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AMT性能分析及PID控制仿真* * 大 学 毕 业 论 文（设计）题 目： AMT性能分析及PID控制仿真 学 号： 姓 名： 年 级： 学 院： 系 别： 专 业： 车辆工程 指导教师： 完成日期： 年 月 日 32摘要AMT是用先进的电子技术改造传统的手动变速器,不仅保留了原齿轮变速器效率高、成本低的长处,而且还具备了液力自动变速器采用自动换档所带来的全部优点。本文通过对AMT及PID控制的详细分析，深入探讨了PID控制在AMT中的应用，并且借助MATLAB中的仿真模块，找寻电子控制单元（ECU）中的最佳程序，最佳换档规律、离合器模糊控制规律、发动机供油自适应调节规律等，对发动机供油、离合器的分离与结合、变速器换档三者的动作与时序实现最佳匹配，从而获得优良的燃油经济性与动力性能以及平稳起步与迅速换档的能力，以达到提高AMT性能的目的。关键词：AMT；性能；PID；控制原理；仿真AbstractAMT with advanced electronic technology reform the traditional manual transmission. Not only to retain the original gear transmissions advantages of high efficiency and low cost, but also to possess all advantages that the hydraulic automatic transmission adopts automatic shift brought. This article penetrate into the application of PID control in AMT by analyzing detailed the AMT and PID control .And use the MATLAB simulation module, look for the best program, the best shift rule, the clutch fuzzy control rule and the engine oil-supplied self-adaptive rule, etc, in the electronic control unit (ECU). To achieve the best matching for action and time of the engine supplying, clutch of separation or combination and the transmission shift. So obtain the excellent fuel economy, the dynamic performance, the smooth starting and the capabilities of rapid shift, so as to achieve the purpose of improving AMT performance. Key words: AMT; Performance; PID; The control principle; Simulation 目录1 绪论12 AMT的分析12.1 AMT的结构12.2 AMT的工作原理23 PID控制的分析43.1 PID控制的工作原理43.2 PID控制的特点53.2.1 比例环节（P）53.2.2 积分环节（I）53.2.3 微分环节（D）53.3 PID控制的应用53.3.1 PID控制的应用53.3.2 仿真实例63.4 PID控制的方法分类73.4.1 四种PID控制原理73.4.2 四种控制方法比较114 汽车AMT系统模型的建立124.1 直流电机式油门执行器模型124.2 传动系统模型134.3 离合器模型145 控制系统模型的建立145.1 节气门控制模型145.2 离合器控制模型155.3 选换挡控制模型166 自整定模糊PID控制166.1 模糊PID控制的优点176.2 模糊PID控制的参数调整176.3 模糊PID控制器的设计186.3.1 模糊PID控制器的设计186.3.2 模糊PID控制规则的语言描述196.3.3 模糊PID控制器的编辑216.3.4 模糊PID控制器的确立217 MATLAB/SIMULINK仿真248 结论28致 谢29参考文献301 绪论1车辆自动变速是汽车电控技术的一个重要组成部分1。