基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律研究*

韓 鵬，程秀生，李興忠，李雪松，王印束

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025； 2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450016)

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2015096

基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律研究*

韓 鵬1，程秀生1，李興忠1，李雪松1，王印束2

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025； 2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450016)

介紹了雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)傳動(dòng)系一體化控制系統(tǒng)的工作原理，搭建了基于傳動(dòng)系一體化的DCT動(dòng)力學(xué)模型；以傳統(tǒng)的DCT換擋規(guī)律為基礎(chǔ)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論制定了基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT最佳換擋規(guī)律。采用EUDC循環(huán)工況，分別對(duì)傳統(tǒng)換擋規(guī)律和基于傳動(dòng)系一體化最佳換檔規(guī)律進(jìn)行仿真和實(shí)車試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用傳動(dòng)系一體化控制的DCT最佳換擋規(guī)律后，在不影響動(dòng)力性的前提下，能夠有效降低換擋頻率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

雙離合器自動(dòng)變速器；傳動(dòng)系一體化控制；動(dòng)態(tài)規(guī)劃；換擋規(guī)律

前言

雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)傳動(dòng)效率高，生產(chǎn)繼承性好，換擋時(shí)無(wú)動(dòng)力中斷，換擋品質(zhì)較好，正日益成為汽車自動(dòng)變速技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。換擋規(guī)律是兩擋間自動(dòng)換擋時(shí)刻隨控制參數(shù)變化的規(guī)律[1]，對(duì)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響，是DCT技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。

制定傳統(tǒng)的換擋規(guī)律時(shí)，由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的限制，汽車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性通常是矛盾的，不可能以一種換擋規(guī)律，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)力性和最佳經(jīng)濟(jì)性。但是，將傳動(dòng)系進(jìn)行一體化控制后，汽車的加速踏板行程就代表對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求。

本文中基于傳統(tǒng)的兩參數(shù)換擋規(guī)律，以車速和對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求作為控制參數(shù)，制定基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律，通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)該模型進(jìn)行仿真和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證換擋規(guī)律的有效性。

1 DCT傳動(dòng)系一體化控制的工作原理

傳動(dòng)系一體化控制是指基于車輛的當(dāng)前狀態(tài)和駕駛員的意圖，以及汽車其他電控系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率需求，通過(guò)協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)組成部件，精確控制傳統(tǒng)系統(tǒng)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)良好的起步和換擋品質(zhì)[2]。

傳統(tǒng)DCT的傳動(dòng)系控制，依據(jù)駕駛員對(duì)加速踏板的操縱和汽車其他電控系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的功率需求，分別通過(guò)調(diào)整節(jié)氣門開(kāi)度和擋位來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器。雖然變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)配合工作，但是變速器擋位的確定和發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度的控制是獨(dú)立分開(kāi)的。

圖1為傳動(dòng)系一體化控制原理圖，駕駛員對(duì)汽車的操縱信號(hào)和汽車其他電子系統(tǒng)的功率需求通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元(powertrain control unit，PCU)解析為對(duì)車輛系統(tǒng)的功率需求，而不是分開(kāi)解析為節(jié)氣門開(kāi)度和擋位。通過(guò)確定優(yōu)先級(jí)別，協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和變速器擋位，精確控制傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率。

2 傳動(dòng)系動(dòng)力學(xué)模型

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理比較復(fù)雜，可以簡(jiǎn)化為一個(gè)二階自由系統(tǒng)。研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可表達(dá)為節(jié)氣門開(kāi)度和轉(zhuǎn)速的函數(shù)[3],即Te=f(α,ne)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值擬合，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性。

(1)

式中：Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；α為節(jié)氣門開(kāi)度；ai為常數(shù)，i=0,1,…,9。

2.2 變速器模型

DCT的工作過(guò)程包含兩種狀態(tài)：一是擋位切換狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)離合器同時(shí)工作；二是正常行駛狀態(tài)，此時(shí)只有一個(gè)離合器工作。

