汽车湿式离合器模糊控制策略研究及仿真

第卷第期年月电机与控制学报汽车湿式离合器模糊控制策略研究及仿真周美兰‘,谢先平’,王旭东’,马怀俭“哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨巧加哈尔滨理工大学测控技术与通讯工程学院,黑龙江哈尔滨巧摘“要为了研究汽车起步过程中离合器的受力特性以及控制策略,建立了离合器接合过程的数学模型分析了接合过程中离合器压力模糊控制原则,设计了离合器起步模糊控制算法,建立了离合器接合仿真模型并进行了仿真。仿真结果表明,所设计的离合器转矩模糊控制器能够保证离合器在低速时快速接合,同常规比例控制相比,能够显著减小滑磨功,同时减小了因离合器接合而对发动机造成的冲击。关键词汽车离合器起步控制模糊控制仿真中图分类号巴文献标识码文章编号一一一!∀一,,一,,!一,,一,罗!铭,别,,邵一!∀,!盯,,,叮!∀#∃∃%&∋()&∗+∗即rithmforeluteh15proposedandthesimulationmodelforelutchjointing15developed.Thesimulationresultshowsthatthetorquefoz盯eon加llerean四aranteetheelutehjointsquieklyatlowenginespeed,Comparingwithregularproportionaleontrol,thefuzzyeontrolmethodeanredueefrietion1055remarkablyandmeanwhiledeereasetheimpulsiontoengineintheproeessofelurehjointing.Keywords:automotive;elu忱h;startingeont闹;fuzzyeontrol;simulation1引言无级变速汽车起步离合器主要有液力变矩器、湿式多片离合器及电磁离合器。液力变矩器可使汽收稿日期:2加4一12一22;修订日期:2(X)5一04一22基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目(10553015)车获得良好的起步性能,但其结构复杂,价格昂贵,维护不便等缺点制约了其进一步的发展。随着电子技术的进步,人们越来越倾向于用湿式多片离合器或电磁离合器来代替液力变矩器作为起步离合器。作者简介:周美兰(1962一),女,教授、博士生,研究方向为智能控制、汽车电子技术;谢先平(1980一),男,博士生,研究方向为汽车电控技术;王旭东(1958一),男,教授、博士生导师,研究方向为电力电子与电力传动、汽车电子技术;马怀俭(1941一),男,教授、博士生导师,研究方向为测控技术。第5期汽车湿式离合器模糊控制策略研究及仿真415但离合器的控制仍是一个难点,主要表现在以下两个方面:¹控制品质评价指标的相互矛盾性。在起步过程中既要求车辆行驶平稳没有冲击,又要保证离合器起步滑磨功〔’,z]要小,前者要求离合器接合时间要长,后者要求接合时间短,二者的矛盾给离合器最佳接合规律的制定带来了一定的难度;º评价指标的计算过于复杂,涉及到积分运算,制约了其在实时控制中的应用,加上控制系统的时变、时滞以及非线性特性等,给传统的控制理论和控制方法运用带来了一定的局限性。针对以上情况,本文在分析离合器结合控制原则的基础上设计了离合器转矩模糊控制器,以减小离合器结合时的滑磨时间,同时使离合器在较低的发动机转速下结合,并进行了仿真。匕{‘3toC、,BA爪0。3必喊‘图2汽车起步时离合器的接合过程Fig.2ThejointingProeessofeluteh空行程阶段(AB):Tc二OJ=OL=0(1)传递扭矩阶段(刀君):其中BC段为克服阻力阶段,此时Tc共T,,wc二O,Jd侧‘I_一一二d乙=O。一Tc(2)2离合器接合过程的数学模型离合器工作原理可由图1表示。离合器在工作时,主动盘通过摩擦力带动从动盘转动。