基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的DCT起步控制研究

李 育 丁 健

(上海汽車變速器有限公司 控制與標(biāo)定部, 上海 201807)

0 引言

車輛起步工況下雙離合器的控制方法，一直以來都是雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)的核心和難點(diǎn)技術(shù)之一[1]，其主要控制目標(biāo)為：1)保證車輛快速、平穩(wěn)起步；2)保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，即發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過低(甚至熄火)、轉(zhuǎn)速過高或突變的情況；3)防止離合器滑摩功過大，防止離合器表面溫度過高，及引起的離合器損傷[2]。

上述目標(biāo)實(shí)現(xiàn)需通過控制DCT離合器接合，一方面保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升至需求扭矩輸出區(qū)間，另一方面保證DCT輸入軸轉(zhuǎn)速提升并與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)同步。

在DCT起步控制方面，秦大同等[3]研究了采用線性二次型最優(yōu)控制方法，以沖擊度為最優(yōu)控制約束，以滑摩功最小為目標(biāo)，計(jì)算最優(yōu)接合控制壓力，但未考慮整車動(dòng)力性需求。魯統(tǒng)利等[4]研究了DCT雙離合器和單離合器起步的模糊控制，但存在可移植性差的問題。

本文在綜合研究了DCT起步過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、目標(biāo)檔位選擇、變速器油溫等因素對(duì)整車起步性能的需求和影響的基礎(chǔ)上，對(duì)DCT起步控制策略進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計(jì)，使用Matlab Simulink、dSPACE Targetlink等工具完成TCU軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了：1)基于DCT起步控制架構(gòu)設(shè)計(jì)的控制階段劃分；2)通過軟件策略邏輯架構(gòu)優(yōu)化，提高標(biāo)定效率；3)完成實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證。最終實(shí)現(xiàn)整車起步平順性、動(dòng)力性的平衡。

1 DCT起步控制階段劃分

根據(jù)DCT起步工況的特點(diǎn)，將起步控制主要區(qū)分為三個(gè)主階段：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升階段(Flaring)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持階段(Stabilizing)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速同步階段(Smoothing)。Flaring階段的控制目標(biāo)是：控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速盡快達(dá)到需求扭矩輸出的轉(zhuǎn)速區(qū)間，同時(shí)控制DCT輸入軸開始平穩(wěn)升速。Stabilizing階段的控制目標(biāo)是：控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速區(qū)間，保持發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定扭矩輸出，同時(shí)控制DCT輸入軸平穩(wěn)升速。Smoothing階段的目標(biāo)是：當(dāng)DCT輸入軸轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近時(shí)，實(shí)現(xiàn)離合器平穩(wěn)接合。

Flaring階段為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升速到需求的轉(zhuǎn)速區(qū)間，來驅(qū)動(dòng)車輛并且防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下拉情況出現(xiàn)，將Flaring階段細(xì)分為轉(zhuǎn)速提升等待階段(FlareWait)、轉(zhuǎn)速提升保持階段(FlareSteady)、轉(zhuǎn)速提升同步階段(FlareApproach)。

具體的階段劃分如下圖1所示。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)怠速作為目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)算過程及結(jié)果的保護(hù)門限(不得低于發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)怠速)；參考轉(zhuǎn)速是基于當(dāng)前檔位、油門開度的標(biāo)定值，目標(biāo)轉(zhuǎn)速是以參考轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，基于控制階段、變化率限制、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速情況、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行標(biāo)定修正后的計(jì)算結(jié)果。需基于目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行離合器扭矩計(jì)算，則不會(huì)造成離合器計(jì)算扭矩值突變的情況。

圖1 DCT起步控制階段劃分Fig.1 Stages during the launch process of DCT vehicles

2 DCT起步控制的功能實(shí)現(xiàn)

上述基于車輛起步工況需求，對(duì)DCT起步控制階段進(jìn)行了劃分，本文通過對(duì)TCU軟件中起步控制功能進(jìn)行狀態(tài)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、分階段進(jìn)行離合器目標(biāo)扭矩計(jì)算、特殊工況控制，最終實(shí)現(xiàn)DCT起步控制的功能實(shí)現(xiàn)。

