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摘 要：离合器位移控制是AMT（机械式自动变速箱，automatic manual transmission）控制的重点和难点。离合器负载特性具有严重非线性，离合器执行器系统内部存在摩擦阻力增加离合器系统的滞环误差，加上商用车通常采用气体作为AMT执行器的驱动源，而气体具有相当的可压缩性，这些都给离合器位移精确控制增添了难度。本文以某六档AMT的离合器系统为研究对象，对离合器分离接合特性进行分析，提出了一种离合器位移PID补偿控制算法，并借助台架测试及试验样车测试进行了验证。试验表明该补偿控制算法能提高离合器控制精度，具有良好的鲁棒性。
关键词：AMT；离合器位移控制；PID；补偿算法
中图分类号：U463.211 .2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）05-0016-05
Abstract： Clutch position control is the difficult and key point of AMT （ automatic manual transmission ） control strategy . The clutch operating load is nonlinear ， the friction of the components of operating system lead to hysteresis loop ， and the commercial vehicle always use the compressed gas as driver source ， but the gas is compressibility， all of these cause more trouble of clutch control . The paper studies the clutch system in a six gear truck and analysis of the disengage and engage characteristics ， then presents PID compensation control strategy and have test in a clutch bench and test truck .test results show that the compensation control strategy can improves the control accuracy of the clutch position and have good robustness .
引言
机械自动变速器（AMT）由于其结构简单，传动效率高，成本低，适合在传统变速箱基础上做升级改进，国内外研究机构对其展开了深入研究[1]。由于离合器控制需要准确判断驾驶员意图，并适应各种路况，还需满足乘坐舒适性、离合器磨损少、发动机不熄火等要求，因此离合器的位移控制是AMT控制的核心和难点[2]。AMT离合器执行器的主要驱动方式有气动，电机驱动，液力驱动等，气动离合器执行器由于其结构简单，成本低廉，在国外的中重型卡车上得到了广泛应用，本文也采用了气动控制方式。但离合器负载具有非线性特性，执行器系统摩擦引起滞环差异，以及气体的可压缩性，这些因素都给离合器位置准确控制带来了极大挑战，需要控制系统具有良好的控制精度和适应性。传统PID控制器结构简单，算法容易实现，在离合器负载线性区域，具有良好控制精度和稳定性，但在离合器负载非线性区域，常出现控制超调和“自走”现象[3]。本文针对传统PID控制器的不足，提出一种补偿控制算法，在系统非线性区域通过模糊控制器补偿修正PID控制量，防止控制超调，并通过台架测试及试验样车测试手段，进行了离合器静态动态试验研究。
1 离合器系统执行机构设计与分析
1.1 离合器及其执行器系统介绍
离合器执行机构由传统机械结构改造而成，使用自动控制气缸替代传统助力气缸，同时取消了离合器踏板，通过控制执行气缸内部气压，使活塞水平移动实现分离与接合动作。分离过程与接合过程分别由一组高速开关阀控制，通过调节开关阀占空比实现分离接合速度的控制。具体结构如图1所示：
1.2 离合器受力分析