采用计算机和电子控制技术实现车辆自动变速,能消除驾驶员换档技术的差异、减轻驾驶员的劳动强度、提高行车安全性、提高车辆的动力性和经济性。机械式自动变速器AMT(Automatic Mechanical Transmission)是自动变速器的一种。从PID控制提出以来，对PID控制的研究一直就是一个热点。随着计算机进入控制领域后，用数字计算机模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，还可以利用计算机的逻辑功能，这就使得PID控制更加灵活。PID控制器结构简单，在实际应用中也比较容易整定，因而，它在工业过程控制中有着最广泛的应用，同样，在AMT中也大量采用PID控制。本文首先对汽车AMT系统和PID控制原理进行了简单的阐述，然后再对AMT系统中的被控对象模型进行建模，最后基于Matlab/Simulink设计汽车AMT系统的控制器模型（节气门控制器模型、离合器控制器模型和选换档控制器模型），并进行了仿真研究，以此作为优化AMT性能的理论依据。2 AMT的分析2.1 AMT的发展及现状AMT的发展大概分为三个阶段：首先是半自动SAMT阶段。这一阶段属于半自动变速器发展与成熟阶段，包括瑞典Scania的CAG系统、Bens的EPS系统和美国Eaton的SAMT系统采用的都是半自动变速器，其实质是辅助换挡系统，离合器踏板保留，换挡时刻由驾驶员控制，微机系统获取驾驶员的换挡信号并对换挡执行机构发出指令。第二阶段，AMT全自动阶段。其标志1984年日本五十铃公司投放市场的NAVI-5电控机械式自动变速器。同时期出现的还有日本的Nissan、Hino和美国 Eaton的自动变速箱。1988年德国的ZF公司将其Autoshift系统装车使用。在此领域展开研究的还有美国的Ford、意大利的Fiat、法国的Ranault、瑞典的Scania等大型汽车企业，使全自动AMT逐渐进入实用阶段。 第三阶段，AMT智能控制形成和发展阶段。由于离合器的起步与自动换挡操纵规律都受环境因素、人的驾驶愿望、车辆客观运行状态的影响，日本的Isuzu、Nissan等开始采用模糊推理的智能方法进行此方面的研究，包括模糊换挡策略和离合器结合速度的模糊控制。 在我国AMT研制工作起步较晚，但起点较高，超越了半自动变速器的阶段，直接进行全自动AMT的研究2。1990年，原吉林工业大学汽车系AMT课题组在EQ140货车上采用原车气源进行了气动AMT的研究开发，并于1992年开发了样车。同年，在吉林省科委的组织下，AMT样车通过了专家的鉴定。“九五”期间，AMT 的开发研制和产品化被列入国家“九五”科技攻关项目，目前AMT技术已在我国蓬勃发展起来。2.2 AMT的结构图1为AMT的实物图。 图1 电控机械式自动变速器（AMT）图2为AMT的基本结构示意图11。AMT系统由下列四大部分组成：被控制系统、电子控制器(ECU)、传感器、执行机构。a被控制系统：变速器、离合器、发动机；b电子控制器：各信号处理单元、CPU单元、程序及数据存储器单元、驱动电路单元、显示单元、巡航控制单元、电源单元等；c传感器：速度传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器、档位传感器、加速度传感器等；d执行机构：高速电磁阀、液压缸、油泵、步进电动机、继电器等。图2 电控机械式变速器的结构1.变矩器 2.中间轴第1挡齿轮 3.中间轴第3挡齿轮 4.第1轴第3挡齿轮 5.第3挡离合器 6.第4挡离合器 7.第1轴第4挡齿轮 8.第1轴倒挡齿轮 9.倒挡惰轮 10.第1轴惰轮 11.第1轴 12.中间轴第2挡齿轮 13.中间轴惰轮 14.停车齿轮 15.中间轴 16.停车锁 17.第2轴 18.第2轴惰轮 19.中间轴倒挡齿轮 20.第2轴第2挡齿轮 21.倒挡接合套 22.中间轴第4挡齿轮 23.伺服阀 24.第2挡离合器 25.第1挡离合器 26.第2轴第1挡齿轮 27.单向离合器 28.第1挡固定离合器 29.主减速器齿轮 30.油泵2.3 AMT的工作原理发展AMT的初衷是实现自动化换挡，简化复杂的手动操作，降低劳动强度。其基本原理可以简单地描述为：传统固定轴式变速器（MT）+自动变速操纵系统（ASCS）=机械式自动变速器（AMT）即在传统的固定轴式变速器（MT）的基础上加装自动换挡控制系统（ASCS），采用变速器控制单元（TCU）控制执行机构，根据驾驶员发出的换挡要求，替代人完成离合器分、合的动作以及换挡动作。