雙離合器自動(dòng)變速器起步的智能控制策略

吳光強(qiáng)，司建玉

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804；2.東京大學(xué) 生產(chǎn)技術(shù)研究所，東京153－8505）

雙離合器自動(dòng)變速器（dual clutch transmission，DCT）起步控制技術(shù)就是指起步過(guò)程中離合器的控制技術(shù)[1－3].根據(jù)DCT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其起步既可以使用單離合器也可以使用雙離合器，目前對(duì)DCT起步過(guò)程的研究主要集中在單離合器起步，而雙離合器起步的研究相對(duì)較少.其中文獻(xiàn)[4－5]把模糊控制理論應(yīng)用到了單離合器起步的控制中，制定了車輛起步時(shí)離合器接合速度的模糊控制規(guī)則，仿真驗(yàn)證的結(jié)果表明控制效果較好.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于智能控制技術(shù)的離合器起步控制進(jìn)行了較為深入的研究，但也存在諸多不足，如未綜合考慮駕駛員的起步意圖、路況、車況及離合器的接合狀態(tài)對(duì)起步的影響.

本文在綜合考慮了駕駛員的起步意圖、車輛負(fù)載、路面坡度及離合器接合狀態(tài)的基礎(chǔ)上研究了雙離合器協(xié)同起步過(guò)程，提出了基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制策略，以DCT起步過(guò)程中的起步時(shí)間、滑摩功及沖擊度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用快速起步、慢速起步及駕駛員意圖多變的起步工況對(duì)所制定智能控制策略的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 DCT起步過(guò)程建模

1.1 DCT傳動(dòng)系統(tǒng)模型

DCT的擋位按照奇數(shù)和偶數(shù)分為2組，奇數(shù)擋位與離合器1相連，偶數(shù)擋位與離合器2相連.通過(guò)預(yù)先接合同步器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋過(guò)程[6－7].離合器1，2的接合與分離根據(jù)作動(dòng)方式的不同，通常分為液作動(dòng)和電作動(dòng).圖1為DCT傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意.

圖1 雙離合器自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Dual clutch transmission driving system schematic

1.2 雙離合器起步動(dòng)力學(xué)模型

DCT雙離合器起步過(guò)程可簡(jiǎn)化為一個(gè)離散化的系統(tǒng)模型，如圖2所示.圖中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；Tc1e，Tc2e分別為離合器1和2對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的反作用轉(zhuǎn)矩；Tec1，Tec2分別為發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給離合器1和2的轉(zhuǎn)矩；ωc1，ωc2分別為離合器1和2從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速；Toc1，Toc2分別為變速器輸出軸對(duì)離合器1和2的反作用轉(zhuǎn)矩；Tc1o，Tc2o分別為離合器1和2傳遞給變速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩；ωo為輸出軸轉(zhuǎn)速；Tf為轉(zhuǎn)換到變速器輸出軸上的阻力矩.

圖2 雙離合器起步的動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Dual clutch launching drive train model

雙離合器起步過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程為Te－Tc1e－Tc2e－beωe＝Iedωe／dt，Tec1－Toc1－bc1ωc1＝Ic1·dωc1／dt，Tec2－Toc2－bc2ωc2＝Ic2dωc2／dt，Tc1o＋Tc2o－Tf－boωo＝Iodωo／dt，其中：ωc1＝i1ωo，ωc2＝i2ωo，Tec1＝ZμF1R，Tec1＝ZμF2R。起步完成后穩(wěn)定行駛階段的動(dòng)力學(xué)方程為：Te－Toc1－bc1ωc1＝（Ie＋I(xiàn)c）dωe／dt，ωc1＝ωe，式中：be，bc1，bc2及bo為阻尼；Ie，Ic1，Ic2，Io，Ic分別為發(fā)動(dòng)機(jī)及離合器主動(dòng)部分、離合器1從動(dòng)部分、離合器2從動(dòng)部分、變速器輸出軸到車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及起步完成后穩(wěn)定行駛時(shí)等效到離合器1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t為時(shí)間；i1，i2分別為變速器1和2擋速比；Z為離合器摩擦面?zhèn)€數(shù)；μ為摩擦因數(shù)；F1，F(xiàn)2分別為作用在離合器1和2壓盤上的等效正壓力；R為離合器等效半徑.

1.3 起步性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)車輛起步過(guò)程進(jìn)行定量評(píng)價(jià)時(shí)的指標(biāo)主要有沖擊度和滑摩功[8].

