雙離合器自動變速器控制品質(zhì)評價指標分析*

宋世欣，張元俠，劉 科，付 堯，張建國，曾華兵

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.裝甲兵技術學院車輛工程系，長春 130117)

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2015159

雙離合器自動變速器控制品質(zhì)評價指標分析*

宋世欣1，張元俠1，劉 科1，付 堯1，張建國2，曾華兵1

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.裝甲兵技術學院車輛工程系，長春 130117)

根據(jù)雙離合器式自動變速器車輛的不同行駛工況，從控制的角度出發(fā)，將控制品質(zhì)評價指標細分為起步品質(zhì)和換擋品質(zhì)的評價指標?；贛ATLAB/Simulink搭建了某DCT樣車整車模型，包括發(fā)動機、雙離合器與操縱裝置、變速器與同步器、負載、整車動力學、控制器和駕駛員等子模型，并設計了控制品質(zhì)客觀評價系統(tǒng)，研究各個評價指標與控制品質(zhì)的映射關系。采用層次分析法確定控制品質(zhì)評價指標權值，通過整車系統(tǒng)模型與評價系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，確定了控制目標，即各個評價指標的控制期望區(qū)間，為下一步優(yōu)化DCT的控制策略、控制算法提供了優(yōu)化目標，得到了能夠保證DCT起步品質(zhì)和換擋品質(zhì)的控制期望值，為整車控制策略和控制算法優(yōu)化提供了參考。

車輛工程；雙離合器自動變速器；起步品質(zhì)；換擋品質(zhì)；評價指標

前言

雙離合器式自動變速器的控制品質(zhì)主要包括起步品質(zhì)和換擋品質(zhì)兩方面。目前，針對DCT的研究主要集中在雙離合器起步控制、換擋控制、換擋規(guī)律制定等方面，其研究內(nèi)容大多參考已有AMT的研究成果。在國內(nèi)，文獻[1]中提出了根據(jù)換擋動力性、經(jīng)濟性需求，應用模糊方法建立沖擊和滑摩這兩項指標間的權值分配原則，對換擋品質(zhì)進行綜合評價。為解決評價指標量化要求，文獻[2]中基于人體生理學對反映換擋平順性的沖擊度進行了理論分析和試驗研究，定義了持續(xù)加速度和瞬時加速度，并采用評價等級來評價，給出了這兩類加速度和評價等級之間的聯(lián)系。文獻[3]～文獻[5]中對換擋時出現(xiàn)的Shunt和Shuffle進行了相關研究。研究者對于控制效果并沒有判斷優(yōu)劣的明確標準，國內(nèi)外通常的做法是采用主觀評價方法，即根據(jù)傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊度、滑摩功來對控制品質(zhì)進行粗略的評估。這些評價方法只是實現(xiàn)了評價的一個功能，并不能針對自動變速器的控制品質(zhì)給出控制目標，對控制和優(yōu)化的指導作用還不夠深入。究其原因就在于目前對自動變速器的控制目標無章可循。如何讓評價指標具體、明確是研究者需要解決的第一個關鍵問題。

本文中根據(jù)雙離合器式自動變速器車輛的不同行駛工況，從控制的角度出發(fā)將評價指標細分定義，設計控制品質(zhì)評價系統(tǒng)，并研究各個評價指標與控制品質(zhì)的映射關系。采用層次分析法確定控制品質(zhì)評價指標的權值，通過整車系統(tǒng)模型與評價系統(tǒng)的聯(lián)合仿真確定了控制目標，即各個評價指標的控制期望區(qū)間，為雙離合器式自動變速器控制策略、控制算法提供了優(yōu)化目標。

1 控制品質(zhì)評價指標細分定義

由于雙離合器式自動變速車輛起步和換擋工況不同，下面從控制的角度出發(fā)，將控制品質(zhì)評價指標細分，分別對起步品質(zhì)評價指標和換擋品質(zhì)評價指標進行定義。

