汽车节能技术

乘用车AMT换挡控制策略调研007（北京理工大学机械与车辆学院，北京，100081）摘要：文章对乘用车AMT的换挡控制策略进行了分类与归纳，并介绍了几种典型的AMT换挡控制策略，最后对AMT换挡控制过程中的发动机和离合器的控制进行了简单的介绍。关键词：AMT；换挡控制策略；ResearchonShiftingControlStrategyofPassengerCar007(SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)Abstract:Thepaperclassifiesandsummarizestheshiftingcontrolstrategyofpassengercarandintroducessometypicalshiftingcontrolstrategiesofpassengercar.Intheend,thepaperintroducesthecontrollingwayofengineerandclutchwhentheAMTisshifting.Keywords:AMT,shiftingcontrolstrategy1概述对AMT技术和AMT换挡策略进行系统的概述，了解AMT的工作原理以及AMT换挡控制策略的基本含义、作用和分类。1.1AMT技术概述自动机械变速器(AMT)是在传统有级固定轴式机械变速器(MT)基础上，加装选换挡执行机构和离合器执行机构，通过选换挡以及离合器的自动化控制实现自动换挡的变速器[1]。AMT系统的操纵模式有两种：一种是半自动模式：驾驶员通过一个合适的界面给汽车发出指令进行换挡操作；另一种是全自动模式：取消驾驶员的手动换挡完全采用自动控制实现汽车的换挡操作。无论是哪种模式，驾驶员在发出换挡命令后，AMT的电子控制单元(ECU)都会根据传感器传来的发动机现状信号、汽车行驶工况信号和驾驶模式信号(例如经济模式和运动模式)决定使用的换挡控制策略，并给发动机、干式离合器和变速器发出合适的信号以控制其动作。和手动变速器相比，AMT可以提高驾驶的舒适性、改善换挡质量以及减少燃油消耗量。面对未来市场对汽车的系列化和无污染的需求，AMT与其他种类的自动变速器相比具有重量轻、效率高的优势。在AMT上使用电子线控技术也比在其他种类的自动变速器上使用更为可靠。而且由于AMT是在MT现有设备的基础上直接整合一套伺服执行机构而产生的，其研发成本和生产成本通常都低于其他的自动变速器。此外对于高级跑车，AMT能使得汽车的动力学性能和驾驶品质都得到很好地优化。AMT的主要缺陷是在其在换挡过程中由于牵引力的消失会产生顿挫感，减低驾驶舒适性，但该缺陷并非AMT原理上的缺陷，通过选择合适的换挡控制策略是有望解决这个问题的。AMT是自动变速器发展的一个重要方向，近年的市场拓广主要在欧洲[2]。图1.1AMT结构示意图1.2AMT换挡控制策略概述所谓换挡控制即控制变速器的换挡时机，也就是在特定的发动机负荷和转速状态下，汽车达到某一车速时，让自动变速器自动升档或降档。自动变速器的换挡时机对汽车的动力性和经济性有很大的影响。对汽车的某一特定行驶工况来说，有一个最佳换挡时机。换挡规律按照目的可以分为：动力型、经济性和普通型。在变速器换挡规律的设计中，通过大量的台架和道路试验，运用仿真技术将所得的原始数据处理，按动力型、经济型和普通型三种模式编码换挡规律，并存储于ECU中。在车辆实际行驶过程中ECU能根据驾驶员意图确定特定的换挡规律，并依据换挡规律、根据发动机负荷与车速来确定换挡点，控制换挡过程。动力型换挡规律强调车辆的动力性，设计原则是保证①升档后驱动力不小于原档位的驱动力②降档车速可以选为维持发动机最小稳定转速。经济型换挡规律强调车辆的燃油经济性，设计原则是①一旦发动机的转速高于设定转速，立即进入高速档②在保证牵引力的前提下，尽可能以高速档位行驶③尽可能以较小加速度行驶④尽可能以提到转速的方法增加转矩。