CN1036188C - 借助健壮算法的自动离合器发动与慢行的闭环控制 - Google Patents

Abstract

降低车辆离合器接合摆动响应的自动离合控制器60。该控制器接收发动机速度传感器13和变速器输入速度传感器31的信号并产生在松开和全接合之间控制离合致动器27的信号。运用摆动响应的近似反模型，使致动器27以使所测量变速器输入速度渐近基准速度的方式至少部分接合摩擦离合器20。该控制器包括为降低车辆特殊化要求而构成的前置滤波器和补尝器；还包括相应于车辆加载共同自动调整离合器接合的积分误差和发动机速度微分功能，提供了对不同车辆或同一车辆的运行状态均无需广泛调整的自动离合器致动控制。

Description

借助健壮算法的自动离合器发动与慢行的闭环控制

本发明涉及自动离合器控制的技术领域，更具体地涉及用于减小机动车发动与慢行时的摆动的自动离合的闭环控制。

近年来，人们对机动车之传动齿轮系的自动控制方面的兴趣日益增强，特别对大型卡车的传动齿轮系的控制更是如此。客车与轻型卡车中使用自动变速装置是众所周知的。这类车辆中的典型自动变速装置采用液力变矩器和以液压致动的齿轮传动装置来选择发动机轴与主动轮之间的最终传动比。这种齿轮传动装置的选择是根据发动机速度，车速及类似参数而进行。众所周知，同技术熟练的手动变速操作相比，这种自动变速器在降低燃料与功率消耗的同时，也降低了动力从发动机传至传动轴的传动效率。由于这种车辆运行的效率降低而致使这种液压自动变速装置至今还未广泛运用于大型机动卡车中。

采用液压自动变速装置时效率有损失的原因之一是在液力变矩器的变矩过程中有损耗。一般的液力变矩器表现出滑移以及在所有形式下力矩和动力损耗。本领域的人都知道，为锁定变矩器提供保证，便要在一定的发动机速度以上，提供变速器的输入轴与输出轴间的直接连接。该技术保证啮合时有适宜的力矩变换效率，然而，该技术在低速时未在效率方面提供任何效益。

为消除液压变矩器所固有的效率低的缺陷，人们曾提出用自动致动的摩擦离合器来取代之。但这种替换却导致在用液力变矩器时未表现出的另一问题。通常，机动车的机械传动齿轮系在该传动系统中呈现变速装置与车辆主动轮之间的相当大的转矩柔量。这个转矩柔量可在变速器与差速器之间的驱动轴上或差速器与从动轮之间的驱动轴上探测到。情况通常是独立设计准则往往鼓励或说是要求这种传动系统呈现相当大的扭转柔量。机动车传动系统中存在的这种显著转矩柔量使其随着离合器的接合而产生摆动。这些摆动响应可给传动齿轮系的零部件及车辆其它部件带来相当大的附加磨损。此外，这种摆动响应可引起乘客车厢的令人不适的振动。

传动系统对离合器接合时的这种摆动响应很大程度上取决于以什么方式使变速装置的输入速度，即，离合器的速度接近发动机速度。这两种速度以例如指数函数衰减等方式平滑趋近时，就不会对离合器锁定产生力矩瞬变。若两种速度骤然接近，则一个力矩瞬变被传递到该传动系统，由此导致该车辆传动系统中的摆动响应。

因此，提供一种降低离合器接合时摆动响应的摩擦离合器的自动离合器致动装置的问题对大型卡车来说显著增加。特别是，大型卡车在卡车与卡车之间和同一辆卡车内的这种响应表现出其变化的范围很宽。一辆特定大卡车的总重量可从无负载到满载的1至8范围内变化。传动系统柔量在不同卡车中可能在2到1左右的范围内变化。再者，离合器的摩擦特性可在作为离合器接合程度的一个函数之单个离合器范围内及离合器与离合器之间变化。因此，提供一种对某种特定机动车辆或该机动车辆的运行条件而言，无需广泛调整的自动离合器致动系统是尤为有利的。

本发明是用于组合包含动力源，摩擦离合器和至少一个连到该摩擦离合器的惯性加载主动轮的一种自动离合控制器，该摩擦离合器有一个对力矩输入呈现摆动响应的转矩柔量。该自动离合器控制器最好用作变速装置的换档移位控制器。这种自动离合器控制器在车辆开动期间随变速换档移位提供平滑离合器接合并在慢行期间将对离合器接合的摆动响应减至最小。该自动离合器控制器尤适用于大型卡车。

该自动离合器控制器接收来自发动机速度传感器和变速装置输入速度传感器的输入信号。变速装置输入速度传感器检测变速装置输入端的转速，也即，摩擦离合器输出端的转速。自动离合器控制器产生一个在全松开和全接合状态之间控制离合致动器的离合器接合信号。该离合器接合信号，以一种使变速装置输入速度渐渐趋近一基准速度的方式接合摩擦离合器。这就最大限度地减小了响应惯性加载主动轮之力矩输入时所引起的摆动。

在最佳实例中该自动离合控制器以两种方式运行。在对应于车辆正常起动的发动方式下，该离合器接合信号使变速装置输入速度渐渐接近发动机速度。一旦变速装置齿轮换档时，也可选择这一相同方式用于离合器的再接合。在对应于车辆慢速爬行的滑移方式下，离合器接合信号使变速装置输入速度渐渐接近怠速基准信号。这个怠速基准信号是根据油门和发动机速度的大小来产生的。这两种运行方式是根据油门的调定来选择的。当油门开度为全开度的25％以上时选定为发动方式，否则选为慢行方式。

该自动离合控制器包括为降低各车辆或车辆运行方式方面细节上的特殊化要求而设的结构。变速装置输入速度基准信号被加到前置滤波器。当选为开动运行方式时，该变速装置输入速度基准信号对应于发动机速度，而当选为慢行方式时，则对应于怠速基准信号。前置滤波器对系统瞬态响应起到整形作用。从前置滤波后变速装置输入速度基准信号减去变速装置输入速度信号的代数和便得到控制误差。该误差信号加到作为频率的函数并具有足够增益的补偿器，以降低对车辆参数的种种变化的系统闭环灵敏度。该补偿器产生一个离合器接合信号，用于以最大限度减小随离合器接合所引起之摆动的方式控制离合器的接合。