AMT的基本工作原理如图3所示。图3 AMT的基本工作原理图3所示系统可分为人工控制和电子控制两层。人工控制层主要反映个人驾驶风格及外部环境。驾驶员根据交通状况、汽车载荷、天气情况等外部条件决定以下参数：手/自动选择，换挡规律选择，杆位选择，巡航控制，加速踏板位置，制动踏板位置及源于系统故障信息而采取的其它措施。电子控制层包括发动机控制单元（ECU）和变速器控制单元（TCU），离合器控制单元（ECU）经常作为一个功能模块集成在TCU内。电子控制层根据驾驶者的初始设定参数（手/自动选择、巡航控制选择、换挡模式选择、杆位选择等），实时采集反映驾驶员意图的信号（加速踏板位置和制动踏板位置信号），明确驾驶员操纵意图，结合车辆当时的运动状态（发动机转速、输入轴转速、车速、挡位等），依据内部的控制规律，按照可行的控制策略，控制执行机构（节气门执行机构、离合器执行机构、选换挡执行机构），完成发动机、离合器、变速器的综合控制。所依据控制规律是从众多熟练驾驶员实际操作的最佳驾驶方法中提炼而成，包括不同驾驶风格下的起步模式、换挡规律、离合器结合规律等。控制策略则是按照控制规律要求，并考虑执行机构特性而形成的对发动机、离合器、变速器的控制时序和控制方法。电子控制层的性能决定AMT的换档品质，是目前AMT研究的主要内容，其中的PID控制也就是本文所要探讨的重点。2.4 AMT性能的分析（1）换挡规律的制定3 通过选择一定的换挡控制参数，按照某种指标最优求出换挡规律。根据选择的控制参数数量的不同，换挡规律可以分为两参数(车速、油门)和三参数(车速、加速度、油门)两种换挡规律根据选择的最优指标的不同，换挡规律可以分为车辆燃油经济性最优和行驶动力性最优两种换挡规律。 （2）离合器接合规律的制定 根据离合器接合规律控制离合器操纵机构，实现离合器的自动操纵，是另一个核心问题。AMT取消离合器踏板，只有实现离合器的最佳结合规律，才能保证汽车起步、换挡品质，减少对传动系统零部件的冲击，延长这些部件的使用寿命并提高乘坐舒适性。 （3）发动机、离合器和变速器的协调控制 在换挡过程中的主要技术问题是换挡时序和离合器与发动机的协调控制。要制定合理的换挡时序，首先要对换挡过程进行详细的分析，分析各换挡环节对换挡品质的影响，以及它们之间的时序关系；其次要掌握执行机构相对于控制指令的滞后情况，并且对滞后进行补偿；另外提高传感器精度也是制定合理换挡时序，减小换挡时间的保证。发动机在换挡期间，比如变化油门从而来改变其转速来适应换挡，以减小换挡冲击、滑磨功和换挡时间，更是改善换挡品质的关键问题。2.5 换挡品质及特性2.5.1 定义所谓换档品质是指在保证汽车动力性与动力传动系统寿命的前提下，能够迅速而平稳换挡的程度，集中体现为舒适性。对于AMT而言，耐久性主要反映动力传动系统各部件的寿命应满足使用的要求；动力性主要指换挡过程中的动力中断时间要尽可能少，以减少不必要的动力浪费，提高车辆的动力性和运输效率；而舒适性主要从乘员的感觉来考虑，要求在换挡过程中无换挡冲击，无发动机的异常噪声，使乘员无不适的感觉，甚至无换挡的感觉。2.5.2 换挡品质评价指标换挡品质评价指标很多也很复杂，从简单实用的观点出发，仅以离合器寿命、换挡时间和冲击度作为换挡品质的评价指标来进行研究。（1）离合器寿命众所周知，AMT系统的关键和难点就是离合器控制，AMT的耐久性就集中体现在离合器的使用寿命上，它应该和原手动换挡车辆的离合器寿命大体相当。（2）换挡时间换挡时间4是能够反映换挡品质的综合性指标，好的换挡品质要求在平顺换挡的基础上，换挡时间要尽量少。换挡时间的数学表达式为： （3-1）式中，为离合器分离时间；为摘空挡时间；为选挡时间；为换挡时间；为离合器接合时间。（3）冲击度冲击度是车辆纵向加速度的变化率，选择冲击度作为换挡品质评价指标，不仅容易与人体的感觉同步，而且可以把因道路条件引起的弹跳颠簸加速度的影响以及驾驶员非换挡因素操作的影响排除在外，从而真实地反映换挡品质。其数学表达式为： (3-2) 式中，为车辆纵向加速度；为时间；为车速。2.5.3 换挡品质评价指标间的关系AMT换挡品质即要求换挡平顺（量化指标为冲击度），而从整车来说还要求保证动力性和经济性，这三者之间就构成了一个矛盾体。就AMT控制的关键如离合器控制来说，为追求车辆的动力性和经济性，要求离合器结合时间短，而这就有可能造成换挡冲击，甚至使发动机熄火。如果追求换挡平顺性，则要求离合器结合要相对慢些但这样就有可能导致离合器的滑磨时间过长，影响其寿命。