2.1起步控制的狀態(tài)機(jī)劃分

上文所述階段劃分是從DCT起步工況車輛性能需求、各參數(shù)(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等)實(shí)際變化特點(diǎn)的角度進(jìn)行劃分，基于此對(duì)DCT起步控制軟件進(jìn)行狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 起步控制狀態(tài)機(jī)
Fig.2 State machine design for the launch control

2.2離合器目標(biāo)扭矩計(jì)算

DCT起步控制目標(biāo)：一是，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期扭矩輸出區(qū)間；二是，離合器快速平穩(wěn)閉合，即車輛快速平順起步。兩者都需通過DCT工作離合器目標(biāo)扭矩控制來實(shí)現(xiàn)，對(duì)離合器的目標(biāo)扭矩計(jì)算分為兩部分：前饋項(xiàng)計(jì)算、PID計(jì)算。設(shè)置前饋項(xiàng)的目的是，在起步控制前期，由于液壓系統(tǒng)存在一定的遲滯，需要通過標(biāo)定的方式使系統(tǒng)快速建立油壓。而PID計(jì)算則是以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與上文中發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速只差作為輸入進(jìn)行閉環(huán)控制。

上文階段劃分的目的之一，就在于在不同的控制階段，PID和前饋項(xiàng)計(jì)算函數(shù)及參數(shù)可進(jìn)行區(qū)分設(shè)計(jì)。

本文所采用PID計(jì)算方法：

Ttgt=Teng-TPID

(1)

其中，Ttgt代表離合器目標(biāo)扭矩；Teng代表發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；TPID代表PID計(jì)算扭矩；

在起步工況初期，離合器壓力處于較低水平，為防止離合器目標(biāo)扭矩波動(dòng)造成實(shí)際壓力不足情況發(fā)生，需使用開環(huán)的前饋項(xiàng)控制，經(jīng)標(biāo)定、驗(yàn)證能夠達(dá)到較為理想的控制效果。

前饋項(xiàng)(TFF)的計(jì)算需區(qū)分控制階段及工況，且主要依賴于標(biāo)定工作。在起步控制過程中，離合器總需求扭矩按照如下方式計(jì)算：

TComb=max(Ttgt,TFF)

(2)

2.3特殊工況的處理方法

本文所開發(fā)的起步控制策略，能夠提升車輛常規(guī)工況下起步性能，包括：縮短起步工況時(shí)長(zhǎng)(即縮短離合器滑摩時(shí)長(zhǎng))、降低起步過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高、低情況出現(xiàn)頻率、避免離合器壓力建立不線性造成起步不平順等。對(duì)于如下特殊工況的處理，本文在控制策略上進(jìn)行了相應(yīng)的開發(fā)。

2.3.1起步過程中長(zhǎng)時(shí)間滑摩工況

起步過程中，若出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間滑摩的情況(例如：坡道起步工況)，此時(shí)為避免離合器過溫而造成變速器硬件損傷，在控制策略上需要對(duì)此種情況進(jìn)行保護(hù)控制。目前，本文對(duì)此種情況的后處理方法為：降低發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，間接提高離合器計(jì)算扭矩，從而使離合器盡快接合避免過度滑摩。

需區(qū)分為如下三種情況：

1、離合器表面溫度大于設(shè)定門限，且起步工況持續(xù)時(shí)長(zhǎng)大于設(shè)定時(shí)長(zhǎng)；

2、當(dāng)車輛已經(jīng)具有車速，且起步工況的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)大于設(shè)定門限；

3、駕駛者未踩油門。

情況1或2將激活后處理，而情況3是退出后處理的唯一條件。

2.3.2起步2檔降1檔工況

常規(guī)的靜態(tài)起步工況，DCT采用1檔起步，因?yàn)?檔具有最大的速比，能夠提供最大扭矩輸出，且奇數(shù)離合器設(shè)計(jì)的扭矩容量比偶數(shù)離合器高。但是，當(dāng)車輛實(shí)際工作檔位為2檔，且1檔同步器未在位，此時(shí)若激活起步控制，為加快DCT響應(yīng)，在起步控制策略中開發(fā)了2檔起步、2檔降1檔起步控制策略。

