PID控制在DCTH中的應(yīng)用

院義鋒，劉義強(qiáng)，孫家振，黃偉山，李軍，王瑞平,2

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PID控制在DCTH中的應(yīng)用

院義鋒1，劉義強(qiáng)1，孫家振1，黃偉山1，李軍1，王瑞平1,2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315336）

DCT(Dual Clutch Transmission)是目前一種主流的變速傳動(dòng)裝置，DCTH是在DCT的基礎(chǔ)上加上了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠有效彌補(bǔ)DCT的不足，使得車輛起步和加速響應(yīng)更迅速，燃油消耗率更低。文章從DCTH控制和標(biāo)定的角度，介紹了PID控制在DCH中的應(yīng)用，希望能對(duì)廣大的DCTH開發(fā)者提供一些借鑒。

DCT；DCTH；PID控制；標(biāo)定

引言

DCT與傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器(AT)相比，具有繼承性好、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器[1]。

DCTH的控制需要VCU的緊密配合。VCU（Vehicle Control Unit）是混合動(dòng)力車輛的主控制器，它會(huì)綜合考慮駕駛員的油門踏板開度及變化率、駕駛模式選擇、電池電量、電機(jī)扭矩容量、傳動(dòng)系扭矩容量、路況、海拔、溫度等，分配合理的扭矩請(qǐng)求給電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱。

1 PID控制簡(jiǎn)介

PID控制就是比例（Proportion）、積分（Integration）和微分（Derivative）控制，可以認(rèn)為是誤差的過去（I），現(xiàn)在（P），未來(D)的加權(quán)之和[2]。見圖1：

圖1 PID控制器

2 DCT爬行PID控制

爬行是指駕駛員掛D檔或R檔，松開制動(dòng)，不踩油門，車輛自行運(yùn)動(dòng)的工況。當(dāng)駕駛員松開制動(dòng)后，VCU會(huì)根據(jù)制動(dòng)壓力發(fā)出一個(gè)目標(biāo)車速，ESC(Electronic Stability Control )會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際車速。PID控制器會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)車速與實(shí)際車速的偏差，并調(diào)整離合器的扭矩輸出。

變速箱控制單元TCU會(huì)將這個(gè)扭矩需求和發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)怠速發(fā)給VCU，VCU會(huì)綜合考慮充電扭矩需求，發(fā)出目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和參考扭矩負(fù)載給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元EMS，EMS會(huì)根據(jù)這個(gè)扭矩負(fù)載和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，合理控制輸出扭矩。

3 DCT起步PID控制

起步是指駕駛員掛D檔或R檔，松開制動(dòng)，踩油門，車輛開始加速直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速同步的工況。起步過程是轉(zhuǎn)速控制，VCU根據(jù)駕駛員的動(dòng)力需求，結(jié)合電池電機(jī)的狀態(tài)，分配動(dòng)力需求分別到電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。TCU根據(jù)油門開度、駕駛模式等計(jì)算出當(dāng)前起步過程發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，EMS會(huì)適時(shí)輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際扭矩減去電機(jī)的充電扭矩后作為離合器接合量的基礎(chǔ)扭矩。PID控制器根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，計(jì)算一個(gè)修正扭矩，來調(diào)整離合器的目標(biāo)接合扭矩。

4 DCT動(dòng)力升檔PID控制

動(dòng)力升檔通常是指駕駛員踩油門車輛加速過程的升檔。按換擋過程中的油門變化情況分為穩(wěn)定油門、油門增大、油門減小、完全松油門、油門先松開再踩下等不同工況。動(dòng)力升檔按照控制過程主要分為準(zhǔn)備階段、扭矩交換階段、轉(zhuǎn)速同步階段和完全同步階段。見圖2：

圖2 動(dòng)力升檔控制過程

DCT的動(dòng)力升檔，顧名思義，就是換擋過程沒有動(dòng)力中斷。在動(dòng)力升檔之前，當(dāng)前檔位離合器的扭矩可能大于發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。在準(zhǔn)備階段，就是要讓當(dāng)前檔位離合器的扭矩降低到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩附近，同時(shí)目標(biāo)檔位離合器會(huì)預(yù)充油，為后面的換擋做準(zhǔn)備，這個(gè)時(shí)間會(huì)在0.1S左右。

在扭矩交換階段，當(dāng)前檔位離合器扭矩會(huì)下降，同時(shí)目標(biāo)檔位離合器扭矩上升，完成動(dòng)力交接。這個(gè)過程的控制目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與當(dāng)前檔位輸入軸的滑差。該目標(biāo)滑差是TCU根據(jù)油門開度和目標(biāo)檔位查表出來的，PID控制器會(huì)根據(jù)目標(biāo)滑差與實(shí)際滑差的差異，計(jì)算出修正扭矩，來修正離合器的總扭矩。扭矩交換階段的時(shí)間可以根據(jù)油門開度和目標(biāo)檔位來查表，通常來說，油門越大，扭矩交換越快，檔位越高，扭矩交換越快。