1.1 起步品質(zhì)評價指標定義

起步品質(zhì)是指在保證汽車動力性與動力傳動系統(tǒng)壽命的前提下，起步迅速、平穩(wěn)且滿足舒適性要求。在車輛起步過程中，離合器接合速度過快，引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大波動，造成發(fā)動機顫振、熄火，破壞起步的平順性；離合器接合速度過慢，滑摩功將迅速增加，降低離合器使用壽命，同時起步時間過長，不能滿足起步的快捷性。由此，定義如表1和圖1所示的評價指標，其中起步意圖通過節(jié)氣門開度來表示。

1.2 換擋品質(zhì)評價指標定義

換擋品質(zhì)是在保證動力傳動系統(tǒng)壽命的前提下，能迅速平穩(wěn)地變速換擋的程度[6-7]。良好的換擋品質(zhì)要求傳動系統(tǒng)換擋過程平穩(wěn)而無沖擊地進行，爭取做到動力無中斷、換擋無沖擊。但因動力傳動系統(tǒng)是多轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)，換擋過程遠非瞬時可以完成，所以即使對于雙離合器式自動變速器，在其傳動比變化過程中都會有不同程度的沖擊。當沖擊嚴重時，不僅乘員難以忍受，而且傳動系統(tǒng)的動載荷還將大大增加。由此，定義如表2和圖2所示的評價指標。

表1 起步品質(zhì)評價指標

表2 換擋品質(zhì)評價指標

2 整車模型和評價系統(tǒng)設計

2.1 仿真模型總體方案

基于Matlab/Simulink建立的整車系統(tǒng)仿真模型[8-9]包括發(fā)動機模型、雙離合器及操縱裝置模型、變速器及同步器模型、負載模型、整車動力學模型、控制器模型(TCU)和駕駛員模型，仿真模型總體方案如圖3所示。整車系統(tǒng)模型主要功能和數(shù)據(jù)流說明如下：

(1) 發(fā)動機模型根據(jù)節(jié)氣門開度α和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωe，計算發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Te；

(2) 雙離合器及其操縱裝置模型根據(jù)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Te及阻力矩T1、雙離合器從動盤與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速差dωc1和dωc2，控制器給出的離合器主從動盤接合速度vc1和vc2，計算雙離合器傳遞轉(zhuǎn)矩Tc1和Tc2；

(3) 變速器及同步器模型根據(jù)控制器提供的目標擋位計算同步力矩Ts、同步時間ts和傳動比ig；

同步器傳遞的力矩為

(1)

同步時間為

(2)

式中：μs為同步環(huán)摩擦工作面摩擦因數(shù)，F(xiàn)s為作用在同步器上的同步力，αs為同步器摩擦錐面錐角，Rso，Rsi為同步器摩擦錐面的工作外徑與內(nèi)徑，Isi，Iso為同步器輸入端、輸出端的等效轉(zhuǎn)動慣量，ωsi，ωso為同步器輸入端、輸出端角速度，Tsi，Tso為同步器器輸入端、輸出端所作用的轉(zhuǎn)矩；

(4) 負載模型根據(jù)整車驅(qū)動力矩Tout、車輪旋轉(zhuǎn)角速度ωv等信號計算整車阻力矩T1；

(5) 整車動力學模型根據(jù)Te，Tc1，Tc2，T1計算Tout、車速ua、縱向加速度a、離合器從動盤轉(zhuǎn)速ωc1，ωc2等參數(shù)；

(6) 控制器模型根據(jù)車輛運行參數(shù)給出vc1，vc2，Δα(節(jié)氣門開度變化率)和Geartar(目標擋位)，對雙離合器和發(fā)動機進行控制；

(7) 駕駛員模型給出能夠反映駕駛員駕駛意圖的手柄位置信號L_pos、加速踏板位置信號Acc_p、制動開關信號B_on和駕駛模式(運動型/經(jīng)濟型)Mode；

(8) 控制品質(zhì)評價模型根據(jù)加速踏板位置信號Acc_p、制動開關信號B_on、當前擋位Gear、離合器C1行程Lc1、離合器C2行程Lc2、車速ua、車輛加速度a、發(fā)動機曲軸角速度ωe、離合器C1角速度ωc1、離合器C2角速度ωc2等輸入信號，提取出評價指標，對車輛換擋品質(zhì)進行評價。

