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电液驱动离合器的仿真与控制

关键词：仿真、动态建模、液压执行器、湿离合器、控制网络预测、时变

时滞

摘要：任何汽车变速器的基本功能是将发动机的扭矩以一定的传动比平稳、高效地传递给车辆，变速器内最常见的控制装置是离合器和液压活塞。离合器接合的自动控制在车辆的自动变速器中起着关键作用，被视为在汽车行业一个越来越重要的使能技术。它给自动变速控制系统和牵引力控制系统提高了安全性，动力性，舒适度还有燃油经济性。在本文中，构建了一个基于大众汽车自动变速器电液阀模型的湿式离合器制动器模型。该模型在Matlab / Simulink中实现一个模拟器的仿真，并且根据大陆汽车罗马尼亚提供的试验数据对模型进行验证，其中包括大众湿式离合器的驱动电液阀。然后，将预测控制方案应用于电液驱动离合器模型，其目的是控制离合器活塞位移，减小控制网络引起的延迟对控制性能的影响。对所获得的网络控制器与所提出的方法得到的仿真结果进行比较，它表明，本文提出的方案，可以提高控制系统的性能。

1.绪论

如今，离合器踏板以及自动变速器，双离合器变速器，混合驱动和底盘控制系统越来越需要开环和闭环控制的执行器。一个新的执行器的引入开辟了新的机遇，可以预测，控制发动机和驱动线可以提高驱动线的性能,。在过去的几十年中，使用自动离合器和变速器驱动的控制系统不断被广泛应用，一个明显的趋势是，自动离合器系统将会被更广泛的应用并，这受益于先进的离合器控制技术。例如，可以采用自动离合器系统的启动和停止方案。此外，自动离合器控制，可以利用自动手动变速器，减少齿轮变化的时间。

当前人们都把注意力集中在构建不同类型的阀门作为汽车控制系统的执行器：基于物理的排气阀^{[ 1 ]}非线性模型，该驱动器是基于物理原理和参数识别^{[ 2,3 ]}导出的非线性状态空间模型描述、可编程阀^{[ 4 ]}非线性物理模型，用于基于系统辨识的^{[ 5 ]}制动系统电磁执行器的非线性模型辨识方法，对电液动力^{[ 6 ]}阀驱动系统模型，基于灰箱相结合的方法，对电磁控制阀^{[ 7]}数学建模和系统辨识线性模型的构建输入-输出简化的数学模型和状态空间数学模型的电液阀执行器，都是基于参数辨识和物理定律^{[ 8 ]}。

同时，在过去的几年中，自动离合器执行机构一直在积极研究，不同的模型和控制方案已被开发：一种电液阀用于湿式离合器^{[ 9 ]}执行器模型，动态模型及电液控制的湿式离合器^{[ 10 ]}，一个湿版PID控制离合器的压力减压阀^{[ 11]}驱动，预测和分段的干式离合器接合^{[ 12 ]} LQ控制，开关电气动离合器执行机构^{[ 13 ]}控制、模型预测控制的一二级驱动系统使用压电制动器控制工业和汽车制动器和离合器^{[ 14 ]}，电气动离合器执行机构^{[ 15 ]}的显式模型预测控制。

所有上述控制解决方案假设传感器，控制器和执行器是直接连接，这是不现实的。相反，在现代汽车中，由控制器、传感器的测量控制信号使用的通信网络，交换，例如，控制器区域网络（CAN）和FlexRay总线，控制系统组件间，产生了所谓的网络控制系统（NCS）。虽然这些系统带来了许多优点，包括：成本低、安装维护简单，提高了系统的灵活性，更高的可靠性和更大的灵活性，这也带来了新的挑战，如何应对网络诱导时延和控制回路中的数据包丢失的影响。拖延可能是未知的和随时间变化的和可降解的设计没有考虑到他们的控制系统性能，甚至可以使闭环系统。

介绍了预测控制技术，主要是为了处理具有复杂动力学（不稳定逆系统，时变时滞等）和模型不匹配等问题。这些特殊的方案，从广义上的适用性和实施简单的角度来看，适用于大规模的工业过程中，具有良好的性能和鲁棒性的同时。他们最初用于缓慢的过程：石油精炼厂，石油化工，纸浆和造纸，原金属工业，天然气厂^{[ 16 ]}，但开始与硬件组件和算法的演变，实施这些类型的控制算法的快速过程，减少采样周期，出现了汽车发动机和牵引力控制，航空航天应用，自主车辆，发电和配电^{[ 17 ]}。