DCT換擋過(guò)程如圖2所示，此時(shí)兩個(gè)離合器同時(shí)工作，存在以下方程[4]：

(2)

(3)

TC1=μMFN1RC

(4)

TC2=μMFN2RC

(5)

式中：Je為發(fā)動(dòng)機(jī)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JV為DCT輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωe為DCT輸入軸角速度；ωV為DCT輸出軸角速度；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tl為等效阻力轉(zhuǎn)矩；μ為離合器摩擦因數(shù)；M為離合器摩擦面數(shù)目；FN1和FN2為作用在離合器C1和C2的正壓力；RC為離合器等效半徑；TC1和TC2分別為離合器C1和C2的轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)DCT處于正常行駛狀態(tài)時(shí)，只有一個(gè)離合器工作，即C1或者C2處于接合狀態(tài)。以C1為例，分析正常行駛狀態(tài)時(shí)DCT的工作模式。此時(shí)，存在以下動(dòng)力學(xué)方程[4]：

(6)

ωV=ωe/i1

(7)

2.3 整車動(dòng)力學(xué)模型

汽車行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與阻力之間相互平衡，行駛阻力包括加速阻力、空氣阻力、坡道阻力和滾動(dòng)摩擦阻力[5]，因此有

(8)

式中：Ft為汽車驅(qū)動(dòng)力；m為汽車質(zhì)量；β為道路坡度角；a為汽車加速度；CD為風(fēng)阻系數(shù)；f為滾阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

3 基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT最佳換擋規(guī)律制定

3.1 傳統(tǒng)DCT換擋規(guī)律的制定

在制定傳統(tǒng)的DCT換擋規(guī)律時(shí)，通常選擇車速和節(jié)氣門信號(hào)作為控制參數(shù)，制定兩參數(shù)換擋規(guī)律。根據(jù)不同要求，換擋規(guī)律可劃分為動(dòng)力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。動(dòng)力性換擋規(guī)律以確保換擋后汽車的動(dòng)力性能不低于換擋前為條件，目的是獲得最佳動(dòng)力性。經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律以獲得汽車的最大燃油效率為目標(biāo)，使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)性工況范圍[6]。

單獨(dú)使用動(dòng)力性換擋規(guī)律或者經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律無(wú)法同時(shí)兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此傳統(tǒng)綜合型換擋規(guī)律為：節(jié)氣門開(kāi)度小時(shí)，采用經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律；節(jié)氣門開(kāi)度中等時(shí)，兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；節(jié)氣門開(kāi)度大時(shí)，采用動(dòng)力性換擋規(guī)律。

根據(jù)以上規(guī)則制定的綜合型換擋規(guī)律如圖3所示。圖中實(shí)線為升擋曲線，虛線為降擋曲線。

3.2 基于DCT傳動(dòng)系一體化控制的換擋規(guī)律

傳統(tǒng)的DCT換擋規(guī)律無(wú)法確保換擋規(guī)律為最優(yōu)，同時(shí)也不再適應(yīng)DCT傳動(dòng)系一體化控制的特點(diǎn)。因此，有必要制定基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律，以改善汽車動(dòng)力性能和降低燃油消耗。本文中基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，選擇車速和功率需求作為控制參數(shù)，制定基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律。

3.2.1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論

動(dòng)態(tài)規(guī)劃(dynamic programming，DP)是一種用于多階段決策過(guò)程優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法[7]。它的基礎(chǔ)是最優(yōu)原理，其決策原則是不管初始狀態(tài)和決策如何，剩下各決策相對(duì)之前形成的狀態(tài)，一定構(gòu)成最優(yōu)子策略。