如何在这二者之间找到平衡点，得到最佳的换挡品质，这就是研究的重点所在。2.5.4换挡特性为了使汽车能够具有最佳的行驶性能，制定电控机械式自动变速器换挡规律时需要根据发动机的状态来选择最佳的变速器挡位。换挡规律根据优化计算时所选用的目标函数的不同可以分为最佳动力性换挡规律和最佳燃油经济性换挡规律1。（1）最佳动力性换挡特性汽车动力性在很大程度上决定了汽车运输效率的高低，所以动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。最佳动力性换挡规律就是使自动变速器能够以使汽车具有最佳动力的换挡点进行换挡操作，以达到提高汽车动力性的目的。目前，自动变速器上应用的最佳动力性换挡规律包括两参数最佳动力性换挡规律以及动态三参数最佳动力性换挡规律。图4 汽车的最佳动力性换挡曲线图5 汽车的最佳经济性换挡曲线（2）最佳燃油经济性换挡特性燃油经济性是汽车的一个重要性能，也是每个拥有汽车的人最关心的指标之一。为了减少能源消耗及能源消耗时产生的温室效应的副作用，多数国家制定了相应关于汽车燃油消耗的法规，所以降低汽车燃油消耗己成了汽车制造者和使用者的一个永恒的课题。最佳燃油经济性换挡规律就是使自动变速器能够以最经济的换挡点进行换挡操作，以达到降低燃油消耗的目的。目前，自动变速器上应用的最佳燃油经济性换挡规律包括两参数最佳燃油经济性换挡规律以及动态三参数最佳燃油经济性换挡规律。3 PID控制的简介PID控制，又称PID调节5。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作评靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，或控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方使。即当我们不完全了解某个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。3.1 PID控制的原理PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的PID控制，实际中也有PI和PD控制，有时用PI控制或是PD控制就能起到很好的控制作用。PID控制结构简单、调节方便，用一般的电子线路和电器装置就很容易实现。图6为模拟PID控制系统原理框图。系统由模拟PID控制器和被控对象组成6。图6 PID控制系统原理框图PID控制器根据给定值与实际输出值构成控制偏差，即： （3-1）其控制规律为： （3-2）或写成传递函数形式： （3-3）式中为控制器的比例系数；为偏差值；为积分时间常数；为微分时间常数。3.2 PID控制的特点3.2.1 比例环节（P） 比例控制是一种比较简单的控制方法，其控制器的输出和输入误差信号成一定的比例关系，而在只有比例控制时系统的输出存在稳态控制。PID控制中的比例控制是成比例的反映系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器就立刻会有控制作用，以便减少偏差。比例控制反应较快，但对某些系统来说，有可能存在稳态误差，通过调整比例系数KP可以减少系统的稳态误差，但这样有可能使得系统的稳定性变差。3.2.2 积分环节（I） 积分控制是指控制器的输出和输入误差信号的积分成正比关系。一个自动控制系统在进入稳态后存在稳态误差，那么这个控制系统就是有稳态误差的。如何消除稳态误差，这就要在控制器中引入“积分项”，积分项会随时间的增加而增加，这就使得积分项可以推动控制器的输出增大而使稳态误差进一步减小。PID控制中的积分环节主要用来消除静态误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决与积分时间常数，时间越长，积分作用越弱，反之就越强。3.2.3 微分环节（D）微分控制是控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中有可能会产生振荡甚至失稳。PID控制中的微分环节反映偏差信号的变化速率，能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的运动速度，减小超调，减小调节时间。对产生的突然变化起作用，来减小这种变化，改善系统的稳定性。而当输入没有变化时微分环节的输出就是零。