AMT车辆起步过程离合器控制

发布时间：2016-05-11 13:44

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
汽车，是日常工作与生活中不可或缺的工具。近年来，人们对于汽车的需求不断增加，全球汽车的产量与汽车保有量呈现出飞速增长的趋势，1970年全球汽车保有2.46亿辆，1986年全球汽车保有5亿辆，据预计，到2050年，全球生产将保有超过8亿辆的汽车[1]。以上数据，说明汽车在人们的生活中已经占有了很重要的地位，人们对于汽车的关注也与日俱增。飞速增长的需求与日益增加的关注，必然会带来汽车行业中各个汽车厂商的激烈竞争，汽车制造商为了尽可能多的占有国内以及海外市场，加强了对汽车性能需求的关注。同样，消费者们也越来越重视汽车驾驶过程中的动力性、安全性、舒适性和燃油经济性等各种性能。变速器是车辆的重要组成部分，关乎着车辆各个方面的性能。对于装配有手动变速器的汽车来说，起步与换挡环节是完全依靠驾驶员的操作来完成的。由于驾驶员驾驶经验的不同，因此常常会出现同一辆车不同驾乘体验的情况，熟练驾驶员能够快速平稳的完成上述环节，而非熟练驾驶员往往会因为操作不当影响起步与换挡过程中的舒适性和平顺性。但是汽车工业的快速发展与人们生活水平的不断提高，使得购买汽车成为一件十分平常的事，非熟练驾驶员的数量也因此快速增加，与此同时道路也在一天天变的越来越拥挤。以上这些因素使得手动变速器逐渐无法适应当今的汽车市场，而自动变速器的出现恰恰能够解决这一问题。以电脑控制来代替人工控制，简化了起步与换挡过程，降低了驾驶难度，令驾驶员能够有更多的注意力来关注道路情况，也在一定程度上提高了汽车行驶过程中的安全性。由于自动变速器的优点不仅适合已有一定驾驶经验的驾驶员，更符合日益增多的女性驾驶员和老年驾驶员的需求，所以自动变速器已成为车用变速器发展的主流。目前，汽车市场上常见的自动变速器主要有：液力式自动变速器（Automatic Transmission，AT）、无级式自动变速器（Continuously Variable Transmission，CVT）、双离合器自动变速器（Double Clutch Transmission，DCT）以及电控机械式自动变速器（AutomatedMechanical Transmission，AMT）。
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1.2 课题研究现状
伴随着汽车保有量的不断上升，人们对于汽车的评价已经不止于汽车整体的性能，而是越来越细化到各个方面性能。起步作为最初也是最直观反应车辆性能的环节而得到了更多关注。因此，近年来国内外专家学者对于起步控制问题进行了大量有价值的研究与探索。当前，针对车辆的起步过程的控制方法有优化控制、非线性控制、发动机转速控制、驾驶员起步意图研究等。对于车辆起步过程优化控制，文献 [20–22]针对重型汽车起步离合器的最优控制进行了讨论。首先文中提出了车辆起步半接合点这一概念，即车辆从静止到运动的分界点，凭借半接合点将车辆起步过程分为两部分。在第一部分因为车辆的状态始终保持静止，所以在这一阶段无论离合器接合的多么快，都不会产生冲击；第二部分离合器接合速度过快，会对车辆的传动系统产生较大的冲击，影响驾乘人员的舒适性，而接合过慢会令整个起步时间变长，增大元件的磨损，影响元件的使用寿命。因此在第一部分使离合器尽可能快的接合，不计滑摩损耗，在第二部分运用最优控制策略进行控制，以求在保证乘坐舒适性的前提下产生尽可能小的滑摩功。文献 [23, 24]研究了车辆起步过程的混合优化控制，基于线性二次型（LinearQuadratic，LQ）的控制方法在起步仿真研究中获得了良好的控制效果。文献 [25]研究了干式离合器在接合过程中的优化控制。在建立传动系的状态空间动态模型的基础上，将曲轴转速和离合器转速作为状态变量，运用线性二次型的方法设计闭环反馈控制器，通过所设计的控制器来确保快速接合，滑摩损耗小的控制要求。文献 [26]研究基于观测器的干式离合器的最优控制，将离合器盘上的力作为控制输入，并在高度仿真的非线性模型中获得了良好的效果。
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第 2 章 AMT车辆动力总成系统的模型搭建

