第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
汽車(chē)，是日常工作與生活中不可或缺的工具。近年來(lái)，人們對(duì)于汽車(chē)的需求不斷增加，全球汽車(chē)的產(chǎn)量與汽車(chē)保有量呈現(xiàn)出飛速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，1970年全球汽車(chē)保有2.46億輛，1986年全球汽車(chē)保有5億輛，據(jù)預(yù)計(jì)，到2050年，全球生產(chǎn)將保有超過(guò)8億輛的汽車(chē)[1]。以上數(shù)據(jù)，說(shuō)明汽車(chē)在人們的生活中已經(jīng)占有了很重要的地位，人們對(duì)于汽車(chē)的關(guān)注也與日俱增。飛速增長(zhǎng)的需求與日益增加的關(guān)注，必然會(huì)帶來(lái)汽車(chē)行業(yè)中各個(gè)汽車(chē)廠商的激烈競(jìng)爭(zhēng)，汽車(chē)制造商為了盡可能多的占有國(guó)內(nèi)以及海外市場(chǎng)，加強(qiáng)了對(duì)汽車(chē)性能需求的關(guān)注。同樣，消費(fèi)者們也越來(lái)越重視汽車(chē)駕駛過(guò)程中的動(dòng)力性、安全性、舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性等各種性能。變速器是車(chē)輛的重要組成部分，關(guān)乎著車(chē)輛各個(gè)方面的性能。對(duì)于裝配有手動(dòng)變速器的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，起步與換擋環(huán)節(jié)是完全依靠駕駛員的操作來(lái)完成的。由于駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)的不同，因此常常會(huì)出現(xiàn)同一輛車(chē)不同駕乘體驗(yàn)的情況，熟練駕駛員能夠快速平穩(wěn)的完成上述環(huán)節(jié)，而非熟練駕駛員往往會(huì)因?yàn)椴僮鞑划?dāng)影響起步與換擋過(guò)程中的舒適性和平順性。但是汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展與人們生活水平的不斷提高，使得購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)成為一件十分平常的事，非熟練駕駛員的數(shù)量也因此快速增加，與此同時(shí)道路也在一天天變的越來(lái)越擁擠。以上這些因素使得手動(dòng)變速器逐漸無(wú)法適應(yīng)當(dāng)今的汽車(chē)市場(chǎng)，而自動(dòng)變速器的出現(xiàn)恰恰能夠解決這一問(wèn)題。以電腦控制來(lái)代替人工控制，簡(jiǎn)化了起步與換擋過(guò)程，降低了駕駛難度，令駕駛員能夠有更多的注意力來(lái)關(guān)注道路情況，也在一定程度上提高了汽車(chē)行駛過(guò)程中的安全性。由于自動(dòng)變速器的優(yōu)點(diǎn)不僅適合已有一定駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員，更符合日益增多的女性駕駛員和老年駕駛員的需求，所以自動(dòng)變速器已成為車(chē)用變速器發(fā)展的主流。目前，汽車(chē)市場(chǎng)上常見(jiàn)的自動(dòng)變速器主要有：液力式自動(dòng)變速器（Automatic Transmission，AT）、無(wú)級(jí)式自動(dòng)變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）、雙離合器自動(dòng)變速器（Double Clutch Transmission，DCT）以及電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AutomatedMechanical Transmission，AMT）。