在轉(zhuǎn)速同步階段，同樣會(huì)用到PID控制。轉(zhuǎn)速同步時(shí)間同樣根據(jù)油門和目標(biāo)檔位來查表，根據(jù)這個(gè)時(shí)間，我們會(huì)計(jì)算一個(gè)最大轉(zhuǎn)速梯度。我們會(huì)根據(jù)油門和目標(biāo)檔位查表得到目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速梯度，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以計(jì)算出當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速梯度。PID控制器會(huì)根據(jù)這個(gè)轉(zhuǎn)速梯度之差修正目標(biāo)檔位離合器的扭矩，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠按照我們預(yù)想的速度完成同步。與此同時(shí)，在轉(zhuǎn)速同步階段，TCU會(huì)根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速梯度計(jì)算出一個(gè)慣性扭矩，發(fā)出快降扭給EMS減掉這部分扭矩，以使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠主動(dòng)下跌、快速完成同步。

轉(zhuǎn)速同步結(jié)束，TCU的快降扭請(qǐng)求會(huì)恢復(fù)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)檔位輸入軸轉(zhuǎn)速尚存在80-300rpm左右的滑差。這時(shí)離合器會(huì)進(jìn)入滑差控制，逐漸消除滑差，滑差較小時(shí)，可以進(jìn)入鎖止?fàn)顟B(tài)。圖3是60%油門動(dòng)力升檔過程。

圖3 60%油門加速過程

5 DCT動(dòng)力降檔PID控制

動(dòng)力降檔通常是指駕駛員踩油門加速過程的降檔。按換擋過程中的油門變化情況分為緩踩油門、快踩油門、快踩油門后收油門等不同工況。動(dòng)力降檔按照控制過程主要分為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段、扭矩交換階段、和完全同步階段。見圖4：

圖4 動(dòng)力降檔控制過程

快踩油門動(dòng)力降檔TCU的目標(biāo)檔位會(huì)一步到位，比如7-4、7-5、6-4、6-3等。緩踩油門動(dòng)力降檔，目標(biāo)檔位會(huì)依次發(fā)出，比如7-6-5-4，變速箱則需要依次完成換擋7-6、6-5、5-4，相應(yīng)的換擋時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，而這與駕駛員的油門快慢也是吻合的。TCU所要做的是保證調(diào)速平穩(wěn)、加速流暢，給駕駛員一次完成換擋的感覺。

DCT的動(dòng)力降檔又分為同軸降檔和異軸降檔。對(duì)于異軸降檔，比如7-4、6-3等，雖然是多檔降檔，但變速箱仍能一次完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)入扭矩交換階段，給駕駛員的感覺就是換了一次檔。而對(duì)于同軸降檔，比如7-5、6-4、5-3等，變速箱則需要借助另一軸完成換檔，即變速箱要做兩次換擋動(dòng)作。

不管是什么類型的動(dòng)力降檔，換擋控制過程都是類似的。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，TCU會(huì)根據(jù)軸速差、目標(biāo)檔位、駕駛模式和換擋類型等查表得出目標(biāo)調(diào)速時(shí)間，從而算出發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)調(diào)速梯度，這個(gè)調(diào)速梯度接合發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以算出需要的慣性力矩，當(dāng)前檔位離合器扭矩會(huì)減掉這個(gè)慣性力矩從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升梯度。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以算出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際上升梯度，PID控制器會(huì)根據(jù)目標(biāo)調(diào)速梯度與實(shí)際梯度的差異，計(jì)算出扭矩補(bǔ)償，來調(diào)節(jié)當(dāng)前檔位扭矩，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠按照我們?cè)O(shè)定的目標(biāo)上升。

圖5 100%油門動(dòng)力降檔6-3過程

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)檔位輸入軸轉(zhuǎn)速后，會(huì)進(jìn)入扭矩交換階段。本階段的控制目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速的滑差。同樣地，我們根據(jù)目標(biāo)滑差與實(shí)際滑差的差異，PID控制器會(huì)修正離合器的扭矩，從而完成扭矩的平穩(wěn)快速交換。

扭矩交換完成后，會(huì)再次進(jìn)入滑差控制。PID控制器會(huì)根據(jù)目標(biāo)滑差與實(shí)際滑差的差異，調(diào)整離合器扭矩，從而將滑差控制在目標(biāo)滑差之內(nèi)。圖5是100%油門動(dòng)力降檔過程。

6 DCT無動(dòng)力換擋PID控制

無動(dòng)力換擋是指駕駛員不踩油門情況下發(fā)生的換擋。換擋過程也主要是扭矩交換和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程，控制器依然用的是PID控制，這里不再贅述。

7 結(jié)語

PID控制雖然簡(jiǎn)單，但要想用好還是需要深入研究。PID的各個(gè)控制參數(shù)可以根據(jù)具體工況標(biāo)定為不同的值，這樣它的實(shí)用性就大大提高。如果運(yùn)用得當(dāng)，完全可以滿足通常的控制需求。

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理.[M]科學(xué)出版社,2008.6.

[2] 盧京潮.自動(dòng)控制原理[M]西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.6.

The Application of PID Controller on DCTH

Yuan Yifeng1, Liu Yiqiang1, Sun Jiazhen1, Huang Weishan1, Li Jun1, Wang Ruiping1,2

（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd, ZhejiangNingbo 315336）

Dual Clutch Transmission is one of the main transmission currently, DCTH is the integration of DCT and electric motors which can overcome the shortcomings of DCT, it makes it possible to get more power and quicker response with less fuel. The authors introduce some application examples of PID controller on DCTH from the control and calibration point of view. Hopefully it can give some reference for the development in DCTH area.

DCT; DCTH; PID Control; Calibration

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1671-7988(2018)20-168-03

U464.3

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院義鋒，男，江蘇省蘇州市人，碩士。研究方向：自動(dòng)變速箱控制及標(biāo)定。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.061