3.3 PID控制的分类实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性、滞后现象严重等特点，难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果。因此,很多人对PID控制做了各种改进。本文分别对常规PID控制，模糊自适应PID控制，BP神经网络PID控制，遗传算法PID控制这四种当代工业中常用的控制方法进行简单的阐述。（1）基于FOLPD的ZieglerNichols方法的PID控制7ZieglerNichols方法是基于稳定分析的PID整定方法。该方法整定比例系数的思路是，首先置，然后增加直至系统开始振荡，最后根据表1中的公式可以设计出PID控制器。表1 ZieglerNichols 整定公式控制器类型由阶跃响应整定由频域响应整定KPTiTdKPTiTdPPIPID1/a0.9/a1.25/a3L2LL/20.5KC0.4KC0.6KC0.8TC0.5TC0.12TC其中参数K、L和T是通过系统的FOLPD近似模型所计算出来的，aKLT。（2）模糊自适应整定PID控制原理8模糊自适应PID控制器结构是一类被广泛应用的PID控制器，该控制器一改传统PID控制器的固定参数，的控制策略,提出了可以根据跟踪误差信号等动态，来改变PID控制器参数的方法，达到改善控制效果，扩大应用范围的目的。在实际应用中一般是以误差和误差的变化率作为控制器的输入，可以满足不同时刻的和对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，以满足不同和时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静性能。自适应模糊PID控制器的结构图如图7所示。图7 PID参数自适应模糊控制器系统框图（3）BP神经网络PID控制原理9BP神经网络所具有的任意非线性表达能力,可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID控制。采用BP网络，可以建立参数、自学习的PID控制。基于BP神经网络的PID控制系统结构如图8所示。图8 基于BP神经网络的PID控制结构图基于BP神经网络PID控制算法可以归纳为：选定BP的结构，即选定输入层节点数M和隐含层节点Q，并给出各层加权系数的初值、，选定学习速率和惯性系数；采样得到和，计算；对、（k，k1，kp）进行归一化处理，作为BP的输入；计算BP的各层神经元的输入和输出，输出层的输出即为PID控制器的3个参、 、；计算PID控制器的输出u(k)，参与控制和计算；计算修正输出层的加权系数；计算修正隐含层的加权系数；置kk1，返回。（4）基于遗传算法PID控制原理10遗传算法（GA）是起源于生物进化的一种自适应搜索算法。模仿了生物的遗传、进化原理，并引用了随机统计理论而形成的。在求解过程中，遗传算法从一个初始变量群体开始，一代代地寻找问题的最优解，直至满足收敛判据或预先设定的迭代次数为止。它是一种迭代式算法。图9 遗传算法流程图遗传算法的工作机理：构造满足约束条件的染色体。随机产生初始种群。计算每个染色体的适应度。使用复制、交义和变异算子产生子群体。重复步骤、直到满足终止条件为止。遗传算法控制过程如上图9。5 模糊自整定PID控制由于自整定模糊PID控制的诸多优点，及其本身的结构特点，所以，本文采用自整定模糊PID控制对AMT系统进行建模仿真。5.1 模糊PID控制的优点模糊控制13是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，作为智能控制的一个分支，在控制领域获得了广泛应用，模糊PID控制与其他传统控制方式相比具有以下突出的优点：（1）不需要精确的被控对象的数学模型；（2）使用自然语言方法，控制方法易于掌握；（3）鲁棒性能好，能够较大范围的适应参数变化；（4）与常规PID控制相比，动态响应品质优良。5.2 模糊PID控制的参数调整以典型二阶系统单位阶跃响应的曲线为例进行分析，相应曲线如图10。图10 阶跃响应误差曲线图从误差曲线可得出以下规则13：（l）当误差较大时，即系统响应处于图10所示输出响应曲线A段时，说明误差的绝对值较大，为使系统响应具有较好的快速跟踪性能，控制器的值应该取较大值；为避免因开始时偏差的瞬间变大，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围，控制器的应取较小值；为避免系统响应出现较大的超调，需对积分作用加以限制，常取。