基于粒子群算法的動(dòng)力升檔換檔品質(zhì)優(yōu)化控制

李興忠　宋　斌　童燕華　陳鈺塵　付　堯

(1. 杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，杭州 311203；2. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

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基于粒子群算法的動(dòng)力升檔換檔品質(zhì)優(yōu)化控制

李興忠1,2宋斌1童燕華1陳鈺塵1付堯2

(1. 杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，杭州 311203；2. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

通過分析動(dòng)力換檔過程離合器切換時(shí)序控制不當(dāng)對換檔品質(zhì)產(chǎn)生影響的問題，針對該問題采用粒子群優(yōu)化算法，以理想換檔過程的換檔品質(zhì)客觀評價(jià)模型為基礎(chǔ)構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，提出了動(dòng)力升檔過程的控制量最優(yōu)化控制策略，仿真結(jié)果表明了該控制策略在提高升檔過程的換檔品質(zhì)方面效果明顯。

動(dòng)力換檔換檔品質(zhì)適應(yīng)度函數(shù)控制策略粒子群算法

0　引言

動(dòng)力換檔過程離合器切換時(shí)序控制是換檔過程控制的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是難點(diǎn)之一[1]。自動(dòng)變速器的換檔過程可以分為動(dòng)力換檔和非動(dòng)力換檔，關(guān)于換檔過程控制的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]采用反饋及前饋控制方法實(shí)現(xiàn)換檔過程離合器控制，進(jìn)一步提高了控制精度。文獻(xiàn)[3]對車輛動(dòng)力換檔的過程及換檔品質(zhì)控制原理進(jìn)行了較為深入的分析。文獻(xiàn)[4]提出了基于減小離合器實(shí)際換檔中的換檔沖擊和滑摩功，通過數(shù)字比例溢流閥調(diào)整離合器油缸內(nèi)的壓力來控制檔位離合器和方向離合器的結(jié)合順序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力換檔。文獻(xiàn)[5]提出了基于轉(zhuǎn)矩的升檔過程慣性相發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，有效降低了慣性相輸出扭矩波動(dòng)，但并未給出扭矩相的控制方法。

本文建立了某自動(dòng)變速器的離合器-離合器換檔過程動(dòng)態(tài)模型，在仿真分析的基礎(chǔ)上分析了離合器切換時(shí)序控制與換檔品質(zhì)之間緊密相關(guān)，并且以動(dòng)力升檔換檔過程控制品質(zhì)作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于粒子群優(yōu)化算法的換檔過程控制策略進(jìn)行控制量尋優(yōu)，通過仿真進(jìn)行了對比驗(yàn)證，為相關(guān)控制系統(tǒng)的研究提供了參考。

1　動(dòng)力升檔過程建模及仿真分析

動(dòng)力換檔過程離合器切換時(shí)序合適與否會直接影響換檔品質(zhì)，下面以動(dòng)力升檔過程為例，分析離合器切換過程及其影響因素。為了得到比較合理的仿真分析結(jié)果，采用動(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1動(dòng)力升檔過程建模

依據(jù)離合器-離合器換檔原理建立的動(dòng)力換檔等效模型如圖1所示。

圖1　離合器-離合器動(dòng)力換檔等效模型

對于輸入軸其平衡方程為：

(1)

其中，Ti為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，Ii為與輸入軸連接構(gòu)件等效到輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωi為變速器輸入軸轉(zhuǎn)速。

對于輸出軸則有：

(2)

式中，il、ih分別為變速器低、高檔位傳動(dòng)比，To為變速器輸出扭矩，Io為與變速器輸出軸連接構(gòu)件等效到輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωo為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速。

低檔位離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差為：

(3)

(4)

離合器所能傳遞的扭矩可表示為：

(5)

式中，Tc為離合器傳遞扭矩，μ為摩擦系數(shù)，r為有效摩擦半徑，n為摩擦面數(shù)，A為離合器液壓缸工作活塞有效面積，P為離合器工作油壓，F(xiàn)s為離合器回位彈簧拉力。

則低、高檔離合器所傳遞的扭矩由式(5)可得，分別為：

(6)

(7)

1.2仿真分析

在所搭建的動(dòng)力換檔仿真模型中，以發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩Ti、低/高檔離合器扭矩容量Tpl、Tph作為控制量，分別針對離合器結(jié)合時(shí)出現(xiàn)的過早或過遲情況進(jìn)行仿真，其結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2　低檔離合器過早分離仿真結(jié)果

綜合圖2和圖3可見，如果待分離離合器出現(xiàn)過早分離的情況會引起離合器的滑摩，嚴(yán)重會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的飛車，造成不必要的功率損失，最終結(jié)果會導(dǎo)致變速器輸出扭矩降低，換檔品質(zhì)惡化。分離過遲則會導(dǎo)致分離離合器產(chǎn)生負(fù)扭矩，引起功率循環(huán)[6]，同樣會導(dǎo)致變速器輸出扭矩的進(jìn)一步下降，嚴(yán)重影響換檔舒適性。