第一章对于车辆起步控制问题的研究背景、研究意义以及当前国内外的研究现状做出了相关介绍，本章将对 AMT车辆的起步过程进行详细说明，建立这一过程动力学模型，并在此基础上运用 AMESim仿真软件进行 AMT车辆的动力总成系统模型的搭建以及模型合理性的验证工作。

2.1 AMT车辆起步过程的分析
AMT车辆起步过程的本质就是通过离合器的接合将发动机输出的扭矩传递给变速器，变速器通过所选挡位的齿轮将力矩传递给动力总成系统后面的部分，直至传递到轮胎上的力克服路面阻力，待车辆克服路面阻力开始以一定的速度前进后，至此车辆的起步过程结束，接下来驾驶员可以根据驾驶需求和路面状况来进行换挡以及加减速的操作。由此可见，离合器在这一过程中起着至关重要的作用，而对于上述的起步过程还可以具体分为以下三个阶段，如下图 2.1。0 ～ t1阶段：该阶段是以离合器开始动作为起点，以离合器的主动部分与从动部分刚刚接触为终点，该阶段称为“空行程阶段”。顾名思义，在这一阶段离合器的主动部分和从动部分在执行机构的推动下开始相互靠近，以此来消除离合器主从部分之间的空隙，但是由于在这一阶段离合器的主动部分与从动部分并没有真正的接触，所在发动机相当于空载运行，发动机的转速会逐渐增大，并且离合器的输出轴转速为0，也正是由于离合器主从动部分之间没有相互接触，所以在这一阶段不会有滑摩与冲击的产生，所以对于这一阶段的控制来说，应当尽可能快的完成，以此来节省车辆起步控制中的接合时间。
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2.2 起步过程数学模型的建立
上一小节对车辆的起步过程进行了定性的描述，即车辆利用发动机产生的扭矩通过离合器摩擦盘的滑摩，将其传递给动力总成系统后续部分，以此来克服路面阻力，完成车辆的起步环节。但是要对车辆起步过程进行控制器设计，就必须建立针对该过程的数学模型。下图 2.2为 AMT车辆动力总成系统的简化等效模型[34, 35]，其中除离合器的主从动部分之外的元件都认为是刚性连接的。通过图 2.2可以看出，除离合器之外，所有部分都是保持刚性连接的（起步过程中车辆所选挡位保持不变），因此应该以离合器的主动部分与从动部分为界限进行动力学分析建模。通过上一小节的分析，可知整个起步过程中滑摩阶段是比较重要的阶段，因此将对这一阶段着重进行分析建模。
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第 3 章 AMT车辆起步控制策略与离线仿真实验.........31
3.1 AMT车辆起步过程控制性能评价指标 .... 31
3.2 AMT车辆起步控制策略 ..... 33
3.2.1 控制系统设计与推导......... 33
3.2.2 控制系统参数调整原则 ...... 38
3.3 离线仿真结果与分析 ......... 40
3.4 本章小结 ....... 44
第 4 章 快速原型实验与路面实车试验.........45
4.1 快速原型实验.......... 45
4.1.1 仿真模型的简化 ...... 45
4.1.2 快速原型实验平台组成 ...... 47
4.1.3 快速原型实验设计与结果分析 ..... 48
4.2 路面实车试验.......... 49
4.2.1 实车试验平台组成 ........... 50
4.2.2 实车试验设计与结果分析 ........... 54
4.3 本章小结 ....... 57
第 5 章 全文总结.........59