2.2 控制品質(zhì)評價系統(tǒng)設計

仿真模型的總體方案中集成了控制品質(zhì)評價模型，其輸入為Acc_p，B_on，Lc1，Lc2，Gear，ua，a，ωe，ωc1，ωc2，用于控制品質(zhì)評價指標的提取和評價等級計算。

控制品質(zhì)評價模型由信號輸入和數(shù)據(jù)處理模塊、駕駛意圖辨識與工況模式識別模塊、評價指標提取模塊3部分組成，如圖4所示。信號輸入和數(shù)據(jù)處理模塊可以對評價系統(tǒng)所需的基本信號進行數(shù)據(jù)處理，如去噪濾波、計算衍生信號等；駕駛意圖辨識與工況模式識別模塊可以根據(jù)整車行駛參數(shù)，進行邏輯判斷、辨識駕駛員駕駛意圖和車輛當前所處的行駛狀態(tài)，并觸發(fā)相應的評價指標提取模塊；評價指標提取模塊用于提取不同工況下的評價指標。

在駕駛意圖識別與工況模式識別中，采用了模糊數(shù)學的方法，通過節(jié)氣門開度及節(jié)氣門開度的變化率表征駕駛員的駕駛意圖，建立節(jié)氣門開度的隸屬度函數(shù)，設計了駕駛員意圖識別算法、工況模式識別算法、評價指標提取算法等。

3 評價指標與控制品質(zhì)的映射分析

控制品質(zhì)需要兼顧舒適性-使用壽命兩方面，其中舒適性是對乘員的主觀感覺提出的，具體包括行駛平順性、可控性和噪聲等因素對乘員的影響；使用壽命是對車提出的，體現(xiàn)在離合器的滑摩功和沖擊對傳動系的影響。評價指標與控制品質(zhì)存在復雜交錯的映射關系，下面結合DCT系統(tǒng)模型和評價系統(tǒng)的仿真來分析評價指標與控制品質(zhì)的映射關系。

3.1 評價指標與起步品質(zhì)的映射分析

圖5為整車系統(tǒng)仿真模型給出的3個不同工況下的起步過程。從上到下依次為加速度、沖擊度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、比滑摩功和起步時間隨時間的變化曲線。評價系統(tǒng)對起步過程a的評價為起步舒適性好，滑摩功較大，相應地可以看出ap，jp-p，jp-n較小，Δωe，tL較大，ωe-min高于怠速；對起步過程b的評價為起步舒適性良好，滑摩功適中，相應的可以看出ap，jp-p，jp-n較小，Δωe，tL比過程a稍??；對起步過程c的評價為起步舒適性差、滑摩功較小，相應地可以看出ap，jp-p，jp-n較大，Δωe，tL較小。

通過仿真分析可以得到評價指標與起步品質(zhì)的映射關系，如圖6所示。在車輛起步時，影響乘員舒適性的評價指標有ap，jp-p，jp-n，Δωe，tL，其中ap只對舒適性有影響，對車沒有影響，jp-p，jp-n，Δωe，tL4個評價指標影響乘員主觀感覺的同時，還影響著車的使用壽命。評價指標ωe-min只對車的使用壽命產(chǎn)生影響。因此可以得出：對乘員舒適性和對車使用壽命二者的評價指標總是矛盾的，減小起步?jīng)_擊是以犧牲滑摩功為代價的，在進行控制時可以根據(jù)不同的起步工況進行折中考慮。

3.2 評價指標與換擋品質(zhì)的映射分析

通過對評價指標與控制品質(zhì)的映射分析，可以得出：在各個不同工況下各個評價指標存在著非線性、強耦合的關系。因此，有必要對控制品質(zhì)的各個評價指標進行科學的權值分配。

4 基于層次分析法的評價指標權值分配

雙離合器式自動變速器控制品質(zhì)評價系統(tǒng)[10]是一個復雜的多層次和多指標系統(tǒng)，在評價指標的權值分配問題上，由于評價者關注的側(cè)重點不同，權值亦有所不同。因此，本文中應用層次分析法確定評價系統(tǒng)中各個單項指標權重，建立層次分析法結構模型和判斷矩陣，為確定優(yōu)化目標函數(shù)的加權系數(shù)提供理論依據(jù)。根據(jù)評價工況和評價指標建立如表3所示的評價指標層次分析法結構，目標層為整車綜合控制品質(zhì)；準則層設為起步和換擋兩種評價工況；對于起步工況，6個起步品質(zhì)評價指標作為方案層，對于換擋工況，9個換擋品質(zhì)評價指標作為方案層。

