)擾動(dòng)等影響，用具有固定輸入、輸出論域的傳統(tǒng)模糊控制方法，難以充分發(fā)揮模糊控制的效果。模糊控制的本質(zhì)就是插值控制，采用變論域模糊控制時(shí)，雖然規(guī)則形式不變，論域收縮使得規(guī)則局部細(xì)化，相當(dāng)于增加了模糊規(guī)則數(shù)目，即插值點(diǎn)加密，從而提高了控制精度。變論域模糊控制的輸入、輸出變量可根據(jù)行駛工況的改變進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，非常適用于離合器這類非線性系統(tǒng)。

基于以上變論域的思想，本文中采用基于函數(shù)模型的變論域方法，使伸縮因子隨輸入量的變化而變化，對(duì)離合器的接合過程進(jìn)行變論域的模糊控制。油門開度及其變化率反映駕駛員的意圖，離合器輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)速差反映離合器的接合過程，因而本文中的離合器變論域模糊控制器，選取油門開度α及其變化率dα/dt和離合器輸入輸出軸角速度差ωec及其變化率dωec/dt作為輸入變量，輸出變量選取離合器的接合速度vc。變論域模糊控制的離合器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 離合器變論域模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 輸入輸出變量的模糊化

根據(jù)上述控制思想，將輸入量α，dα/dt，ωec和dωec/dt及輸出量vc模糊化為5個(gè)等級(jí)，模糊變量均為{NB，NS，ZE，PS，PB}，對(duì)于vc，NB表示慢接合，NS表示較慢接合，ZE表示正常接合，PS表示較快接合，PB表示快接合。對(duì)于α，dα/dt，ωec和ωec而言，NB表示負(fù)大，NS表示負(fù)小，ZE表示零，PS表示正小，PB表示正大。對(duì)輸入、輸出變量其初始論域皆為[-4,4]，都采用三角形隸屬函數(shù)，輸入變量的隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 輸入變量隸屬函數(shù)

2.2 基于模糊規(guī)則的伸縮因子

論域伸縮變化的數(shù)學(xué)模型有多種形式，但是難以找到精確的函數(shù)模型。論域的變化易于用語言的形式加以描述，故可在伸縮因子確定過程中采用模糊推理實(shí)現(xiàn)，這就避免了參數(shù)選擇和模型不精確的困難。具體算法如下。

α1，α2，α3和α4分別為輸入變量α，dα/dt，ωec和dωec/dt論域的伸縮因子，它們之間構(gòu)成4個(gè)單輸入單輸出模糊控制器。β為輸出論域的伸縮因子，它的取值應(yīng)該由α，dα/dt，ωec和dωec/dt共同確定，即根據(jù)4個(gè)輸入變量當(dāng)前取值確定輸出論域進(jìn)行多大程度的擴(kuò)大或縮小。由于輸入變量較多，基于雙二維模糊控制的思想，設(shè)計(jì)成4輸入單輸出的雙二維模糊控制器，取α，dα/dt，ωec和dωec/dt作為輸入變量，一次只用兩個(gè)變量，即把輸入變量進(jìn)行分離。為方便后面的計(jì)算和轉(zhuǎn)化，其初始論域皆為[0,1]。例如，當(dāng)α和dα/dt均為“正大”，β應(yīng)取“很大”以使輸出論域擴(kuò)大；當(dāng)α為“正大”，dα/dt為“負(fù)小”時(shí)，表明系統(tǒng)與設(shè)定值之間的差距很大，但系統(tǒng)正以很快的速度靠近設(shè)定值，此時(shí)β應(yīng)取“很小”使論域壓縮?？煽偨Y(jié)成如下兩條規(guī)則：如果α是NB且dα/dt是NB，則β為VB；如果α是NB且dα/dt是PB，則β為ZE。輸入輸出變量伸縮因子模糊控制器的控制規(guī)則分別見表1和表2。輸入變量伸縮因子的隸屬函數(shù)如圖4(a)所示，輸出變量伸縮因子的隸屬函數(shù)如圖4(b)所示。

表1 輸入變量伸縮因子的控制規(guī)則表

表2 輸出變量伸縮因子的控制規(guī)則表

βα,ωecdα/dt,dωec/dtNBNSZEPSPBNBVBVBBMZENSVBBMSSZEBMZESMPSSSMBVBPBZEMBVBVB

圖4 輸入、輸出變量伸縮因子隸屬函數(shù)

3 離合器控制仿真與試驗(yàn)

3.1 仿真

把所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、阻力矩模型、變論域離合器控制模型等按照輸入、輸出關(guān)系在Simulink中有機(jī)地連接起來即可建立整車的換擋模型，仿真設(shè)定的主要參數(shù)如表3所示。

表3 仿真模型參數(shù)

油門開度的變化率反映駕駛員綜合路況車況等因素后作出的判斷，不同的油門開度體現(xiàn)不同的駕駛意圖。表4為變論域模糊控制和文獻(xiàn)[14]中提出的模糊邏輯控制下，不同油門開度變化率下相應(yīng)的換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比。

表4 不同控制下?lián)Q擋品質(zhì)比較

從表4可知，隨著油門開度變化率的增大，駕駛員希望盡快地接合離合器，換擋時(shí)間和滑摩功都相應(yīng)減小，沖擊度變大，但都滿足沖擊j<10m·s-3的要求。以dα/dt取10為例，本文中所提出的變論域模糊控制和文獻(xiàn)[14]中所提出的模糊邏輯控制相比，換擋時(shí)間從0.93s增長(zhǎng)到1.02s,在換擋時(shí)間僅增長(zhǎng)0.09s的前提下，沖擊度從7.55m·s-3下降到5.69m·s-3，滑摩功從14.96kJ下降到13.69kJ。都有所下降。說明本文中提出的變論域模糊控制器設(shè)計(jì)是合理、有效的，跟原來的模糊邏輯控制相比提高了換擋品質(zhì)。

