雙離合自動變速器特殊工況下?lián)Q擋規(guī)律的智能在線修正研究*

張炳力，王倫珍

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

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雙離合自動變速器特殊工況下?lián)Q擋規(guī)律的智能在線修正研究*

張炳力，王倫珍

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

針對某裝備6擋雙離合自動變速器的車輛，制定了傳統(tǒng)兩參數(shù)綜合換擋規(guī)律，并分析了在該換擋規(guī)律控制下，車輛行駛在城市擁擠道路、緊急制動、加速超車、彎道和坡道等特殊工況時(shí)出現(xiàn)不合理換擋現(xiàn)象的原因。為減少不合理的換擋，綜合考慮行駛環(huán)境和駕駛員意圖，采用模糊控制方法，提出了基于傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律的在線修正換擋規(guī)律。最后通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，對比了傳統(tǒng)換擋規(guī)律和在線修正換擋規(guī)律在上述特殊工況下的控制效果，驗(yàn)證了在線修正換擋規(guī)律的有效性。

雙離合自動變速器；換擋規(guī)律；聯(lián)合仿真；AMESim; Simulink

前言

雙離合器自動變速器(dual clutch transmission, DCT)是由平行軸式手動變速器發(fā)展而來，它繼承了手動變速器傳動效率高、安裝空間緊湊和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，此外在換擋過程中不存在動力中斷，具有良好的換擋品質(zhì)[1]。換擋控制是保證換擋品質(zhì)的核心技術(shù)之一，換擋規(guī)律的優(yōu)劣則直接影響車輛的換擋品質(zhì)。

傳統(tǒng)的兩參數(shù)或三參數(shù)換擋規(guī)律僅反映汽車的實(shí)際行駛狀況，忽略了汽車行駛環(huán)境和駕駛員操作意圖[2]。當(dāng)汽車在城市擁擠道路、緊急制動、加速超車、彎道和坡道等特殊工況下行駛時(shí)，采用傳統(tǒng)換擋規(guī)律容易造成頻繁換擋和意外升降擋[3]。文獻(xiàn)[4]中采用基于油門開度及其變化率的模糊控制方法對傳統(tǒng)換擋規(guī)律進(jìn)行修正，提出的智能修正換擋規(guī)律避免了平直路面的循環(huán)換擋，但忽略了坡道行駛的不正常換擋現(xiàn)象；文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[7]中建立了擋位決策的模糊專家系統(tǒng)，雖提高了汽車換擋的準(zhǔn)確性，但是由于駕駛員類型、行駛環(huán)境和車輛狀況可組成若干種狀態(tài)，系統(tǒng)工作量巨大，所以很難使車輛在常規(guī)路面的性能達(dá)到最佳。

本文中綜合考慮車輛行駛環(huán)境和駕駛員意圖，對基于油門開度和車速的傳統(tǒng)綜合換擋規(guī)律在特殊工況下的控制效果進(jìn)行分析，并采用模糊控制方法，對其換擋臨界車速進(jìn)行修正，從而獲得適應(yīng)不同行駛工況下的在線修正換擋規(guī)律。在線修正換擋規(guī)律繼承了傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律在良好路況的控制精確性，并可克服傳統(tǒng)換擋規(guī)律在特殊工況下不合理換擋的缺陷。為充分考慮整車動力學(xué)模型的物理精確性和控制系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)性，對該換擋規(guī)律進(jìn)行了Simulink-AMESim聯(lián)合仿真研究。

1 傳統(tǒng)綜合換擋規(guī)律

1.1 傳統(tǒng)綜合換擋規(guī)律的制定

以油門開度和車速作為控制參數(shù)，分別根據(jù)發(fā)動機(jī)燃油消耗率特性和發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷特性曲線，制定適合小油門開度下的經(jīng)濟(jì)性升擋曲線和適合大油門開度下的動力性升擋曲線。以經(jīng)濟(jì)性和動力性升擋曲線為基礎(chǔ)制定適合所有油門開度下的綜合升擋曲線。降擋曲線的制定中，選取組合型換擋延遲,小油門開度時(shí)，選取較大的換擋延遲，在保證動力性的同時(shí)改善燃油經(jīng)濟(jì)性；而較大油門開度時(shí)，選取較小的換擋延遲，使車輛獲得更好的動力性。圖1為制定的綜合換擋規(guī)律。

1.2 特殊工況下采用傳統(tǒng)綜合換擋規(guī)律時(shí)的不合理換擋現(xiàn)象

(1) 城市擁擠道路工況

車輛行駛在城市擁擠道路工況下，由于路況復(fù)雜，駕駛員須頻繁改變油門開度，但是短時(shí)間內(nèi)頻繁改變油門開度，在慣性作用下車速不能及時(shí)做出相應(yīng)的改變，往往會出現(xiàn)油門加大或減小而車速保持不變的狀況，如圖2中de+ef+fg+gh線段。由圖2可見，車輛在2擋和3擋間反復(fù)變化。

