人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)中的雙離合器式自動變速器車輛換擋規(guī)律

孫賢安吳光強姜超焦偉

（1.上海汽車集團股份有限公司；2.同濟大學）

人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)中的
雙離合器式自動變速器車輛換擋規(guī)律

孫賢安1吳光強2姜超1焦偉1

（1.上海汽車集團股份有限公司；2.同濟大學）

結合不同駕駛員意圖、整車質量參數和道路狀況，制定了人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)中雙離合器式自動變速器車輛的修正型換擋規(guī)律。對修正型換擋規(guī)律下的系統(tǒng)進行仿真研究表明，該規(guī)律有助于消除頻繁升降擋現(xiàn)象?；趚PC平臺，建立了干式雙離合器式自動變速器控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真試驗臺。結合復雜路面，采用比例-積分-微分控制器，針對普通和修正型換擋規(guī)律兩種情況分別進行硬件在環(huán)仿真，結果驗證了修正型規(guī)律有效性，有助于減少作動器的動作次數。

1 前言

換擋規(guī)律（自動變速器汽車的換擋時機）優(yōu)劣直接影響換擋品質乃至整車動力性、燃油經濟性和舒適性等性能[1]。換擋規(guī)律不僅應有根據駕駛員要求確定的動力性、經濟性和綜合性等模式，還應有加速超車、緊急制動或坡道等復雜工況下的模式[2]。這些模式下，若采用普通換擋規(guī)律，可能會產生頻繁或不必要的換擋現(xiàn)象。

雙離合器式自動變速器（DCT）具有換擋過程動力不中斷、燃油經濟性好等優(yōu)點，是目前的研究熱點。文獻[3]將模糊控制方法應用到汽車自動變速器換擋規(guī)律控制中，并通過試驗對其有效性進行驗證。文獻[4]利用模糊控制和神經網絡方法，對優(yōu)秀駕駛員的換擋規(guī)律進行辨識，建立了基于經驗的換擋規(guī)律，改善了車輛部分工況時的性能。文獻[5]制定了DCT車輛的2參數換擋規(guī)律，并進行換擋控制。從人—車—路閉環(huán)系統(tǒng)角度看，駕駛員意圖方面，文獻[6]研究了典型工況下的駕駛員操作特征，將平直道路行駛時的駕駛員意圖分為5類。車輛參數方面，汽車質量對換擋規(guī)律有較大影響，文獻[7]針對輕型貨車，分析了不同汽車質量參數情況下的換擋規(guī)律。路面方面，文獻[8]提出了顛簸路面下基于油門衰減算法的換擋規(guī)律。但是，尚無公開發(fā)表文獻從駕駛員意圖、整車質量參數和路面狀況3方面對人—車—路閉環(huán)系統(tǒng)中DCT車輛的換擋規(guī)律進行系統(tǒng)分析。

本文以DCT車輛為研究對象，根據不同駕駛員意圖、汽車質量參數和道路情況，制定出符合特定工況的修正型換擋規(guī)律，尤其是行駛附著條件下的情況，并通過加速工況進行仿真研究?；趚PC環(huán)境，建立了DCT控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真（Hardwarein-the-loop，HILS）試驗臺，對復雜路面下的修正型換擋規(guī)律進行研究。

2 不同模式下的修正型換擋規(guī)律

汽車行駛過程中，是一個人—車—路組成的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，駕駛員主要通過油門開度、制動踏板和轉向盤轉角對汽車進行控制。不同外界環(huán)境中，滾動阻力系數和路面附著系數會有所區(qū)別，這些因素都會影響汽車的換擋規(guī)律。因此，根據這些不同情況，分別制定出相應的修正型換擋規(guī)律，以改善DCT車輛性能。

2.1 動力性換擋規(guī)律

在汽車行駛加速度曲線上選取同一油門開度下相鄰兩擋加速度曲線的交點，若沒有交點，則選擇低擋位上發(fā)動機最高穩(wěn)定轉速所對應的加速度。將不同油門開度下相鄰兩擋加速度的交點連成曲線，即得到最佳動力性換擋規(guī)律[9]。同理，可以求解出經濟性換擋規(guī)律[9]。在兩者基礎上，獲得綜合性換擋規(guī)律，后續(xù)的修正型換擋規(guī)律基本都基于此制定。

考慮同步器預嚙合工況[10，11]，適當延長降擋線和升擋線之間的距離，以便同步器有足夠長的時間完成預嚙合動作。圖2為動力性換擋規(guī)律。圖2中，曲線synup12、synup23、synup34、synup45分別表示1擋升2擋、2擋升3擋、3擋升4擋、4擋升5擋時的同步器預嚙合動作；shiftup12、shiftup23、shiftup34、shiftup45分別表示1擋升2擋、2擋升3擋、3擋升4擋、4擋升5擋的升擋動作；syndown21、syndown32、syndown43、syndown54分別表示2擋降1擋、3擋降2擋、4擋降3擋、5擋降4擋時的同步器預嚙合動作；shiftdown21、shiftdown32、shiftdown43、shiftdown54分別表示2擋降1擋、3擋降2擋、4擋降3擋、5擋降4擋的降擋動作。