普通型换挡规律则是动力型和经济型的综合，各项参数也在两者之间。换挡规律按照控制参数的个数可以分为：单参数换挡规律、双参数换挡规律和三参数换挡规律。单参数换挡规律的控制参数仅为车速；双参数换挡规律的控制参数为车速和发动机节气门开度；三参数换挡规律的控制参数为车速、加速度和发动机节气门开度。单参数换挡规律十分简单，但是不考虑发动机的负荷，升档点发动机的转速偏高，噪声大经济性差，现以基本淘汰。双参数换挡控制规律将发动机的负荷考虑进去，根据换挡延迟和发动机负荷大关系又可以分为等延迟型、收敛型、发散型和组合型。双参数换挡规律是以稳定车速为前提的，实际在换挡过程中，汽车多是处于加速或减速状态，因此有了三参数换挡规律。三参数换挡规律将车身加速度作为换挡控制参数之一，能够实现最佳动力性换挡和最佳经济性换挡。2典型AMT换挡策略AMT换挡控制策略总体上如论文1.2所述，但要在实车上对AMT进行控制就要用到具体的可以操作的方法设计换挡控制策略。目前,AMT换挡策略可分为两大类：一类是在选定换挡控制参数之后,按照某些性能指标最优的原则求解换挡规律；另一类则是利用驾驶员的驾驶经验及本领域的专家知识形成换挡控制规则，如采用模糊神经模型来模拟驾驶员的驾驶经验[3]。2.1AMT模糊神经换挡策略AMT模糊神经换挡策略使用经过实测数据修正的换挡规律模糊神经网络模型作为换挡规律，模拟优秀驾驶员的驾驶经验，是一种较为可行的换挡控制策略。现以车速和节气门开度双参数换挡控制为例说明模糊神经换挡策略的具体做法。1）建立换挡规律模糊系统模型建立节气门开度隶属度函数：根据熟练驾驶员的操作经验，将节气门开度进行5个主观的划分：{很小（VS），小（S），中（M），大（B），很大（VB）}。将节气门开度按照角度的大小客观的分为{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，也称为节气门开度的基本论域。然后按照模糊统计法、例证法、专家经验法和二元对比排序法等方法建立节气门开度的隶属函数（如图1）。表1中显示的是节气门开度的赋值表，也就是以节气门开度为论域的隶属函数的离散数据点。现使用该表对节气门开度的隶属函数的含义进行简单的解释。节气门开度的隶属函数是描述的是节气门开度的客观描述与主观描述的关系。表1中的第一行（{1,2，…9,10}）表示的是节气门开度的论域，即节气门开度的客观描述，表中的第一列({VS;S;M;B;VB})表示的是节气门开度的主观描述，表中的其他行即分别表示针对不同主观描述的隶属函数。例如表中的第二行为{0.9,0.5,0.1,0,0…}分别表示当节气门开度为0时，可以在很大程度上（量化为0.9）认为节气门开度是很小的（VS）；当节气门开度为1时，可以在一般程度上（量化为0.5）认为节气门开度是很小的（VS）；当节气门开度为2时，可以在很小程度上（量化为0.1）认为节气门开度是很小的（VS），而结合第二行，可以在很大程度上（量化为0.9）认为节气门开度是小的（S）。图1中显示的则是连续性的节气门开度的隶属函数。表1节气门开度的赋值表图1节气门开度的隶属函数建立车速隶属度函数：方法与建立节气门开度的隶属度函数相同。建立档位隶属度函数：档位隶属度函数取单点分布：{一档（1），二档（2），三档（3），四档（4），五档（5），六档（6）}。建立换挡模糊规则：根据分类的节气门开度（VS，S，…）和车速的主观描述建立换挡规律推理表2）建立换挡规律的神经网络模型即根据信号的传递和处理的过程，将信号分层并用直线连接起来，这一步较为简单。3）换挡模糊规则的调整因为1）中的换挡模糊规则是根据经验制定的，针对具体的汽车不完全适用，因此因按照实际测得的换挡时刻对换挡模糊规则进行调整。通过上面的几步就可以建立变速器的模糊换挡控制规律[4]。2.2性能指标最优的换挡策略性能指标最优的换挡规律指的是以某些主要的参数为分析的对象，以这些参数的最优化为目标，设计换挡控制规律。