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考虑液压系统建模误差的自动变速器双自由度控制研究
摘要：一种比例减压阀在汽车自动变速器系统中的应用，以控制换档操作。它的控制系统必须被设计为一个强大的控制系统，认为建模误差所造成的变化的特性的阀门。在这项研究中，被认为是汽车自动变速系统的制动机构。双学位的自由控制的旋转速度进行了研究，在建模误差，由于比例减压阀的特性的变化考虑在内。反馈控制器的设计，基于micro;合成，其中在阀门和摩擦系数变化特征的变化作为名义模型的不确定性。引入前馈控制器，构建了一二自由度控制系统。通过实验，使用一个商业比例减压阀的控制系统进行检查。在这些波动因素下，该控制系统精确地控制了变速操作。
关键词：二自由度控制；鲁棒控制；模型误差；micro;合成；液压油；自动变速器；比例减压阀；旋转速度
1.介绍:
一种汽车自动变速器系统是一种通过选择合适的齿轮比，将发动机功率传递给驱动轴的功率装置，根据不同的油门踏板操作和驾驶条件。换档操作是由离合器和制动，这是由液压驱动的。如果这些设备没有很好的操作，驱动轴扭矩可能会波动。这将导致不适为司机堡，被称为“换挡冲击”。一些研究中已经进行了降低换挡冲击，例如发动机转矩控制和转速控制方式（Miller，1982；高田，1992）。
离合器和制动器液压油。比例减压阀已应用于压力控制（Kondo et al.，1990；铃木et al.，1993）。作为一个例子，一个基于最优控制理论的转速控制的研究已经由北条等人报道。（1992）。在汽车自动变速器系统中，离合器和制动器摩擦副的不确定性和比例减压阀的动态特性是重要的。因此，有必要研究鲁棒控制，从设计过程的初始阶段考虑不确定性。近年来，对流体动力系统的鲁棒控制进行了积极的研究。几种控制技术主要被应用；例如，模型参考自适应控制（Ikeo et al., 1989; Yamahashi et al., 1992; Gamble, 1994; Andersen et al., 1994），LQG控制（Gun- narsson and Krus, 1994），干扰观测器（Yamamoto et al.，1996），滑模控制（Iordanou and Surgenor, 1997），非线性控制（Bouri et al., 1997），闭环压力控制（Sanada and Kitagawa, 1996）。
在旋转速度控制方面，其跟踪性能是很重要的，以便在所需的换档时间内完成换档操作。双自由度控制系统，其中包括一个前馈控制器，似乎是有前途的。
在本文中，在汽车自动变速器系统的制动机构的研究作为一个控制工厂。制动机构是用来固定一个齿轮或一个行星齿轮的载体。在2节中，转速控制系统的制动机制机理的解释，基于测量。标称模型的建模误差进行了讨论。在3节中，一个双自由度控制系统的设计过程进行说明。反馈控制器采用micro;合成设计的动态特性的比例减压阀，以及在摩擦系数的变化，被视为一个标称模型的建模误差。在micro;合成，建模误差可以考虑从设计过程的初始阶段。介绍了一种用于跟踪性能的参考模型，设计了一种前馈控制器。在4节中，控制系统综合实验考试。在5节中，结果和观点。
2.制动机构的建模
2.1制动机构：
在这项研究中，在这项研究中的旋转速度的控制系统如图1所示。在这种机构中，制动压力p由比例电磁阀直接控制，这是一个比例减压阀。这个制动力矩通过制动板，由活塞驱动的生成。由电磁传感器的传感器检测到转速。所需的旋转速度为一个斜坡信号r。设计了一种控制系统，该控制系统可以使旋转速度跟随其所需的信号r，控制输入为比例减压阀的脉宽调制驱动电路。当我在图1中表示行星齿轮元件的惯性力矩时，就表示在图中。运动方程被写入
（1）
制动力矩是由制动压力p产生：
（2）
在micro;是摩擦系数。是一种由弹簧安装在制动活塞上的反作用力。所需的信号的旋转速度被定义为一个斜坡信号，从初始值减小，在一个恒定的速率，并在预先指定的时间成为空。
在实验中，一个商业比例减压阀（Kondo et al.，1990；铃木et al.，1993）是用于控制制动压力，P阀门是一个PWM驱动电路驱动。该控制器实现了使用数字信号处理器系统。惯性矩板的运动我用数字信号处理器实时模拟。基于制动压力测量，运动方程（方程（1）及（2））计算。由于运动是使用一个程序，在程序中给出的摩擦系数，并且它是可能的调查的摩擦系数的变化如何影响控制性能。供应压力为0.6兆帕。实验装置的第3米列于表1。
图1比例电磁阀的制动机构旋转速度控制系统
2.2比例减压阀的阶跃响应
一个国家的比例减压阀的阶跃响应测量结果如图2所示。在1和6秒的测量进行了切换的步骤信号进行了几个操作压力。更高的操作产生的压力，更快的响应。当压力降低时，步骤反应并没有表现出这种差异。当压力降低时，阀门的一个罐口打开了。当压力增加时，该阀在控制端口的重叠区域工作。由于重叠的限制是远远强于罐口，压力增加更慢。在阶跃响应的上升部分，再反应延迟。
阶跃响应近似的一阶滞后元件的等效时间滞后元件：
（3）
a和L的值和被确定的步骤响应的基础上。测量的步骤响应的采样率为1毫秒。将最小二乘法应用于辨识，并将辨识出的参数值列于表2，和所确定的参数。表1中a和L的参数值是和的中心值。