(2) 快速超車工況

車輛須要超越前方車輛時(shí)，油門開度由某一數(shù)值迅速增加到較大數(shù)值。油門、車速的理想變化應(yīng)如圖2中jl線段那樣，升高擋超車。但實(shí)際行駛過程中，駕駛員迅速加大油門，而車輛由于慣性提速滯后，油門、車速的實(shí)際變化過程如圖2中jk+kl線段，即車輛會出現(xiàn)4-3-4-5換擋的不合理現(xiàn)象。

(3) 下坡、彎道或緊急制動工況

車輛遇到下坡、彎道或緊急制動減速時(shí)，油門開度由某一數(shù)值迅速降到零，開始制動，油門、車速的理想變化應(yīng)如圖2中ac線段，車輛保持原擋位行駛。但實(shí)際行駛過程中，駕駛員快速松開油門，油門開度快速減到零，車速由于慣性未發(fā)生大的改變，直到駕駛員踩下制動踏板，車速開始減小，變化過程如圖2中ab+bc線段。由圖2可見，車輛必然出現(xiàn)4-5-6-5-4擋的不合理換擋現(xiàn)象。車輛緊急制動停車情況類似，只是車速從c點(diǎn)移動到0位置，擋位變化為4-5-6-5-4-3-2-1。類似地，轉(zhuǎn)彎工況如圖2中or線段和op+pq+qr線段，車輛出現(xiàn)3-4-5-4-3-2擋的意外升擋現(xiàn)象。

2 在線修正換擋規(guī)律

2.1 在線修正換擋規(guī)律控制策略

由上述分析可知傳統(tǒng)換擋規(guī)律下，車輛在城市擁擠道路、緊急制動、加速超車、彎道和坡道等特殊工況時(shí)會出現(xiàn)不合理換擋，其主要原因是由于油門-車速的不對應(yīng)變化(車速未隨油門變化而及時(shí)、相應(yīng)地改變)?，F(xiàn)采用模糊控制方法，模糊控制器對當(dāng)前油門、車速進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并根據(jù)模糊規(guī)則判斷當(dāng)前油門、車速的變化情況。油門-車速呈對應(yīng)變化時(shí)，模糊控制器輸出換擋修正因子值為0.5，經(jīng)增益(×2)保持傳統(tǒng)換擋規(guī)律的換擋臨界速度；油門-車速呈不對應(yīng)變化(特殊工況)時(shí)，模糊控制器輸出換擋修正因子不等于0.5的值，增益(×2)后實(shí)時(shí)改變傳統(tǒng)換擋規(guī)律的換擋臨界速度，從而實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)換擋規(guī)律的在線修正，保證輸出擋位的合理性。

以圖2中下坡和快速超車工況為例說明其控制原理。下坡ab段，油門減小較快，車速變化率趨近于0，通過模糊控制輸出升擋修正因子，增大升擋臨界車速，即可以有效避免升擋；bc段，油門很小且不變化，車速快速減小，同樣方法抑制升擋；達(dá)到c點(diǎn)后，油門、車速變化穩(wěn)定，模糊控制器輸出的換擋修正因子不改變原換擋規(guī)律?？焖俪噅k段，油門迅速增加、車速變化很小，模糊控制器輸出降擋修正因子，減小降擋臨界車速，則可避免車輛降擋；kl段，油門較大且不變化，車速迅速增大，同樣方法抑制降擋；達(dá)到l點(diǎn)后，油門、車速變化穩(wěn)定。其他工況控制原理相同。

圖3為換擋規(guī)律在線修正的控制框圖，g表示當(dāng)前擋位，v為車速，a表示油門開度，da表示油門開度變化率，dv表示車速變化率，u+、u-分別表示升、降擋臨界車速修正因子，vi+1、vi-1分別表示升降擋臨界車速。

2.2 換擋模糊控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 輸入、輸出變量及其隸屬函數(shù)

采用三輸入、兩輸出的Sugeno型模糊控制器，以反映駕駛員意圖的油門開度a及其變化率da和反映車輛行駛狀況的車速變化率dv作為實(shí)時(shí)輸入，模糊控制器迅速作出反應(yīng)，輸出升、降擋臨界車速修正因子u+、u-(由于Sugeno型的輸出只能是0～1之間的數(shù)值，故在輸出后乘增益2以得到0～2之間的數(shù)，用于提高、保持或降低換擋臨界車速)。修正因子u+≥0.5時(shí)，保持或提高升擋臨界車速；修正因子u-≤0.5時(shí)，保持或降低降擋臨界車速。