1.3.1 沖擊度

沖擊度是評(píng)價(jià)離合器接合過(guò)程平穩(wěn)程度的指標(biāo)，定義為車輛縱向加速度的變化率，表達(dá)式為j＝da／dt＝d2v／dt2，式中：j為沖擊度，最大推薦值10 m·s－3；a為車輛縱向加速度；v為車輛行駛速度.

1.3.2 滑摩功

滑摩功是評(píng)價(jià)離合器使用壽命的指標(biāo)，是離合器摩擦片間滑動(dòng)時(shí)摩擦力做功的大小，表達(dá)式為，式中：W為滑摩功；Tc為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩；ωc為離合器從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速；t0為離合器摩擦面開始接觸的時(shí)間起點(diǎn)；t1為從離合器摩擦面開始接觸（Tc＝0）起直到Tc逐漸增大到能夠克服汽車行駛阻力矩Tf所經(jīng)歷的時(shí)間；t2為從Tc大于Tf起直到ωc從零逐漸增大到與ωe相等所經(jīng)歷的時(shí)間.

2 起步控制系統(tǒng)描述

模糊控制技術(shù)可以利用人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)達(dá)到模仿人的思維來(lái)控制汽車起步的目的，而且對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型、非線性和大滯后的控制對(duì)象具有很好的適應(yīng)性，非常適用于離合器的起步控制.而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又具有并行計(jì)算、分布式信息存儲(chǔ)、容錯(cuò)能力強(qiáng)及具備自學(xué)習(xí)功能等優(yōu)點(diǎn)，所以基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論并結(jié)合DCT車輛起步控制的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了DCT起步的智能控制系統(tǒng)，如圖3所示.主要由駕駛員意圖的模糊推理系統(tǒng)、離合器接合速度的模糊推理系統(tǒng)及離合器滑差率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成.圖中，ωc為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速；Fd為離合器輸出的驅(qū)動(dòng)力；vs為車輛行駛速度；vc為離合器接合速度；ice為離合器轉(zhuǎn)速比；μc為離合器滑差率閾值；L為車輛負(fù)載；I為起步意圖；i為路面坡度；Δne為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速差；α為油門開度.

起步控制系統(tǒng)首先根據(jù)α及˙α由模糊推理系統(tǒng)推理出駕駛員的起步意圖，然后根據(jù)I和Δne和ice推理出vc，同時(shí)，由起步意圖1，L及i經(jīng)離合器滑差率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)得到μc，最后由vc和μc共同控制離合器的起步過(guò)程.

圖3 起步控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Launching control schematic

3 起步的智能控制策略制定

基于優(yōu)秀駕駛員的操作經(jīng)驗(yàn)制定了駕駛員意圖的模糊控制規(guī)則，根據(jù)α和Δα實(shí)時(shí)識(shí)別出I.同時(shí)，以I，L及i為輸入?yún)?shù)，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計(jì)了雙離合器起步的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).

3.1 模糊規(guī)則制定

3.1.1 駕駛員意圖的模糊規(guī)則制定

根據(jù)α和˙α推理出I.駕駛員意圖的模糊控制系統(tǒng)各變量的語(yǔ)言集和基本論域如下：α為｛非常小（VS）、?。⊿）、中等（M）、大（B）、非常大（VB）｝，｛0，1｝；˙α 為 ｛負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟B）、零（ZE）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）｝，｛－6，6｝；I為｛非常慢（VS）、慢（S），中等（M）、急（B）、非常急（VB）｝，｛0，1｝.

基于優(yōu)秀駕駛員的操作經(jīng)驗(yàn)，制定的駕駛員意圖的模糊控制規(guī)則如表1所示，根據(jù)控制規(guī)則綜合判斷后給出駕駛員的駕駛意圖，并作為輸入?yún)?shù)用于起步自適應(yīng)控制的推理.

表1 駕駛員意圖模糊規(guī)則Tab.1 Driver intention fuzzy rules

3.1.2 離合器接合速度的模糊規(guī)則制定

車輛起步過(guò)程中，離合器的接合速度直接影響起步性能，包括起步時(shí)間、沖擊度及滑摩功的大小[9].雙離合器協(xié)同起步過(guò)程中，對(duì)離合器接合速度的控制還需要考慮2個(gè)離合器輸出力矩的分配問題，這里以2個(gè)離合器輸出到車輪扭矩相等的原則進(jìn)行扭矩的分配，同時(shí)，還必須保證離合器的接合速度能夠反映駕駛員的駕駛意圖.另外，離合器接合速度還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況，如果發(fā)動(dòng)機(jī)接合過(guò)程中轉(zhuǎn)速下降較快則應(yīng)該減慢接合速度，反之則加快離合器接合速度，這里對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制采用的方法是由油門開度制定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并通過(guò)控制離合器的接合速度來(lái)減小實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差.同時(shí)，離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差也應(yīng)該考慮在接合速度的控制中，這里以離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差Δnc與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne的比值ice來(lái)表征離合器的接合狀態(tài)并對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行模糊化處理.

