AMT汽车起步过程节气门目标控制量的确定

2 0 0 9 年( 第3 l 卷) 第1 1 期 汽车工程 A u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g 2 0 0 9 ( V 0 1 3 1 ) N o 1 1 2 0 0 9 2 0 4 A M T 汽车起步过程节气门目标控制量的确定拳 孙冬野，陈然，秦大同，刘振军 ( 重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆4 0 0 0 3 0 ) 摘要】根据电控机械自动变速汽车起步过程中，对不同目标油门踏板开度下传动系统冲击度的设计要求， 提出一种新的节气门开度变化率目标控制鼍的求取方法。通过M a t l a b S i m u l i n k 仿真分析，建立了节气门开度变化 率随目标油门踏板开度和离合器接合位移量而变化的目标控制数表。试验结果表明：所确定的节气门开度变化率 目标控制数表，可有效地协调离合器接合速度与节气门开度之间的变化关系，较好地满足电控机械自动变速汽车的 发动机局部恒转速起步控制策略的要求。 关键词：汽车；机械自动变速器；节气门；控制策略 D e t e r m i n a t i o no fO b je c t i v eC o n t r o lV a l u e sf o rt h eE l e c t r o n i c T h r o t t l eo fA M TV e h i c l ei nS t a r t i n gP r o c e s s S u nD o n g y e ，C h e nR a n ，Q i nD a t o n g L i uZ h e n j u n C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，S t a t e 研L a b o r a t o r yo fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n ，C h o n g q i n g4 0 0 0 3 0 A b s t r a c t1 B a s e do nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ni e r ki nt h et r a n s m i s s i o no fa nA M Tv e h i c l ea td i f f e r e n tt a r - g e tg a sp e d a lt r a v e li ns t a r t i n gp r o c e s s ，an e wm e t h o dt od e t e r m i n et h eo b j e c t i v ec o n t r o lv a l u ef o rt h ec h a n g i n gr a t e o fe l e c t r o n i ct h r o t t l eo p e n i n gi sp r o p o s e d B yt h es i m u l a t i o na n a l y s i sw i t hM a t l a b S i m u l i n k ，a no b j e c t i v ec o n t r o lv a l u et a b l ei so b t a i n e dt od e t e r m i n et h ec h a n g i n gr a t eo ft h r o t t l eo p e n i n gd e p e n d i n go no b j e c t i v eg a sp e d a lt r a v e la n d c l u t c he n g a g i n gd i s p l a c e m e n t T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eo b j e c t i v ec o n t r o lv a l u et a b l ee s t a b l i s h e dC a l le f f e c t i v e l y c o o r d i n a t et h ec h a n g i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc l u t c he n g a g i n gs p e e da n dt h r o t t l