2.2 加速意圖下的修正型換擋規(guī)律

駕駛員總是希望以最大加速度、在最短時間內實現(xiàn)超車，因此，普通換擋規(guī)律不再適用，需要提高換擋點車速，使汽車在低擋運行時間更長，以獲得更好的短時加速性能。由于汽車在低擋時的后備功率較大，也可從高擋降為低擋行駛，即提前降擋，以獲得更高的加速度。

2.3 不同質量參數下的修正型換擋規(guī)律

輕型貨車的質量參數對換擋規(guī)律影響較大[7]，在動力性換擋規(guī)律基礎上，通過計算不同質量參數下的換擋車速可得到該情況下的換擋規(guī)律。

同一油門開度下，空載情況升擋曲線比滿載情況對應的車速稍小。對于轎車而言，假設空載時整車質量1 500 kg，滿載時整車質量1 900 kg（按照滿載5人，每人70 kg計算，共載物為50 kg），根據動力性換擋規(guī)律算法計算可知，空載和滿載對換擋規(guī)律影響較小，因此可以較少考慮質量參數對其影響。此外，低擋換擋時差異比高擋換擋時大。

2.4 復雜路面下的修正型換擋規(guī)律

復雜路面下，由于道路不平整或泥濘，滾動阻力系數會出現(xiàn)較大變化，且不斷有波動，如圖3所示。圖3中，0～8 s時間內，行駛路面為良好路面，此時滾動阻力系數在0.018附近小幅波動，汽車進行正常的起步和換擋操作；8～60 s時間內，汽車駛入復雜路面，滾動阻力系數在0.11附近波動。根據車輛行駛方程式，坡道阻力和加速阻力可以忽略，驅動力與滾動阻力和風阻之和相同。由于此時滾動阻力系數大幅變化，駕駛員為保持較低穩(wěn)定車速，只能通過不斷調整油門開度，使驅動力和阻力保持平衡。因此，此時油門開度會有較大變化，會出現(xiàn)頻繁的換擋現(xiàn)象。

為了避免頻繁換擋現(xiàn)象，需要降低換擋車速對油門開度的敏感程度?？梢栽谟烷T開度的測試結果中乘以一個小于1的衰減系數，以提高一定車速下?lián)Q擋點的油門開度值，即為油門衰減換擋規(guī)律，這樣，就不需要在變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）軟件中額外增加相關換擋MAP圖，從而提高其運算速率。

2.5 汽車行駛附著條件下修正型換擋規(guī)律

由于研究對象是前輪驅動汽車，因此，汽車行駛的驅動-附著條件為：

式中，φ為路面附著系數；FZ1為作用于驅動輪上的法向反作用力。

根據汽車加速上坡時的受力情況，將作用在汽車上的力對前、后輪與道路接觸面中心取力矩，并忽略旋轉質量慣性阻力偶矩與滾動阻力偶矩，得到汽車前驅動輪地面法向反作用力為：

式中，G為汽車重力；hg為汽車質心高度；L、b分別為汽車軸距、質心至后軸的距離。

以油門開度為100%、發(fā)動機轉速為3 000 r/min的情況為例，將良好路面、泥濘路面和雪地3種典型的路面附著系數假設為0.8、0.5和0.2。表1給出了不同坡度、不同路面附著系數、不同擋位情況下的驅動力和路面附著力。

由表1可知，以坡度α=10%為例，路面附著系數為0.2、擋位i為3時，是一個臨界點，即擋位小于等于3時，路面無法提供足夠的附著力，擋位大于3時，路面附著力比驅動力大。路面附著系數為0.8、1擋時路面無法提供足夠的附著力，其它擋位均可以滿足汽車行駛的附著條件。

以坡度α=0為例，路面附著系數為0.8時，所有擋位下路面都可以提供足夠的附著力；路面附著系數為0.2時，3擋是臨界點。

因此，換擋規(guī)律應盡量使汽車在較高擋位下行駛，以避免附著力較低的問題；同時，擋位不能太高，否則會導致車速過高，影響汽車行駛安全性。此時的換擋規(guī)律應結合汽車行駛附著系數一起考慮。

3 加速意圖下的仿真分析

采用加速超車和急松油門踏板來模擬不同駕駛員意圖，如圖5所示。圖5中，開始一段時間（0～21.85 s），汽車以20%的油門開度緩慢加速；21.85～22.85s時間內，駕駛員加速到80%的油門開度；保持1.2s后，快速松開油門踏板；25.66s時，踩下制動踏板，開始減速。