在设计时往往是先进行动力分析，建立数学模型，然后在根据数学模型设计换挡控制器。常见的换挡控制器的设计方法有PID控制和模糊控制，换挡控制器的模糊控制与2.1中的模糊神经控制策略的具体执行步骤完全相同，只不过两者的最终目的不同，2.1中的模糊神经控制策略是为了让AMT的换挡时机与熟练驾驶员的尽量接近，而此处的换挡控制器的模糊控制是为了某些性能指标的最优化，采用模糊控制出于提高控制效率等原因。2.2.1采用模糊控制的换挡控制器设计以换挡冲击度最优为控制目标的换挡策略的设计为例，该换挡规律以换挡冲击度最优为目标，并且在换挡控制器的设计过程中还要将换挡时同步器的滑磨功设为限制条件，以保证同步器的寿命。1）首先，建立换挡过程的数学模型，假设该AMT使用的是惯性锁环式同步器，则通过对同步器的运动学和动力学的分析建立换挡过程的模型，在模型中应包含控制目标——换挡冲击度和同步器滑磨功。2）设计换挡过程控制策略在换挡模型的基础上，根据控制目标设计换挡控制策略，包括控制系统的结构、冲击度控制器和滑磨功控制器，然后设计控制器的输入值与电磁阀的PMW占空比的对应表，以控制换挡执行机构的运动。在设计冲击度控制器和滑磨功控制器时，采用模糊控制方法。①将输入输出参数模糊化②设计模糊控制规则，即控制器的输人值与电磁阀占空比的对应表。③模糊控制的清晰化处理，即通过①②步的处理，得出系统输入与输出的清晰的关系。通过这样的方式就可以通过传感器测得的数据，按照设计好的冲击度的最优范围控制AMT的选换挡[5]。图2挂档过程控制系统框图2.2.2采用传统PID控制的换挡控制器设计总体上处理方法与2.2.1相同，即先受力分析，建立换挡过程的模型，然后进行换挡控制器的设计,只是换挡控制器采用PID控制的方法。3AMT换挡过程中发动机和离合器的协调控制AMT在换挡过程中要想获得最优的控制效果，仅仅靠变速器本身的控制是不够的，还需要发动机和离合器的协调控制才能获得最优的控制效果。3．1发动机模糊——最速双模态控制策略汽车在换挡过程中，为了达到省油、缩短换挡时间、提高换挡平顺性和降低滑磨功的目的，综合最速控制和对模糊控制的优点，出现了模糊——最速（Fuzzy-BangBang）双模态控制的方法对换挡过程中发动机节气门开度和转速进行合理的控制，使汽车实际车速和目标车速达到一致。通过Fuzzy-BangBang双模态决策机制，当汽车实际车速与目标车速偏差较大时采用最速控制使汽车实际车速尽快与目标车速接近，当偏差较小时采用迷糊控制提高系统的鲁棒性及控制精度[6]。图3Fuzzy-BangBang双模态发动机转速控制框图3.2离合器控制自动离合器是AMT系统中的一个重要功能模块,由于离合器控制系统中执行机构工作环境变化大,以及系统本身存在的非线性、非模型化、时滞、干扰、变参数等影响,因此对自动离合器进行满意的控制是很困难的。由于离合器接合时间短,神经网络等复杂控制显然是不适合的,PID控制算法简单,然而其跟踪效果难以满足所有工况。因此从产品的可靠性角度出发,可以采用变结构控制控制，变结构控制对模型的精确程度要求低、对有界干扰和参数变化不敏感还具有降阶特性，因此很适合应用与AMT换挡过程中的离合器控制[7]。4结论AMT换挡控制策略是一个十分复杂的控制系统，其目的是合理地控制好AMT的自动换挡过程。根据控制对象和控制方法等差异控制策略可以有很多种分类方法，在具体设计时都不是生搬硬套，而是根据具体情况将各种控制方法综合使用。参考文献：[1]何忠波，白鸿柏.AMT技术的发展现状与展望[J].农业机械学报，2007(5)：181-186.[2]GianlucaLucente，MarcelloMontanari，etal.Modelingofanautomatedmanualtransmissionsystem[J].Mechatronics，2007(17)73–74[3]陈清洪,秦大同,叶心.MT汽车动态模糊神经网络三参数换挡策略研究[J].汽车工程,2010,