CN101649874A - 基于发动机工作状态的离合器阶段模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于发动机工作状态的离合器阶段模糊控制方法，根据离合器输出轴转速的大小判断离合器是否处于空行程阶段；根据离合器输出轴转速是否产生突变判断离合器的半接合点位置；根据发动机与离合器的转速差判断离合器是否处于同步阶段；在离合器接合的空行程、同步阶段采用定速度控制的方式，在滑磨阶段根据发动机的工作状态对离合器的接合速度进行模糊控制。本发明只在离合器接合的滑磨阶段进行模糊控制，计算量小，控制的实时性强。本发明的控制方法可以克服离合器自身磨损及外部负载变化对接合过程的影响，能够适应外界环境如车重、道路等情况的变化，具有很强的自适应性。

Description

基于发动机工作状态的离合器阶段模糊控制方法

技术领域

本发明涉及了一种模糊控制方法，特别涉及一种基于发动机工作状态的离合器阶段模糊控制方法。

技术背景

车辆在闹市区行驶100km，离合器的使用次数高达800～1000次。如此频繁的操作很容易导致驾驶员的工作疲劳。电控机械式自动变速器(AMT)可以模拟熟练驾驶员实现离合器操作的自动化，操纵方式简单可靠，既可改进整车驾驶性能，还能降低油耗及废气排放，很适合我国国情，有着广泛的市场和发展前景，是轻重型客车、货车、特别是公交车的发展方向。

国内研发AMT已有很多年，离合器的控制一直是个难题。离合器在接合时，首先要考虑接合的平顺性问题，瞬时加速度不宜过高，避免使传动系产生过大的冲击载荷，用冲击度来评价；其次要求离合器的使用寿命要长，避免接合过程中主从片之间过长的摩擦时间，用滑磨功来评价。冲击度与滑磨功是相互矛盾的，并且与很多参数有关，如车重、档位、道路阻力、离合器主从动盘转速差、发动机输出转矩、离合器接合速度等。

在人工离合器的操纵过程中，驾驶员一般凭借发动机转动时产生的声音及其变化趋势、离合器接合时所引起的轻微振动、车辆起步的冲击变化等状态信息作为依据来对离合器踏板的位移及速度进行控制，因此采用模糊控制技术模拟人工离合器接合过程中的智能行为是自动离合器控制算法的首选。近年来，国内研究人员在此方面做了大量的工作，有代表性的如文献[1]采用了分层多规则集结构的设计方法，以发动机油门位置信号、油门位置信号变化率、离合器接合位置信号和离合器主、从动片之间的转速差作为输入变量，对离合器的接合速度进行了模糊控制，取得了较好的控制效果。针对模糊控制器设计过程中存在的人为主观因素较多、难以进行优化等缺点，文献[2]采用遗传算法对模糊控制器隶属函数参数进行了优化，以离合器主、从动片之间的转速差及其变化率作为模糊控制器的输入变量，对离合器的接合速度进行了模糊控制，实车道路试验表明取得了满意的效果。文献[3]采用了将模糊控制算法与滑模控制算法相接合的方法实现了对离合器的控制。这些方法在离合器的接合速度的模糊控制方面都取得了很好的控制效果，但进行模糊控制时计算量大，当应用到嵌入式的单片机控制系统时受到了限制。

所述技术背景的参考文献如下：

1.王云成、施国标、于海涛、王望予，机械式自动变速器系统的离合器起步模糊控制，农业机械学报，第31卷第6期，2000年11月，32-35页

2.齐占宁、陈全世、葛安林，基于遗传算法的AMT车辆起步模糊控制，机械工程学报，第37卷第4期，2001年4月，8-11，24页

3.Y.-S.ZHAO，L.-P.CHEN，Y.-Q.ZHANG and J.YANG.Enhanced fuzzy sliding modecontroller for launch control of AMT vehicle using a brushless DC motor drive，InternationalJournal of Automotive Technology，Vol.8，No.3，pp.383-394，2007

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种基于发动机工作状态的离合器阶段模糊控制方法，在离合器接合的滑磨阶段采用模糊控制方式，根据发动机的油门及其变化率、转速变化率对离合器的接合速度进行模糊计算，以满足不同驾驶意图和外界行驶环境的要求。

本发明是采用以下技术手段实现的：

离合器的接合过程分为空行程、滑磨、同步三个阶段。在空行程阶段，为缩短动力中断时间，需要一个快的接合速度；在滑磨阶段，需要根据dn_e/dt的值适当放慢离合器的接合速度，以避免发动机的转速波动，同时也要避免过长的滑磨时间。在滑磨阶段，接合速度的制定还要参考驾驶意图，驾驶意图可以通过发动机油门β及其变化率来反映。当油门及其变化率大，说明驾驶员急于起步，需要加快离合器的接合速度；反之应以缓慢的速度接合以保证车辆的舒适性。在滑磨阶段，不论发动机工作状态以及外界道路负载如何变化，离合器的接合速度最终可以表现为β、dβ/dt、dn_e/dt的变化函数；在同步阶段，需要一个快速的接合速度；