3.2 試驗(yàn)

利用Real-time Workshop工具箱把控制策略軟件生成C代碼，并把C代碼寫入控制器單片機(jī)。選用ETAS測(cè)試系統(tǒng)對(duì)控制器效果進(jìn)行測(cè)試。在平直瀝青路面上對(duì)改進(jìn)的AMT控制器車輛進(jìn)行加速試驗(yàn)，考察控制器效果，圖5為試驗(yàn)測(cè)試圖，圖6為2 擋升3擋的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見，采用本文中提出的雙層控制后，換擋品質(zhì)大為提高，最大沖擊度小于10m·s-3，滑摩功為13.68kJ,換擋平順性較好，改善了AMT的換擋品質(zhì)。

圖5 實(shí)車試驗(yàn)圖

圖6 試驗(yàn)用車2-3擋升擋過程

4 結(jié)論

針對(duì)具有不確定性的AMT離合器控制系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性和強(qiáng)耦合性，本文中創(chuàng)新性地將變論域方法和模糊理論相結(jié)合，提出了自動(dòng)離合器的變論域模糊控制，并設(shè)計(jì)出離合器的雙二維模糊控制器。一方面避免了傳統(tǒng)控制中精確模型不容易獲得的難題，另一方面解決了傳統(tǒng)模糊控制中論域難以選擇的問題。針對(duì)試驗(yàn)用車，分別進(jìn)行仿真及實(shí)車試驗(yàn)，結(jié)果表明，變論域的模糊控制更能有效地縮減離合器主、從動(dòng)盤間的轉(zhuǎn)速差，降低換擋過程中產(chǎn)生的滑摩功，減小沖擊度，從而提高了換擋品質(zhì)。

本文中所提出的變論域模糊控制能同時(shí)兼顧控制精度和計(jì)算復(fù)雜度，對(duì)具有不確定性的系統(tǒng)具有較好的控制效果，因此這種控制方法對(duì)復(fù)雜、時(shí)變、非線性的不確定系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] GLIELMO L, IANNELLI L, VACCA V et al. Gearshift control for automated manual transmissions[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2006,11(1):17-26.

[2] 謝先平,王旭東,吳曉剛,等.車輛起步過程發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模糊控制研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(16):4382-4386.

[3] 江發(fā)潮,陳全世,曹正清.機(jī)械式自動(dòng)變速器的離合器優(yōu)化控制[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,45(2):242-245.

[4] GLIELMO L, VASCA F. Optimal control of dry clutch engagement[C]. SAE Paper 2000-01-0837.

[5] FAN Yuezhen, WANG Qingchun, LU Dunmin, et al. Simulation of clutch engagement based on fuzzy logic[C]. 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, DOI 10.1109/ICICTA.2010:325-328.

[6] KONG Huifang, ZHANG Chongwei. A research of fuzzy technology on AMT vehicle clutches[C]. Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation, Dalian, China,2006:21-23.

[7] 余天明,鄭磊,李頌.電控機(jī)械式自動(dòng)變速器離合器灰色預(yù)測(cè)PID控制技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(8):1-6.

[8] 趙永勝,劉志峰,楊文通,等.汽車自動(dòng)離合的動(dòng)態(tài)滑?？刂芠J].汽車工程,2009,31(6):536-539.

[9] 戴振坤,徐向陽,劉艷芳,等.液力自動(dòng)變速器離合器的閉環(huán)滑差控制[J].汽車工程,2012,34(8):718-722.

[10] 李洪興,苗志宏,王加銀.非線性系統(tǒng)的變論域穩(wěn)定自適應(yīng)模糊控制[J].中國(guó)科學(xué)[E輯],2002,32(2):65-75.

[11] LI Liangfeng, LIU Xiaoyun, CHEN Wufan. A variable universe fuzzy control algorithm based on fuzzy neural network[C]. 7th World Congress on Intelligent Control and Automation, Chongqing, China,2008:4352-4356.

[12] 郭海剛.變論域自適應(yīng)模糊控制的幾種新方法[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[13] 李洪興.變論域自適應(yīng)模糊控制器[J].中國(guó)科學(xué)[E輯],1999,29(1):32-42.

[14] QU Jinyu, ZHANG Yirui. Control of clutch engagement for AMT based on fuzzy logic[C]. Third International Symposium on Information Science and Engineering, ShangHai, China,2010:47-50.

Variable Universe Fuzzy Control of Automatic Clutch in AMT

Jiang Jianman, Zhao Han & Zhao Xiaomin

SchoolofMechanicalandVehicleEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009

In view of the uncertainty, nonlinearity and time dependence of automatic clutch in automated mechanical transmission (AMT), a variable universe method based on fuzzy reasoning is adopted, a variable universe fuzzy control strategy for the automatic clutch in AMT is proposed, and a double two-dimensional fuzzy controller, independent of precise mathematical model, for automatic clutch is designed in this paper. The results of both simulation and tests show that compared with fuzzy logic control, the fuzzy control with variable universe can effectively reduce shift impact, lower clutch wear, and enhance the smoothness of shifting process.

AMT; automatic clutch; variable universe; fuzzy control

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BGA12B03)資助。

原稿收到日期為2015年3月11日，修改稿收到日期為2015年11月22日。