执行气缸活塞在运动过程中最大加速度不超过200mm/s2，活塞质量为0.4kg，则计算得到的最大惯性力ma=0.8N，相对于活塞推杆负载可以忽略不计，则在分离接合过程中，执行气缸受力平衡方程写为：
离合器从分离点处开始接合，则必须经过排气过程，克服静摩擦力，使活塞开始向接合方向运动， 由于执行气缸负载的非线性变化，使接合速度陡然增加，达到200mm/s，即自走现象[3]。若想在该区域进行位置精确控制，或者对接合速度进行控制，则必须进行反向弥补气压，传统PID控制器无法进行调节，可通过补偿控制器进行专项调节。开环接合过程如下：
2 补偿控制器设计
2.1 控制器结构
模糊控制策略，对非线性系统控制问题，具有较强的表达能力。图4中，补偿控制器运用模糊控制策略，对PID控制量进行补偿修正。补偿控制器根据离合器目标位移与实际位移的偏差e（k）大小，以及偏差的微分?e（k），实时计算补偿控制量的大小，用以修正PID控制器输出量。
2.2 模糊控制规则及变量隶属度函数的确定
模糊控制器以离合器位移偏差e（k）及离合器位移偏差微分?e（k）为输入变量，以补偿控制量为输出量。当离合器偏差微分?e（k）太大且偏差e（k）逐渐减小时，说明此时离合器正快速接近目标，有超调的可能性，应当补偿与离合器动作方向相反气体流量；当离合器偏差微分?e（k）大且偏差e（k）逐渐增大，说明此时离合器正快速背离目标，应当加大补偿与离合器动作方向相反气体流量；当偏差微分?e（k）较小且离合器偏差e（k）较大时，说明离合器响应慢，需要提高响应速度，应该增加离合器动作方向相同气体流量；当偏差微分?e（k）很小且离合器偏差e（k）较小时，说明此时位移正准确跟踪，不需要补偿。 将离合器位移偏差微分?e（k）以及离合器位移偏差e（k）进行模糊化处理，作为模糊控制器输入。将离合器位移偏差e（k）范围 -6mm～6mm均分成7个区间，对应论域为-6～6，量化因子为1，，模糊语言变量划分为{很小（VS），小（S），较小（LS），中等（M），较大（LB），大（B），很大（VB）}；对于离合器位移偏差微分?e（k），将-50 mm/s～50mm/s均分成9个区间，对于论域为-5～5，量化因子为0.1，模糊语言变量划分为{很小（VS），小（S），中小（MS），较小（LS），中等（M），较大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}；对于模糊控制输出控制量，将-50～50均分成9个区间，对应论域为-5～5，量化因子为0.1，模糊语言变量划分为{很小（VS），小（S），中小（MS），较小（LS），中等（M），较大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}。各语言变量设计隶属度函数如下图5：
根据前面叙述控制思想，设计模糊规则，由输入输出语言变量数目，共建立了63条控制规则：
离合器位移偏差大小及正负，总体决定补偿控制量的大小及正负，对于某一偏差大小，由位移偏差微分自动调整补偿控制量大小，使其满足控制预期目标要求。
2.3 模糊推理与反模糊化
本文采用Mamdani模糊推理算法。在模糊控制器中一条规则的结论是不会作为另一条规则的前提条件来使用的，控制作用是基于一级的数据而前向驱动的推理[4]。本文运用重心法对模糊量进行去模糊化处理[4]。重心法的计算公式为：
（2）
其中 xi 为输入量映射到模糊论域后对应值，A（ xi ）为对应 xi 的隶属度值。针对不同位移偏差，不同位移偏差微分，能计算出对应的精确控制量输出。
3 实车及台架试验与结果分析
3.1 台架静态试验与分析
为了验证离合器控制精度，控制响应及控制稳定性，将仿真模型控制策略及参数集成到台架控制策略，进行2mm阶跃静态测试，测试结果如图6：
运用常规PID控制，在离合器负载非线性区域接合时，当实际位移不超过目标位移时，计算得到的控制量始终为排气接合控制，加上离合器负载随着接合位移逐渐增大，使得活塞加速度进一步增加，直到实际位移超过目标位移，才会计算出反向补气控制量，使实际位移返回到目标位移处。运用补偿控制在接合过程中，当离合器实际位移接近目标位移且接合速度仍较快时，将会计算出反向补气控制量，使接合速度逐渐变小，直到贴近目标位移。补偿控制算法能很好遏制超调现象，使位移跟踪准确，控制稳定可靠。
3.2 实车动态试验与分析