该自动离合器控制器最好以由数字式微型控制器执行的离散差分方程来实施。该微型控制器提供了一种补偿器，该补偿器具有近似惯性加载主动轮之反向传递函数的传递函数。该补偿器传递函数包含一个覆盖该传动系统预期摆动响应区的陷波滤波器。该陷波滤波器的频带宽度必须足以覆盖某个频率范围，因为摆动响应频率可随车辆加载和传动系统特性变化而变。该补偿器最好还能在传动系统响应为最小的频率范围内形成一种提升响应特性，以便增大闭环增益并减小对车辆诸特性变化的灵敏度。

该离合器致动控制器最好贮存对应于变速装置各个齿轮传动比的各离散差分方程的系数组。该离合器致动控制器检索对应于所选传动比的系数组。这些被检索出的系数组用在以其他方法作离合器控制的相同离散差分方程中。

该控制器最好包括一误差积分功能，以便当车辆处于开动方式时，在离合器开始部分地接合后的一段予定时间间隔内确保离合器的全接合。变速器输入速度基准信号与变速器输入速度之间的长期差异最终驱使离合器达到全接合。该控制器最好还包括第二积分功能，以便即使在发动机加速情况下也能确保离合器的锁定。

积分功能和第二积分功能最好在发动机速度增加速率处于予定阈值以下时予以禁止。当发动机处于减速时，禁止第一和第二积分功能的电平可为零。阈值检测器根据差分信号去确定何时禁止积分器工作。连接阈值检测器的各个开关使积分能和不能进行。这使得当发动机速度提升率低于阈值时，离合器的提前量减少。通常这种情况只有在重负载下加速时才发生。在此情况下，离合器将继续滑动，使负载缓慢加速直至力矩要求被降到可获得的发动机力矩时为止。然后又允许积分器工作同时离合器又重新开始推进。

该自动离合器控制器还可包括一连到发动机速度传感器的微分器。对应于发动机速度信号变化率的发动机速度微分信号被加到供给离合器致动器的信号上。当发动机速度正在加速时，该微分信号使离合器致动快速推进。在此情况下，离合器的快速推进避免发动机速度的超速。连到微分器的积分器为在发动机速度一旦不再加速时维持发动机速度而贮存所需的离合器致动电平。

本发明的这些和其他目的与特征将在下面结合附图加以描述。附图中：

图1表示包括本发明离合器致动控制器的车辆传动齿轮系的一个示意图；

图2表示离合器接合与离合器转矩之间的典型关系；

图3示出在机动车开动时间内发动机速度与变速器输入速度的理想响应曲线；

图4示出在机动车慢行时间内的发动机速度与变速器输入速度的理想响应曲线；和

图5示出本发明离合器致动控制器的一个最佳实施例。

图1以简略形式示出了包含本发明自动离合器控制器的一辆机动车的传动齿轮系。该机动车包括作为动力源的发动机10。对于最适于应用本发明的那种大卡车而言，发动机10可为狄塞尔内燃机。通常为足操作踏板的油门11通过油门滤波器12控制发动机10的运转。油门滤波器12对油门11收到油门增大一档时加到发动机10的直线上升的油门信号进行滤波。发动机10在发动机轴15上产生转矩。发动机速度传感器13检测发动机轴15的旋转速度。由发动机速度传感器进行转速检测的实际位置可在发动机的飞轮处。发动机速度传感器13最好是一个多齿轮，其齿的旋转为一磁性传感器所检测。

摩擦离合器20包括固定板21和可动板23，该两板能全部或部分接合。固定板21可被发动机飞轮所包含。摩擦离合器20将来自发动机轴15的转矩耦连到对应于固定板21和可动板23间的接合程度的输入轴25。注意，虽然图1仅示出一对固定与可动板，但本领域技术人员懂得离合器20可包括多对这种板。

图2示出一个典型的转矩对离合器位置的函数关系曲线。离合器转矩/位置曲线80在初始接触点81之前的接合范围内的初始段为零。随着离合器接合程度的增大，离合器转矩单调地上升。在图2所示实例中，开始离合器转矩缓慢增大，后来则较陡斜地提升直至在完全接合时的点82达到最大离合器转矩。典型的离合器设计要求：全接合时的离合器最大转矩约为发动机最大转矩的1.5倍。这确保了离合器20能在没有滑移量的情况下传递由发动机10产生的最大转矩。

离合器致动器27被耦连到可动板23，以便控制离合器20从松开位置通过局部接合到全接合。离合器致动器27可为电气的，液压的或气动致动器且可为位置或压力式控制。离合器致动器27根据来自离合器致动控制器60的离合器接合信号而控制离合器的接合程度。

变速器输入速度传感器31检测对变速器30输入的输入轴25的转速。变速器30在换挡移位控制器33的控制下为传动轴35提供可选的传动比。传动轴35耦连到差速器40。变速器输出速度传感器37检测传动轴35的转速。变速器输入速度传感器31和变速器输出速度传感器37最好以发动机速度传感器13的相同方式构成。在本发明的该最佳实施例中，机动车辆为大型卡车，差速器驱动器根本身连到各个车轮51至54的驱动轴41至44。

换档移位控制器33接收来自油门11，发动机速度传感器13，变速器输入速度传感器31和变速器输出速度传感器37的诸输入信号。换档移位控制器33产生用于控制变速器30和耦连到离合器致动控制器60的离合器接合/松开信号的齿轮选择信号。换档移位控制器33最好改变通过变速器30所提供的与油门调定，发动机速度，变速器输入速度和变速器输出速度相适应的最终传动比。换档移位控制器33视摩擦离合器20应为接合还是松开的情况而定，给离合器致动控制器60分别提供接合和松开信号。换档移位控制器还给离合器致动控制器60发出档数信号。该档数信号允许检索出对应于所选档数的系数组。注意，换档移位控制器33并不构成本发明的组成部分故不再作进一步说明。