實現(xiàn)上述駕駛員意圖時普通換擋規(guī)律下的仿真結果如圖6所示。其中，轉速圖的ne、nc1和nc2分別代表發(fā)動機、離合器K1和離合器K2轉速變化情況。

由圖6可知，從第21.85 s開始，駕駛員急踩油門踏板，希望加速超車，普通換擋規(guī)律也可以實現(xiàn)降擋意圖；從第24.05 s開始，駕駛員急松油門踏板，此時由于車速變化未能趕上油門開度的突變，出現(xiàn)了3擋升4擋的意外升擋現(xiàn)象。

加速超車時，為保證駕乘人員安全性，應盡快換入低擋，以獲得更大的后備功率，使加速時間更短。急松油門踏板時，應盡量避免頻繁換擋現(xiàn)象。基于此，采用修正型換擋規(guī)律，仿真結果如圖7所示。

由圖7可知，加速超車時，降擋時刻提前了0.1s，因此，低擋下的后備功率更為充足，汽車加速時間更短。而急松油門踏板時，未發(fā)生圖8中先升擋再降擋的現(xiàn)象，而是先保持原先擋位，再順序降為1擋。顯然，修正型換擋規(guī)律消除了意外升降擋現(xiàn)象。

4 硬件在環(huán)仿真試驗

4.1 硬件在環(huán)仿真試驗臺架構

xPC Target采用宿主機-目標機的結構體系[12]，其中宿主機用于運行Simulink，目標機用于運行可執(zhí)行代碼。其支持各種常用的標準輸入輸出設備，可以利用一般的臺式機、筆記本電腦、工控機、單片機等作為目標機進行實時控制，支持通過RS232或TCP/IP協(xié)議進行主機和目標機通信，實現(xiàn)數據信號的顯示和交互式參數調試。

采用研華公司的數據采集卡PCL-818L和PCL-726，實現(xiàn)工控機與TCU之間的數據通信。

TCU是整個HILS試驗臺的關鍵，其性能好壞直接決定了整個控制系統(tǒng)的特性。TCU根據目標機提供的實時狀態(tài)變量，實時判斷起步、同步器接合和換擋的運行過程，控制同步器執(zhí)行電機和離合器執(zhí)行電機的工作狀態(tài)，并把車輛當前運行狀況等信息通過數據采集卡反饋給目標機的CPU。在MATLAB /Simulink環(huán)境中開發(fā)的控制策略，最終都要轉化為可執(zhí)行的代碼，以期在TCU中得到驗證。

采用電動式DCT方案，通過驅動電機實現(xiàn)離合器接合與分離以及同步器操作。在HILS試驗過程中，通過離合器電機和同步器電機的實時響應，可以直接觀察到DCT控制器系統(tǒng)的控制效果。

4.2 外部駕駛員輸入下的硬件在環(huán)仿真試驗

采用外部駕駛員輸入工況，即通過油門踏板和制動踏板，給予HILS平臺以隨機的駕駛員意圖。開始時，駕駛員踩住制動踏板，汽車處于怠速工況；緊接著松開制動踏板，踩下油門踏板，并維持100%油門開度，汽車順序升擋至最高擋位5擋；駕駛員松開油門踏板，踩下制動踏板，汽車順序降擋至1擋，最后進入怠速工況。運行HILS模型，運行結果如圖8所示。PC顯示器中，自左向右，自上而下，分別是油門開度、擋位、制動踏板、車速、轉速、發(fā)動機轉矩等信號。通過該圖，可以觀察特定工況下的駕駛員意圖信號，以及包括擋位、車速等信號在內的運行結果。

同時，可以通過觀察HILS平臺中離合器和同步器電機的動作情況進一步知道，作動器按照預定目標進行動作。

4.3 復雜路面下的硬件在環(huán)仿真試驗

為了驗證所研究的修正型換擋規(guī)律，以復雜路面為例，觀察HILS運行情況。

復雜路面下，由于車速不斷波動，駕駛員希望保持一個較低的穩(wěn)定車速，會不斷調整油門開度，即當前車速高于穩(wěn)定車速時，駕駛員會松開油門踏板，低于穩(wěn)定車速時，會踩下油門踏板。因此，可以采用PID控制器建立駕駛員輸入信號，通過對比實時車速與駕駛員期望的某一目標車速之間的差值，采用PID控制器進行跟蹤，輸出為此時的油門開度和制動信號。油門開度控制器如圖9所示，制動信號與此類似。圖中，vt為目標車速，va為實際跟蹤車速。