实车动态测试时，离合器控制需要考虑驾驶员的驾驶意图，离合器位移控制是实时变化的，需要位移控制器能够适应离合器目标位移变化。将控制策略及参数集成到某中型卡车试验样车，进行了大量的动态试验，下图为传统PID控制与PID补偿控制起步测试的结果对比。包含离合器目标位移，离合器实际位移，发动机转速，变速箱输入轴轴转速以及变速箱输出轴转速，驾驶员油门踏板开度等变量的变化过程。
对比发现，传统PID控制算法在起步时，离合器位移在接合初始阶段的接合速度超过120mm/s，且出现控制位移超调，这是由于该阶段执行气缸负载为非线性，在接合时，当打破静平衡后，活塞在负载作用下会自动向接合方向快速移动，传统PID算法计算得到控制量始终为接合排气控制，使接合速度进一步加快，直到超过目标曲线，才有补气动作，使实际位移回调。从离合器空行程阶段到滑磨阶段，没有接合速度渐变过程，离合器主从动盘接触过快，引起传动系抖动，影响整车舒适性能。运用PID补偿控制算法，在起步时，控制器根据控制偏差及偏差变化率自动补偿气量，调节离合器接合速度，使离合器接合初始阶段接合速度由60mm/s逐渐减小到2mm/s，贴合目标曲线进入滑磨阶段，离合器主从动盘接触瞬间，离合器接合速度慢，一轴转速变化平缓，整车冲击小，舒适度好。PID补偿控制算法能较好的弥补传统PID控制器的不足，能使离合器非线性阶段接合过程自动补偿气量，有效控制离合器接合速度，同时使实际位移不至于超调，适应性好。
4 结语
离合器控制是一个非线性控制问题，通过常规PID控制方法，在离合器负载非线性区域，由于受力条件恶化，容易造成位置控制超调，引起整车冲击，不满足控制要求。本文通过PID补偿控制器弥补常规PID控制器的不足，在离合器负载非线性控制区域能自动补偿执行气缸内部气压，有效防止离合器位移突变超调，提高了离合器控制精度，具有良好的鲁棒性。
参考文献：
[1]U463.212 葛安林.车辆自动变速理论与设计[M]， 北京：机械工业出版社， 1993.5.
[2] U463.211 葛安林， 吴锦秋，郭万富.离合器最佳接合规律的研讨[M]54——65.吉林工业大学.
[3]TH13周忆， 于今主编， 流体传动与控制， 科学出版社， 2008年.
[4]TP13石辛民， 郝整清.模糊控制及matlab仿真.清华大学出版社.
[5]Tp13黄建明， 曹长修， 苏玉刚， 汽车起步过程的离合器控制， 重庆大学学报（自然科学版）1000-582 X（2005）03-0091-04.
[6]Tp13王旭东， 谢先平， 吴晓刚，余腾伟.自动离合器起步模糊控制.农业机械学报， 第39卷第12期， 20 08年12月.
关键词：AMT；离合器位移控制；PID；补偿算法
中图分类号：U463.211 .2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）05-0016-05
Abstract： Clutch position control is the difficult and key point of AMT （ automatic manual transmission ） control strategy . The clutch operating load is nonlinear ， the friction of the components of operating system lead to hysteresis loop ， and the commercial vehicle always use the compressed gas as driver source ， but the gas is compressibility， all of these cause more trouble of clutch control . The paper studies the clutch system in a six gear truck and analysis of the disengage and engage characteristics ， then presents PID compensation control strategy and have test in a clutch bench and test truck .test results show that the compensation control strategy can improves the control accuracy of the clutch position and have good robustness .