当离合器输出轴转速n_c为0时，离合器处于空行程阶段；n_c出现突变的时刻为离合器的半接合点，即为滑磨阶段的起始点；当发动机转速与离合器输出轴的转速差Δn为0时，滑磨阶段结束，离合器处于同步阶段。

在空行程阶段，离合器以一个固定的速度接合，直到进入滑磨阶段为止，这个固定的结合速度通过标定实验来确定；在滑磨阶段，离合器的接合速度分两层进行模糊控制，首先根据β、dβ/dt的值进行模糊计算，计算出的驾驶意图再与dn_e/dt一起对接合速度的控制脉宽进行模糊计算。在完成每个周期的模糊计算后，都要判断dβ/dt、n_e的大小，当出现收油门或发动机转速过低的情况时，采用迅速切断离合器的方法，以避免发动机熄火。在制定模糊控制规则时，在接合速度和离合器的滑磨时间之间要找到一个合适的折中点；在同步阶段，离合器以一个固定的速度接合，直到离合器完全接合。

采用Mamdani方法进行模糊推理，各变量均采用正态型隶属函数。各变量的语言集如下：

油门β：很小(VSA)、小(SA)、中(MA)、大(BA)、很大(VBA)；

油门变化率dβ/dt：很慢(VSB)、慢(SB)、正常(MB)、快(BB)、很快(VBB)；

驾驶意图IT：很慢(VSI)、慢(SI)、中(MI)、急(BI)、很急(VBI)；

转速变化率dn_e/dt：负大(NB)、负(N)、零(Z)、正(P)、正大(PB)；

接合速度控制脉宽PWM：很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、很大(VB)；

本发明与现有控制方法相比，具有明显的优势和有益效果：

1、只在离合器接合的滑磨阶段进行模糊控制，计算量小，控制的实时性强。

2、根据离合器输出轴转速n_c是否有突变判断半结合点，可以克服离合器自身磨损及外部负载变化对接合过程的影响。

3、不论驾驶员的意图、离合器的磨损程度、行驶环境如何变化，在滑磨阶段选取发动机的β、dβ/dt、dn_e/dt为控制参数，能够充分反映驾驶员的起步意图，能够适应外界环境如车重、道路等情况的变化，具有很强的自适应性。

附图说明

图1为气动式离合器分离时的示意图；

图2为气动式离合器接合时的示意图；

图3为本发明的控制流程图；

图4为两级模糊控制逻辑结构框图；

图5为发动机、离合器转速变化关系示意图；

图6为离合器位置变化曲线示意图。

具体实施方式

下面接合附图和实施例对本发明进一步描述。

本发明采用了气动式的自动离合器。如图1所示，通过S1和S2两个两位三通电磁阀共同控制气缸的进、排气工作。每个电磁阀有三个通道，通道P、通道A和通道B。每个电磁阀有两个工作位置，附图1所示的状态中电磁阀没有通电，P通道与A通道相通；当有电流通过时，P通道与B通道相通。电磁阀的连接方式如下：S1的通道1P与气缸相连，S1的通道1A与S2的通道2A相连，S1的1B通道与大气相通，S2的2P通道与气源2相连，S2的通道2B被封闭。附图1为气缸进气的状态，此时两个电磁阀的P通道都与A通道相通，气体通过1A口和2A口顺利进入离合器气缸1，使其右腔充气，在气压力作用下，活塞机构克服弹簧力向左侧移动，推动分离杠杆使离合器分离。排气时如附图2所示，此时两个电磁阀的P通道都与B通道相通。电磁阀S2的2B通道将来自气源2的通道截止，电磁阀S1的1B通道将右腔内的气体从排到大气中，气缸1右腔压力下降，在弹簧力作用下回位，离合器到达结合位置。在离合器的结合过程中，接合速度即电磁阀S1放气速度的控制可以通过调节电磁阀S1的控制脉宽来实现。

离合器在接合过程中分为三个阶段。其中第一阶段为离合器接合的空行程阶段，需快速完成以减少动力中断时间，采用“先快接合直至离合器输出轴转速n_c的变化率出现突变”的方法；第二阶段为半接合阶段，此时离合器主从动摩擦片处于滑磨状态，需根据发动机的工作状态控制接合速度以平稳传递发动机动力，避免发动机熄火，同时尽量减少滑磨时间，因此采用“根据β、dβ/dt的值进行驾驶意图的模糊计算，根据驾驶意图与dn_e/dt的值进行接合速度控制脉宽的模糊计算，直到发动机转速与离合器输出轴的转速差Δn为0”的方法；第三阶段为同步阶段，离合器主从动摩擦片转速一致，发动机动力已完全输出到传动系统，接下的行程为后备扭矩传递和分离轴承的空行程阶段，因此采用“快速接合”的方法。