离合器致动控制器60为离合器致动器27提供离合器接合信号，用以控制可动板23的位置。这一控制过程是控制由离合器20按照图2的离合器转矩/位置曲线80所传递的转矩大小。离合器致动控制器60在换档移位控制器33的控制下运作。离合器致动控制器60一接收到来自换档移位控制器33的接合信号时便控制可动板23从松开到至少局部接合或到全接合的移动。在最佳实施例中，我们的打算是让离合器接合信号指示一个所需的离合器位置。离合器致动器27最好包括将可动板23控制到这一所需位置的闭环控制系统。在给离合器致动器27配置对某一所需压力的闭环控制情况下，也能使离合器接合信号去代表该所需离合器压力。视具体车辆的情况而定，让离合器致动器27以一开环方式操作可能是合理的。离合器致动器27的种种细节并不是本发明的关键，故不再作进一步讨论。

离合器致动控制器60最好在一接收到来自换档移位控制器33的松开信号时便为一个异常骤变的离合器20的松开动作产生一个预定的离合器开环松开信号。可以预料对于离合器20的这种预定的开环松开控制是没有有害摆动响应的。

图3和4示出了车辆从完全停车状态起动的两种情况。图3和4示出了离合器理想接合期间发动机速度和变速器输入速度。图3表示开动情况。图4表示慢行情况。

图3表示从摆脱停车状态开始起动以便以一合理速度进行的开动情况。开始，发动机速度90处于怠速。此后，发动机速度90在图3的时间框内单调地增大。发动机速度90不是增大就是维持在同一速度下。理想的情况是发动机速度90一直增大到由发动机10所产生的转矩与该车辆加速时所需转矩相匹配。在高速公路上这种发动机速度可取怠速与最大发动机速度之间的中间范围内。发动机的这一恒定速度对应于为匹配离合器力矩和传动系统力矩并达到发动机输出转矩和车辆负载转矩之间平衡所需的发动机转矩，这个转矩强度是理想的离合器力矩，因为更高的离合器力矩会使发动机10失速，而更低的离合器力矩会使发动机加速过多。车辆最终会加速到可使离合器20完合接合时的速度。此后，发动机转矩与负载力矩在汽车司机借助油门调定的控制下达到平衡，而离合器致动控制器会继续令离合器全接合。

当车辆停驰和离合器20完全松开时，变速器输入速度100起初为零。这是启动车辆的情况。然而，正如下面要进一步解释的，这一相同技术可用于使车辆行进中换数档时，离合器能平稳接合。这样变速器输入速度起始可为对应于车辆速度的某个值。当离合器20局部接合时，变速器输入速度100增大并逐渐接近发动机速度90。在点101处，变速器输入速度100足够接近于实现离合器20全接合的发动机速度90，而未引起车辆传动系统之转矩柔量。在此点，离合器20是全接合的。此后，变速器输入速度100追随发动机速度90直至换档控制器33选择下一个较高最终传动比时，离合器20被松开为止。该系统最好在车辆未停驰而变速器起始输入速度不为零的情况下也操作。

图4示出慢行情况下的发动机速度与变速器输入速度。在慢行方式下，离合器20必须故意地滑移，为的是使在高于怠速的发动机速度下可得到的发动机转矩与所需转矩匹配。图4示出发动机速度95从怠速提升到一个平稳段值。输入速度105以类似方式从零提高到一个预定值。本例中该预定值小于发动机怠速时的速度。当所需车辆速度意味着变速器输入速度小于最低传动比的急速时，就需要这种慢行方式。当所需车辆速度意味着变速器输入速度高于发动机怠速，同时发动机10在此发动机速度下不能产生所需转矩的情况下也需要这种慢行方式。注意，在静态条件下，发动机速度95和输入速度105之间有一个速度差107。这个差值107代表了这种慢行运行所需的滑移速度。

图5概略示出了离合致动控制器60的控制功能。正如图1中同样示出的，离合器致动控制器60接收来自油门11的油门信号，来自发动机速度传感器13的发动机速度信号和来自变速器输入速度传感器31的变速器输入速度信号。图5所示离合器致动控制器60产生一离合器接合信号，该信号加到离合器致动器27，以操纵摩擦离合器20的动作。虽然图5中未示出，离合器致动程度，连同油门调定，发动机速度和车辆各种性能一起确定了变速器的输入速度—该速度由变速器输入速度传感器31检测并加到离合器致动控制器60。因此，图5中简略示出的控制系统是一个闭环系统。

图5中所示控制作用仅对控制离合器在接触点81和全接合之间的位置是必要的。比对应于触点81的还要小的离合器接合不可能提供力矩传递，因为离合器20此时是完全松开的。离合器致动控制器60最好包括探测对应于触点81的离合器位置的某些手段。这类侧定技术是本领域的已知技术。仅仅作为一个实例，触点81处的离合器位置可用下法测定：将变速器30置于空档位置，再使离合器20趋于接合，直到变速器输入速度传感器31首次探测到旋转时为止。离合器致动控制器60最好在一接到来自换档移位控制器33的接合信号时便使离合器20快速推进到相应于触点81的某一点。这就是将触点81设定为离合器接合控制的零点。此后，离合器的接合便受图5所示的控制功能所控制。

离合器致动控制器60最好借助微型控制器电路来实现。相应于发动机速度，变速器输入速度和油门调定的输入量均必需为数字形式的。这些输入信号最好在与该微型控制器之操作速率相一致并快到足以提供所需控制的速率下进行取样。如先前已提到过的，最好经由多齿轮来探测发动机速度，变速器输入速度和变速器输出速度，而多齿轮的齿转数由磁性传感器检测。由该磁性传感器测到的脉冲序列杜预定时间间隔内进行计数。各计数值正比于所测得的速度。为正确控制，当车辆向后移动时，变速器输入速度信号的符号必须是负的。检测输入轴25的旋转方向的某些方法是必要的。但这种方向检测技术是常规的故无需进一步说明。油门调定最好借助诸如电位器之类的模拟传感器来检测。这个油门模拟信号经一模/数变换器转换为数字式，以供微型控制器使用。微型控制器借助以本领域的一种已知方式的离散差分方程执行图5所示的过程处理。所以图5所示的控制过程应该被认为是一种对体现本发明的微型控制器如何编程的指示而不是对分立硬件的表示。若容量足够并经适当编程，则用同一台微型控制器既充当离合器致动控制器60又充当换档移位控制器33是可行的。我们相信Intel80c196型微控制器有足够的计算容量去供作这种方式的控制器之用。