引言
机械自动变速器（AMT）由于其结构简单，传动效率高，成本低，适合在传统变速箱基础上做升级改进，国内外研究机构对其展开了深入研究[1]。由于离合器控制需要准确判断驾驶员意图，并适应各种路况，还需满足乘坐舒适性、离合器磨损少、发动机不熄火等要求，因此离合器的位移控制是AMT控制的核心和难点[2]。AMT离合器执行器的主要驱动方式有气动，电机驱动，液力驱动等，气动离合器执行器由于其结构简单，成本低廉，在国外的中重型卡车上得到了广泛应用，本文也采用了气动控制方式。但离合器负载具有非线性特性，执行器系统摩擦引起滞环差异，以及气体的可压缩性，这些因素都给离合器位置准确控制带来了极大挑战，需要控制系统具有良好的控制精度和适应性。传统PID控制器结构简单，算法容易实现，在离合器负载线性区域，具有良好控制精度和稳定性，但在离合器负载非线性区域，常出现控制超调和“自走”现象[3]。本文针对传统PID控制器的不足，提出一种补偿控制算法，在系统非线性区域通过模糊控制器补偿修正PID控制量，防止控制超调，并通过台架测试及试验样车测试手段，进行了离合器静态动态试验研究。
1 离合器系统执行机构设计与分析
1.1 离合器及其执行器系统介绍
离合器执行机构由传统机械结构改造而成，使用自动控制气缸替代传统助力气缸，同时取消了离合器踏板，通过控制执行气缸内部气压，使活塞水平移动实现分离与接合动作。分离过程与接合过程分别由一组高速开关阀控制，通过调节开关阀占空比实现分离接合速度的控制。具体结构如图1所示：
1.2 离合器受力分析
执行气缸活塞在运动过程中最大加速度不超过200mm/s2，活塞质量为0.4kg，则计算得到的最大惯性力ma=0.8N，相对于活塞推杆负载可以忽略不计，则在分离接合过程中，执行气缸受力平衡方程写为：
离合器从分离点处开始接合，则必须经过排气过程，克服静摩擦力，使活塞开始向接合方向运动， 由于执行气缸负载的非线性变化，使接合速度陡然增加，达到200mm/s，即自走现象[3]。若想在该区域进行位置精确控制，或者对接合速度进行控制，则必须进行反向弥补气压，传统PID控制器无法进行调节，可通过补偿控制器进行专项调节。开环接合过程如下：
2 补偿控制器设计
2.1 控制器结构
模糊控制策略，对非线性系统控制问题，具有较强的表达能力。图4中，补偿控制器运用模糊控制策略，对PID控制量进行补偿修正。补偿控制器根据离合器目标位移与实际位移的偏差e（k）大小，以及偏差的微分?e（k），实时计算补偿控制量的大小，用以修正PID控制器输出量。
2.2 模糊控制规则及变量隶属度函数的确定
模糊控制器以离合器位移偏差e（k）及离合器位移偏差微分?e（k）为输入变量，以补偿控制量为输出量。当离合器偏差微分?e（k）太大且偏差e（k）逐渐减小时，说明此时离合器正快速接近目标，有超调的可能性，应当补偿与离合器动作方向相反气体流量；当离合器偏差微分?e（k）大且偏差e（k）逐渐增大，说明此时离合器正快速背离目标，应当加大补偿与离合器动作方向相反气体流量；当偏差微分?e（k）较小且离合器偏差e（k）较大时，说明离合器响应慢，需要提高响应速度，应该增加离合器动作方向相同气体流量；当偏差微分?e（k）很小且离合器偏差e（k）较小时，说明此时位移正准确跟踪，不需要补偿。 将离合器位移偏差微分?e（k）以及离合器位移偏差e（k）进行模糊化处理，作为模糊控制器输入。将离合器位移偏差e（k）范围 -6mm～6mm均分成7个区间，对应论域为-6～6，量化因子为1，，模糊语言变量划分为{很小（VS），小（S），较小（LS），中等（M），较大（LB），大（B），很大（VB）}；对于离合器位移偏差微分?e（k），将-50 mm/s～50mm/s均分成9个区间，对于论域为-5～5，量化因子为0.1，模糊语言变量划分为{很小（VS），小（S），中小（MS），较小（LS），中等（M），较大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}；对于模糊控制输出控制量，将-50～50均分成9个区间，对应论域为-5～5，量化因子为0.1，模糊语言变量划分为{很小（VS），小（S），中小（MS），较小（LS），中等（M），较大（LB），中大（MB），大（B），很大（VB）}。各语言变量设计隶属度函数如下图5：