模糊控制各变量的语言集如下：

油门β：很小(VSA)、小(SA)、中(MA)、大(BA)、很大(VBA)；

油门变化率dβ/dt：很慢(VSB)、慢(SB)、正常(MB)、快(BB)、很快(VBB)；

驾驶意图IT：很慢(VSI)、慢(SI)、中(MI)、急(BI)、很急(VBI)；

转速变化率dn_e/dt：负大(NB)、负(N)、零(Z)、正(P)、正大(PB)；

接合速度控制脉宽PWM：很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、很大(VB)。

各变量的论域如下：

β、dβ/dt、IT、PWM：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}；

dn_e/dt：{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}。

在油门变化率dβ/dt语言集中，没有考虑到dβ/dt为负值的情况，当dβ/dt出现负值，即驾驶员收油门时，在本发明中采用立即退出模糊计算程序，同时将离合器完全分离的方法。

如附图3所示，本发明的控制流程如下描述：

步骤1：离合器开始接合时，为尽快消除空行程阶段的动力中断时间，给S1电磁阀输出脉宽为固定值的控制信号，使离合器快速结合，同时检测离合器输出轴转速n_c是否出现突变，如没有则继续重复步骤1，出现突变则进入步骤2；

步骤2：采集β、n_e信号，判断dβ/dt是否出现负值，或者n_e是否低于一定的值，如出现二者之一，为避免发动机熄火，切断电磁阀S1、S2的控制信号，排气通道截止，进气通道打开，离合器被迅速切断；否则开始根据β、dβ/dt、dn_e/dt的值对滑磨阶段S1电磁阀的控制脉宽信号进行模糊计算，然后将计算的结果转换为脉宽信号输出给S1电磁阀。判断Δn是否为0，如不为0则重复步骤2，为0则进入步骤3；

步骤3：给S1电磁阀输出脉宽为固定值的控制信号，使气缸通过1B通道快速放气，将离合器快速结合。

本发明在滑磨阶段的模糊控制分两层进行，如图4所示。第一层的输入为发动机油门及其变化率，输出为驾驶意图。第一层的模糊控制规则表如表1所示。

表1驾驶意图IT控制规则表

第二层的输入为发动机的基本工作状态、发动机转速的变化率，输出为电磁阀S1的控制脉宽。第二层的模糊控制规则表如表2所示。

表2电磁阀S1控制脉宽PWM的控制规则表

在完成对控制程序的调试及编译后，下载到自行设计的以MC9S12DJ128单片机为控制核心的电控系统中，即可进行离合器接合的控制实验。图5、图6为本发明在离合器实验台架上的控制效果，从图中可以看出对离合器的控制结果满足“快-慢-快”的要求，离合器在接合过程中发动机及离合器输出轴的转速过渡平稳。

Claims (2)

1.一种基于发动机工作状态的离合器阶段模糊控制方法，根据离合器输出轴转速的大小判断离合器是否处于空行程阶段；根据离合器输出轴转速是否产生突变判断离合器的半接合点位置；根据发动机与离合器的转速差判断离合器是否处于同步阶段；在离合器接合的空行程、同步阶段采用定速度控制的方式，在离合器接合的滑磨阶段根据发动机的工作状态对离合器的接合速度进行模糊控制；其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：离合器开始接合时，为尽快消除空行程阶段的动力中断时间，给电磁阀(S1)输出控制信号，使离合器快速结合，同时检测离合器输出轴转速n_c是否出现突变，如没有则继续重复步骤1，出现突变则进入步骤2；

步骤2：采集β、n_e信号，判断dβ/dt是否出现负值，或者n_e是否低于一定的设定值，如出现二者之一，为避免发动机熄火，切断电磁阀(S1)、(S2)的控制信号，排气通道截止，进气通道打开，离合器被迅速切断；否则开始根据β、dβ/dt、dn_e/dt的值对滑磨阶段电磁阀(S1)的控制脉宽信号进行模糊计算，并将计算的结果转换为脉宽信号输出给电磁阀(S1)；然后判断Δn是否为0，如不为0则重复步骤2，为0则进入步骤3；

步骤3：给电磁阀(S1)输出脉宽为固定值的控制信号，使气缸通过通道(1B)快速放气，将离合器快速结合。

2、根据权利要求书1所述的基于发动机工作状态的离合器阶段模糊控制方法，其特征在于：所述的模糊控制的各变量语言集如下：

油门β：很小(VSA)、小(SA)、中(MA)、大(BA)、很大(VBA)；

油门变化率dβ/dt：很慢(VSB)、慢(SB)、正常(MB)、快(BB)、很快(VBB)；

驾驶意图IT：很慢(VSI)、慢(SI)、中(MI)、急(BI)、很急(VBI)；

转速变化率dn_e/dt：负大(NB)、负(N)、零(Z)、正(P)、正大(PB)；

接合速度控制脉宽PWM：很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、很大(VB)；

各变量的论域如下：

β、dβ/dt、IT、PWM：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}；

dn_e/dt：{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}。

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