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1.2 課題研究現(xiàn)狀
伴隨著汽車(chē)保有量的不斷上升，人們對(duì)于汽車(chē)的評(píng)價(jià)已經(jīng)不止于汽車(chē)整體的性能，而是越來(lái)越細(xì)化到各個(gè)方面性能。起步作為最初也是最直觀反應(yīng)車(chē)輛性能的環(huán)節(jié)而得到了更多關(guān)注。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于起步控制問(wèn)題進(jìn)行了大量有價(jià)值的研究與探索。當(dāng)前，針對(duì)車(chē)輛的起步過(guò)程的控制方法有優(yōu)化控制、非線性控制、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、駕駛員起步意圖研究等。對(duì)于車(chē)輛起步過(guò)程優(yōu)化控制，文獻(xiàn) [20–22]針對(duì)重型汽車(chē)起步離合器的最優(yōu)控制進(jìn)行了討論。首先文中提出了車(chē)輛起步半接合點(diǎn)這一概念，即車(chē)輛從靜止到運(yùn)動(dòng)的分界點(diǎn)，憑借半接合點(diǎn)將車(chē)輛起步過(guò)程分為兩部分。在第一部分因?yàn)檐?chē)輛的狀態(tài)始終保持靜止，所以在這一階段無(wú)論離合器接合的多么快，都不會(huì)產(chǎn)生沖擊；第二部分離合器接合速度過(guò)快，會(huì)對(duì)車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，影響駕乘人員的舒適性，而接合過(guò)慢會(huì)令整個(gè)起步時(shí)間變長(zhǎng)，增大元件的磨損，影響元件的使用壽命。因此在第一部分使離合器盡可能快的接合，不計(jì)滑摩損耗，在第二部分運(yùn)用最優(yōu)控制策略進(jìn)行控制，以求在保證乘坐舒適性的前提下產(chǎn)生盡可能小的滑摩功。文獻(xiàn) [23, 24]研究了車(chē)輛起步過(guò)程的混合優(yōu)化控制，基于線性二次型（LinearQuadratic，LQ）的控制方法在起步仿真研究中獲得了良好的控制效果。文獻(xiàn) [25]研究了干式離合器在接合過(guò)程中的優(yōu)化控制。在建立傳動(dòng)系的狀態(tài)空間動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，將曲軸轉(zhuǎn)速和離合器轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)變量，運(yùn)用線性二次型的方法設(shè)計(jì)閉環(huán)反饋控制器，通過(guò)所設(shè)計(jì)的控制器來(lái)確保快速接合，滑摩損耗小的控制要求。文獻(xiàn) [26]研究基于觀測(cè)器的干式離合器的最優(yōu)控制，將離合器盤(pán)上的力作為控制輸入，并在高度仿真的非線性模型中獲得了良好的效果。
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第 2 章 AMT車(chē)輛動(dòng)力總成系統(tǒng)的模型搭建

