[交通运输]AMT性能分析及PID控制仿真.doc
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1、* * 大大 学学 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 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 摘要摘要 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
2、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:关键词:AMT;性能;PID;控制原理;仿真 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 I Abstract AMT with advanced electronic technology reform the traditional manual transmission. Not only to retain the original gear transmissi
3、ons 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
4、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 trans
5、mission 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 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 II 目录目录 1 绪论.1 2 AM
6、T 的分析 .1 2.1 AMT 的结构.1 2.2 AMT 的工作原理.2 3 PID 控制的分析 .4 3.1 PID 控制的工作原理.4 3.2 PID 控制的特点.5 3.2.1 比例环节(P).5 3.2.2 积分环节(I).5 3.2.3 微分环节(D).5 3.3 PID 控制的应用.5 3.3.1 PID 控制的应用 5 3.3.2 仿真实例6 3.4 PID 控制的方法分类.7 3.4.1 四种 PID 控制原理7 3.4.2 四种控制方法比较.11 4 汽车 AMT 系统模型的建立12 4.1 直流电机式油门执行器模型12 4.2 传动系统模型13 4.3 离合器模型14
7、5 控制系统模型的建立14 5.1 节气门控制模型14 5.2 离合器控制模型15 5.3 选换挡控制模型16 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 III 6 自整定模糊 PID 控制16 6.1 模糊 PID 控制的优点17 6.2 模糊 PID 控制的参数调整17 6.3 模糊 PID 控制器的设计18 6.3.1 模糊 PID 控制器的设计 18 6.3.2 模糊 PID 控制规则的语言描述19 6.3.3 模糊 PID 控制器的编辑21 6.3.4 模糊 PID 控制器的确立21 7 MATLAB/SIMULINK 仿真 24 8 结论28 致 谢29 参考文献.30 AMT 性能分
8、析及 PID 控制仿真 0 1 1 绪论绪论 1 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
9、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 2 AMTAMT 的分析的分析 2.12.1 AMTAMT 的发展及现状的发展及现状 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,
10、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
11、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 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 1 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
12、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。 2.22.2 AMTAMT 的结构的结构 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;
13、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; AMT 性能分析及 PID 控制仿真 2 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
14、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 2.32.3 AMTAMT 的工作原理的工作原理 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: AMT 性能分析及 PID 控制仿真 3 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
15、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
16、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。 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 4 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
17、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。 2.42.4 AMTAMT 性能的分析性能的分析 (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
18、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。 2.52.5 换挡品质及特性换挡
19、品质及特性 2.5.12.5.1 定义定义 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 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 5 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。 2.5.22.5.2 换挡品质评价指标换挡品质评价指标 换挡品质评价指标很多也很复杂,从简单实用的观点出
20、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- 12345 tttttt 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; 1 t 2 t 3 t 4 t 为离合器接合时间。 5 t (3)冲击度j 冲击度是车辆纵向加速度的变化率,选择冲击度
21、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) 22 /jda dtd v dt 式中,为车辆纵向加速度; 为时间; 为车速。atv 2.5.32.5.3 换挡品质评价指标间的关系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
22、发动机熄火。如果追求换挡平顺性,则要 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 6 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。 2.5.42.5.4 换挡特性换挡特性 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
23、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
24、够 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 7 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 3 PIDPID 控制的控制的简介简介 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
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