在离合器初始接合阶段,主、从盘之间存在滑磨,此时离合器是二自由度的力学关系。随着主、从动盘之间的正压力增加,从动盘的转速和传递的转矩随之增加。当主动盘与从动盘的转速同步时,主动盘与从动盘被锁定为一体,这时离合器系统为单一自由度力学系统。‘二今?。dt此段对车辆运动无影响,应尽快接合,间。(3)以减少起步时CD段为车辆加速阶段,有d叨_、、日了、、了、,了、,了4亡J‘Utzrf吸、了.、百了、、了、Ie苗二爪一Tcd叨_I_气止~dtd(Tc一界一界)/dtLDE段:Tc几i,i。一、。)dtw。;L二0。、、产、JO八”0了叮、了了f、、功二人一t声m一lt勺w.dl.产l.J.胭la二Tc+图1离合器示意图Fig.1Thediagrallllllatiesketehofelutch汽车起步时离合器的接合过程如图2。分析离合器动态接合过程的特点,可得出离合器不同阶段的数学模型。图2中各参数意义如下:x。为离合器的油压控制缸活塞行程;Tc为离合器实际传递的转矩;w。为发动机转速;w。为离合器从动盘转速;:为时间;八、.为离合器主从动盘转速差;T,为作用在离合器从动盘上的阻力矩;Tc~为离合器最大扭矩传递能力;孔为发动机输出转矩;Ie为发动机的转动惯量;几为离合器从动盘到车轮部分在离合器从动盘处的等效转动惯量;r为车轮半径;J为冲击度;L为离合器滑磨功;编为无级变速器速比;i。为主减速器速比;。为车速。图2中AB为空行程阶段,EF为扭矩不再增长阶段为传递扭矩阶段又可分为BC、CD、DE三段。由此可以得到离合器不同工况下的运动方程。d(双=Te一界一界)/d‘(几+几)i喇i。刃一2JU一JU了侣二厅、了、rJ此阶段车辆的动态特性取决于发动机的输出特性,与离合器无关,应尽快完成。从以上分析可以看出,离合器接合过程包括空行程(AB段)、离合器部分接合(BE段)、离合器完全接合(EF段)三个阶段,其中第二阶段是离合器主、从动盘滑磨及转矩传递逐渐增长阶段,它是车辆起步控制的关键,而第一、第三阶段和车辆起步质量关系不大,应该迅速完成。从离合器的控制过程可以看出:湿式多片离合器的控制问题可归结为离合器主、从动盘之间的正压力控制,即液压控制缸的油压控制。只要合理控制液压控制缸的油压,就能满足汽车起步及不同行驶工况对离合器转矩的要求。离合器能传递的转矩和主、从动盘之间正压力的关系为电机与控制学报第9卷r_ZR才一RI孔二!珠二亏煎渝户凡离合器未锁定时‘In、LTc,,a:二k·练离合器锁定时式中,凡*表示动摩擦转矩,Tc,max表示静摩擦转矩,k为静动摩擦转矩比,且k1,RZ、R,分别为离合器摩擦盘的外径和内径声为摩擦盘的摩擦系数,凡为摩擦盘间的正压力。3离合器起步模糊控制策略离合器的常规控制多采用比例控制策略,通常做法是:驾驶员踩下加速踏板,ECU判断出汽车的起步动作,使离合器油缸的压力立即升高到初始起步压力尸、(固定值),以改善起步的快速性。在接合过程中,油缸压力与发动机转速成比例增加,待离合器主、从动部分的滑转消失后,把离合器的压力迅速上升到额定工作压力,保证离合器可靠的传递转矩。但汽车的行驶条件多变,平地、坡道以及起步意图的不同对初始压力尸、的要求都有所不同。在起步的动态过程中,由于离合器压力与发动机转速、油门开度变化率、离合器主、从动盘转速差以及坡度等之间的关系难以用精确的数学模型表示,传统基于模型的控制算法难以满足控制要求,本文采用模糊控制策略〔’,‘l控制离合器的接合。3.1离合器模糊控制规则的确定〔’一,]驾驶员的操纵意图和道路条件等信息是通过油门开度及其变化率和发动机转速来反映的。在叭突降时,应快速减小离合器的接合量,减小发动机负荷,加快发动机转速。在w。突升时,说明离合器接合过程过慢而油门增加较快,应加大离合器的接合量来增加发动机负荷使转速降下来。当发动机到达某一值时,为了避免发动机熄火,就要分离离合器。离合器接合量与发动机转速控制关系如图3。图3中、。为起步时控制离合器开始接合时的发动机最低接合转速,当。。