从油门11接收到的油门信号被加到开动/慢行选择器61和加到怠速基准器62。开动/慢行选择器61根据油门信号判定以开动方式运行还是以慢行方式运行。在本发明的最佳实施例中，开动/慢行选择器61在油门信号指示其大于全油门调定的25％的情况下选择开动方式。在其他情况下，开动/慢行选择器61选择慢行方式。

怠速基准器62接收油门信号和发动机速度信号并产生怠速基准信号。该怠速基准信号由下式确定 $R_{\mathrm{crp}}=E_{\mathrm{sp}}\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}----\left(1\right)$ 式中：R_crp为怠速基准信号；E_sp为被测得的发动机速度；T为油门信号；和T_ref是对应25％全开度油门的油门信号的油门基准常数。怠速基准信号是发动机速度信号与实际油门开度对25％油门全开度之比值的乘积。在油门调定大于全油门开度的25％的情况下无需怠速基准信号，因为此时可用的是开动方式而不是慢行方式。注意：该怠速基准信号使速度基准信号是连续不断的，即使在开动方式与慢行方式之间切换也是如此。因此，在油门调定的种种变化引起在两种方式之间转换时不会导致不稳定性。

方式选择开关63确定离合器致动控制器60的操作方式。方式选择开关63接收由开动/慢行选择器61所作出的方式选择决定。方式选择开关63取决于开动/慢行选择器61确定的方式，不是选择发动机速度信号，就是选择怠速基准信号。在选择开动方式的情况下，方式选择开关63选择发动机速度供控制之用。这样，在开动方式下，离合器接合所受到的控制是使变速器输入速度与发动机速度匹配的控制。在选择慢行方式的情况下，方式选择开关63选择怠速基准信号以供控制之用。在慢行方式下，离合器接合受到使变速器输入速度与怠速基准信号相符的控制。这相当于控制离合器接合，以使实际离合器滑移与所需滑移速度相适配。无论在哪种运行方式下，速度基准信号就是变速器输入速度的基准。

如上已指出，方式选择开关63选择速度基准信号供控制之用。离合器致动控制器60包括一种积分功能。在代数求和器64中，从方式选择开关63所选的速度基准信号减去来自变速器输入速度传感器31的变速器输入速度。不管转矩阈值检测器75和开关76和77，积分器65对此差值信号进行积分，该差值信号是来自方式选择开关63的所需变速器输入速度与测得的变速器输入速度之间的误差。积分后的差值信号被加到代数求和器67和第二积分器66。积分器66对该误差积分值进行积分，从而形成该误差的二重积分。代数求和器67将来自方式选择开关63的速度基准信号与来自积分器65的积分误差值和来自积分器66的该误差的二重积分值求和。

代数求和器67将该输入加到前置滤波器68。前置滤波器68用于对自动离合器控制器60的闭环瞬态响应进行整形。对瞬态响应进行整形的目标是使输入速度达到渐近基准速度的程度。前置滤波器68的特性及其确定方式将在下面进一步说明。

来自前置滤波器68的前置滤波后信号被加到代数求和器69。代数求和器69还接收来自变速器输入速度传感器31的测得的变速器输入速度信号。代数求和器69产生前置滤波器68的前置滤波后信号与变速器输入速度之差值。该差值加到补偿器70。补偿器70包括一个车辆对转矩输入量的转矩摆动响应的近似反模型(inverse model)。补偿器70包括一个为减小由于车辆传动系统中的传递函数的各种变化所引起的离合器致动控制器60的闭环响应特性变化而选定的增益对频率的函数。对补偿器70的传递函数的确定将在下面作进一步描述。

在离合器接合信号中通过发动机速度微分信号而产生一个前馈信号。该发动机速度信号适宜经由低通滤波器72进行滤波而减小微分信号中的噪音。微分器73产生与发动机速度变化率成比例的微分信号。该发动机的速度微分信号及其由积分器74产生的积分信号被加到代数求和器71。代数求和器71将补偿器70的输出，来自微分器73的发动机速度微分信号和来自积分器74的积分信号相加而产生离合器结合信号。离合器致动器27运用该离合器接合信号控制离合器的接合程度。

所述前馈信号使离合器致动控制器60在发动机速度正在加速时有较好的响应。在发动机加速状态下，前馈信号使离合器20的快速接合能与发动机的加速率成比例。在传动系统力矩建立之前的油门全开度状态下，发动机速度可迅速增大。这是因为在没有这种前馈响应的情况下，同发动机峰值速度响应相比，离合器致动控制器60的响应速度是低的。借助这种前馈响应，发动机的快速加速导致离合器的接合比不用此法时更快。该离合器的辅助结合由于需从发动机获取额外转矩而往往抑制了发动机速度的增高。当发动机速度达到一恒定值时，微分项减小至零，积分器74维持为限制发动机速度所需的离合器的接合。该控制作用的其余部分则为使变速器输入速度渐近趋向于基准速度而起作用。

在前置滤波器68的输入信号中设置积分和二重积分信号起到了确保车辆运行在开动方式时的离合器锁定作用。二次积分使发动机即使处于加速中也能保证离合器的锁定。积分器65和66的积分速率可通过相应积分系数K₁₁和K₁₂得到调整。由方式选择开关63所选的速度基准准信号与变速器输入信号之间任何长期差异的存在均会产生一增大的积分信号。任何这种积分信号用于激励离合器接合信号趋于离合器wg接合。这确保了车辆在开动方式下随着其起动后的在某一最大予定时间离合器20达到点101处的全接合状态。在慢行方式下，积分器65和66确保了怠速基准信号与变速器输入信号之间不会存在长期误差。