eo p e n i n g ，b e t t e rm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fc o n t r o ls t r a t e g yo fs t a r t i n gw i t hc o n s t a n ts p e e dp a r t i a l l yf o rt h ee n g i n eo fA M Tv e h i c l e K e y w o r d s ：v e h i c l e ；a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ；t h r o t t l e ；c o n t r o ls t r a t e g y 刚青 在电控机械自动变速传动( a u t o m a t e dm a n u a l t r a n s m i s s i o n ，A M T ) 汽车起步过程中，离合器接合速 度的控制总体遵循“快一慢一陕”原则。其中， “快”是指离合器按可允许的最大接合速度进行接 合；而“慢”则受A M T 系统冲击度和离合器盘片间滑 摩功的限制J 。对于不同应用车型和行驶环境的变 化，离合器起步的总体控制策略亦不尽相同，以往关 于A M T 起步控制策略的研究，大多集中在离合器接 合速度和位移方面咱1 。对于节气门开度及其变化 率的控制则多以发动机转速或目标油门踏板开度为 目标值，采用模糊控制等数值方法来决定节气门开 度变化率的大小“ 叫引。 文中以实现A M T 汽车的发动机局部恒转速起 步控制策略为目标，采用解析计算方法，提出一种新 的发动机节气门开度变化率分段线性控制的设计方 法，并依此建立节气门开度变化率随目标油门踏板 开度和离合器接合位移量的变化控制数表，以期通 过更为简单的控制算法来实现A M T 汽车的平稳起 步控制。 国家自然科学基金( 5 0 4 7 5 0 6 6 ) 和重庆市自然科学基金( 2 0 0 7 B B 0 1 1 2 ) 资助 原稿收到日期为2 0 0 9 年1 月6 日，修改稿收到日期为2 0 0 9 年3 月2 5 日。 万方数据 2 0 0 9 ( V 0 1 3 1 ) N o 1 l孙冬野，等：A M T 汽车起步过程节气门目标控制量的确定 1 0 2 1 1 离合器起步控制机理 拟设计开发的A M T 系统起步控制采用发动机 恒转速控制原则 1 卜他 ：为充分反映驾驶员操纵意 图，以油门踏板开度为控制依据，对某一油门踏板开 度下，发动机输出转矩最大时的发动机转速( 考虑到 滑摩功的设计要求，转速限制在20 0 0 f r a i n 以下) 为 控制目标，保证在起步过程中，发动机尽可能在该最 大输出转矩时的转速下恒定运行。 离合器接合速度：在空行程阶段，离合器以最大 速度进行接合；在消除空行程后而到达目标接合位 移量之前，以及主、从动盘转速同步之后，则为目标 油门踏板开度的函数，以恒定的接合速度进行接合， 以保证车体冲击度的可控性；在达到目标接合位移 量后，接合速度保持不变，直至主、从动盘转速同步。 节气门开度变化率为目标油门踏板开度和目标 发动机转速的函数。在离合器空行程阶段，发动机 维持怠速状态，节气门开度不变；在离合器达到目标 接合控制位置时，节气门开度则尽可能达到目标油 门踏板开度位置，即尽可能使离合器接合位移和节 气门开度同时达到目标控制位置。 受时变的离合器接合转矩的影响，在节气门开 度和发动机转速之间存在耦合关系，使保证离合器 接合位移和节气门开度同时达到目标控制位置只是 一种理想情况。在实际应用中，则以保证离合器接 合位移为优先控制量，并通过对节气门开度变化率 适当修正加以实现。 1 1 发动机目标转速的确定 以某一车辆为例，发动机性能测试结果如图1 所示。根据不同油门踏板开度下发动机转矩与转速 的变化关系，原则上选取某一油门踏板开度下最大 转矩时的发动机转速作为发动机目标控制转速，考 虑尽量降低离合器主、从动盘转速差的因素，在转矩 变化幅度不大时，尽可能减少所选取的发动机目标 ? 蚕 萋 瑟 发动机转速n r a f r o 1 图1 发动机特性试验结果 控制转速的数值，文中将目标控制转速的数值限制 在20 0 0 r m i n 以下。然后，通过油门踏板开度和所 选定的发动机转速，获取发动机的目标控制转矩，并 利用离合器传递转矩与盘片间压紧力的试验关系曲 线，确定控制发动机维持恒转速时所需离合器的目 标接合位移量。 由图1 所确定的不同目标油门踏板开度卢。下 发动机目标控制转速n 。和目标转矩L 如表1 所示。 表1 发动机控制目标值 口。 