第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
汽車，是日常工作與生活中不可或缺的工具。近年來，人們對于汽車的需求不斷增加，全球汽車的產(chǎn)量與汽車保有量呈現(xiàn)出飛速增長的趨勢，1970年全球汽車保有2.46億輛，1986年全球汽車保有5億輛，據(jù)預計，到2050年，全球生產(chǎn)將保有超過8億輛的汽車[1]。以上數(shù)據(jù)，說明汽車在人們的生活中已經(jīng)占有了很重要的地位，人們對于汽車的關注也與日俱增。飛速增長的需求與日益增加的關注，必然會帶來汽車行業(yè)中各個汽車廠商的激烈競爭，汽車制造商為了盡可能多的占有國內(nèi)以及海外市場，加強了對汽車性能需求的關注。同樣，消費者們也越來越重視汽車駕駛過程中的動力性、安全性、舒適性和燃油經(jīng)濟性等各種性能。變速器是車輛的重要組成部分，關乎著車輛各個方面的性能。對于裝配有手動變速器的汽車來說，起步與換擋環(huán)節(jié)是完全依靠駕駛員的操作來完成的。由于駕駛員駕駛經(jīng)驗的不同，因此常常會出現(xiàn)同一輛車不同駕乘體驗的情況，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因為操作不當影響起步與換擋過程中的舒適性和平順性。但是汽車工業(yè)的快速發(fā)展與人們生活水平的不斷提高，使得購買汽車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，與此同時道路也在一天天變的越來越擁擠。以上這些因素使得手動變速器逐漸無法適應當今的汽車市場，而自動變速器的出現(xiàn)恰恰能夠解決這一問題。以電腦控制來代替人工控制，簡化了起步與換擋過程，降低了駕駛難度，令駕駛員能夠有更多的注意力來關注道路情況，也在一定程度上提高了汽車行駛過程中的安全性。由于自動變速器的優(yōu)點不僅適合已有一定駕駛經(jīng)驗的駕駛員，更符合日益增多的女性駕駛員和老年駕駛員的需求，所以自動變速器已成為車用變速器發(fā)展的主流。目前，汽車市場上常見的自動變速器主要有：液力式自動變速器（Automatic Transmission，AT）、無級式自動變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）、雙離合器自動變速器（Double Clutch Transmission，DCT）以及電控機械式自動變速器（AutomatedMechanical Transmission，AMT）。
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1.2 課題研究現(xiàn)狀
伴隨著汽車保有量的不斷上升，人們對于汽車的評價已經(jīng)不止于汽車整體的性能，而是越來越細化到各個方面性能。起步作為最初也是最直觀反應車輛性能的環(huán)節(jié)而得到了更多關注。因此，近年來國內(nèi)外專家學者對于起步控制問題進行了大量有價值的研究與探索。當前，針對車輛的起步過程的控制方法有優(yōu)化控制、非線性控制、發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、駕駛員起步意圖研究等。對于車輛起步過程優(yōu)化控制，文獻 [20–22]針對重型汽車起步離合器的最優(yōu)控制進行了討論。首先文中提出了車輛起步半接合點這一概念，即車輛從靜止到運動的分界點，憑借半接合點將車輛起步過程分為兩部分。在第一部分因為車輛的狀態(tài)始終保持靜止，所以在這一階段無論離合器接合的多么快，都不會產(chǎn)生沖擊；第二部分離合器接合速度過快，會對車輛的傳動系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，影響駕乘人員的舒適性，而接合過慢會令整個起步時間變長，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，不計滑摩損耗，在第二部分運用最優(yōu)控制策略進行控制，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 [23, 24]研究了車輛起步過程的混合優(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 [25]研究了干式離合器在接合過程中的優(yōu)化控制。在建立傳動系的狀態(tài)空間動態(tài)模型的基礎上，將曲軸轉(zhuǎn)速和離合器轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)變量，運用線性二次型的方法設計閉環(huán)反饋控制器，通過所設計的控制器來確�？焖俳雍希p耗小的控制要求。文獻 [26]研究基于觀測器的干式離合器的最優(yōu)控制，將離合器盤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車輛動力總成系統(tǒng)的模型搭建

