[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

25、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。 3.13.1 PIDPID 控制的原理控制的原理 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：( )rin t( )yout t （3-(

26、 )( )( )error trin tyout t 1） AMT 性能分析及 PID 控制仿真 8 其控制规律为： （3- 0 1( ) ( )( ) t D p t T derror t tKerror terror t dt Tdt 2） 或写成传递函数形式： （3- ( )1 ( )(1) ( ) pD t U s G sKT s E sTs 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 P K( )error t t T D T 分时间常数。 3.23.2 PIDPID 控制的特点控制的特点 3.2.13.2.1 比例环节（比例环节（P P） 比例控制是一种比较简单的

27、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( )error t 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。 3.2.23.2.2 积分环节（积分环节（I 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

28、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。 3.2.33.2.3 微分环节（微分环节（D 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 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 9 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

29、，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。 3.33.3 PIDPID 控制的分类控制的分类 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 1）基于FOLPD的ZieglerNichols方法的PID控制7 ZieglerNichols方法是基于

30、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 P K0 DI KK P K 表1中的公式可以设计出PID控制器。 表1 ZieglerNichols 整定公式 由阶跃响应整定由频域响应整定控制 器类 型 KPTiTdKPTiTd P PI PID 1/a 0.9/a 1.25/a 3L 2LL/2 0.5KC 0.4KC 0.6KC 0.8TC 0.5TC0.12TC 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 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，

31、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 P K I K D K 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e/() etc dd e AMT 性能分析及 PID 控制仿真 10 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e c e 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e c e 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 3）B

32、P神经网络PID控制原理9 BP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 P K I K D K 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 (2)(0) pn W (3)(0) mp W 习速率和惯性系数；采样得到和，计算；对、( )r k( )y k( )( )( )e kr ky k( )r i 、（

33、 k，k1，kp）进行归一化处理，作为BP的输入；计( )y i( )e ii 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、 P K AMT 性能分析及 PID 控制仿真 11 、；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 I K D K 的加权系数；计算修正隐含层的加权系数；置kk1，返回。 （4 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

34、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 5 模糊自整定模糊自整定 PIDPID 控制控制 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。 5.15.1 模糊模糊 PIDPID 控制的优点控制的优点 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

35、分支，在控制领域获得了广泛应用，模 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 12 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。 5.25.2 模糊模糊 PIDPID 控制的参数调整控制的参数调整 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，e 说明误差的

36、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， P K 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 D K 大的超调，需对积分作用加以限制，常取。0 I K （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e 证系统的相应速度并控制超调，应减小值，值应增大，应适中。 P K I K D K （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e 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 P K I K D K 该和联系起来。 c

37、e AMT 性能分析及 PID 控制仿真 13 5.35.3 模糊模糊 PIDPID 控制器的设计控制器的设计 5.3.15.3.1 模糊模糊 PIDPID 控制器的设计控制器的设计 （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，e c e PID 控制器的 3 个参数、和作为输出。 P K I K D K （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，e c e 正中，正大 ，并简记为NB , NM , NS , ZO ，PS，PM ，PB ，将偏差 和偏e 差变化率量化到（-3,3）的区域内

38、。同样，设定输出量、和的模糊 c e P K I K D K 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e c e AMT 性能分析及 PID 控制仿真 14 图 12 输出、和的隶属函数曲线 P K I K D K 5.3.25.3.2 模糊模糊 PIDPID 控制规则的语言描述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 P K I K D K 和时，被控参数、和的自整定要求，从而可得模糊控制规则为：e c e

39、 P K I K D K If ( is NB) then ( is PB) and ( is ZO) and ( is PS). e P K I K D K If ( is NM) and ( is NM) then (is PM) and ( is PS) and ( is PM).e c e P K I K D K If ( is NS) and ( is NS) then (is PB) and ( is PB) and ( is PM).e c e P K I K D K If ( is PS) and ( is NS) then ( is PB) and ( is PB) and

40、( is PM). e c e P K I K D K If ( is PM) and ( is NM) then ( is PB) and ( is ZO) and ( is PS).e c e P K I K D K If ( is PB) then ( is PB) and ( is ZO) and ( is PS).e P K I K D K 5.3.35.3.3 模糊模糊 PIDPID 控制器的确立控制器的确立 本系统中的 PID 控制器有 5 个输入量：即 、和，而输出e c e P K I K D K 即为控制量 U(n),它的控制算法为： 1 0 ( ) ( )( ) ( )(

41、1) n d P i i TT U nKe ne ie ne n TT AMT 性能分析及 PID 控制仿真 15 (5-1) 1 0 ( )( ) ( )(1) n PID i K e nKe iKe ne n 其中，、分别为第个采样时刻控制器输出（控制量）和输入量( )U n( )e nn （偏差信号）, 为比例增益，、分别为积分、微分时间常数，T 为采样 P K i T d T 周期，, 。根据以上数学模糊，在 SMULNK 里面很容易建 IP i T KK T d DP T KK T 立起 PID 控制器模型。 在 SMULINK 的菜单中，我们选择 Fuzzy Logic Toolb

42、ox 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、 e K 、和。这样，符合我们要求的模糊控制器便建立起来了。这样模 ec K p U i U d U 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 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 16 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 e K ec Ke c e 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 p U i U d U 其精确化，便可得到 PID 控制器的

43、控制参量、和。将模糊控制器和 P K I K D K 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。 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 17 6 汽车汽车 AMT 系统模型的建立系统模型的建立

44、 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 6.16.1 直流电机式油门执行器模型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

45、电机驱动装置系统模型如图 18 所示12。 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 18 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 t U t e t R t L 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 t tf T 的阻力转换到电机轴上的阻力矩。 6.26.2 传动系统模型传动系统模型 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

46、合器的摩擦转矩，为离合器输 e M c M R M 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， e J 为离合器从动部分在离合器输出轴的当量转动惯量。 c J 6.36.3 离合器模型离合器模型 离合器直流电机驱动装置系统模型如下图所示11。 AMT 性能分析及 PID 控制仿真 19 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

47、 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。 7.17.1 节气门控制模型节气门控制模型 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 ec nn 加速踏板的角位移成正比，采用分段 PID 控制15: （7-e 1） （7- max 2） （7- max () t sign e 3 e 3） （7- 1( ) tpd de kek dt 23 e 4） （7- 2 1 () tp i kee dt k 12 e AMT 性能分析及 PID 控制仿真

48、 20 5） （7-0 t u 1 e 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， ec nn 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： n e （7- 0nee enn 7） （7- 0 0 0.377 ga e r ii n R 8） （7- 1 tpnn i kee dt k 9） 式中：车轮滚动半径；变速器某档位速比；主减速器传动比； r R g i 0 i 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 a （7- maxt uu 0 10） （7-0 t u 0 11） 7.27.2 离合器控制模型离合器控制模型 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：。 maxcc uu 离合器结合时其目标结合速度为： （7- 12345 () aecec dxkkk nnknkn