1 21 42 42 64 59 5 0 n m r m i n 。l 9 0 012 5 012 5 0I5 0 015 0 020 0 0 L N m 5 1 05 2 25 8 。66 0 46 2 96 6 7 1 2 离合器接合位移的确定 根据发动机恒转速控制原则，为确保离合器起 步过程中发动机转速稳定于目标控制转速1 , 。，必须 保证在恒转速阶段，离合器目标接合位移。所决定 的接合转矩疋等于目标转矩咒，即 瓦r - 2 r c k J c ( L 。一厶)( 1 ) 7 1 L 。= 哥+ 厶 ( 2 ) - oe 一C 式中，离合器有效工作半径k = 7 4 m m ，摩擦因数 工= 0 2 5 ，波形弹簧刚度系数蠡。= 13 9 9 N m m ，离 合器接合总行程( 分离轴承处) L 。= 7 5 m m 和空行 程L o = 5 0 m m 。不同目标油门踏板开度口。下的离合 器目标接合位移L 。一厶如表2 所示。 表2 离合器控制目标值 卢。 1 21 42 42 64 5 l 5 0 ( L 。一L o ) n u n 0 。9 81 O l1 1 31 1 71 2 21 2 9 V m m m 8 一l 1 4 01 4 22 3 22 3 44 2 14 6 8 1 3 离合器接合速度的确定 由于车辆起步过程所用时间短、车速低，可以认 为道路情况和风的流速基本不变。由于控制过程 中，可通过实际发动机转速与目标转速的比较来修 正离合器接合量的，近似取离合器主、从动盘接合转 矩瓦与波形弹簧位移厶。为线性关系。达到半接合 点后，车辆起步冲击度J 的大小主要取决于离合器的 接合情况，可表示为 ，= 去x 警警 ( 3 ) 瓦= 2 r 。k Z L ； ( 4 ) = 2 r e 矗Z f 面d L , ( 5 ) 设f ：1 盟。其中，车辆满载质量m = 万方数据 1 0 2 2 汽车工程 2 0 0 9 年( 第3 1 卷) 第1 1 期 11 8 0k g ，轮胎工作半径r d = 2 7 4 m m ，一挡速比i 1 和 主减速比i o 分别为3 4 1 7 和4 3 7 5 ，传动系统效率叼。 - - - 0 9 。 根据车辆动力传动系统要求保证_ 一 1 0m s 3 的设计要求，离合器的接合速度为 c i ， ： 秽c 2 蓄硒J m a 万x = 4 6 8 2 m m 8 ( 6 ) 驾驶员的起步意图通常分为缓起步、正常起步 和急起步3 种模式。根据参考样车发动机的具体特 征，设定卢。1 2 为半离合器( 滑摩) 状态；1 2 J 8 。2 5 为缓起步，要求起步过程平稳；2 5 J i B 。 5 0 为正常起步，既要求起步过程平稳，又要尽 量减少滑摩功，此时车体冲击度与目标油门踏门开 度按正比例变化；5 0 p 。为急起步，其主要出现 于驾驶员遇到紧急情况或冲击障碍时，此时允许有 较大的冲击现象发生。其中，口。的设定原则是以最大 允许冲击度1 0 m s 3 为限制值，采用插值的方法，随 着目标油门踏门开度的增大而增大。不同目标油门 开度下，离合器目标接合速度影。见表2 。 2 节气门开度控制策略 根据离合器起步的发动机恒转速控制原则，从 车体冲击度的角度考虑，某一确定目标油门踏板开 度下，离合器接合速度是固定的。如果忽略使用期 限内离合器空行程变化的影响( 可以通过离合器机 械结构设计和软件控制加以补偿修正) ，那么离合器 达到目标位移量的时间t 。也将是固定的。其中，节 气门开度a 和发动机转速f l , 。的控制区间为 f d = 0 。卢。 1 t n e = n e 0 n m ( 7 ) 式中：n 为怠速时发动机的转速。车辆起步过程中 发动机工作状态控制流程如图2 所示。 图2 发动机控制流程 由图2 可以看出：受时变的离合器接合转矩疋 的影响，节气门开度a 和发动机转速n 。之间将因发 动机和转动惯量的原因存在耦合关系： = f ( 坐屿等盟 ( 8 ) 如果离合器起步以发动机转速为控制目标，即 保证在某一目标油门踏板开度口。下发动机运行于 目标控制转速n 。，在控制阶段往往会出现节气门开 度a 超出目标油门踏板开度J B 。的现象；如果以驾驶 员的操纵意图为控制目标，虽可保证节气门开度a 达到目标油门踏板开度口。，但发动机控制转速尼。将 会偏离目标控制转速n 。 从实际样车开发调试的角度出发，采用分段线 性的定节气门开度变化率的控制方法。其设计原则 为：基础节气门变化率由目标油门踏板开度卢。除以 离合器达到目标位移的需要时间t 。所决定，并根据 目标控制发动机转矩与节气门的变化关系，对节气 门变化率加以补偿修正。 节气门开度a 到达目标油门踏板开度届。所需 时间t 。