当发动机速度增长率在预定阈值以下时，最好禁止该积分功能和二次积分功能。当发动机减速时，禁止第一和第二积分作用的这个电平可能为零。阈值检测器75根据微分信号判定何时去禁止积分器65和66。就当前发动机速度和车辆转矩要求而言，一旦离合器过快接合一般便会使发动机的速度增长率减到阈值以下。开关76和77为常闭开关，正常时允许积分器65和66工作。若由微分器73产生的发动机速度变化率低于阈值检测器75的阈值时，则阈值检测器75断路。这使开关76和77打开，从而禁止积分器65和66再积分。由积分器65和66引起的离合器辅助推进中断了。在此情况下，离合器会在某一静态位置停留一段时间。这使发动机输出转矩与车辆的负载转矩之间能达到转矩平衡。这一转矩平衡势必会使发动机10维持在某一恒定速度下。这通常在车辆经历较长时间的加速，而处于高负载状态的情况下发生。经由离合器20传递到车辆负载的发动机转矩势必加速该车辆。在积分器65和66被禁止工作的那段时间内，离合器锁定被延迟。在这些状态下，若车辆加速到使变速器输入速度达到发动机速度的某个足够高速度时，仍可发生离合器锁定。当车辆负载使发动机速度变化率能再次超过阈值时，则积分器65和66又能被允许工作。这使积分器65和66能激励离合器接合信号以便锁定离合器。注意：在积分器65和66被禁止的那段时间内离合器锁定被延迟，但通过加大油门可缩短锁定离合器的这段时间间隔。加大油门给发动机提供了附加转矩，使发动机速度能增大并使积分器重新能工作。

积分器65和66的这种转换提供了适宜的离合器接合。在发动机加速状态下，离合器接合是迅速的，这一情况一般只在车辆轻负载期间发生。在车辆重负载状态下，离合器的全接合是延迟进行的，以防止发动机失速。因此这一技术是对发动机进行加速时使离合器迅速接合的前馈技术的补充。

前置滤波器68和补偿器70执行离合器致动控制器60中的相差和互补功能。前置滤波器68和补偿器70的传递函数如下确定。补偿器70的传递函数是为降低该闭环传递函数对传动系统参数变化的灵敏度而选定。这是通过提供作为频率函数的足够大环路增益而实现的。若闭环传递函数H(ω)相对于传动系统的传递函数G(ω)的灵敏度是

，则 $S_{G\left(\mathrm{\ω}\right)}^{H\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{1}{(1+C\left(\mathrm{\ω}\right)G\left(\mathrm{\ω}\right))}-------\left(2\right)$ 其中C(ω)为补偿器70的传递函数。对此关系式的检验表明：通过增大补偿器增益，可人为地将灵敏度

减小至零。由于稳定性和噪声等问题使补偿器的最大增益实际受到限制。因此，补偿器70的传递函数C(ω)在所有频率ω上都选得足够高，以便将闭环传递函数的种种变化(偏差)限制到作为设计准则所设定的某个可接受的程度。

补偿器70包括一个近似于转矩摆动响应的反模型。在可应用本发明的一个典型重型卡车中，传动系统的转矩柔量使传动系统传递函数具有一对范围可从2至5Hz的稍微衰减的极点(poles)。该精确值取决于车辆诸参数值。补偿器70的反向响应形成了这些极点区域内的一个陷波滤波器。该陷波器的频带宽度足以覆盖所期望的车辆频率响应的范围。这频带最好达到采用两对零点，即其频率分布在车辆响应的整个频率范围内。于是补偿器70在车辆响应的这些顶点频率范围内提供若干复合零点(complex zeros)，以衰减摆动响应。一般载重卡车也包括在频率从1至2Hz的范围内的一对复合零点。这些复合零点必然降低系统环路增益并因而使系统对该频率范围内的车辆诸特性的变化更为敏感。补偿器70最好在此频率范围内产生一对复合顶点，以增大环路增益并降低对车辆特性变化的灵敏度。这样，该闭环系统的总响应具有高度衰减的本征值，形成一个甚少摆动的系统。

前置滤波器68用来可靠地获得所需闭环瞬态响应。如果设有前置滤波器68，该闭环系统的传递函数为： $H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{C\left(\mathrm{\ω}\right)G\left(\mathrm{\ω}\right)}{(1+C\left(\mathrm{\ω}\right)G\left(\mathrm{\ω}\right))}-----\left(3\right)$ 式中C(ω)为补偿器70的传递函数，G(ω)为传动系统的传递函数。对补偿器70的上述所示特征的设计仅考虑了降低对传动系统响应G(ω)的变化的灵敏度。这往往导致一个具有不适当时间响应的闭环响应H(ω)。该设计的目的是为获得变速器输入速度对发动机速度的渐近收敛而致动离合器20。用前置滤波器68时，该传递函数H(ω)为： $H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F\left(\mathrm{\ω}\right)C\left(\mathrm{\ω}\right)G\left(\mathrm{\ω}\right)}{(1+C\left(\mathrm{\ω}\right)G\left(\mathrm{\ω}\right))}-----\left(4\right)$ 式中F(ω)是前置滤波器68的传递函数。前置滤波器68是一低通滤波器，其通带与设计的渐近收敛速率有关。

上述对前置滤波器68和补偿器70之响应特性的概略确定与Horowitz的定量反馈理论相符。该理论在1982年11月IEE科研报告集129卷PJ.d，no.6中由I.M.Horowitz所著“定量反馈理论”一文中得到证明。对前置滤波器68和补偿器70之响应的这种选择，结果产生一个健壮的系统，也就是说，能对广泛变化的车辆状态作出适当响应的系统。