圖3　低檔離合器分離過遲仿真結(jié)果

從上面的分析結(jié)果可以推斷，離合器切換時(shí)序控制與換檔品質(zhì)緊密相關(guān)，切換時(shí)序控制策略設(shè)計(jì)不合理會導(dǎo)致?lián)Q檔品質(zhì)惡化，如何保證離合器最佳切換時(shí)序是換檔過程綜合控制策略著重解決的問題。

2　基于粒子群算法的換檔品質(zhì)優(yōu)化

2.1粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)由Kennedy和Eberhart于1995年提出的一種基于群智能的演化計(jì)算技術(shù)[7]，源于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，是一種高效的并行搜索算法。

由m個(gè)粒子組成的粒子群在D維搜索空間中以一定的速度飛行，粒子在搜索時(shí)，考慮到其歷史最優(yōu)點(diǎn)及全局最優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行搜索位置變換。則第i個(gè)粒子的位置表示為：

(8)

其速度為：

(9)

個(gè)體最優(yōu)位置為：

(10)

種群的全局最優(yōu)位置為：

(11)

則粒子的位置和速度按照方程(12)進(jìn)行變化：

(12)

(13)

式中，c1和c2為學(xué)習(xí)因子，r1、r2為兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，其取值范圍為(0,1)，其作用是增加搜索的隨機(jī)性。粒子的速度范圍為[vmin,vmax]，為了得到合理的算法收斂性，在式(12)中引入慣性權(quán)重w，則原式變?yōu)椋?/p>

(14)

慣性權(quán)重在本文中是一個(gè)非負(fù)數(shù)，其功能主要是調(diào)節(jié)解空間的搜索范圍。若使慣性權(quán)重在迭代計(jì)算中呈遞減趨勢，優(yōu)化算法在開始時(shí)具有較好的全局尋優(yōu)性能，在后期具有較好的局部搜索能力。慣性權(quán)重的遞減一般遵循下述方程：

(15)

式中，wst、wed分別為初始慣性權(quán)重和終止慣性權(quán)重，tmax表示最大迭代次數(shù)，t表示當(dāng)前迭代次數(shù)。PSO算法的一般迭代流程如圖4所示。

2.2動(dòng)力升檔過程控制量尋優(yōu)

本文以基于理想換檔過程的換檔品質(zhì)客觀評價(jià)模型[7]為基礎(chǔ)構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，針對升檔控制量中的主要參數(shù)(扭矩相接合離合器油壓變化率Δp、慣性相發(fā)動(dòng)機(jī)降扭目標(biāo)量Tred)進(jìn)行優(yōu)化，采用粒子群優(yōu)化算法[8-11]對動(dòng)力升檔過程的控制量進(jìn)行尋優(yōu)，并以趨近度Ei作為適應(yīng)度函數(shù)：

圖4　PSO算法迭代流程

式中，E(Xi)為對應(yīng)粒子的趨近度，Xi=[Δpi，Ti_red]為粒子，其中二維元素分別為接合離合器壓力變化率和發(fā)動(dòng)機(jī)降扭目標(biāo)量。約束條件中，pmax、Tmax分別為優(yōu)化量上限，同時(shí)也需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上限ωmax。因此，運(yùn)用粒子群算法進(jìn)行升檔控制量尋優(yōu)的過程就轉(zhuǎn)化為求趨近度函數(shù)最大值過程?；赑SO算法的控制量尋優(yōu)過程如圖5所示

maxZ=E(Xi)

(16)

圖5　控制量尋優(yōu)過程

在控制量尋優(yōu)的過程中，粒子群算法中位置和速度的更新操作采用式(17)的方式：

(17)

在Matlab/simulink軟件中搭建基于PSO算法的控制策略仿真模型，并且以PSO算法的輸入作為粒子的適應(yīng)度值，該值為基于理想換檔過程換檔品質(zhì)評價(jià)模型的輸出，設(shè)置PSO算法的主要參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

3　優(yōu)化結(jié)果

為了說明優(yōu)化后的結(jié)果，本文以升檔過程的控制量尋優(yōu)為優(yōu)化過程，在油門開度區(qū)間[0-100%]內(nèi)，設(shè)置步長為20%油門開度，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　優(yōu)化后離合器油壓變化率

圖7　優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)降扭變

由圖6可知，離合器油壓變化率與油門開度是一個(gè)非線性的關(guān)系，且隨著油門開度的升高而增大，油門開度較低時(shí)，油壓變化率隨之減小。同樣，從圖7中可知，發(fā)動(dòng)機(jī)降扭目標(biāo)量最大值約為30Nm，隨著檔位升高，換檔過程中發(fā)動(dòng)機(jī)降扭目標(biāo)量也隨之減小。優(yōu)化得到的MAP圖可根據(jù)需要，直接用于實(shí)際換檔過程控制。