（2）当误差在中等大小时，即系统响应处于10中曲线的B段时，为保证系统的相应速度并控制超调，应减小值，值应增大，应适中。（3）当误差较小时，即系统响应处于图10中C段时，为保证系统具有良好的稳态特性，应加大、的取值，同时为避免产生振荡，的取值应该和联系起来。5.3 模糊PID控制器的设计5.3.1 模糊PID控制器的设计（1）输入输出变量的确立14基于对系统的分析，我们将偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入，PID控制器的3个参数、和作为输出。（2）输入、输出变量的模糊语言描述设定输入变量和语言值的模糊子集为负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，并简记为NB , NM , NS , ZO ，PS，PM ，PB ，将偏差和偏差变化率量化到（-3,3）的区域内。同样，设定输出量、和的模糊子集为 NB , NM , NS , ZO ，PS，PM ，PB ，并将其量化到区域（0 , 3）内。输入输出变量的隶属函数曲线分别如图11、12中所示。图11 输入、的隶属函数曲线图12 输出、和的隶属函数曲线5.3.2 模糊PID控制规则的语言描述根据参数、和对系统输出特性的影响情况，可以归纳出在不同的和时，被控参数、和的自整定要求，从而可得模糊控制规则为：If ( is NB) then ( is PB) and ( is ZO) and ( is PS). If ( is NM) and ( is NM) then (is PM) and ( is PS) and ( is PM).If ( is NS) and ( is NS) then (is PB) and ( is PB) and ( is PM).If ( is PS) and ( is NS) then ( is PB) and ( is PB) and ( is PM). If ( is PM) and ( is NM) then ( is PB) and ( is ZO) and ( is PS).If ( is PB) then ( is PB) and ( is ZO) and ( is PS).5.3.3 模糊PID控制器的确立本系统中的PID控制器有5个输入量：即、和，而输出即为控制量U(n),它的控制算法为： (5-1)其中，、分别为第个采样时刻控制器输出（控制量）和输入量（偏差信号）, 为比例增益，、分别为积分、微分时间常数，T为采样周期，, 。根据以上数学模糊，在SMULNK里面很容易建立起PID控制器模型。在SMULINK的菜单中，我们选择Fuzzy Logic Toolbox中的Fuzzy logic controller模块，并键入名字matrix。在这基础之上，我们加上量化因子、和。这样，符合我们要求的模糊控制器便建立起来了。这样模糊控制器和PID控制器的结构分别如图13、图14所示:图13 模糊控制器图14 PID控制器显然，量化因子和将和量化为（-3,3)上的模糊控制量，经模糊控制规则动态处理，成为（0,3）上的模糊控制量，经量化因子、和将其精确化，便可得到PID控制器的控制参量、和。将模糊控制器和PID控制器分别打包后连在一起便构成了期望的复合控制器，再将二者打包、封装便可得图15所示的自整定模糊PID控制器。图15 自整定模糊PID控制器在SIMULINK环境中利用鼠标器将相应的模块拖到窗口中，连接后便得到整个控制系统的模型，可以根据输出结果来判断本控制器的性能。系统运行后，可以利用示波器观察输出的情况，也可以将数据存储到MATLAB的工作空间中，再利用绘图命令plot将输出曲线在单独窗口画出来。6 汽车AMT系统模型的建立在对汽车AMT系统进行PID控制仿真前，要先对AMT系统的被控对象模型进行建模，包括直流电机式油门执行器模型、传动系统模型及离合器模型。整车AMT系统模型如图16所示，可分为控制器模型和被控对象模型两大部分，其中被控对象模型包括节气门模型、发动机模型、离合器模型、变速器模型和车辆模型。图16 汽车AMT系统的模型框图6.1 直流电机式油门执行器模型直流电机式油门执行器主要由节气门驱动电机、齿轮减速机构、节气门空气流量阀片、两个节气门位置传感器以及节气门复位弹簧组成，其结构图如图17所示11。图17 直流电机式油门执行器结构简图直流电机驱动装置系统模型如图18所示12。