進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃時(shí)，先要確定狀態(tài)和決策，按順序排列的決策構(gòu)成策略。成本函數(shù)指評(píng)價(jià)過(guò)程優(yōu)劣的數(shù)量指標(biāo)。動(dòng)態(tài)規(guī)劃的目的就是通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臎Q策策略，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)函數(shù)指標(biāo)，即求得最小成本函數(shù)[8]。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃的求解過(guò)程有逆推和順推兩種形式。逆推求解是由后向前推理。由邊界條件k=N開(kāi)始，計(jì)算前面各階段的最優(yōu)決策和最優(yōu)值，直到計(jì)算出J1[x(1),p1N]時(shí)，便獲得整個(gè)過(guò)程最優(yōu)解。順推求解是由前往后遞推，由邊界條件k=1開(kāi)始，計(jì)算后面各階段的最優(yōu)決策和最優(yōu)值，直到計(jì)算出JN[x(N),pNN]時(shí)，便獲得整個(gè)過(guò)程最優(yōu)解。逆推適合于給定終止?fàn)顟B(tài)的求解過(guò)程，順推適合于給定初始狀態(tài)的求解過(guò)程[9]。

3.2.2 制定基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的DCT換擋規(guī)律

本文中使用離散型動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法計(jì)算固定功率需求下的換擋規(guī)律，之后將各個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合，即可得到0～100%功率需求下的換擋規(guī)律。將功率需求進(jìn)行等間隔劃分，依次為10%、20%、…、100%，之后基于整車功率平衡圖(圖4)，求解各個(gè)功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大車速。

確定適當(dāng)?shù)目刂谱兞亢蜖顟B(tài)變量，是開(kāi)展離散動(dòng)態(tài)規(guī)劃的先決條件[10]。在對(duì)DCT換擋規(guī)律模型進(jìn)行分析后，確定擋位切換和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為控制變量，確定車速和擋位為狀態(tài)變量。

控制變量：

(1)擋位切換Gs:[-1,0,1]

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Tr(N·m):[0:4:180]

狀態(tài)變量：

(1)擋位Gp: [1,2,3,4,5,6]

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne(r/min):[800:50:6000]

進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃是為了求解最佳換擋規(guī)律和最佳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，以達(dá)到滿足功率需求的條件下實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[11]為

(9)

式中：x(k)為狀態(tài)變量，可表示為向量[Gp，ne]在第k階段的值；u(k)為控制變量，可表示為向量[Gs,Tr]；GN(x(N))為在最終狀態(tài)第N階段的目標(biāo)函數(shù)(百公里燃油消耗量)；Lk(x(k),u(k))為第k階段的目標(biāo)函數(shù)(百公里燃油消耗量)。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程[11]可以表示為

x(k+1)=f(x(k),u(k)),k=0,1,…，N-1

為了便于進(jìn)行離散動(dòng)態(tài)規(guī)劃，汽車狀態(tài)變量和控制變量被離散化，所以在動(dòng)態(tài)規(guī)劃的求解過(guò)程中，很難得到滿足精確功率需求的最優(yōu)解集合，因此把功率需求的求解轉(zhuǎn)化為功率需求帶的求解。如圖5所示，取功率需求為功率需求帶的上限，因?yàn)槠噷?shí)際功率不超過(guò)功率需求，將超過(guò)功率需求上限的功率賦予一個(gè)很大的懲罰函數(shù)，取功率需求的90%作為功率需求帶的下限。如果實(shí)際功率被控制在需求功率帶的范圍之內(nèi)，可理解為實(shí)際功率達(dá)到了需求功率，如果實(shí)際功率低于需求功率的下限，則根據(jù)兩者之差賦予一個(gè)懲罰函數(shù)[12]：

式中：Pr為實(shí)際達(dá)到的功率；Pt為目標(biāo)功率；P(Pr，Pt) 為懲罰函數(shù)；h為懲罰函數(shù)系數(shù)，本文中取值為100。

將給定的功率需求解析為對(duì)應(yīng)的功率帶約束，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃，在符合功率帶約束的條件下，求解能實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的汽車變速器擋位和發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

依次求解各功率需求下的動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)果，將所有結(jié)果綜合起來(lái)即可獲得DCT最佳升擋規(guī)律。以升擋規(guī)律為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖諗慷扔?jì)算，可得到降擋規(guī)律?；趥鲃?dòng)系一體化控制的DCT最佳換擋規(guī)律如圖6所示，實(shí)線表示升擋，虛線表示降擋。