一些预测控制算法已经提出了不同的车辆子系统：防抱死制动系统（ABS）^{[ 18 ]}，车辆动态控制系统（VDC）^{[ 19 ]}，车辆磁执行器^{[ 20 ]}，中间层控制^{[ 21 ]}，但没有考虑到可以出现在一个网络环境下的延迟。

因此，在本文中，输入-输出模型的湿式离合器制动由大众自动变速器的电动液压阀的开发，用于控制湿式离合器的电动液压阀是典型的，特别是专为大众车。这种类型的阀在适当的模型是必要的，以控制湿离合器的目标是降低排放，降低燃油消耗和提高舒适性。所设计的电液离合器执行器模型具有输入电源电压，输出离合器压力和离合器活塞位移。从该模型中，一个模拟器的实现在Matlab / Simulink和由大陆汽车罗马尼亚提供试验获得的数据对模型进行验证，包括大众dq250湿式离合器的驱动电液阀DQ500。模拟是非常相似的实验数据证明，建模方法是适用于这种离合器致动的电液阀

利用开发的输入输出模型–阀–离合器系统，基于预测的策略适当的网络控制器来控制离合器活塞位移，降低诱导可以基于NCS对控制性能的可变延迟时间的影响。本厂是一个大众车的主要控制目标的自动传输子系统是使离合器位置跟踪给定的外部参考，同时考虑到在网络出现延迟。所提出的方法得到的结果相比，与不同的网络控制器所获得的，它表明，本文提出的方案，可以确实提高性能的控制系统。

2.执行器的建模

在这一节中的输入-输出的数学模型的基础上的电液动离合器的流动和流体动力学的物理原理。

2.1结构与功能操作

图1 电液阀作动器和湿式多片离合器布置图

图1给出了电液阀作动器和湿式多片离合器布置图。一种泵产生的线压力，用于作为输入的电液执行器为代表的压力降低阀。该阀实现对离合器侧压力Pr，根据当前我在电磁阀，将结果施加在阀柱塞磁力fmag，使线性有界的区域内，这个力的作用下。这样的力量是由一个电磁线圈产生的一个边界的区域。磁力是一个函数的电磁线圈电流i和位移times;，定义

其中k为常数，L是电磁感应、电阻R，U是电源电压。

压力控制PR检测柱塞端C、D区磁力fmag。

这两个力FC和FD感受到压力室压力产生反馈力，根据阀的柱塞位置，有两种状态：充电阶段，当磁力大于反馈力，柱塞阀移动到左边，连接源与液压制动离合器（图1A）；放电阶段，当磁力开关具有的反馈力使阀柱塞移至右下值，连接液压驱动离合器油箱（图1b）。

湿式离合器是一个带有活塞的腔室，如图1所示。在充电阶段，当阀柱塞移动到左边和位移times;被认为是正的，从源头上的油流通过阀的离合器和活塞在离合器转向离合器板压缩。在放电阶段，当阀柱塞移动到右边，位移为负时，离合器活塞向左移动，而油流从离合器室通过阀到油箱。

2.2执行器的输入输出模型

在^{[ 8 ]}两模型对电液执行器的开发：输入输出模型，在简化是为了获得一个合适的传递函数是在MATLAB的Simulink实现和状态空间模型。从描述执行器输入-输出模型的方程出发，在^{[ 22 ]}开发了一个由大众自动变速器驱动的湿式离合器的输入-输出模型，并在这一部分提出了它。比较磁力和反馈力，它的结果是一个力量平衡，它描述了柱塞运动和输出压力。这一方程的力平衡是相同的正向和负向的柱塞位移

其中PC代表左室压力检测，PD正确测出的压力室，MV是柱塞质量，Ke代表流力弹簧率，PS是供应压力，PR是减少压力，W代表主孔面积梯度（从源到湿式离合器），X是柱塞位移，S代表拉普拉斯算子.

