[交通运输]AMT性能分析及PID控制仿真.doc
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1、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
2、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 poss
3、ess 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 clut
4、ch 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
5、 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
6、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.
7、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
8、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:
9、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Ranaul
10、t、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
11、。“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
12、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 A
13、MT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
14、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。
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
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