對(duì)于2檔降1檔起步，分三個(gè)階段進(jìn)行控制：(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制階段；(2)扭矩交互控制階段；(3)2降1交互完成識(shí)別與保護(hù)。第一階段的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與奇數(shù)輸入軸轉(zhuǎn)速同步，第二階段的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)奇偶離合器之間的扭矩交互，第三階段的控制目標(biāo)是識(shí)別2降1是否完成。本文開發(fā)了起步控制保護(hù)策略 ，即2降1工況持續(xù)時(shí)間超時(shí)后，強(qiáng)制將1檔所在離合器升扭，強(qiáng)制將2檔所在離合器降扭。常規(guī)起步2降1工況示意圖如圖3所示。

3 實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

原TCU軟件起步工況控制，由于階段劃分較為籠統(tǒng)，各狀態(tài)機(jī)參數(shù)無(wú)法精確區(qū)分，同樣的標(biāo)定參數(shù)作用于不同的控制階段，因此，容易造成整車起步動(dòng)力輸出不線性，且針對(duì)上文所述特殊工況無(wú)處理，容易造成DCT離合器接合過快，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下拉、整車頓挫，或離合器滑摩過度對(duì)硬件造成損傷風(fēng)險(xiǎn)等問題。

常見的雙離合器變速器車輛起步頓挫感問題如下圖4所示，原因在于起步初段的flare控制階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高，加劇了起步后段smoothing階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與奇數(shù)輸入軸轉(zhuǎn)速接合時(shí)不平順，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下拉過快，這種現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，將造成整車起步頓挫感。

圖3 起步2檔降1檔控制策略Fig.3 Control strategy from 2nd to 1st gear during launch process

第二種常見的雙離合器變速器車輛起步問題是，高檔位起步時(shí)車輛動(dòng)力不足，且離合器同步時(shí)間長(zhǎng)，可能造成離合器滑摩過度。如下圖5所示，為車輛2檔起步工況，可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與偶數(shù)輸入軸轉(zhuǎn)速同步時(shí)間較長(zhǎng)，將造成整車動(dòng)力不足的主觀感受。

本文基于工況需求進(jìn)行基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的DCT起步控制策略研究，實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)之后，進(jìn)行實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如下圖6所示。驗(yàn)證數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛在2檔起步過程中，若駕駛員深踩油門，則目標(biāo)檔位由2檔降1檔，控制策略能夠通過偶數(shù)離合器扭矩控制，實(shí)現(xiàn)偶數(shù)離合器滑摩，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速向上爬升，當(dāng)1檔同步器掛檔完成，此時(shí)DCT奇數(shù)輸入軸轉(zhuǎn)速即為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過flare階段偶數(shù)離合器扭矩控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速同步后進(jìn)行DCT奇、偶離合器扭矩交互控制。最終實(shí)現(xiàn)起步工況2檔降1檔控制，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步時(shí)間過長(zhǎng)、滑摩過度、整車頓挫，并且整個(gè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，整車保持穩(wěn)定的加速感。

圖4 車輛起步控制頓挫問題Fig.4 Jerk during vehicle launch

圖5 2檔起步離合器同步時(shí)間長(zhǎng)Fig.5 Clutch synchronization during vehicle launch with 2nd gear operation

圖6 2檔降1檔起步控制Fig.6 Shifting from 2nd to 1st gear during vehicle launch

4 結(jié)論

濕式離合器起步控制是一種復(fù)雜的非線性控制過程，通過本文的相關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)了基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的DCT起步控制研究，實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)表明，能夠?qū)崿F(xiàn)本文描述的相關(guān)控制算法，并在一定程度上縮短起步時(shí)長(zhǎng)，降低起步不平順、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高或過低、離合器過溫等問題工況發(fā)生的概率或程度，為后續(xù)更加深入的研究并優(yōu)化DCT起步控制奠定了基礎(chǔ)。

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