正如上面已提到过，图5的各组成部分最好通过一台微型控制器中的离散差分方程来实施。在最佳实施例中，前置滤波器68之输出P1的第i个值由下式给定。

P₁＝K_p1I_i-1+K_p2I_i+K_p3P_i-1+K_p4P_i-2        (5)式中I_i是前置滤波器输入的当前值；I_i-1是前置滤波器输入的紧接的前值；P_i-1是前置滤波器输出的紧接前值；P_i-2是前置滤波器输出的下一个前值；式中K_pn是系数，以K_p1＝0.00015，

K_p2＝0.00015，K_p3＝1.9677和K_p4＝-0.9860。

补偿器70的离散差分方程最好以三级形式实施。这使补偿器系数对该过程的16位整体数字执行而言，有足够少的有效数字。第一个中间变量的第i个值Fl_i由下式给定

F1_i＝k_C1C_i+k_C2C_i-1+k_C3C_i-2+k_C4F1_i-1+k_C5F1_i-2    (6)式中：C_i是补偿器输入的当前值；C_i-1是补偿器输入的紧接前值；C_i-2是补偿器输入的下一个前值；F1_i-1是第一中间变量的紧接前值；F1_i-2是第一中间变量的下一前值；和其中k_cn是以k_C1＝0.667，k_C2＝-1.16，k_C3＝0.5532，k_C4＝1.482，和k_C5＝-0.5435，的诸系数。注意：接续的补偿器输入值C是从前置滤波器输出和变速器输入速度之间的接续差值计算得来的。第二中间变量的第i个值F2_i由下式给定：

F2_i＝k_C6F1_i+k_C7F1_i-1+k_C8F1_i-2+k_C9F2_i-1+k_C10F2_i-2    (7)式中：F1_i是第一中间变量的当前值；F1_i-1是第一中间变量的紧接前值；F1_i-2是第一中间变量的下一个前值；F2_i-1是第二中间变量的紧接前值；F2_i-2是第二中间变量的下一前值；其中k_cn是以k_C6＝0.2098，k_C7＝-0.39，k_C8＝0.189，k_C9＝1.8432和k_C10＝-0.8518的诸系数，最后，补偿器输出O_i的第i个值为：

O_i＝k_C11F2_i+k_C12F2_i-1+k_C13O_i-1    (8)式中：F2_i是第二中间变量的当前值；F2_i-1是第二中间变量的紧接前值；O_i-1是补偿器输出的紧接前值；其中k_cn是以k_C11＝0.25，k_C12＝-0.245和k_C13＝0.995的诸系数。

本发明可有利地用于跟随换档移位的离合器的再接合。在该情况下，要采用如图5所示的相同控制处理过程，该过程包括以上列举的前置滤波器68和补偿器70的诸离散差分方程。其换档移位控制过程不同于前面对系数k_p1至k_p4和k_C1至k_C13选择方面的说明。根据来自换档移位控制器33的档信号，这些系数k_n的某特定数组可从系数存储器78检出。该所选的系数组还可包括用于积分器65，66和74的积分系数，以及用于滤波器72和微分器73的系数。本发明的其他方面的操作可与以上所描述的过程相同。

本发明的控制处理过程就车辆响应方面的变化而言是强壮的。我们相信：本文所说明的自动离合控制器不仅能操纵在单辆车内的车辆加载上的变化，而且能控制不同车辆间发动机、离合器和传动系统的摆动响应不同组合之间的响应变化。因此，本发明的自动离合器控制器对特定车辆不必特殊化。所以，本发明自动离合器控制器对各种车辆均是易于制造的。

Claims (26)

1.组合于一系统中的自动离合控制器，该系统还包括：动力源(10)，有一连到该动力源之输入轴(15)和一输出轴(25)的摩擦离合器(20)，和连接到摩擦离合器之输出轴具有对转矩输入呈现摆动响应之转矩柔量的至少一个惯性加载主动轮(51)，所述自动离合控制器包括：

连接到所述动力源的发动机速度传感器(13)，用于产生一个对应于该动力源之转速的发动机速度信号；

连到所述发动机速度传感器的一个基准速度发生器(61-63)，用于产生一基准速度信号；

连到所述摩擦离合器之输出轴的变速器输入速度传感器(31)，用以产生对应于所述摩擦离合器之输出轴转速的变速器输入速度信号；

连接到所述摩擦离合器的离合器致动器(27)，用于根据一离合器接合信号控制摩擦离合器从松开到完全接合的接合过程；和

连接到所述基准速度发生器，所述变速器输入速度传感器和所述离合致动器的控制器(64-78)，该控制器包括：

连到所述基准速度发生器的前置滤波器(68)，用以产生一滤波后基准速度信号；

连到所述变速器输入速度传感器和所述前置滤波器的第一代数求和器(69)，用以产生对应于所述滤波后基准速度信号和所述变速器输入速度信号之间之差值的第一代数和信号，和

连到所述第一代数求和器的补偿器(70)，用以产生所述离合器接合信号，以便加到所述离合器致动器，从而以使所述变速器输入速度信号渐近所述基准速度信号的方式接合该摩擦离合器。

2.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：

所述补偿器(70)具有包含一陷波滤波器的传递函数，该陷波滤波器的频带在对至少一个惯性加载主动轮(51)之转矩输入摆动响应的所期望频率范围内，从而使所述补偿器减小了对至少一个惯性加载主动轮之转矩输入的摆动响应。

3.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述补偿器(70)所具有的传递函数含有在所述期望频率范围内的一个增益提升区，在该区内，对至少一个惯性加载主动轮(51)之转矩输入的期望响应为最小，借此所述补偿器增大了环路增益且维持降低了的所述控制器对至少一个惯性加载主动轮之转矩输入响应变化的灵敏度。

4.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述前置滤波器(68)是一个低通滤波器，该滤波器具有为提供从变速器输入速度信号到所述基准速度信号中的一个 跃函数的所需瞬态响应而选择的截止频率。