第一章對于車輛起步控制問題的研究背景、研究意義以及當前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀做出了相關介紹，本章將對 AMT車輛的起步過程進行詳細說明，建立這一過程動力學模型，并在此基礎上運用 AMESim仿真軟件進行 AMT車輛的動力總成系統(tǒng)模型的搭建以及模型合理性的驗證工作。

2.1 AMT車輛起步過程的分析
AMT車輛起步過程的本質(zhì)就是通過離合器的接合將發(fā)動機輸出的扭矩傳遞給變速器，變速器通過所選擋位的齒輪將力矩傳遞給動力總成系統(tǒng)后面的部分，直至傳遞到輪胎上的力克服路面阻力，待車輛克服路面阻力開始以一定的速度前進后，至此車輛的起步過程結(jié)束，接下來駕駛員可以根據(jù)駕駛需求和路面狀況來進行換擋以及加減速的操作。由此可見，離合器在這一過程中起著至關重要的作用，而對于上述的起步過程還可以具體分為以下三個階段，如下圖 2.1。0 ～ t1階段：該階段是以離合器開始動作為起點，以離合器的主動部分與從動部分剛剛接觸為終點，該階段稱為“空行程階段”。顧名思義，在這一階段離合器的主動部分和從動部分在執(zhí)行機構的推動下開始相互靠近，以此來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部分與從動部分并沒有真正的接觸，所在發(fā)動機相當于空載運行，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會逐漸增大，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部分之間沒有相互接觸，所以在這一階段不會有滑摩與沖擊的產(chǎn)生，所以對于這一階段的控制來說，應當盡可能快的完成，以此來節(jié)省車輛起步控制中的接合時間。
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2.2 起步過程數(shù)學模型的建立
上一小節(jié)對車輛的起步過程進行了定性的描述，即車輛利用發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩通過離合器摩擦盤的滑摩，將其傳遞給動力總成系統(tǒng)后續(xù)部分，以此來克服路面阻力，完成車輛的起步環(huán)節(jié)。但是要對車輛起步過程進行控制器設計，就必須建立針對該過程的數(shù)學模型。下圖 2.2為 AMT車輛動力總成系統(tǒng)的簡化等效模型[34, 35]，其中除離合器的主從動部分之外的元件都認為是剛性連接的。通過圖 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（起步過程中車輛所選擋位保持不變），因此應該以離合器的主動部分與從動部分為界限進行動力學分析建模。通過上一小節(jié)的分析，可知整個起步過程中滑摩階段是比較重要的階段，因此將對這一階段著重進行分析建模。
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第 3 章 AMT車輛起步控制策略與離線仿真實驗.........31
3.1 AMT車輛起步過程控制性能評價指標 .... 31
3.2 AMT車輛起步控制策略 ..... 33
3.2.1 控制系統(tǒng)設計與推導......... 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 快速原型實驗與路面實車試驗.........45
4.1 快速原型實驗.......... 45
4.1.1 仿真模型的簡化 ...... 45
4.1.2 快速原型實驗平臺組成 ...... 47
4.1.3 快速原型實驗設計與結(jié)果分析 ..... 48
4.2 路面實車試驗.......... 49
4.2.1 實車試驗平臺組成 ........... 50
4.2.2 實車試驗設計與結(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 快速原型實驗與路面實車試驗

上一章已經(jīng)完成了 AMT車輛起步控制系統(tǒng)的設計與推導工作，并通過聯(lián)合仿真實驗驗證了控制系統(tǒng)的離線控制效果。本章將在此基礎之上，進行車輛起步的快速原型實驗和路面實車試驗。首先，利用快速原型實驗完成控制器的離散化，以及實時求解的工作，然后將會運用實驗室試驗用車奔騰 B50在真實路面上完成本文設計控制系統(tǒng)的實車試驗驗證。