第 4 章 快速原型实验与路面实车试验

上一章已经完成了 AMT车辆起步控制系统的设计与推导工作，并通过联合仿真实验验证了控制系统的离线控制效果。本章将在此基础之上，进行车辆起步的快速原型实验和路面实车试验。首先，利用快速原型实验完成控制器的离散化，以及实时求解的工作，然后将会运用实验室试验用车奔腾 B50在真实路面上完成本文设计控制系统的实车试验验证。

4.1 快速原型实验

为了能够减小在实车路面试验中的复杂工作量，本文在进行实车试验之前会进行快速原型实验，利用实验室的快速原型实验平台对控制系统进行进一步的调整。快速原型实验中对控制器模型和被控对象模型都存在一定的要求，其中最为重要的就是对计算步长的要求。在离线仿真实验中，模型允许以变步长的方式进行仿真，变步长的运行方式在计算量较小的时间区域内可以利用电脑丰富的硬件资源加速运行，在计算量较大的时间区域内，会减缓运行速度，以达到精确计算的目的。与离线仿真实验不同，在线仿真实验中无论是控制器还是被控对象都要求以定步长进行运行，如果模型中存在比较复杂的元件或者模块，而计算的步长较小，那么将会出现在两个采样时刻之间无法完成计算的情况，从而导致计算的失准，控制效果变差，严重时会产生模型错误，无法完成实验。因此，进行在线仿真实验之前要先对模型进行分析，对于较为复杂的元件和模块进行合理的简化。首先要对模型进行频率分析，因为模型中复杂的元件会要求计算精度较高，导致比较大的计算量，而计算量的增大必然会导致模型频率的增高，因此找到高频元件是模型简化的关键。本文中模型搭建运用的 AMESim软件，可以利用这一软件工具包中的频率分析工具进行模型的高频分析。分析之后得到的结果如图 4.1。查找对应元件之后，发现是执行机构部分（图 4.2）导致了高频的产生。

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总结

随着汽车工业的不断发展，人民生活水平的不断提高，，消费者和生产厂商的双向要求使得汽车领域的研究探索呈现出多元化和细化的趋势，本文仅针对装配有 AMT自动变速器的车辆的起步控制问题进行了相关研究。本文对于车辆起步过程中离合器的接合控制系统进行设计，通过离线仿真实验和实车路面试验验证了本文设计的控制系统的有效性。本文完成的工作主要可以分为以下几个方面：
1  本文对于研究对象 AMT自动变速器进行了深入的学习与研究，包括 AMT的结构组成、系统工作原理等，其中对于 AMT自动变速器中的离合器以及离合器的执行机构进行了特别的研究。然后利用所学知识对装配有 AMT自动变速器的车辆动力总成系统进行了仿真模型建立，该模型的搭建以实验室的实验用车 B50为基础，以真实车辆的数据完善了模型相关参数的设置，之后还完成了对于模型合理性的验证，保证了仿真模型的可靠有效。因为该模型中并未嵌入控制算法，所以可以用于实验室未来进行的各种仿真实验。
2  本文针对车辆的起步过程进行了深入的分析，将整个起步过程分为三个阶段，并对三个阶段的控制要求与侧重点进行了研究，发现对于滑摩阶段的控制是影响整个起步控制质量的关键，因此重点针对滑摩过程进行了控制方法研究。本文选取自抗扰控制方法作为本文控制系统的核心，该方法拥有算法复杂性相对较低、易于实现、且对系统扰动具有良好的抑制作用等优点，以 PID控制来辅助完成执行机构的控制。
3  本文完成控制系统的设计工作之后，进行了离线仿真实验，并根据实际驾驶过程中的路面状况和驾乘人员变化设置了多种起步工况，所获离线仿真实验结果表明，设计的控制系统能够很好的完成起步过程中的离合器接合控制。此后，完成了为实车路面试验做准备的快速原型实验，该实验的主要目的是保证控制系统能够在实时条件下运行。最后，本文进行了实车路面试验，在实车上验证了本文设计控制系统的有效性，并且完成了数据采集与处理、控制器信号输出与转化的工作，简化了日后进行实车试验的繁复工作。
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参考文献(略)

本文编号：44026