各變量的語言集如下：

油門開度大小a：{S(小)、M(中)、B(大)}，[0 100]；

油門開度變化率da：{NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PB(正大)}，[-60 60]；

實(shí)際車速變化率dv：{NB(負(fù)大)、Z(零)、PB(正大)}，[-30 30]；

升擋修正因子u+：{M(0.5)、B(0.65)、VB(1)}；

降擋修正因子u-：{VS(0.1),S(0.4),M(0.5)}。

依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和仿真結(jié)果的反饋信息不斷進(jìn)行修正，確定三角形函數(shù)、Z函數(shù)和S函數(shù)相結(jié)合的隸屬度函數(shù)，圖4為各輸入變量隸屬度函數(shù)。

2.2.2 模糊規(guī)則的建立

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)修正，得到換擋修正因子的控制規(guī)則見表1。

3 系統(tǒng)仿真模型的建立

目前對于雙離合器自動變速器傳動系統(tǒng)的動力學(xué)建模和仿真分析普遍采用Matlab/Simulink工具，它的特點(diǎn)是基于數(shù)學(xué)方程級的建模方式有著很高的精度，而且具有強(qiáng)大的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能，但是對于復(fù)雜非線性系統(tǒng)的建模存在著模型簡化和精度之間的矛盾。而AMESim是一款圖形化的開發(fā)平臺，且提供了多學(xué)科領(lǐng)域的各種模型庫，適用于工程系統(tǒng)的建模、仿真和在線分析[8]。同時(shí)AMESim提供了點(diǎn)對點(diǎn)的AMESim-Simulink接口，為AMESim的被控對象模型和Simulink控制系統(tǒng)模型之間的耦合分析提供了一個(gè)使用便捷和行之有效的工具。通過簡單的模型交換，避免了不同平臺間復(fù)雜模型的重建，最大程度地發(fā)揮了兩個(gè)軟件的最佳功能。

表1 換擋修正因子的模糊規(guī)則表

注：M表示升降擋修正均輸出為M，VB/M表示升擋修正因子為VB,降擋修正因子為M,依此類推。

3.1 AMESim整車動力學(xué)模型

基于AMESim建立的6擋DCT車輛動態(tài)仿真模型主要包括發(fā)動機(jī)模塊、離合器模塊、同步器模塊、傳動軸模塊、機(jī)械齒輪模塊、輪胎-懸架-車身模塊和Simulink接口模塊等多種元件模型。

在AMESim中創(chuàng)建AMESim-Simulink接口模塊，定義實(shí)際車速、期望油門開度和期望制動踏板行程為接口模塊的輸入信號，擋位輸出信號、同步器控制信號、離合器控制信號等為接口模塊的輸出信號。

3.2 Simulink換擋控制模型

在Simulink環(huán)境下，建立換擋控制仿真模型，主要包括擋位輸出模塊、同步器控制模塊、行駛工況選擇模塊、起步控制模塊(由于只研究換擋過程控制，故起步選擇始終設(shè)置為1，即從1擋開始運(yùn)行)和接口模塊(S-function函數(shù))等。S-function函數(shù)接收來自AMESim的輸出信號：實(shí)際車速、期望車速和期望制動，并將上述信號反饋到Simulink控制端口，作為擋位變化判斷、同步器動作控制的實(shí)時(shí)輸入；同時(shí)S-function函數(shù)將擋位輸出等控制信號傳遞給AMESim，以控制AMESim中的對應(yīng)模塊。通過上述輸入、輸出信號的相互交換，從而實(shí)現(xiàn)了AMESim和Simulink無縫連接。

4 特殊工況的聯(lián)合仿真分析

4.1 城市擁擠道路工況

圖5為傳統(tǒng)換擋規(guī)律城市擁擠道路工況(選取UDDS工況前500s段)的仿真結(jié)果。由圖可見：200s左右油門頻繁變化，而車速變化不明顯，擋位在3擋和4擋之間連續(xù)跳動多次；類似情況同樣出現(xiàn)在第415s和455s附近。

圖6為在線修正換擋規(guī)律城市擁擠道路工況的仿真結(jié)果。由圖可見：200s左右油門開度變化率大，車速變化率較小，模糊控制器輸出經(jīng)增益后不等于1的升、降擋車速修正因子，升擋修正因子增大升擋臨界車速、降擋修正因子減小降擋臨界車速，車輛保持在4擋運(yùn)行；415和455s左右情況類似，模糊控制器使車輛保持4擋行駛，未出現(xiàn)意外換擋；其他時(shí)間段油門-車速呈對應(yīng)變化，模糊控制器輸出升、降擋修正因子經(jīng)增益后為1，沿襲傳統(tǒng)換擋規(guī)律，擋位變化與圖5相同。