5.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述控制器还包括：

连到所述基准速度发生器和所述变速器输入速度传感器的第二代数求和器(64)，因以产生对应于所述基准速度信号和所述变速器输入速度信号之间之差值的第二代数和信号，

连到所述第二代数求和器的第一积分器(65)，用以产生对应于所述第二代数和信号之时间积分的第一积分信号，和

连到所述基准速度发生器和所述第一积分器的第三代数求和器(67)，用以产生对应于所述基准速度信号和所述第一积分信号之和的第三代数和信号，所述第三代数和信号被加到所述前置滤波器，从而将所述前置滤波器通过所述第三代数求和器，连到所述基准速度发生器。

6.如权利要求5所述的自动离合器控制器，其特征在于：

所述控制器还包括：

连到所述第一积分器(65)的第二积分器(66)，用于产生对应于所述第一积分信号之时间积分的第二积分信号，和

所述第三代数求和器(67)还连到所述第二积分器，用以产生对应于所述基准速度信号；所述第一积分信号和所述第二积分信号三者之和的所述第三代数和信号。

7.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述控制器还包括：

连到所述发动机速度传感器(13)的微分器(73)，用以产生对应于所述发动机速度信号变化率的微分信号，和

连到所述补偿器和所述微分器的第四代数求和器(70)，用以产生对应于所述补偿器之输出和所述微分信号之和的所述离合器致动信号。

8.如权利要求7所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述控制器还包括：

配置于所述发动机速度传感器和所述微分器之间的一个低通滤波器(72)。

9.如权利要求7所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述控制器还包括：

连到所述微分器的第三积分器(74)，用以产生对应于所述微分信号之时间积分的第三积分信号，和

所述第四代数求和器(71)还连到所述第三积分器，并产生对应于所述补偿器输出，所述微分信号和所述第三积分信号之和的所述离合器致动信号。

10.如权利要求9所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述控制器还包括：

连到所述基准速度发生器和所述变速器输入速度传感器的第二代数求和器(64)，用以产生对应于所述基准速度信号和所述变速器输入速度信号之差的第二代数和信号，

连到所述微分器的阈值检测器(75)，用以判定所述微分信号是否小于某一预定阈值，

连到所述第二代数求和器和所述阈值检测器的第一开关(76)，用以产生第一开关输出，该输出当所述阈值检测器测得所述微分信号是小于所述预定阈值时，则等于零和否则，对应于所述第二代数和信号，

连到所述第一开关的第一积分器(65)，用以产生对应于所述第一开关输出的时间积分的第一积分信号，和

连到所述基准速度发生器和所述第一积分器的第三代数求和器(67)，用以产生相应于所述基准速度信号和所述第一积分信号之和的第三代数和信号，所述第三代数和信号被加到所述前置滤波器，以而将所述前置滤波器经所述第三代数求和器连到所述基准速度发生器。

11.如权利要求10所述的自动离合器控制器，其特征在于：其中所述阈值检测器的所述预定阈值为零。

12.如权利要求10的所述自动离合器控制器，其特征在于：所述控制器还包括：

连到所述阈值检测器和所述第一积分器的第二开关(77)，用于产生第二开关输出，该输出信号在所述阈值检测器测定所述微分信号是小于所述预定阈值时等于零和在其他情况下对应于所述第一积分信号，

连到所述第二开关的第二积分器(66)，用以产生相应于所述第二开关输出之时间积分的第二积分信号，和

所述第三代数求和器(67)还被连到所述第二积分器，用以产生对应于所述基准速度信号，所述第一积分信号和所述第二积分信号之和的所述第三代数和信号。

13.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：

所述基准速度发生器(61-63)被连接到所述发动机速度传感器(13)并产生对应于所述发动机速度信号的所述基准速度信号；和

所述补偿器(70)产生所述离合器接合信号，用以在开始局部接合之后的一段预定时间间隔内完全接合该摩擦离合器。

14.如权利要求1的所述自动离合器控制器，其特征在于：

所述补偿器(70)产生表示离合器所需位置的所述离合器接合信号；和

所述离合器致动器将摩擦离合器的位置控制到对应于由所述离合器接合信号所指示的离合器所需位置。

15.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：

所述补偿器(70)产生指示离合器所需压力的所述离合器接合信号；和

所述离合器致动器将摩擦离合器的压力控制到相应于由所述离合器接合信号所指示的离合器所需压力。

16.如权利要求1所述的自动离器合控制器，其特征在于：所述系统还包括用于控制由动力源产生之转矩的油门(11)，所述自动离合器控制器还包括：

连到所述油门的油门传感器(11)，用以产生指示油门位置的油门信号；和

所述基准速度发生器(61-63)被连到所述发动机速度传感器和所述油门传感器，用以产生对应于所述发动机速度信号和所述油门信号的所述基准速度信号。

17.如权利要求16所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述基准速度发生器产生如下的所述基准速度信号： $S_{\mathrm{ref}}=E_{\mathrm{sp}}\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}$

式中：S_ref为基准速度信号；E_sp为所述发动机速度信号；T为所述油门信号；和T_ref为相当于某一预定油门位置之油门信号的油门基准常数。

18.如权利要求1所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述系统还包括一个油门(11)，用以控制由动力源所产生之转矩，所述自动离合器控制器还包括：

连到油门的油门传感器(11)，用以产生表示油门位置的油门信号；和

所述基准速度发生器(61-63)还被连到所述油门并包括：

连到所述油门传感器的一开动/慢行选择器(61)，用以根据所述油门信号的幅度，选择开动方式或慢行方式，

连到所述发动机速度传感器和所述油门传感器的一个怠速基准发生器(62)，用以产生对应于所述发动机速度信号和所述油门信号的怠速基准信号，和

连到所述发动机速度传感器，所述开动/慢行选择和所述怠速基准发生器的方式选择开关(63)，用以选择性地产生若选择所述开动方式时，对应于所述发动机速度信号和若选择慢行方式时，对应于所述怠速基准信号的基准速度信号。