第一章對(duì)于車(chē)輛起步控制問(wèn)題的研究背景、研究意義以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀做出了相關(guān)介紹，本章將對(duì) AMT車(chē)輛的起步過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，建立這一過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用 AMESim仿真軟件進(jìn)行 AMT車(chē)輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)模型的搭建以及模型合理性的驗(yàn)證工作。

2.1 AMT車(chē)輛起步過(guò)程的分析
AMT車(chē)輛起步過(guò)程的本質(zhì)就是通過(guò)離合器的接合將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩傳遞給變速器，變速器通過(guò)所選擋位的齒輪將力矩傳遞給動(dòng)力總成系統(tǒng)后面的部分，直至傳遞到輪胎上的力克服路面阻力，待車(chē)輛克服路面阻力開(kāi)始以一定的速度前進(jìn)后，至此車(chē)輛的起步過(guò)程結(jié)束，接下來(lái)駕駛員可以根據(jù)駕駛需求和路面狀況來(lái)進(jìn)行換擋以及加減速的操作。由此可見(jiàn)，離合器在這一過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，而對(duì)于上述的起步過(guò)程還可以具體分為以下三個(gè)階段，如下圖 2.1。0 ～ t1階段：該階段是以離合器開(kāi)始動(dòng)作為起點(diǎn)，以離合器的主動(dòng)部分與從動(dòng)部分剛剛接觸為終點(diǎn)，該階段稱(chēng)為“空行程階段”。顧名思義，在這一階段離合器的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下開(kāi)始相互靠近，以此來(lái)消除離合器主從部分之間的空隙，但是由于在這一階段離合器的主動(dòng)部分與從動(dòng)部分并沒(méi)有真正的接觸，所在發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸增大，并且離合器的輸出軸轉(zhuǎn)速為0，也正是由于離合器主從動(dòng)部分之間沒(méi)有相互接觸，所以在這一階段不會(huì)有滑摩與沖擊的產(chǎn)生，所以對(duì)于這一階段的控制來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)盡可能快的完成，以此來(lái)節(jié)省車(chē)輛起步控制中的接合時(shí)間。
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2.2 起步過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立
上一小節(jié)對(duì)車(chē)輛的起步過(guò)程進(jìn)行了定性的描述，即車(chē)輛利用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩通過(guò)離合器摩擦盤(pán)的滑摩，將其傳遞給動(dòng)力總成系統(tǒng)后續(xù)部分，以此來(lái)克服路面阻力，完成車(chē)輛的起步環(huán)節(jié)。但是要對(duì)車(chē)輛起步過(guò)程進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，就必須建立針對(duì)該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。下圖 2.2為 AMT車(chē)輛動(dòng)力總成系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等效模型[34, 35]，其中除離合器的主從動(dòng)部分之外的元件都認(rèn)為是剛性連接的。通過(guò)圖 2.2可以看出，除離合器之外，所有部分都是保持剛性連接的（起步過(guò)程中車(chē)輛所選擋位保持不變），因此應(yīng)該以離合器的主動(dòng)部分與從動(dòng)部分為界限進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析建模。通過(guò)上一小節(jié)的分析，可知整個(gè)起步過(guò)程中滑摩階段是比較重要的階段，因此將對(duì)這一階段著重進(jìn)行分析建模。
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第 3 章 AMT車(chē)輛起步控制策略與離線仿真實(shí)驗(yàn).........31
3.1 AMT車(chē)輛起步過(guò)程控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo) .... 31
3.2 AMT車(chē)輛起步控制策略 ..... 33
3.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與推導(dǎo)......... 33
3.2.2 控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整原則 ...... 38
3.3 離線仿真結(jié)果與分析 ......... 40
3.4 本章小結(jié) ....... 44
第 4 章 快速原型實(shí)驗(yàn)與路面實(shí)車(chē)試驗(yàn).........45
4.1 快速原型實(shí)驗(yàn).......... 45
4.1.1 仿真模型的簡(jiǎn)化 ...... 45
4.1.2 快速原型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成 ...... 47
4.1.3 快速原型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 ..... 48
4.2 路面實(shí)車(chē)試驗(yàn).......... 49
4.2.1 實(shí)車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)組成 ........... 50
4.2.2 實(shí)車(chē)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 ........... 54
4.3 本章小結(jié) ....... 57
第 5 章 全文總結(jié).........59

第 4 章 快速原型實(shí)驗(yàn)與路面實(shí)車(chē)試驗(yàn)

上一章已經(jīng)完成了 AMT車(chē)輛起步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與推導(dǎo)工作，并通過(guò)聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的離線控制效果。本章將在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行車(chē)輛起步的快速原型實(shí)驗(yàn)和路面實(shí)車(chē)試驗(yàn)。首先，利用快速原型實(shí)驗(yàn)完成控制器的離散化，以及實(shí)時(shí)求解的工作，然后將會(huì)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用車(chē)奔騰 B50在真實(shí)路面上完成本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 快速原型實(shí)驗(yàn)

