气动技术是以压缩空气为工作介质,进行能量与信号传递的工程技术。气动技术具有成本廉价、较高的功率重量比、清洁无污染、设计简单、维护和使用方便等优点,并且还具有防燃、防爆、防电磁干扰等独特的优势,为电控气动机械式自动变速器(Automated manual transmission, AMT)的开发提供十分有利的支持。然而由于气动系统具有很多不利于精确控制的弱点,如气体本身固有的可压缩性、低刚度和低阻尼特性、气体通过阀口流量的非线性、气缸等执行器复杂的摩擦力特性等,使得电控气动式AMT换挡控制的效果不如电控液压式AMT理想,因此其发展受到限制。近年来微电子技术的飞速发展,各类性价比较高的气动控制阀、执行元件和传感器不断涌现,各种控制算法的不断提出,使得电-气比例/伺服控制技术取得了很大的进步,很大程度上拓宽了气动技术的应用范围,这使得电控气动式AMT高精度伺服控制的成功研发成为可能。本论文有七个章节,各章节分述如下：第一章,详细介绍了AMT技术国内外的研究现状,指出AMT研究的关键技术在于离合器的控制。由于采用压缩空气来驱动离合器执行器,故着重介绍AMT的气动相关技术的研究现状。最后概述了本课题的研究意义、研究难点以及主要研究内容。第二章,分析了AMT系统各工作阶段的动力学模型,研究了影响换挡品质的主要因素,确定了AMT气动伺服控制的关键阶段；建立了AMT气动系统非线性模型(阀口流量模型、腔内气体热力学模型以及气缸摩擦力模型),为后面控制器设计做准备；通过实验测试,确定模型中的各参数值以及PWM控制的开关阀的占空比与流量的关系；提出了离合器负载特性测试的新方法,为实现高精度的AMT气动伺服控制奠定基础。第三章,为了避免气缸运动过程中出现爬行现象,试验分析了节流口声速流导、外作用力、供气压力以及进气腔初始体积在实际应用中对气缸爬行的影响。通过对爬行现象的分析及现有的研究提出爬行判据,以此判据为依据设计不同工况下的临界爬行试验。对试验曲线进行观察,发现气缸最终趋于匀速运动。通过对临界爬行试验数据进行多项式曲面拟合,得到以供气压力、节流口声速流导以及外作用力为参数的气缸爬行经验判别函数式。为了验证其有效性和可行性,对另一个同型号的气缸进行多次试验,结果表明：该经验判别函数式能有效的预测不同供气压力、节流口声速流导及外作用力下同型号气缸是否产生爬行现象,以此指导实际工程应用。第四章,为了研究阀控缸气动系统在遭受迟滞影响的不确定的变刚度(存在负刚度阶段)的大负载力作用下运动轨迹的跟踪,采用对干扰和系统不确定性具有很强鲁棒性的滑模控制算法并以此为基石,首先提出一种不基于模型的滑模控制算法,通过开关阀直接实施滑模控制律而不通过脉宽调制来跟踪参考的轨迹信号。通过气压驱动力间接估算负载力的特性,理论上采用此方法间接估计到的值误差小,更加贴近在此种轨迹运动下真实的负载力特性。随后,对估计出的负载力进行数学建模为后续采用基于模型的滑模控制算法控制运动轨迹的跟踪做好准备。由于负载力存在负刚度阶段,低刚度系统对外界扰动力的抵抗是很弱的。为了进一步提高此气动系统的轨迹跟踪精度,不仅提出了运动轨迹和刚度最大化同时控制的思想,也在研究了自适应鲁棒控制算法后提出了改进自适应鲁棒控制的算法。最后,通过试验证明了上述的气动系统轨迹跟踪伺服控制策略的有效性。第五章,为了实现AMT离合器气动伺服控制——快速的分离和光滑的接合,有必要研究离合器执行器的气动伺服控制。阀控缸气动系统运动轨迹跟踪控制的研究已经在上一章中呈现。在上一章研究中提到气动系统高精度伺服控制的实现需要依靠要求系统全状态信息的基于模型的非线性控制技术。然而,出于成本的考虑,AMT系统中不使用压力传感器,故腔内压力状态信息是未知的。为了解决这一问题,一个代替压力传感器的非线性的全局压力观测器在本章被提出。它是负载独立的且在李雅普诺夫意义上是稳定的。通过试验分析并选择合适的压力观测器的多变指数。最后,本章提出一个基于全局压力观测器的复合滑模控制器,并引入运动和刚度最大化同时控制。广泛的试验表明所提出的基于压力观测器的控制器是可行的有效的。第六章,根据前面第四章节和第五章节的研究,为了使AMT在不使用压力传感器情况下通过气动伺服控制完成换挡过程,挡位的切换控制采用不基于模型的滑模控制算法；离合器的分离、接合控制采用提出的基于压力观测器的复合滑模控制策略,其中离合器的分离阶段采用不基于模型的滑模控制而在离合器完全分离后采用的是所提出的运动和刚度最大化同时控制的策略。基于分层的控制思想,为离合器和挡位协同控制下完成换挡任务,设计了AMT换挡气动伺服控制器。其核心思想是在明确目标挡位的基础上,根据离合器和挡位各自自身所处的阶段,相对独立的完成各自的控制活动。最后,通过实验证明所提出的AMT换挡气动控制策略的有效性。第七章,总结了本论文的主要工作、研究结论以及创新点,并展望了后续的进一步研究。