基于Matlab/Simulink的汽车AMT系统仿真研究

摘 要：电控机械式自动变速器（AMT）和其他形式的自动变速器相对比具有传动效率更高及燃油经济性好、结构简单等有点，其本身具有较好的市场发展前景。本文通过研究汽车AMT控制系统的被控对象模型，有效得到基于Matlab/Simulink设计系统的控制器模型，仿真结果凸显出所构建的被控对象模型及所设计的控制器的合理性及可行性，为产品开发提供必要依据。

关键词：汽车AMT系统 仿真研究

在汽车电控机械式自动变速器（AMT）控制系统具体实践和相关产品开发的时候，要注重控制器始终是机械式自动变速器中的重要方面，为了使得产品开发速度加快，也要充分利用Matlab/Simulink构建汽车AMT系统的模型，促使其成为系统仿的首要利用方法。由于Matlab/Simulink多数情况下是用于可视化实现动态系统建模及仿真和分析的工具箱，在系统模块的支撑下，要有效描述系统不同环节，在构建系统模型的时候，比较便利，能够节省编程的时间，结合仿真效果设计系统的控制器及实时整定控制器参数的情况下，也要对系统性能进一步提升，在这一基础上为实际系统设计处理提供理论支持，明确减少实际系统设计处理过程中可能浪费的时间和物力，最终达到开发控制系统的目标[1-2]。本文对汽车AMT系统被控对象模型建模，基于Matlab/Simulink设计汽车AMT系统仿真的控制器模型，并对其深入研究。

1 汽车AMT机械系统模型的建立

整车AM系统模型包含着控制器模型和被控对象模型两部分，其中的被控对象模型包含着节气门模型和发动机模型及离合器模型变速器模型、车辆模型等，控制器模型主要有節气门控制器和离合器控制器及选换档控制器等。对汽车AMT系统模型仿真结构如下图1。仿真计算完成的功能主要包含着程序初始化和利用各功能子程序及协调各功能子模块间的工作。

1.1 直流电机式油门执行器模型

直流电机式油门执行器主要是包含着节气门驱动电机和及节气门空气流量阀片和节气门复位弹簧等共同构成的。

根据电机工作的原理，在电机控制回路中存在着电压平衡公式：

电动机的反电动势显示为，

电能到机械能转换的公式显示为，

在将电机至节气门的减速结构转动惯量，阻力当量等效转化的情况下，使得其可以有效转化到电机轴中，将油门执行器的转矩平衡公式显示为：

上面公式中，为减速机构和节气门的阻力也要转化得到电机轴中的阻力矩，这就进一步考虑到回位弹簧所产生的阻力矩及粘性摩擦力矩等，其方程显示为：

公式中，为电机端电压，为电机反电机势，为电机转动速度，为反电动势比例的因子，为电机电枢电阻数值，为电机电枢电感数值，为电机转矩数值，为电机电枢电流的数值，为电机输出转矩，为油门执行器系统转动量，指电机角速度数据，指电机角位移，指节气门回位弹簧刚度系数大小，指传动机构减速比结果，为节气门转角，为传动系效率，为节气门角速度，为节气门粘性阻力系数。

1.2 传动系统模型

在汽车AMT中传动系数建模过程中，容易忽视减震系统及其他弹性元件的构建。

2 控制系统模型的建立

PID控制实施的时候，其控制结构本身具有较为简单和控制效果显著等优势，其属于控制工程中比较常见的一种控制方法，这就使得汽车AMT系统仿真的时候，对节气门和离合器及换档控制等方面都应用分段PID控制。

2.1 节气门控制模型

在非换档情况下其主要包含着两个方面，其中首先是在离合器从动轴转速与发动据转速逐渐相似的时候，加大电压的情况下使得电子节气门开度Ⅱ与加速踏板的角位移之后保持着正比的关系，在分段PID控制下对其有效处理。第二种情况则是发动机和离合器在动轴转动速度相差相对较大的时候，在刚刚起步或者是换挡结束的时候，以发动机转速和车速折算回来的发送机转速的时候，其差距则为控制变量。换挡的时候，要以最大负向电压回收油门，一直到油门显示为零[3-4]。

2.2 离合器控制模型

离合器控制处理的时候，需要明确其包含着分离控制和结合控制等内容，在换挡处理的时候，要保持最快的速度将离合器分离到最大处理，这一时期为离合器电机加正向最大电压，也就是。离合器结合的时候，其目标结合速度显示为，。