該路面下的道路阻力系數在圖3中已給出。通過數據采集卡，將HILS平臺的各結果提取出來，復雜路面下普通換擋規(guī)律的情況如圖10所示。

由圖10可知，在8～60 s時間內，汽車出現(xiàn)了9次2擋升1擋、再升回2擋的現(xiàn)象，降低了乘坐舒適性，因此，需要消除不必要的換擋過程。

油門開度不斷波動是引起復雜路面下頻繁換擋的原因，可以對原始油門開度進行修正，以降低其敏感程度，修正結果對比如表2所示，仿真結果如圖11所示。

表2 油門開度對比%

由圖11可以看出，修正型換擋規(guī)律消除了頻繁換擋現(xiàn)象。在復雜路面上行駛時，汽車一直以2擋穩(wěn)定行駛，車速波動比普通換擋規(guī)律下的波動小，乘坐舒適性更好；同時，由于短時間內換擋次數減少，作動器壽命延長。

5 結束語

a.分別考慮駕駛員意圖、汽車狀態(tài)及路面狀況信號，制定了修正型換擋規(guī)律，并結合路面附著條件，對加速工況等進行仿真，結果表明修正型規(guī)律可以消除不必要的換擋現(xiàn)象。

b.基于xPC環(huán)境，將工控機、數據采集卡等軟硬件，與自行設計的TCU和執(zhí)行器進行連接，建立了DCT控制系統(tǒng)的HILS平臺；通過外部輸入駕駛員意圖信號的方式驗證了該平臺可行性；建立了車速跟蹤的PID控制器，通過復雜路面上的普通型和修正型換擋規(guī)律，進一步驗證了HILS平臺的有效性。

1吳光強，孫賢安.汽車自動變速器發(fā)展綜述.同濟大學學報（自然科學版），2010，38（10）：1478～1483.

2孫賢安，吳光強.雙離合器式自動變速器車輛換擋品質評價系統(tǒng).機械工程學報，2011，47（8）:146～151.

3Sakaguchi S.，Sakai I.，Haga T.Application of fuzzy logic to shiftschedulingmethodforautomatictransmission.// Proceedings of IEEE2ndInternational FuzzySystems Conference，March 28-April 1 1993，San Francisco，CA，USA.New York:IEEE，1993:52～58.

4Hayashi K.，Shimizu Y.，Dote Y.，et al.Neuro fuzzy transmission control for automobile with variable loads.IEEE Transactions on Control Systems Technology，1995，3（1）:49～52.

5Manish K.，Taehyun S.，Yi Z.Shift dynamics and control of dual-clutch transmissions.Mechanism and Machine Theory，2007，42:168～182.

6王玉海，宋健，李興坤.駕駛員意圖與行駛環(huán)境的統(tǒng)一識別及實時算法.機械工程學報，2006，42（4）：206～212.

7張勇，劉杰，宋健，等.汽車不同質量參數的最佳動力性換擋規(guī)律.同濟大學學報，2002，30（9）：1009～1102.

8劉振軍.基于人-車-路環(huán)境下的汽車電控機械自動變速智能控制研究：[學位論文].重慶：重慶大學，2005.

9Zhang Y.，Chen X.，Jiang H.，et al.Dynamic modeling and simulationofadual-clutchautomatedlay-shaft transmission.Journal of Mechanical Design，Transactions of the ASME，2005，127（2）:302～307.

10Zhang Y.，Kulkarni M.，Marine M.，et al.Launch and shift dynamicsofdual-clutchtransmissionvehicles.// ICMT2006，Sept 26-30，Chongqing，China.Beijing，P.R. China:Science Press，2006:400～406.

11葛安林.車輛自動變速理論與設計.北京:機械工業(yè)出版社，1993.

12楊偉斌，陳全世，吳光強，等.DCT車輛的硬件在環(huán)仿真研究.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（15）：4835～4840，4844.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Shifting Schedule for Dual Clutch Transmission Vehicle in Man-Vehicle-Road Closed-loop System

Sun Xianan1，Wu Guangqiang2，Jiang Chao1，Jiao Wei1
（1.SAIC;2.Tongji University）

In consideration of different driver purposes，vehicle mass and road conditions，a modified shifting schedule for dual clutch transmission(DCT)vehicle in the human-vehicle-road closed-loop system is developed.The DCT system with the modified schedule is simulated and researched which shows that the modified one can eliminate the phenomenon of frequent shifting.Based on xPC platform，the hardware-in-the-loop simulation(HILS)platform for the control system of dry-type DCT is established.Combined with complex road，by means of proportion-integrationdifferentiation(PID)controller，the vehicle models with normal and modified schedules are simulated，which prove the effectiveness of the modified schedule and the frequent shifting can be avoided.

Dual clutch transmission,Man-vehicle-road closed-loop system,Shifting schedule,Hardware-in-loop simulation,PID controller

雙離合器式自動變速器人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)換擋規(guī)律硬件在環(huán)仿真PID控制器

U463.211

A

1000-3703（2014）07-0018-06