19.如权利要求18所述的自动离合器控制器，其特征在于：

所述基准速度发生器中的所述开动/慢行选择器在所述油门信号指示大于一预定油门位置之某一油门位置时，选择所述开动方式，并在其他情况下选择所述慢行方式。

20.如权利要求19所述的自动离合器控制器，其特征在于：所述基准速度发生器中，所述开动/慢行选择器的所述预定油门位置是油门全开度的25％处。

21.如权利要求18所述的自动离合器控制器，其特征在于：

所述基准速度发生器中的所述怠速基准发生器产生如下所述怠速基准信号， $S_{\mathrm{ref}}=E_{\mathrm{sp}}\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}$

其中：S_ref是怠速基准信号，E_sp是所述发动机速度信号；T是所述油门信号，和T_ref是相当于所述预定油门位置之油门信号的油门基准常数。

22.组合于一系统中的自动离合器控制器，该系统包括：动力源(10)，用于控制由该动力源产生之转矩的油门(11)，有一连到动力源的输入轴(15)和一输出轴(25)的摩擦离合器(20)，和至少一个连到摩擦离合器之输出轴具有对转矩输入呈现摆动响应之转矩柔量的惯性加载主动轮(51)，所述自动离合器控制器包括：

连到所述油门的油门(11)传感器，用于产生指示油门位置的油门信号；

连到所述动力源的发动机速度传感器(13)，用以产生对应于动力源之转速的发动机速度信号；

连到摩擦离合器之输出轴(25)的变速器输入速度传感器(31)，用以产生对应于摩擦离合器之输出轴转速的变速器输入速度信号；

连到摩擦离合器的离合器致动器(27)，用以根据离合器接合信号控制摩擦离合器从松开至完全接合的接合动作；和

连到所述油门传感器和所述发动机速度传感器的基准速度发生器(61-63)，该发生器包括：

连到所述油门传感器的开动/慢行选择器(61)，用以根据所述油门信号的幅度，选择开动方式或慢行方式；

连到所述发动机速度传感器和所述油门传感器的怠速基准发生器(62)，用以产生对应于所述发动机速度信号和所述油门信号的怠速基准信号，和

连到所述发动机速度传感器，所述开动/慢行选择器和所述怠速基准发生器的方式选择开关(63)，用以产生速度基准信号，该基准信号在选择所述开动方式时对应于所述发动机速度，而在选择所述慢行方式时对应于所述怠速基准信号，以及

连到所述基准速度发生器，所述变速器输入速度传感器和所述离合器致动器的一个控制器(64-78)该控制器包括：

连到所述基准速度发生器的前置滤波器(68)，用以产生滤波后基准速度信号，

连到所述变速器输入速度传感器和所述前置滤波器的第一代数加法器(69)，用以产生对应于所述滤波后速度基准信号和所述变速器输入速度信号之差的第一代数和信号，和

连到所述第一代数加法器的补偿器(70)，用以产生供给所述离合器致动器的所述离合器接合信号，以使以一种使所述变速器输入速度信号渐近所述基准速度信号的方式接合所述摩擦离合器。

23.组合于一系统中的自动离合器控制器，该系统包括一动力源，具有连到动力源之输入轴和一输出轴的摩擦离合器，一个变速器，该变速器有一连到摩擦离合器之输出轴的输入轴并对一输出轴提供可选的传动比，和连到具有对转矩输入，呈现摆动响应之转矩柔量的变速器输出轴的至少一个惯性加载主动轮，所述自动离合器控制器包括：

连到变速器的换档移位控制器(33)，用以控制由变速器所选的传动比；

连到动力源的发动机速度传感器(13)，用以产生对应于动力源之转速的发动机速度信号；

连到所述发动机速度传感器的基准速度发生器(61-63)，用以产生基准速度信号；

连到变速器输入轴的变速器输入速度传感器(31)，用以产生对应于摩擦离合器输出轴之转速的变速器输入速度信号；

连到摩擦离合器的离合器致动器(27)，用以根据离合器接合信号控制摩擦离合器从松开到全接合的接合过程；和

连到所述换档移位控制器，所述基准速度发生器，所述变速器输入速度传感器和所述离合器致动器的一个控制器(64-78)，所述控制器借助由一微型控制器执行的离散差分方程实现并包括：

用于贮存多个系数组的系数存储器(70)，一组系数对应于变速器的每一可选的传动比，

第一代数加法器(64)，用以产生对应于所述基准速度信号和所述变速器输入速度信号之差的第一代数和信号，

连到所述系数存储器和所述基准速度发生器的前置滤波器(68)，用以产生滤波后基准速度信号，所述前置滤波器以运用从对应于变速器传动比的所述系数存储器检出的一组系数的离散差分方程的方式实现，

连到所述变速器输入速度传感器和所述前置滤波器的第二代数加法器(69)，用以产生对应于所述滤波后基准速度信号和所述变速器输入速度信号之差的第二代数和信号，以及

连到所述系数存储器和所述第二代数加法器的补偿器(70)，用以产生一离合器接合信号，以便加到所述离合器致动器，以使所述变速器输入速度信号渐渐接近所述基准速度信号的方式接合摩擦离合器，所述补偿器以采用从对应于变速器传动比的所述系数存储器检出的一组系数的离散差分方程的形式实现其功能。

24.如权利要求22或23的所述自动离合器控制器，其特征在于：

所述补偿器具有包含一陷波滤波器的传递函递，该陷波滤波器的频带处在对至少一个惯性加载主动轮之转矩输入的摆动响应的所期望频率范围内，从而使所述补偿器减小了对至少一个惯性加载主动轮之转矩输入的摆动响应。

25.如权利要求22或23的所述自动离合器控制器，其特征在于：

所述补偿器的传递函数具有在频率范围内的一个增益提升区，在该区内，对至少一个惯性加载主动轮之转矩输入的期望响应为最小，借此，所述补偿器增大了环路增益并维持降低了的所述控制器对至少一个惯性加载主动轮之转矩输入响应变化的灵敏度。

26.如权利要求22或23的所述自动离合器控制器，其特征在于：

所述基准速度发生器被连接到所述发动机速度传感器并产生与所述发动机速度信号成比例的所述基准速度信号；和

所述补偿器包括：产生所述离合器接合信号的积分功能，以便在开始部分接合之后的一段预定时间间隔内使摩擦离合器达到全接合。

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