為了能夠減小在實(shí)車(chē)路面試驗(yàn)中的復(fù)雜工作量，本文在進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)之前會(huì)進(jìn)行快速原型實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室的快速原型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。快速原型實(shí)驗(yàn)中對(duì)控制器模型和被控對(duì)象模型都存在一定的要求，其中最為重要的就是對(duì)計(jì)算步長(zhǎng)的要求。在離線仿真實(shí)驗(yàn)中，模型允許以變步長(zhǎng)的方式進(jìn)行仿真，變步長(zhǎng)的運(yùn)行方式在計(jì)算量較小的時(shí)間區(qū)域內(nèi)可以利用電腦豐富的硬件資源加速運(yùn)行，在計(jì)算量較大的時(shí)間區(qū)域內(nèi)，會(huì)減緩運(yùn)行速度，以達(dá)到精確計(jì)算的目的。與離線仿真實(shí)驗(yàn)不同，在線仿真實(shí)驗(yàn)中無(wú)論是控制器還是被控對(duì)象都要求以定步長(zhǎng)進(jìn)行運(yùn)行，如果模型中存在比較復(fù)雜的元件或者模塊，而計(jì)算的步長(zhǎng)較小，那么將會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)采樣時(shí)刻之間無(wú)法完成計(jì)算的情況，從而導(dǎo)致計(jì)算的失準(zhǔn)，控制效果變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生模型錯(cuò)誤，無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)。因此，進(jìn)行在線仿真實(shí)驗(yàn)之前要先對(duì)模型進(jìn)行分析，對(duì)于較為復(fù)雜的元件和模塊進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。首先要對(duì)模型進(jìn)行頻率分析，因?yàn)槟Ｐ椭袕?fù)雜的元件會(huì)要求計(jì)算精度較高，導(dǎo)致比較大的計(jì)算量，而計(jì)算量的增大必然會(huì)導(dǎo)致模型頻率的增高，因此找到高頻元件是模型簡(jiǎn)化的關(guān)鍵。本文中模型搭建運(yùn)用的 AMESim軟件，可以利用這一軟件工具包中的頻率分析工具進(jìn)行模型的高頻分析。分析之后得到的結(jié)果如圖 4.1。查找對(duì)應(yīng)元件之后，發(fā)現(xiàn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分（圖 4.2）導(dǎo)致了高頻的產(chǎn)生。

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總結(jié)

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，，消費(fèi)者和生產(chǎn)廠商的雙向要求使得汽車(chē)領(lǐng)域的研究探索呈現(xiàn)出多元化和細(xì)化的趨勢(shì)，本文僅針對(duì)裝配有 AMT自動(dòng)變速器的車(chē)輛的起步控制問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。本文對(duì)于車(chē)輛起步過(guò)程中離合器的接合控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)離線仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)車(chē)路面試驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有效性。本文完成的工作主要可以分為以下幾個(gè)方面：
1  本文對(duì)于研究對(duì)象 AMT自動(dòng)變速器進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)與研究，包括 AMT的結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)工作原理等，其中對(duì)于 AMT自動(dòng)變速器中的離合器以及離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了特別的研究。然后利用所學(xué)知識(shí)對(duì)裝配有 AMT自動(dòng)變速器的車(chē)輛動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模型建立，該模型的搭建以實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)用車(chē) B50為基礎(chǔ)，以真實(shí)車(chē)輛的數(shù)據(jù)完善了模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，之后還完成了對(duì)于模型合理性的驗(yàn)證，保證了仿真模型的可靠有效。因?yàn)樵撃Ｐ椭胁⑽辞度肟刂扑惴ǎ钥梢杂糜趯?shí)驗(yàn)室未來(lái)進(jìn)行的各種仿真實(shí)驗(yàn)。
2  本文針對(duì)車(chē)輛的起步過(guò)程進(jìn)行了深入的分析，將整個(gè)起步過(guò)程分為三個(gè)階段，并對(duì)三個(gè)階段的控制要求與側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于滑摩階段的控制是影響整個(gè)起步控制質(zhì)量的關(guān)鍵，因此重點(diǎn)針對(duì)滑摩過(guò)程進(jìn)行了控制方法研究。本文選取自抗擾控制方法作為本文控制系統(tǒng)的核心，該方法擁有算法復(fù)雜性相對(duì)較低、易于實(shí)現(xiàn)、且對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)具有良好的抑制作用等優(yōu)點(diǎn)，以 PID控制來(lái)輔助完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。
3  本文完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作之后，進(jìn)行了離線仿真實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際駕駛過(guò)程中的路面狀況和駕乘人員變化設(shè)置了多種起步工況，所獲離線仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠很好的完成起步過(guò)程中的離合器接合控制。此后，完成了為實(shí)車(chē)路面試驗(yàn)做準(zhǔn)備的快速原型實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的主要目的是保證控制系統(tǒng)能夠在實(shí)時(shí)條件下運(yùn)行。最后，本文進(jìn)行了實(shí)車(chē)路面試驗(yàn)，在實(shí)車(chē)上驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的有效性，并且完成了數(shù)據(jù)采集與處理、控制器信號(hào)輸出與轉(zhuǎn)化的工作，簡(jiǎn)化了日后進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)的繁復(fù)工作。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：44026