4 仿真研究

以某乘用車為目標(biāo)車型，利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型。分別采用傳統(tǒng)的綜合型換擋規(guī)律和基于傳動(dòng)系一體化控制的換擋規(guī)律，進(jìn)行EUDC工況下的仿真。表1為目標(biāo)車型的整車參數(shù)。

表1 整車參數(shù)

仿真結(jié)果：采用傳統(tǒng)的綜合型換擋規(guī)律時(shí)，百公里油耗為5.79L；而采用基于傳動(dòng)系一體化控制的換擋規(guī)律時(shí)，百公里油耗為5.39L，單位里程燃油消耗降低了7%。

圖7為采用兩種不同DCT換擋規(guī)律時(shí)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、歸一化加速踏板行程和擋位的變化曲線。由圖可見(jiàn)，兩種換擋規(guī)律下實(shí)際車速都能很好地跟隨目標(biāo)車速。因此，相對(duì)于普通換擋規(guī)律，基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律不影響汽車的動(dòng)力性。但在傳統(tǒng)換擋規(guī)律下，換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，加速踏板行程波動(dòng)較大，換擋較頻繁，甚至出現(xiàn)往復(fù)換擋的現(xiàn)象；而采用基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律后，換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板行程波動(dòng)較小，換擋的頻率明顯降低。說(shuō)明基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律，有效減少了換擋次數(shù)，避免了頻繁換擋，提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 實(shí)車試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT最佳換擋規(guī)律的有效性，分別基于普通換擋規(guī)律和傳動(dòng)系一體化換擋規(guī)律，針對(duì)某乘用車進(jìn)行ECE工況的實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用傳統(tǒng)的綜合型換擋規(guī)律時(shí)，百公里油耗為8.58L，對(duì)于基于傳動(dòng)系一體化控制的換擋規(guī)律，百公里油耗為8.31L，燃油經(jīng)濟(jì)性比前者提高了3.2%。

兩種換擋規(guī)律下實(shí)際車速對(duì)目標(biāo)車速跟隨良好。因此相對(duì)于普通換擋規(guī)律，基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律不影響汽車的動(dòng)力性。與普通換擋規(guī)律相比，基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板行程波動(dòng)較小，換擋頻率明顯降低，提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

(1)介紹了DCT傳動(dòng)系一體化控制的工作原理，建立了轉(zhuǎn)矩輔助型AMT的動(dòng)力學(xué)模型，使用Matlab/Simulink軟件搭建了該系統(tǒng)的仿真模型。

(2)分析了傳統(tǒng)的DCT換擋規(guī)律，結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，制訂了基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律。采用EUDC循環(huán)工況，分別對(duì)兩種換擋規(guī)律進(jìn)行了仿真研究和實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，基于傳動(dòng)系一體化控制的DCT換擋規(guī)律，在不影響動(dòng)力性的前提下，能夠有效減少換擋次數(shù)，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

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A Study on the Shift Schedule of DCT Based on Integrated Powertrain Control

Han Peng1，Cheng Xiusheng1，Li Xingzhong1，Li Xuesong1& Wang Yinshu2

(1.JilinUniversity，StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl，Changchun130025；2.ZhengzhouYutongBusCo.,Ltd.,Zhengzhou450016)

The working principle of integrated powertrain control system with a double clutch transmission (DCT) is presented and a dynamics model for DCT based on integrated powertrain control is established. On the basis of traditional shift schedule for DCT, the optimal shift schedule based on integrated powertrain control is worked out with dynamic programming. Simulations and real vehicle tests are conducted on traditional shift schedule and shift schedule based on integrated powertrain control respectively with EUDC cycle. The results show that the optimal shift schedule for DCT based on integrated powertrain control can effectively reduce shift frequency and improve fuel economy with vehicle power performance unaffected.

DCT; integrated powertrain control; dynamic programming; shift schedule

*高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120061110027)和中國(guó)博士后科學(xué)基金(801110270415)資助。

原稿收到日期為2013年9月2日，修改稿收到日期為2013年12月13日。