唐娜娜陈勇高阳郭立书高炳钊陈虹

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室;2.吉利汽车研究院）

6-AMT微型乘用车起步优化控制＊

唐娜娜1陈勇2高阳2郭立书2高炳钊1陈虹1

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室;2.吉利汽车研究院）

为提高车辆起步过程中的舒适性及动力性，以6挡电控机械式自动变速器的起步控制为例进行了仿真试验。搭建了6-AMT传动系AMESim仿真模型，通过与试验结果的对比验证了仿真模型的可靠性,并对控制参数进行了优化。分别采用优化控制方法和PID控制方法对车辆起步进行控制试验，结果表明，与PID控制方法相比，优化控制方法的起步过程更快速、更平顺。

1 前言

电控机械式自动变速器（AMT）具有传动效率高、结构简单、制造成本低、可靠性好、适应环境能力强且操作方便等优点，较适合在微型乘用车上使用[1]。目前已经成功上市的AMT微型车如雪佛兰新赛欧、奇瑞A1等车型的挡位均在5挡或以下。某汽车公司推出的AMT微型乘用车采用了6挡速比设计，与5挡位汽车相比，挡位数的增加降低了车辆高速行驶时发动机转速，从而提高了燃油经济性[2]。而在平顺性控制方面，尽管6-AMT速比范围变宽，但起步挡（1挡）的速比变化不大，因此仍需要较高性能的起步控制策略来实现快速平顺的车辆起步。

AMT汽车依靠干式离合器滑摩起步，起步过程的主要性能指标是冲击度和滑摩功[3，4]。由于起步过程中既要求车辆行驶平稳没有冲击，又要求离合器滑摩损失小，所以冲击度与滑摩功存在一定程度的矛盾性，如何权衡两者之间的关系成为控制离合器起步过程的关键。基于对冲击度和滑摩功性能指标的综合考虑，本文对6-AMT车辆起步控制策略进行了研究，采用优化控制实现了车辆的快速平顺起步，并可兼顾降低冲击度和减小滑摩功。

2 6-AMT介绍

6-AMT传动系统机构如图1所示，其变速器采用同步器式换挡方式，为减小换挡时齿轮的冲击力，只有在待换入的齿轮副转换差很小时才进行换挡。该变速器速比设定为3.308、1.913、1.276、0.971、0.763和0.731，共设置3个超速挡（4、5、6挡），通过3个电机分别控制选、换挡动作和离合器动作。

本文主要针对6-AMT车辆起步过程中离合器的控制进行研究。6-AMT离合器操纵机构如图2所示，其利用高传递效率的滚珠丝杠作为减速机构，将电机的旋转运动转换为直线运动，再通过一系列杆件操纵离合器的分离与接合。

3 仿真模型建立与校验

3.1 模型建立

如果直接通过实车试验来验证6-AMT的起步控制性能，需要耗费大量工时且工作成本较高。为此，在动态仿真模型的基础上，利用仿真结果评价车辆控制性能的好坏，以减小实车标定工作量。搭建6-AMT的AMESim整车模型如图3所示，以其为被控对象，通过AMESim-Simulink联合仿真，在实车试验前验证起步控制性能。AMESim整车模型包括发动机、离合器、变速器、驱动轴以及车轮和车身等。

3.2 模型校验

为验证所建立的6-AMT传动系仿真模型的有效性，将相同的离合器信号和油门踏板信号分别输入仿真模型和样车，观测它们的车速曲线并进行对比，对比结果如图4所示。

由图4可看出，在车辆起步过程中，离合器开始时均处于断开状态，从106 s开始，随发动机油门开度的增加离合器缓慢接合，车辆缓慢起步。离合器彻底接合后油门开度和车速继续增加，车辆在113 s和119 s时分别升入2挡和3挡行驶。包括起步在内的每一过程，仿真车速与试验车速基本吻合，这表明所建立的仿真模型准确，能够用于后续对起步控制器的性能验证。

4 起步控制器设计

4.1 优化控制

优化控制是指在一定条件下，在完成所要求的控制任务时，使系统的某种性能指标具有最优值[5]。车辆起步过程中，离合器经历从开始滑摩到完全接合的过程，在制定性能指标时应该考虑以下3个主导因素：快速响应驾驶员操作;车辆起步冲击小;离合器摩擦片滑摩损失小。

为达到以上控制要求，设计了基于LQR的优化控制算法对离合器进行起步控制。选取6-AMT车辆的系统状态方程为：

状态变量x和控制量u分别为：

状态矩阵A、B分别为:

式中，ωe为发动机转速;ωc为离合器输出轴转速;Tc为离合器传递扭矩;Te为发动机扭矩;Tl为车辆负载扭矩为离合器扭矩变化率;Ce和Cv为阻尼系数; Ie和Iv为转动惯量。

上述方程的详细推导过程见参考文献[5]。

采用LQR（线性二次调节器）控制算法，控制过程即寻求最优控制量u使目标函数J最小。取状态变量和控制变量的二次型函数的积分作为性能指标，该性能指标可写成统一的解析表达式：