設(shè)由 Δne和ice決定vc.Δne，ice及vc各模糊語(yǔ)言集合 基 本 論 域 如 下：Δne為 ｛負(fù)（N）、零（ZE）、正（P）｝，｛－1，1｝；ice為 ｛非 常 ?。╒S）、小（S）、中（M）、大（B）、非常大（VB）｝，｛0，1｝；vc為｛慢（S）、較慢（LS）、中等（M）、較快（LB）、快（VB）｝，｛0，10｝.

離合器接合速度的模糊控制規(guī)則如表2所示.

表2 離合器接合速度模糊規(guī)則Tab.2 Clutch engaging speed fuzzy rules

3.1.3 模糊控制變量隸屬度函數(shù)的選擇

根據(jù)模糊控制變量及其特點(diǎn)，在綜合考慮了各隸屬函數(shù)適用情況的基礎(chǔ)上，選用了常用的高斯型隸屬度函數(shù).模糊變量隸屬度函數(shù)如圖4所示.

3.2 離合器滑差率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型

3.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及參數(shù)

雙離合器協(xié)同起步時(shí)2個(gè)離合器的接合與分離時(shí)序是控制時(shí)需要解決的關(guān)鍵問題.由于需要綜合考慮駕駛員意圖、車輛負(fù)載及路面坡度等人－車－路環(huán)境的影響，傳統(tǒng)方法建立的模型只能得到有限個(gè)精確的數(shù)據(jù)值，無(wú)法自適應(yīng)各因素不斷變化的特性，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型恰恰能彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足.這里以離合器1主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差與主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的比值（定義為離合器1滑差率）為控制目標(biāo)，以I，L及i為輸入?yún)?shù)，以離合器1滑差率閾值為控制參數(shù)，設(shè)計(jì)了4層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.離合器滑差率閾值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖5.圖中，j，k，l，m，n為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)；Wij為節(jié)點(diǎn)i，j間的權(quán)值；Wjk為節(jié)點(diǎn)j，k間的權(quán)值；Wkl為節(jié)點(diǎn)k，l間的權(quán)值.

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意Fig.5 Neural networ k schematic

第1層為輸入層，采用I，L及i為輸入，該層的結(jié)點(diǎn)數(shù)為3；第2，3層為隱含層，該層的結(jié)點(diǎn)數(shù)分別為9，6；第4層為輸出層，采用離合器1滑差率閾值為輸出.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)如表3所示.

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)Tab.3 Neural network model parameters

3.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

基于表3的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型及具體參數(shù)構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，由于BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度慢，而且易于落入局部極小，所以這里采用了加入動(dòng)量項(xiàng)和全局誤差累積計(jì)算的方法改進(jìn)了其學(xué)習(xí)速度慢的不足之處[10－11].訓(xùn)練時(shí)，根據(jù)已有的仿真及測(cè)試結(jié)果以快速、中速、慢速起步意圖、車輛輕、中、重載，路面坡度0，5，10，15，20°及離合器滑差率閾值0.05，0.10，0.15，0.20的相應(yīng)組合作為訓(xùn)練樣本訓(xùn)練得到滿足泛化要求的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.

4 仿真結(jié)果及分析

以DCT起步過(guò)程中的起步時(shí)間、滑摩功及沖擊度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用快速起步、慢速起步及駕駛員意圖多變的起步工況并以車輛輕載情況為例通過(guò)仿真對(duì)所制定的起步智能控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證.仿真結(jié)果如圖6～8所示.