表1参数值
图2比例电磁阀的阶跃响应
2.3制动机构模型：
在第2.2节中所述的一阶滞后元件逼近一阶滞后元件的阶跃响应，在控制输入和旋转速度之间的传递函数：
(4)
此处和是和u的拉普拉斯变换。
是已知的一个比例减压阀的增益系数取决于油的粘度，油的温度，间隙，负载流量等。
众所周知,一个比例的减压阀的增益取决于油的粘度，油的温度，间隙，负载流量等，它必须显示一些变化。因为一个模型G的增益是由和组成，一个额定值，及其变化同样包括了在摩擦系数的变化。摩擦系数的参考值被确定为在表2中，根据数据在铃木等（1993）。
最优控制已经应用（Hojo et al., 1992）。假设参数的标称值和忽略的时间滞后因素，得到的状态方程在离散时间区域。然后，加入虚拟变量的必要数量的时间滞后元件等效建模。反馈增益被确定为一个最佳的伺服系统。这是一个优越的技术，演示了旋转速度控制的优点。然而，有缺点，对参数的变化的鲁棒性，需要通过仿真和实验验证后，设计的控制器。加权调整矩阵是一个耗时的工作。控制理论和micro;合成有建模误差可以包括从控制器设计的初始阶段的优点。他们对这类问题是有效的。建模误差引起的摩擦系数和特征特点，比例减压阀是分布式系统中的分布。因此，它是可以预期的，micro;合成会导致一个比控制理论所得的控制器更好。
表2参数变化范围
3．双自由度控制系统
3.1控制系统配置
一个双自由度控制框图系统如图3所示。K由一个参考模型和一个标称模型组成：
K= (5)
反馈控制器是一个稳定的控制器，所以设计需考虑对被控对象的不确定度G的超强稳定性。
图3双自由度控制系统框图
3.2名义模型
名义模型G是一个模型，忽略了一种等效延时单元，并认为一个方程的一个旋转的板块运动和比例减压阀的一阶滞后元件。标称模型G写为式（6）。使用表1中的参数值。时间滞后的元素被忽略被控制视为乘性不确定性。
(6)
3.3前馈控制器的设计
旋转速度所需的信号r是一个斜坡信号，从初始值减小，在一个恒定的速率，并在预先指定的移位时间变为空。初始转速为200 rad/s。考虑的分子和分母阶标称模型，参考模型的设计，使旋转速度是能够无稳态误差的跟随所需的信号r。
在分子和分母名义模型的订单不同有两点。满足式（5），在一个参考模型的阶差必须等于或大于2。作为一个例子，一个输出的参考模型的如下的斜坡信号r无稳态误差的参考模型，用方程（7）。
(7)
由式（8）得知参数和被确定。该值进行调整，以便输出可以按照预先规定的时间内所需的信号r。
(8)
同时考虑了旋转速度的跟踪性能和换档冲击的减少，进行了调整。
3.4 反馈控制器设计
在制动机构的动态不确定性的比例减压阀和摩擦系数的动态特征显著。考虑到这些不确定性，micro;合成应用于反馈控制器的设计。
假定一个参数和摩擦系数的额定值，而忽略了一个时间滞后元件，得到被标准模型（6）。因此，a和micro;参数变化作为标准模型结构不确定性。这样的不确定性的结构，通过绘制一个方框图的标称模型的可视化。增强后如图4所示。标准模型是由交替的长与短虚线封闭。介绍了不确定区和为代表的不确定性参数a和摩擦系数micro;。区和区代表参数的变化幅度。
(9)
表1中的a和的值是表2中和的中心值。G和如图5所示的模型的频率响应。模型G的参数和使用表1中的标注值。时间滞后cedil;用表2中的最大值和最小值。因为只差在时间滞后元件收益是相同的，只是相位不同。
一个标准模型的乘法的不确定性的评价：
（10）
图6中的乘法不确定度的大小。为了满足超强的稳定性对一个乘法的不确定性，加权函数的设计是为了满足:
(11)
为满足式（11），下面的例子加权函数的使用。加权函数的的大小绘制在图6中的实线：
(12)
所需的信号r的信号的一个斜坡信号。作为在图4中，双集成的介绍该控制器使一个稳定的斜坡信号的错误可以删除。和加权函数和区和区介绍了双积分器。
micro;合成由以下方程确定：
(13)
(14)
(15)
参数用于解决的迭代问题。
是名义补灵敏度函数和是一个标称灵敏度函数。当模型出现错误时，S是一个敏感函数。
在图4中，设用虚线表示的系统为系统，代表一种不确定性的区为设计规范（公式（13）-（15））相当于下列条件的一个结构化的奇异值
（16）
增强后如图4所示的不确定性区由式（17）：
(17)
设置其它的加权函数如下，一方面是通过控制器的MATLABmicro;-使用工具盒了。
(18)
(19)
图4中的C区是通过DK迭代计算。 /区，包括双积分算子，在图4是一块分别代表从控制器的区。因此，控制器由C区乘以 /区得到。
（20）
反馈控制器的频率响应如图7所示。在较低的频率区域低于1 rad/s，增益的斜率-40dB/decade，对应于控制器的双集成。在高频区10rad/s以上，增益的斜率为正，从而衍生的补偿。控制器的命令取决于DK迭代。在这项研究中，一个控制器，得到一个30的命令。该控制器被减少到一个命令为9的减少控制器。然后，一个采样周期为0.2毫秒的-变换将它变换成离散时间区域，并安装在一个数字信号处理器系统。
图4
图5 图6
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