按判斷矩陣標度構造出各因素兩兩相互比較的判斷矩陣。表4為DCT系統(tǒng)節(jié)氣門大開度下起步的判斷矩陣及計算所得的權值，并計算一致性比率CR，進行一致性檢驗。

表3 評價指標層次分析法結構

表4 起步品質(zhì)各指標判斷矩陣及權重

5 評價給出的控制目標

基于整車系統(tǒng)模型和評價系統(tǒng)集成的仿真平臺，通過評價得出控制品質(zhì)評價達優(yōu)時評價指標的控制期望區(qū)間，如表6和表7所示。表中給出的結果也是進行DCT系統(tǒng)控制品質(zhì)優(yōu)化的控制目標，在保證各個指標的落在控制期望區(qū)間之內(nèi)，對各個指標進行折中可以保證DCT具有良好的控制品質(zhì)。值得一提的是，表中結果是基于仿真得出的結果，結合不同車型，表中的值需要進行調(diào)整。

表5 換擋品質(zhì)各指標判斷矩陣及權重

表6 起步品質(zhì)評價指標的控制期望區(qū)間

表7 換擋品質(zhì)評價指標的控制期望區(qū)間

6 結論

由于傳統(tǒng)意義上的控制品質(zhì)評價指標較少，無法全面準確地表征車輛的控制品質(zhì)，本文中根據(jù)雙離合器式自動變速器車輛的不同行駛工況，從控制的角度出發(fā)將評價指標細分定義，設計控制品質(zhì)評價系統(tǒng)，并研究各個評價指標與控制品質(zhì)的映射關系，基于層次分析法對評價指標進行權值分配。通過整車系統(tǒng)模型與評價系統(tǒng)的聯(lián)合仿真確定了控制目標，即各個評價指標的控制期望區(qū)間，為下一步優(yōu)化DCT的控制策略、控制算法提供了優(yōu)化目標。得到了能夠保證DCT起步品質(zhì)和換擋品質(zhì)的控制期望值，評價為整車控制策略及控制算法優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。

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An Analysis on the Evaluation Metrics of Control Qualityfor Vehicles with Dual Clutch Transmission

Song Shixin1, Zhang Yuanxia1, Liu Ke1, Fu Yao1, Zhang Jianguo2& Zeng Huabing1

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomobileSimulationandControl,Changchun130022; 2.DepartmentofVehicleEngineering,ArmorTechniqueInstituteofPLA,Changchun130117

According to the different driving cycles of vehicle with dual clutch transmission (DCT) and viewing from the perspective of control, its evaluation metrics of control quality are subdivided into the evaluation metrics for starting and shifting. The model for a prototype vehicle with DCT is built with MATLAB/Simulink, incorporating the sub-models for engine, dual clutch and its actuator, transmission and synchronizer, controller，driver and vehicle dynamics, and the objective evaluation system of control quality is designed to study the mapping relationship between evaluation metrics and control quality, and the weighs of control quality metrics are determined by analytic hierarchy process. Through the co-simulation of vehicle model and evaluation system, the control objectives, namely the expected control interval of each evaluation metric are determined, providing the optimization objective of control strategy and algorithm for subsequent DCT optimization. The expected control values for the starting and shifting quality of DCT are obtained, providing references for the optimization of vehicle control strategy and algorithm.

vehicle engineering; DCT; starting quality; shifting quality; evaluation metrics

*國家國際科技合作專項項目(2014DFA71790)、教育部博士學科點專項科研基金項目(201200611100027)、吉林省科技重大專項(20130204023GX)、國家863計劃項目(2012AA111712)、吉林大學“985”工程、長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1017)和新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-08-0248)資助。

原稿收到日期為2013年11月22日，修改稿收到日期為2014年3月5日。