图18 节气门直流电机驱动装置结构图图中：电机端电压；电机反电动势；电机电枢电阻；电机电枢电感；电机角速度；TTDJ电机输出转矩；减速机构及节气门的阻力转换到电机轴上的阻力矩。6.2 传动系统模型本文对汽车AMT中的传动系统建模时忽略了减震系统和其它弹性元件，将各部件视为刚体，并认为传动运动副为刚性连接，则离合器结合过程的动力学模型如图19所示12。图19 汽车离合器动力传动系统简化模型图中：为发动机输出转矩，为离合器的摩擦转矩，为离合器输出轴的阻力矩，为飞轮、离合器主动部分在发动机输出轴的当量转动惯量，为离合器从动部分在离合器输出轴的当量转动惯量。6.3 离合器模型离合器直流电机驱动装置系统模型如下图所示11。图20 离合器直流电动机驱动装置结构图由上图可知，离合器电机驱动装置结构图和节气门直流电机驱动装置结构图相同，所以建立的模型也一样，只是其中的相关变量所用的符号不同而已。7 控制系统模型的建立PID控制由于其结构简单、参数易整定、控制效果良好，因而在控制工程中广泛使用的一种控制方法。在对汽车AMT系统进行仿真时，对节气门、离合器以及换挡控制都采用PID控制。7.1 节气门控制模型在非换档情况下分两种情况进行控制，第一种情况是当离合器从动轴转速与发动据转速接近时，即时，此时加电压以使电子节气门开度与加速踏板的角位移成正比，采用分段PID控制15: （7-1） （7-2） （7-3） （7-4） （7-5） （7-6）第二种情况是发动机与离合器从动轴的转速相差比较大即时，这是一般为刚起步或者换档刚结束，此时以发动机转速与根据这时的车速折算回来的发动机转速的差为控制变量，采用PID控制： （7-7） （7-8） （7-9）式中：车轮滚动半径；变速器某档位速比；主减速器传动比；车速。换挡过程中以最大负向电压回收油门，直到油门回收到零，即 （7-10） （7-11）7.2 离合器控制模型离合器控制包括分离控制和结合控制，换档时，要求以最快的速度分离离合器至最大位置，此时给离合器电机加正向最大电压，即：。离合器结合时其目标结合速度为： （7-12） 且或 （7-13） 且 （7-14） （7-15）式中：，为控制参数，为的给定误差限。7.3 选换挡控制模型该文采用的是两参数（车速和油门开度）换档规律，其选换档控制规则描述如下：（1）测出当前的，以及当前的档位值；（2）若，选升档曲线，当（=1,2,3,4），发出从档升至档的命令；（3）若，选降档曲线，当（=5,4,3,2），发出从档降至档的命令。注：是实际车速接近目标换档车速的误差限。两参数换档时，发出换档命令包括：（1） 向节气门控制器发出回位命令；（2） 发出离合器分离命令；（3） 向选档执行器发出控制命令：；（4） 向换档执行器发出控制命令：。在控制中采用状态指示器指示换档和不换档，用state=0表示不换档或者换档已完成，state=1表示正在换档。8 Matlab/Simulink仿真换挡规律是AMT控制系统的核心环节，它是AMT判断换挡时刻的依据。在应用中，通过将当前的车辆行驶状态与换挡规律对比，可判断是否达到换挡规律在该行驶状态下对应的换挡点并自动执行换挡操作，这样大大减轻了驾驶员的疲劳，提高行驶安全性，同时使整车具有较好的动力性及燃油经济性。为了对换挡规律进行评价，分析换挡规律对动力性和燃油经济性的影响，可以采用计算机仿真的方法。本文所有的参数均为某商用车的参数16。8.1 AMT系统的仿真流程图在上文我们已经对汽车AMT系统进行了建模，那么对汽车AMT系统模型进行仿真的流程如图21所示。图21 汽车AMT系统仿真流程图其流程体现了AMT系统的换档逻辑关系，仿真计算主要完成以下功能：程序的初始化；调用各功能子程序；协调各功能子模块之间的工作。AMT系统仿真模拟实际汽车AMT系统的工作过程为：起步之前，离合器分离在最大位置，油门处干零位；假设从l档起步，起步时踩下油门踏板，节气门开度a增大，控制器输出离合器控制电压，执行离合器的结合过程；检测车速和节气门开度，判断是否换档，当满足换档条件时，控制器输出换档状态指示器，state=l，这时控制器执行节气门回零位操作，离合器分离操作，档位退至空挡，换上新档，并控制节气门开度a重新回到平衡状态，此时将状态指示器state置为0，则标志换档结束，离合器开始结合；重复第三步动作，直到仿真结束。图22 节气门控制流程图图23 离合器控制流程图 图24 档位控制流程图8.2 AMT系统的仿真模块图根据上述模拟过程，利用参数自整定模糊PID控制器对汽车AMT系统进行仿真，所设计的仿真模块图如下。（a）变速器模块子系统（b）变速器模块内部具体结构图25 变速器的simulink