從圖6可以看出，對(duì)于快速起步工況，單離合器起步時(shí)間約為0.950 s，雙離合器協(xié)同起步時(shí)間縮短為約0.807 s；但滑摩功由單離合器起步的約5 148 J增加為雙離合器協(xié)同起步的約5 279 J，雙離合器協(xié)同起步中離合器1，2的滑摩功分別為2 721，2 558 J；而雙離合器沖擊度峰值較單離合器大，但都小于沖擊度的推薦值（10 m·s－3）.就離合器接合過(guò)程而言，起步開始時(shí)，離合器1，2以20 mm·s－1的速度快速接合以消除離合器主從動(dòng)盤的間隙，之后雙離合器的接合速度由模糊控制系統(tǒng)決定.離合器1從起步開始按照預(yù)先的控制規(guī)則要求接合，而離合器2根據(jù)離合器滑差率閾值（此工況下為4.42%）到0.777 s時(shí)開始分離，離合器1主從動(dòng)盤在0.807 s接合速度達(dá)到同步，離合器1以30 mm·s－1的接合速度完成剩余行程.同時(shí)，為了減少離合器2在分離時(shí)候的滑摩功，離合器2的分離速度比接合速度快，且雙離合器協(xié)同起步時(shí)離合器接合速度的模糊控制對(duì)雙離合器接合速度的控制比較平穩(wěn).

對(duì)于圖7的慢速起步工況，起步開始時(shí)，為消除離合器主從動(dòng)盤的間隙，離合器1，2先以20 mm·s－1的速度快速接合，此后雙離合器的接合速度就由模糊控制系統(tǒng)決定.離合器1從起步開始按照預(yù)先的控制規(guī)則要求接合，而離合器2根據(jù)離合器滑差率閾值（此工況下為6.31%）到0.95 s時(shí)開始分離，離合器1主從動(dòng)盤在1.13 s接合速度達(dá)到同步，此后離合器1以30 mm·s－1的接合速度完成剩余行程.此工況下離合器2的分離速度比接合速度快，以便減少離合器2在分離時(shí)候的滑摩功.就起步時(shí)間而言，單離合器起步和雙離合器協(xié)同起步的起步時(shí)間都大于1 s，較快速起步工況有了明顯的延長(zhǎng)，而雙離合器協(xié)同起步略快于單離合器起步.同時(shí)，雙離合器協(xié)同起步的滑摩功也略高于單離合器起步.無(wú)論是單離合器起步還是雙離合器起步?jīng)_擊度都小于推薦值（10 m·s－3）.

圖8是駕駛員意圖多變起步工況，此工況下，離合器1，2先以20 mm·s－1的速度快速接合以消除離合器主從動(dòng)盤的間隙，此后雙離合器的接合速度由模糊控制系統(tǒng)決定.整個(gè)接合分離過(guò)程中，根據(jù)制定的離合器接合速度的模糊規(guī)則完成了雙離合器的控制.離合器1從起步開始按照預(yù)先的控制規(guī)則要求接合，而離合器2根據(jù)離合器滑差率閾值（此工況下為5.23%）到0.925 s時(shí)開始分離，離合器1主從動(dòng)盤在0.984 s接合速度達(dá)到同步，此后離合器1以30 mm·s－1的接合速度完成剩余行程.此工況下離合器2的分離速度比接合速度快，以便減少離合器2在分離時(shí)候的滑摩功.對(duì)于起步時(shí)間而言，單離合器起步和雙離合器起步較快速起步工況都有所延長(zhǎng)，并且起步過(guò)程中沖擊度也有了較為明顯的變化，但也都小于推薦值.雙離合器協(xié)同參與的起步過(guò)程使得單個(gè)離合器的滑摩功較單離合器起步明顯減少，有利于延長(zhǎng)離合器的使用壽命.但雙離合器協(xié)同起步的控制策略較單離合器起步復(fù)雜，增加了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度.

5 結(jié)論

（1）參考優(yōu)秀駕駛員的操作經(jīng)驗(yàn)，制定了駕駛員意圖的模糊控制規(guī)則.以駕駛員意圖、車輛負(fù)載及路面坡度為輸入?yún)?shù)，以離合器滑差率閾值為控制參數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙離合器滑摩過(guò)程控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.

（2）以DCT起步過(guò)程中的起步時(shí)間、滑摩功及沖擊度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)快速起步、慢速起步、坡道起步及駕駛員意圖多變的起步工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并與單離合器起步工況進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證與對(duì)比結(jié)果表明所制定的雙離合器協(xié)同起步的智能控制策略對(duì)不同工況具有自適應(yīng)性.

（3）典型工況的仿真結(jié)果表明，雙離合器協(xié)同參與的起步過(guò)程使單個(gè)離合器的滑摩功較單離合器起步明顯減少，有利于延長(zhǎng)離合器的使用壽命.同時(shí)，雙離合器協(xié)同起步的起步時(shí)間較單離合器起步也有較明顯的縮短，有利于車輛的快速起步.然而，雙離合器協(xié)同起步的控制策略較單離合器起步復(fù)雜，以致增加了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度.

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