w。时,离合器分离。油门开度大则反映驾驶员希望快速接合,此时油压应快速增大,反之,应减小油压增量。由发动机特性知,如果发动机转速一定,发动机转矩是油门开度的增函数。接合开始时,随油门开度的增大,离合器的接合量也相应增大;当发动机和离合器的转速差较小时,离合器的接合量随油门开度增加的变化应减小。据此,离合器接合量与油门开度控制关系如图4。图4中。。为起步时控制离合器开始接合的最小油门开度,当aa。时,离合器不接合。油门开度变化率(da/dt)也是反映汽车起步意图的重要参数。油门开度的变化率大,反映驾驶员发动机转速图3离合器接合且与发动机转速关系示意图Rg.3Therelationofjointextentofelutchtoe心nes衅ed嘶油门开度图4离合器接合最与油门开度关系示意图Rg.4Therel毗onofjointeXtentofclutehto山rottieoPening希望快速起步。离合器接合程度与da/dt的控制关系如图5。图5中口,=刀:。。/4,刀3==毕m。:/4,月ma:为实际操作油门的最大变化率。油门开度变化率反映的起步意图可描述为:da/d。月,时,爬行起步意图;刀1da/dt刀3时,正常起步意图;da/dt口3时,急加速起步意图。离合器接合量度变化率图5离合器接合且与油门开度变化率关系示意图Fig,5Therelationofjoiniexteniofelutchtorateof比rottleoPeuingehange离合器的油压由模糊控制器的输出决定,其控制过程分为两个阶段。随着加速踏板的下行,活塞所受油压迅速上升至设置的初始接合压力Ps,以提高起步时的反应。第一阶段控制接合伊始的初始压力,当发动机转速上升至设置的接合转速时,离合器的油压由油门开度a和油门开度变化率da/dt决定,此时油压Ps;=尸、+即、。第二阶段是接合过程中的压力控制,当发动机转速超过设置的接合转速时,离合器的油压由油门开度a和发动机转速n。决定,此时油压尸=助+Ps。。待离合器主、从动部分的滑转消失后,把离合器的压力迅速上升到额定工第5期汽车湿式离合器模糊控制策略研究及仿真417表2TableZ油门开度、发动机转速控制油压P规则表Thecontrolruletableof威PressuretothrottleOPeuingandenginesPeedn.些vBVBVBvBVBvBvB些LB比比LBLBLBLBMMMMMMM555比比此玲Vs555巧巧is丝VsVS555LSLSLSMLBBvB作压力,保证离合器可靠的传递转矩。3.2模糊控制算法将油门开度、发动机转速、油门开度变化率进行模糊化处理,作为模糊控制器的输人。对于油门开度,将0o一900均分成13个区间,对应论域为0一12;对于油门开度变化率,通过实验得到其最大变化率为3000/5,将。一300“/s均分成13个区间,对应论域为0一12;对于发动机转速,将800一1500r/而n离散成O一12共13个区间;油压的论域也取为O-12。输人输出变量的模糊子集隶属度函数如图6。叭叭人八“一/飞飞/入{///一一佑一矜一长一一一一一一一一一一一一一一一一一一一___关火_’一\少户一!一戈丫-一厂’一7:、{/---一一一///八\.....:丫}\厂厂人人人人,八八////「丫一7一!一丫一一,,/:r一夕狠{又交犷又_{{{---一!一~,又砚砚前件的隶属度,然后与规则后件的隶属度进行最小运算得出各规则的结论,再对各规则的结论作最大运算得出模糊推理的结果。最后通过反模糊化,将模糊推理结果转化为实际控制量。反模糊化采用常用的重心法。24681012论域(a)油门开度模糊子集隶属度函数0八石426001000侧噢书丫丫丫丫丫一一丫丫丫丫一一八八八八八八八八八///又又/\\\/\\\/\\\…一了丫丫了\\\了了\\\汽一二…策二装二详三_三装一,\......_/尸尸尸4仿真模型及仿真结果分析根据汽车传动系统数学模型,本文利用Mailab/simulink[s