4.1 快速原型實驗

為了能夠減小在實車路面試驗中的復雜工作量，本文在進行實車試驗之前會進行快速原型實驗，利用實驗室的快速原型實驗平臺對控制系統(tǒng)進行進一步的調(diào)整。快速原型實驗中對控制器模型和被控對象模型都存在一定的要求，其中最為重要的就是對計算步長的要求。在離線仿真實驗中，模型允許以變步長的方式進行仿真，變步長的運行方式在計算量較小的時間區(qū)域內(nèi)可以利用電腦豐富的硬件資源加速運行，在計算量較大的時間區(qū)域內(nèi)，會減緩運行速度，以達到精確計算的目的。與離線仿真實驗不同，在線仿真實驗中無論是控制器還是被控對象都要求以定步長進行運行，如果模型中存在比較復雜的元件或者模塊，而計算的步長較小，那么將會出現(xiàn)在兩個采樣時刻之間無法完成計算的情況，從而導致計算的失準，控制效果變差，嚴重時會產(chǎn)生模型錯誤，無法完成實驗。因此，進行在線仿真實驗之前要先對模型進行分析，對于較為復雜的元件和模塊進行合理的簡化。首先要對模型進行頻率分析，因為模型中復雜的元件會要求計算精度較高，導致比較大的計算量，而計算量的增大必然會導致模型頻率的增高，因此找到高頻元件是模型簡化的關鍵。本文中模型搭建運用的 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。查找對應元件之后，發(fā)現(xiàn)是執(zhí)行機構部分（圖 4.2）導致了高頻的產(chǎn)生。

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總結(jié)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，，消費者和生產(chǎn)廠商的雙向要求使得汽車領域的研究探索呈現(xiàn)出多元化和細化的趨勢，本文僅針對裝配有 AMT自動變速器的車輛的起步控制問題進行了相關研究。本文對于車輛起步過程中離合器的接合控制系統(tǒng)進行設計，通過離線仿真實驗和實車路面試驗驗證了本文設計的控制系統(tǒng)的有效性。本文完成的工作主要可以分為以下幾個方面：
1  本文對于研究對象 AMT自動變速器進行了深入的學習與研究，包括 AMT的結(jié)構組成、系統(tǒng)工作原理等，其中對于 AMT自動變速器中的離合器以及離合器的執(zhí)行機構進行了特別的研究。然后利用所學知識對裝配有 AMT自動變速器的車輛動力總成系統(tǒng)進行了仿真模型建立，該模型的搭建以實驗室的實驗用車 B50為基礎，以真實車輛的數(shù)據(jù)完善了模型相關參數(shù)的設置，之后還完成了對于模型合理性的驗證，保證了仿真模型的可靠有效。因為該模型中并未嵌入控制算法，所以可以用于實驗室未來進行的各種仿真實驗。
2  本文針對車輛的起步過程進行了深入的分析，將整個起步過程分為三個階段，并對三個階段的控制要求與側(cè)重點進行了研究，發(fā)現(xiàn)對于滑摩階段的控制是影響整個起步控制質(zhì)量的關鍵，因此重點針對滑摩過程進行了控制方法研究。本文選取自抗擾控制方法作為本文控制系統(tǒng)的核心，該方法擁有算法復雜性相對較低、易于實現(xiàn)、且對系統(tǒng)擾動具有良好的抑制作用等優(yōu)點，以 PID控制來輔助完成執(zhí)行機構的控制。
3  本文完成控制系統(tǒng)的設計工作之后，進行了離線仿真實驗，并根據(jù)實際駕駛過程中的路面狀況和駕乘人員變化設置了多種起步工況，所獲離線仿真實驗結(jié)果表明，設計的控制系統(tǒng)能夠很好的完成起步過程中的離合器接合控制。此后，完成了為實車路面試驗做準備的快速原型實驗，該實驗的主要目的是保證控制系統(tǒng)能夠在實時條件下運行。最后，本文進行了實車路面試驗，在實車上驗證了本文設計控制系統(tǒng)的有效性，并且完成了數(shù)據(jù)采集與處理、控制器信號輸出與轉(zhuǎn)化的工作，簡化了日后進行實車試驗的繁復工作。
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參考文獻(略)

本文編號：44026