为 ：墨 量+ 生 秽mt I c T n “ ( 9 ) 在样车分离轴承处，离合器的最大接合速度 V e 一= 4 6 8 2m m s 。根据表2 可得不同目标油门开 度下，离合器消除空行程后，达到目标位移所需时间 t 。一t 曲及基础节气门变化率( 见表3 ) 。 表3 节气门控制目标值 p 。 l 1 2 1 42 42 64 55 0 ( t 。一I 曲) s 0 7 00 7 1 10 4 8 70 5 0O 2 90 2 7 6 d 8 - 1I 1 7 1 4 1 9 6 94 9 2 85 2 01 5 5 21 8 1 2 控制结果仿真分析 3 1 起步控制仿真模型 车辆起步过程仿真数学模型如式( 1 0 ) 所示。 式中发动机端等效惯量，。= 0 1 k g m 2 ；车辆滚动阻 力系数丘= 0 0 1 8 ；r t ，为车轮转速。 f 等咖t 一瓦 2 百q l “ m i r j 元，= 印。瓦一嘁r d ( 1 0 ) I 一 【瓦= 2 r 。七z | ) 移。d t 3 2 控制数表的制定 由表l 可以绘制出目标控制发动机转矩与节气 门的变化关系曲线( 见图3 ) 。图中，点线是由恒转速 万方数据 2 0 0 9 ( V 0 1 3 1 ) N o 1 I孙冬野，等：A M T 汽车起步过程节气门目标控制量的确定 1 0 2 3 控制原则和发动机特性试 验结果所确定的控制点，细 实线为各控制点的拟合曲 线。该曲线可以近似划分 为4 个区段：卢。1 2 、 1 2 芦。2 5 、2 5 4 5 时，节气门开度是在空行程结束前开始调 节。这是因为当油门开度较大时，离合器接合速度 较大，受节气门变化率最大值的限制，发动机转速较 难达到目标值，这时给节气门变化一个提前量，即在 离合器还处于空行程阶段即开始调节节气门。 另外，由图4 ( a ) 还可以看出：当卢。= 1 0 时， 发动机转速存在较严重的超调现象，这是由于受 最小节气门变化率数值的限制且离合器接合速度较 低所导致的。在仿真中这一现象可以消除，所采用 的方法与较大油门踏板开度时采用的方法相反，即 给节气门变化起始时间增加一个延迟，也就是在离 合器已消除空行程后的某一时刻再开始调节节气 门。但考虑小油门工况下，发动机目标转速较低，为 防止发动机熄火，所以允许超调现象的存在。 口。= 3 0 时，车辆起步控制仿真结果如图5 所 示。在实际车辆起步过程中，油门踏板并非瞬间达 堡 魁 最 ： F 招 2 暑I i 。 皇 硝 鬈 0l23 时间以 ( a ) 时间以 ( c ) 已 要 越 书暑 量 图5A M T 车辆起步控制仿真结果 到所确定的目标值，是一个动态的变化过程。通过 对油门踏板开度及其变化率的数值进行反模糊控 制，建立驾驶员油门踏板目标值预估模型，并将预估 值作为油门踏板开度的目标值，仿真结果表明：采用 节气门开度变化率分段线性控制的方法，可确保节 气门开度和发动机转速均能较好地达到目标值。与 以往离合器起步控制相比，其特点如下。 ( 1 ) 由于离合器接合速度为分段线性，从而使 车体冲击度具有可控性，即在设计阶段就可预先确 定某一油门开度下车体冲击度的大小。同时，接合 速度的分段线性化，可有效地降低对离合器执行机 量c、_了镩覃I姐每 万方数据 1 0 2 4 汽车工程 2 0 0 9 年( 第3 1 卷) 第1 1 期 图6 离合器起步控制试验结果 经试验发现：采用节气门分段线性控制方法进 行离合器起步控制，除离合器接合速度和节气门开 度变化率外，对控制效果影响较为显著的是离合器 空行程数值的确定，因为离合器位移量决定着节气 门开度调节的起始时刻，同时也决定着发动机恒转 速控制的有效实施。 4 结论 提出的节气门开度分段线性的控制方法，使 A M T 车辆的起步控制更加程式化，系统起步控制参 数的实车调试更加简单方便，并有效地降低了对离 合器和电子节气门控制执行机构的动态性能要求， ( 上接第1 0 1 9 页) 6 g i mT ，K i mH P e r f o r m a n c eo fI n t e g r a t e dE n g i n e C V TC o n t r o l C o n s i d e r i n gP o w e r t r a i nL o s sa n dC V TR e s p o n s eL a g J P r o c e e d - i n g so ft h el l t i t u t i o no fM e c h a n i c a lE n g i n e e n ，P a r tD ：J o u r n a lo f A u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g 。