根据前面叙述控制思想，设计模糊规则，由输入输出语言变量数目，共建立了63条控制规则：
离合器位移偏差大小及正负，总体决定补偿控制量的大小及正负，对于某一偏差大小，由位移偏差微分自动调整补偿控制量大小，使其满足控制预期目标要求。
2.3 模糊推理与反模糊化
本文采用Mamdani模糊推理算法。在模糊控制器中一条规则的结论是不会作为另一条规则的前提条件来使用的，控制作用是基于一级的数据而前向驱动的推理[4]。本文运用重心法对模糊量进行去模糊化处理[4]。重心法的计算公式为：
（2）
其中 xi 为输入量映射到模糊论域后对应值，A（ xi ）为对应 xi 的隶属度值。针对不同位移偏差，不同位移偏差微分，能计算出对应的精确控制量输出。
3 实车及台架试验与结果分析
3.1 台架静态试验与分析
为了验证离合器控制精度，控制响应及控制稳定性，将仿真模型控制策略及参数集成到台架控制策略，进行2mm阶跃静态测试，测试结果如图6：
运用常规PID控制，在离合器负载非线性区域接合时，当实际位移不超过目标位移时，计算得到的控制量始终为排气接合控制，加上离合器负载随着接合位移逐渐增大，使得活塞加速度进一步增加，直到实际位移超过目标位移，才会计算出反向补气控制量，使实际位移返回到目标位移处。运用补偿控制在接合过程中，当离合器实际位移接近目标位移且接合速度仍较快时，将会计算出反向补气控制量，使接合速度逐渐变小，直到贴近目标位移。补偿控制算法能很好遏制超调现象，使位移跟踪准确，控制稳定可靠。
3.2 实车动态试验与分析
实车动态测试时，离合器控制需要考虑驾驶员的驾驶意图，离合器位移控制是实时变化的，需要位移控制器能够适应离合器目标位移变化。将控制策略及参数集成到某中型卡车试验样车，进行了大量的动态试验，下图为传统PID控制与PID补偿控制起步测试的结果对比。包含离合器目标位移，离合器实际位移，发动机转速，变速箱输入轴轴转速以及变速箱输出轴转速，驾驶员油门踏板开度等变量的变化过程。
对比发现，传统PID控制算法在起步时，离合器位移在接合初始阶段的接合速度超过120mm/s，且出现控制位移超调，这是由于该阶段执行气缸负载为非线性，在接合时，当打破静平衡后，活塞在负载作用下会自动向接合方向快速移动，传统PID算法计算得到控制量始终为接合排气控制，使接合速度进一步加快，直到超过目标曲线，才有补气动作，使实际位移回调。从离合器空行程阶段到滑磨阶段，没有接合速度渐变过程，离合器主从动盘接触过快，引起传动系抖动，影响整车舒适性能。运用PID补偿控制算法，在起步时，控制器根据控制偏差及偏差变化率自动补偿气量，调节离合器接合速度，使离合器接合初始阶段接合速度由60mm/s逐渐减小到2mm/s，贴合目标曲线进入滑磨阶段，离合器主从动盘接触瞬间，离合器接合速度慢，一轴转速变化平缓，整车冲击小，舒适度好。PID补偿控制算法能较好的弥补传统PID控制器的不足，能使离合器非线性阶段接合过程自动补偿气量，有效控制离合器接合速度，同时使实际位移不至于超调，适应性好。
4 结语
离合器控制是一个非线性控制问题，通过常规PID控制方法，在离合器负载非线性区域，由于受力条件恶化，容易造成位置控制超调，引起整车冲击，不满足控制要求。本文通过PID补偿控制器弥补常规PID控制器的不足，在离合器负载非线性控制区域能自动补偿执行气缸内部气压，有效防止离合器位移突变超调，提高了离合器控制精度，具有良好的鲁棒性。
参考文献：
[1]U463.212 葛安林.车辆自动变速理论与设计[M]， 北京：机械工业出版社， 1993.5.
[2] U463.211 葛安林， 吴锦秋，郭万富.离合器最佳接合规律的研讨[M]54——65.吉林工业大学.
[3]TH13周忆， 于今主编， 流体传动与控制， 科学出版社， 2008年.
[4]TP13石辛民， 郝整清.模糊控制及matlab仿真.清华大学出版社.
[5]Tp13黄建明， 曹长修， 苏玉刚， 汽车起步过程的离合器控制， 重庆大学学报（自然科学版）1000-582 X（2005）03-0091-04.
[6]Tp13王旭东， 谢先平， 吴晓刚，余腾伟.自动离合器起步模糊控制.农业机械学报， 第39卷第12期， 20 08年12月.