为了捕捉系统的动态行为，利用物理定律进行减压阀相分析，在图1a所示。线性化的连续性方程描述动态感测的压力室

其中K1、K2是流量压力系数的限制，VC，VD是检测室的体积和被代表的有效体积弹性模量。

通过使用流左、右检测室，流从源主孔的湿式离合器和离合器的流动，在压力控制室的线性连续性方程是

其中QL是离合器流，KC是主节流孔的流量压力系数，KQ是主要的节流孔的流量增益，KL是泄漏系数和VT代表压力控制总体积。

这些方程定义的致动器的动态，并将它们结合成一个更有用的形式，解决（2）和（3），相对于个人电脑和钯，并代为（4），一些操作后产生的收益

在放电的减压阀相，在图1b所示，系统的动力学行为是采用物理法得到的油流。在感觉到压力室的线性连续性方程与（2）和（3），但有改变的迹象。通过使用流左、右检测室，流经主孔从湿式离合器箱和离合器的流动，得到了线性化的连续性方程。

对于压力的控制室是

其中KD是流量压力系数主孔和PT代表罐内压力。

在整个模拟的方式，表现为充电阶段，再次作出的假设，VC = VT 51，VD = VT 51，考虑到主油孔流量压力系数相等，得到了该减压阀模型在放电阶段的最终形式。

为了获得致动器模型的压力，（2）和（3）中的PC和PD被替换在（1），做出一些操作。

对于离合器模型，第一个方程是通过将牛顿的二定律应用于活塞上的力

其中AL是活塞的面积，PL压力从活塞室，XP的活塞位移、MP活塞的总质量，K负载弹簧梯度和BF是活塞的粘性阻尼系数。

连续性方程在活塞腔产量中的应用

在K3是从阀门执行器的管路流量压力系数对离合器和VL是活塞腔容积。（1）和（5），用于执行器的充电阶段，以及（1）和（7）用于执行器的排放阶段

与活塞动力学（8）和（9），定义的致动器-离合器系统动力学模型。

从这些方程出发，一个示意图的传递函数的执行器，离合器系统的创建和代表。在图2。可以看出，一个开关块以整流两阶段描述制动器的功能之间，充电和放电阶段。作为开关参数的柱塞的位移的符号与阈值，选择不同的扰动的正或负的位移的柱塞。

图2 液压离合器系统功能框架图

3.网络化预测控制策略

执行器–离合器系统，是由大众汽车的自动变速控制系统，通过来自控制器的控制信号构建通信网络，这是一个电子控制单元（ECU）的实现，必须送到执行器（阀门）通过通信网络；同时，从传感器的测量值必须通过网络发送给控制器，使系统。本系统介绍了控制回路中的可变时间延迟，这会降低控制系统的性能，这就是为什么要考虑在控制器的设计中的延误。为了得到补偿，在这一部分中，必须要考虑到这三个问题，首先，–离合器致动器的等效ARX模型识别，其次，对于一个给定的时间延迟预测控制，最后，对如何应对时变网络诱导时延问题。此外，在本节的结尾，描述了控制架构。

3.1执行机构-—离合器系统的CARIMA模型

为了将预测控制策略，将在3.2节描述，建立了一个阀门–离合器系统CARIMA模型

考虑作为输入电源电压和输出的离合器活塞位移。在（10）d是电的延迟，e是零均值白噪声。

该系统采用仿真模型确定一个ARX模型，利用输入伪随机二进制序列（PRBS）信号。这些序列是序列方形脉冲宽度调制，近似离散白噪声及其丰富的频率有助于捕获系统的动力学行为。

ARX模型是由以下系统的多项式：

3.2.控制策略

在预测控制策略中，通过在每个采样周期的最小化，控制问题得到解决。通常，一个序列的未来预测控制行动的计算发送到执行器，在下一个采样周期，优化问题是由传感器和控制动作来再次重新计算新的测量。

3.3.时变时滞

为了处理可变时间网络引起的延迟，首先，提出了一种方法来确定的上限，其次提出了三种预测控制算法延迟的方法。把在^{[ 26 ]}开发的方程可以应用到汽车上的控制器区域网络。

3.4.控制结构

应用3.2节中描述的CARIMA模型的控制策略后，把（10）结构的实现在Matlab / Simulink和NCS上，其示意图如图3所示。参考发生器块计算和发送的参考轨迹矢量的预测控制器，它具有的主要控制目标，使离合器板位置跟踪给定的外部参考。阀门执行器和湿式离合器块在图2中有详细的说明。该阀执行器具有输入控制信号，通过网络、电压和输出的预测控制器发送，从而降低了压力，这是湿离合器块的输入。最后一块的输出是离合器压力PL和离合器活塞位移的XP，其值作为测量信号后通过网络发送的预测控制器。预测控制器块实现了在第3.2节所描述的控制算法。延误是由传感器的通信网络诱导控制器TSC和从控制器到执行器TCA产生的，可以在图3中看到。

4.仿真和实验结果

根据第2节提出的数学模型，将在这一节中实施的制动器与离合器系统仿真结果进行了讨论。同时，考虑到在网络出现延迟，设计了一个系统的网络预测控制器。

4.1.模型验证lt;

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