式中，Q和R分别为状态变量x和控制量u的加权矩阵;t0为半接合点时刻;tf为完全接合时刻。

根据离合器起步过程的性能指标选取最佳Q值和R值，增大矩阵Q的取值可保证车辆快速起步，增大矩阵R的取值可保证车辆起步平顺，经综合权衡快速性和平顺性后给定Q与R的具体取值。

所选取的最佳Q值和R值分别为：

控制量u的最优解为：

由式（9）可知，控制量与状态变量存在以下的线性叠加关系：

式中，k为对应控制变量x所占的加权比重，k的选取由加权矩阵Q和R的值决定。

式（10）中，ωe、ωc、Te由车辆CAN总线读出，Tc由离合器推力轴承位置以及转速信号进行在线辨识，Tl由坡度传感器信号计算得到。

4.2 PID控制

为体现优化控制算法的优势，同时采用传统PID（比例-积分-微分）控制方法进行了车辆起步控制测试，并将控制结果与优化控制结果进行对比。

PID控制方法采用发动机恒速起步控制原则，在起步过程中根据驾驶员给定的油门开度制定发动机目标转速，通过控制离合器接合速度和接合量及发动机的油门开度来减小发动机目标转速与实际转速之间的偏差。PID控制算法将发动机实际转速与目标转速的差值进行数乘、积分、微分的运算，并将三者求和得出离合器期望扭矩，然后据此修正离合器的接合量。当发动机实际转速大于目标转速时，PID控制离合器的接合量增大，使发动机的负荷增加，降低发动机的实际转速。反之，当发动机实际转速低于目标转速时，PID控制离合器的接合量减小，增加发动机的实际转速。

5 起步控制结果

5.1 仿真结果

利用所搭建的仿真模型进行起步控制器的性能预测试。

优化控制与PID控制的起步控制仿真结果见图5。由图5a～图5d可看出，当油门开度在10%～50%内变化时，优化控制下离合器力矩曲线更平顺，发动机转速变化也更小，这说明相对于PID控制，优化控制能够减小离合器滑摩损失。同时从图5e和图5f中的冲击度（车辆加速度变化率）可看出，优化控制下的起步冲击度明显小于PID控制下的冲击度。

5.2 实车试验结果

因优化控制方法比PID控制方法更有效，所以选择优化控制策略进行实车试验，试验结果如图6所示。由图6可看出，从10.7 s开始，增大油门踏板开度，离合器开始接合，变速器输入轴转速（车速）逐渐增加，直至12.5 s时离合器滑摩过程结束（变速器输入轴转速与发动机转速同步）。试验结果表明，迅速踩下中大油门并没有引起发动机转速飞升，离合器可迅速接合到合适位置并传递动力;整个起步过程快速且平顺，保证了起步冲击小和摩擦片滑摩损失小。

6 结束语

将离合器接合过程中的冲击度与滑摩功作为优化性能指标，采用优化控制算法设计了6-AMT微型车起步控制策略。通过在仿真模型和试验样车上进行测试，表明优化控制可实现6-AMT微型车快速平顺起步。与PID控制算法相比，优化控制算法在快速响应驾驶员操作、减小车辆起步冲击、减小离合器摩擦片滑摩损失等方面具有明显优势。

1李君，张建武，冯金芝，等.电控机械式自动变速器的发展、现状和展望.汽车技术，2000（3）:1～3.

2余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2000.

3Kahraman A.Natural modes of planetary gear trains，Journal Of Sound And Vibration，Vol.173，No.1，pp.125-130，1994.

4葛安林.车辆自动变速理论与设计.北京:机械工业出版社，1993.

5Gao B-Z，Chen H，Lu XH，et al。An Improved Optimal Controller for Start-up of AMT Trucks in Consideration of Driver's Intention，International Journal of Automotive Technology，Vol.14，No.2，pp.213-220.2013.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2014年3月24日。

Optimal Control of Starting-up Process of Mini Car with 6-speed AMT

Tang Nana1,Chen Yong2,Gao Yang2,Guo Lishu2,Gao Bingzhao1,Chen Hong1,3
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University;2.Geely Automobile Research Institute;3. Department of Control Science and Engineering,Jilin University）

To improve comfort and power performance of vehicle during the start-up process,a mini car equipped with 6-speed AMT is simulated and tested for starting control performance.AMESim model of the powertrain with 6-speed AMT is established,and compared with test results,which proves reliability of the simulation model,and the control parameters are also optimized.We use optimal control and PID control respectively to control the starting process.The simulation result indicates that the optimal control method features faster and smoother starting-up than PID control method.

Mini vehicle,AMT,Starting-up Control,Optimization

电控机械式自动变速器起步控制优化

U463.211+.2

A

1000-3703（2014）04-0021-04

国家自然科学基金（61034001,61374046）、教育部“长江学者和创新团队发展计划”（IRT1017）的资助。