4.2 “快速超車+彎道”工況

圖7為傳統(tǒng)換擋規(guī)律“快速超車+轉(zhuǎn)彎”工況仿真結(jié)果。由圖可見：車輛在97s時(shí)準(zhǔn)備超車，油門迅速增加，車輛提速滯后，擋位由4擋降至3擋后升到5擋；在194s時(shí)超車完成，油門減小，車速減小遲滯，擋位由5擋升為6擋后降到4擋；在295s時(shí)車輛準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎，油門開度快速降為0，車輛降速延遲，擋位由4擋升到5擋后降至3擋；在366s時(shí)車輛急起步，車速變化小，擋位由4擋降3擋后升4擋。

圖8為在線修正換擋規(guī)律“快速超車+轉(zhuǎn)彎”工況下仿真結(jié)果。由圖可見：在97s時(shí)超車時(shí)油門開度增大，車速變化不明顯，模糊控制器輸出經(jīng)增益后小于1的降擋修正因子，減小降擋臨界車速從而抑制降擋，使車輛保持5擋行駛；在194和295s時(shí)油門開度快速減小，車速變化延遲，模糊控制器輸出經(jīng)增益后大于1的升擋修正因子，抑制車輛升擋，車輛直接降擋行駛；在366s時(shí)油門開度增大，車速變化不明顯，升擋修正因子經(jīng)增益后小于1抑制降擋。

4.3 “坡道+緊急制動”工況

圖9為傳統(tǒng)換擋規(guī)律“坡道+緊急制動”工況仿真結(jié)果。由圖可見：車輛在40s時(shí)遇到上坡，油門開度緩緩增大，車速下降，降至1擋上坡；100s時(shí)上坡結(jié)束，油門開度減小，車速升高，擋位順序升至5擋；196s時(shí)開始下坡，油門開度迅速降為0，車速下降延遲，擋位于198s時(shí)升為6擋然后降到5擋下坡；300s時(shí)下坡結(jié)束，油門開度迅速增大，車輛降至3擋后升4擋行駛；365s時(shí)汽車緊急制動，擋位迅速升至6擋后順序降至1擋。

圖10為在線修正換擋規(guī)律“坡道+緊急制動”

工況的仿真結(jié)果。由圖可見：196s時(shí)車輛下坡，油門開度迅速增大，車速基本不變，模糊控制器輸出經(jīng)增益后大于1的升擋修正因子，抑制車輛升擋，車輛保持5擋行駛；300s時(shí)下坡結(jié)束，油門增大，車速緩慢上升，模糊控制器輸出經(jīng)增益后小于1的降擋修正因子，抑制車輛降擋；365s時(shí)油門開度銳減，車速下降延遲，升擋修正因子經(jīng)增益后大于1，意外升擋得到抑制，車輛正常擋位行駛。

5 結(jié)論

(1) 基于傳統(tǒng)換擋規(guī)律，綜合考慮車輛行駛環(huán)境和駕駛員意圖，采用模糊控制方法輸出換擋臨界車速修正因子，改變換擋臨界車速。此控制策略實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)換擋規(guī)律的實(shí)時(shí)修正。

(2) 采用AMESim-Simulink聯(lián)合仿真方法，可較真實(shí)地反映DCT車輛動力學(xué)特性和換擋控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了對換擋控制策略的有效驗(yàn)證。

(3) AMESim-Simulink聯(lián)合仿真結(jié)果表明，在線修正換擋規(guī)律可有效改善傳統(tǒng)換擋規(guī)律在城市擁擠道路、緊急制動、加速超車、彎道和坡道等特殊工況下的不合理換擋現(xiàn)象。對提高變速器壽命、改善汽車乘坐舒適性有積極作用。

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A Research on the Online Intelligent Correction of Shift Schedule forDual-clutch Transmissions Under Special Working Conditions

Zhang Bingli & Wang Lunzhen

SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009

A traditional two-parameter comprehensive shift schedule is worked out for a car with six-gear dual clutch transmission, and the causes of unreasonable shifting happened with that shift schedule in special conditions, such as urban congestion roads, emergency braking, accelerated overtaking, curved road and ramp are analyzed. For avoiding or reducing unreasonable shifting with concurrent consideration of driving environment and driver's intension, an online corrected shift schedule based on two-parameter comprehensive shift schedule is proposed by using fuzzy control method. Finally through an AMESim-Simulink co-simulation, the control effects with both traditional comprehensive shift schedule and online corrected shift schedule under above-mentioned special conditions are compared, verifying the effectiveness of online corrected shift schedule proposed.

DCT; shift schedule; co-simulation; AMESim; Simulink

*安徽省自然科學(xué)基金(1308085ME64)、安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目(12010202039)、廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2012B091100310)和安徽高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012A225)資助。

原稿收到日期為2012年11月5日，修改稿收到日期為2014年1月21日。