2 0 0 2 ，2 1 6 ( 7 ) ：5 4 5 5 5 3 7 P l i f f n e rR ，G u z z e l l aL ，O n d e rCH F u e l o p t i m a lC o n t r o lo fC V T P o w e r t r a i m J C o n t r o lE n g i n e e r i n gP r a c t i c e ，2 0 0 3 ，11 ( 3 ) ： 3 2 9 3 3 6 8 L e eH ，K i mH I m p r o v e m e n to fF u e lE c o n o m yb yS h i f tS p e e dC o n - t r o lf o raM e t a lB e l tC o n t i n u o u s l yV a r i a b l eT r a n s m i s s i o n J P r o - c e e d i n g so ft h eI n s t i t u t i o no fM e c h a n i c a lE n g i n l 眈i p g ，P a r tD ：J o n r - h a lo fA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ，2 1 6 ( 9 ) ：7 4 1 7 4 9 更好地满足了A M T 系统工程设计的实际需要，并通 过计算机仿真和试验分析验证了其可行性。 参考文献 1 刘东，宋健。李磊A M T 产品起步控制策略的研究 J 车辆 与动力技术，2 0 0 8 ( 1 ) ：5 7 2 雷雨龙，李永军，葛安林。等机械式自动变速器起步过程控 制 J 机械工程学报，2 0 0 0 ，3 6 ( 5 ) ：6 9 7 1 3 张祥，杨志刚，张彦生汽车A M T 系统M a t l a b S i m u l i n k 建模 与仿真 J 系统仿真学报，2 0 0 7 ，1 9 ( 1 4 ) ：3 3 3 9 3 3 4 3 4 黄建明，曹长修，苏玉刚汽车起步过程离合器控制 J 重 庆大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 5 ，2 8 ( 3 ) ：9 l 一9 4 5 D e l o g uM ，P i l oLI n f l u e n c eo fT h r o t t l eC o n t r o lS y s t e mi nV e h i c l e d r i v e l i n eD y n a m i ca n di nC a rP e r f o r m a n c ep e r c e p t i o n C S A E P a p e r2 0 0 2 - 0 1 2 1 5 7 6 T s e n gC h i n g H u a n ，H s i e hM i n g F e n g A n a l y s i sa n dO p t i m i z a - t i o no fC l u t c hA c t u a t o ro nA u t o m a t e dM a n u a lt r a n s m i s s i o nS y s - t e r n C S A EP a p e r2 0 0 5 - 0 1 1 7 8 2 7 苏玉剐，曹长修，黄建明A M T 车辆节气门执行器的仿人智 能模糊控制 J 重庆大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 2 ，2 5 ( 1 ) ： 7 0 一7 4 8 赵永胜，张云清，任卫群。等汽车A M T 自动离合器的改进 模糊滑模控制 J 汽车工程，2 0 0 6 ，2 8 ( 8 ) ：7 5 0 7 5 4 9 Z h a oY o n g s h e n g ，C h e nl A p i n g ，Z h a n gY u n q i n 晷E n h a n c e dF u z z y S l i d i n gM o d eC o n t r o l l e rf o rA u t o m a t e dC l u t c ho fA M TV e h i c l e C $ A EP a p e r2 0 0 6 - 0 1 1 4 8 8 1 0 w uG ，S h e nS ，Y a nG S t a b i l i t yA n a l y s i s