离合器结合的时候，其目标结合速度显示为：

式子中K1，K2，K3，K4，K5，Kp，Ti等为控制参数。

3 Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink仿真讨论的时候，其中所包含着的各个组成部分的数学模式在转化为matlab/simulink下的动态结构图可以构建得到整体化的AMT系统的仿真框图，仿真框图所涉及到的参数显示为汽车的相关参数，在实际情况分析的时候，控制器模型主要包含着节气门控制器和离合器控制器及选换档控制器的流程图等，控制流程显示出汽车AMT系统的控制工作的具体过程。AMT系统仿真模拟实际汽车AMT系统的工作过程主要是在实际开展实施之前，离合器分离到最大的时候，其油门显示处于零位，假设在第一档开始后，起步之后在踩下油门踏板之后，汽车的节气门开度a也会得以增大，控制器输出离合器控制电压使得执行离合器结合，随后进行车速检测，判断节气门开度是否要换档，当满足换档条件之后，实施控制器输出换档状态指示器控制处理，这一阶段中控制器执行节气门回零位操作，离合器分离操作情况下，档位退至空挡换上新档后，也要注重控制节气门开度，在重新回到平衡状态的时候，这一情况下需要将状态指示器state重置为0，则标志换档结束，离合器随后动作重复，一直到仿真结束。

根据离合器的模拟过程，结原本得到的AMT系统实际运行过程式测量得到曲线的时候，注重分析AMT系统运行规律，随后在实际运行规律下有效对仿真模型实施调试和修改，且将仿真模型中设计的控制器应用到电动式AMT台架，随后对AMT控制系统实施必要的台架试验处理，AMT试验台架有发动机和干式离合器及油门踏板、制动踏板、控制中必要的传感器和线束共同构成。在实时记录试验处理过程中包含着相关数据，仿真曲线图与试验曲线图相对比的基础上能够使得仿真得到的曲线对汽车AMT系统的实际运行过程反映出来，验证得到被控对象数据模型和所设计得到的控制器的合理性和有效性[5]。在点火发动机开始工作的情况下，离合器主动盘和从动盘是分离出来，随后离合器在动盘转速为零的时候，也要在离合器电压加大的情况，注重电压控制问题，推动离合器和动盘结合在一起，在离合器主动盘和从动盘没有接触和摩擦的时候，离合器从动盘转速则为零，只有离合器主动盘和从动盘接触的情况下，离合器结合后，动盘转速加大之后，离合器主动盘和从动盘完全结合的情况下，动盘转速与发动机转速则会保持一致，而汽车从第一档行驶后，AMT系统也容易早车速上升从第一档换到第二档、第三档的时候，逐渐加大，显示为最高档第五档，在回收油门踏板之后节气们开度会随之回收，这一情况下发动机的转速容易出现明显下降，转速逐渐下降也会推动AMT系统有效从最高档降到第四档和第三档一直到最低档。

4 结语

在建立汽车AMT控制系统的模型基础上实施仿真研究，仿真结果在可以验证系统模型及控制器模型可行程度，为汽车AMT系统的产品开发及控制器设计都提供必要的参考依据。

上海民航职业技术学院校级教科研课题2020年度课题：仿真技术在航空地面设备维修专业教学中的应用，课题编号：XJKT2020-33，项目负责人：张鹏。

参考文献：

[1]李琤，张钱斌.基于Matlab/Simulink的磁流变阻尼器力学模型的仿真分析[J].机械强度，2020，42（03）：734-740.

[2]李萍，兰海龙.基于MATLAB/Simulink及dSPACE/TargetLink的AMT控制软件开发[J].机械管理开发，2018，33（10）：206-208.

[3]秦洪艳，刘京静，江发潮，仇斌.电动客车AMT控制策略的Cruise和Matlab/Simulink联合仿真研究[J].机械传动，2016，40（06）：47-51.

[4]郭大勇，王锋，赵河明.基于MATLAB/Simulink汽车悬架系统仿真[J].机械工程与自动化，2016（02）：79-80.

[5]钟亮，徐世杰，周垚.基于AMESim与Matlab/Simulink的某商用车AMT系统建模与仿真[J].汽车科技，2015（06）：32-36.