表1是升檔控制策略在采用PSO算法優(yōu)化前后相應(yīng)指標(biāo)變化情況。

表1　優(yōu)化前后評價(jià)指標(biāo)對比

從表1(指標(biāo)參數(shù)意義見附件)中仿真數(shù)據(jù)可明顯看出，優(yōu)化后的換檔持續(xù)時(shí)間較原來縮短了約0.116 s，其它關(guān)鍵指標(biāo)換檔過程平均加速度、離合器能量密度等都有明顯改善，而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量上基本維持原有狀態(tài)?？傮w趨近度值與原來值相比有明顯的提升。

圖8中的仿真曲線是在同工況下得到的PSO算法優(yōu)化前、后換檔控制結(jié)果。利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對動(dòng)力升檔過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、車輛縱向加速度和沖擊度信號的變化情況實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。圖8中可以看出，當(dāng)油門開度為100%時(shí)，動(dòng)力換檔過程的開始時(shí)間位于3.5 s處，隨著要接合離合器缸內(nèi)作用壓力的增大，滑摩轉(zhuǎn)速控制器通過控制分離離合器壓力使發(fā)動(dòng)機(jī)的滑摩速差保持在20 rpm左右，通過換檔品質(zhì)客觀評價(jià)系統(tǒng)中提取的相關(guān)評價(jià)指標(biāo)可以看出，指標(biāo)Δωpeak在優(yōu)化前后的變化并不明顯，進(jìn)一步說明采用了滑摩轉(zhuǎn)速控制器能較好地抑制扭矩相發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)。在慣性相結(jié)合離合器壓力保持了恒定。由加速度及沖擊度變化曲線可知，優(yōu)化后的換檔過程較平順，接合離合器壓力變化率Δp經(jīng)優(yōu)化后，其值由0.8 Mpa/s變?yōu)?.2 Mpa/s。綜上可知，采用優(yōu)化控制策略后，動(dòng)力換檔相關(guān)指標(biāo)得到了明顯改善。

圖8　優(yōu)化前后動(dòng)力升檔仿真曲線

4　結(jié)論

本文建立了離合器—離合器式動(dòng)力換檔變速箱仿真模型，對動(dòng)力升檔過程進(jìn)行了仿真分析。通過對仿真結(jié)果的分析，可知離合器切換時(shí)序是影響換檔品質(zhì)的主要因素，該因素在系統(tǒng)中也是最難實(shí)現(xiàn)控制的。在此基礎(chǔ)上，提出了基于粒子群算法的動(dòng)力升檔換檔品質(zhì)優(yōu)化控制策略，以理想換檔過程的換檔品質(zhì)客觀評價(jià)模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了適應(yīng)度函數(shù)，對目標(biāo)參數(shù)扭矩相接合離合器油壓變化率和慣性相發(fā)動(dòng)機(jī)降扭目標(biāo)量進(jìn)行了控制量尋優(yōu)，并對設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性，換檔品質(zhì)得到了有效提升。

附件：

tdu—換檔持續(xù)時(shí)間；

Δωpeak—扭矩相發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)；

jtq_min—扭矩相沖擊度最小值；

Δahole—扭矩相縱向加速度最小值與目標(biāo)差值；

Δapeak-peak—縱向加速度峰峰值；

jin_min—慣性相沖擊度最小值；

jpeak—慣性相沖擊度最大值；

amean—縱向加速度算術(shù)平均值；

pf—離合器功率密度；

Ef—離合器能量密度；

VDVshift—縱向沖擊劑量值。

[1]M.Goetz, M.C.Levesley, D.A.Crolla.雙離合器變速箱換檔動(dòng)力學(xué)和控制[J].傳動(dòng)技術(shù),2006,20(3):37-47.

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Optimization Control of Power-On Shifting Quality Based on PSO Algorithm

SongBin1LiXingzhong1,2TongYanhua1ChenYuchen2FuYao1

(1.HangzhouAdvanceGearboxGroupCo.,Ltd.,Hangzhou311203;2.StateKeyLaboratoryofautomotivesimulationandControl,JilinUniversity，Changchun130022)

Through analyzing the process of power-on shifting based on the dynamic model of clutch to clutch, the main factors affecting shift quality is the improper switch sequential control of clutches. An new algorithm is proposed on the basis of the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm according to this problem. An optimization control strategy is proposed for power-on upshift, which building a fitting function based on the shift quality evaluation model during perfect shifting process. The simulation results show that the application of the optimized control strategy had obvious effect on improving the shift quality during the power-on shifting.

Power-on shiftingShifting qualityFitting functionControl StrategyPSO Algorithm

1006-8244(2016)01-009-05

浙江省博士后科研項(xiàng)目擇優(yōu)資助項(xiàng)目(BSH1502066)

李興忠，

U463.212

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