宋世欣，張?jiān)獋b，劉 科，付 堯，張建國(guó)，曾華兵

(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 130022； 2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院車輛工程系，長(zhǎng)春 130117)

?

2015159

雙離合器自動(dòng)變速器控制品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析*

宋世欣1，張?jiān)獋b1，劉 科1，付 堯1，張建國(guó)2，曾華兵1

(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 130022； 2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院車輛工程系，長(zhǎng)春 130117)

根據(jù)雙離合器式自動(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)分為起步品質(zhì)和換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)?；贛ATLAB/Simulink搭建了某DCT樣車整車模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、雙離合器與操縱裝置、變速器與同步器、負(fù)載、整車動(dòng)力學(xué)、控制器和駕駛員等子模型，并設(shè)計(jì)了控制品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)，研究各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與控制品質(zhì)的映射關(guān)系。采用層次分析法確定控制品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值，通過(guò)整車系統(tǒng)模型與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，確定了控制目標(biāo)，即各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(biāo)，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(dòng)變速器；起步品質(zhì)；換擋品質(zhì)；評(píng)價(jià)指標(biāo)

前言

雙離合器式自動(dòng)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(duì)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?jī)?nèi)容大多參考已有AMT的研究成果。在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[1]中提出了根據(jù)換擋動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性需求，應(yīng)用模糊方法建立沖擊和滑摩這兩項(xiàng)指標(biāo)間的權(quán)值分配原則，對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為解決評(píng)價(jià)指標(biāo)量化要求，文獻(xiàn)[2]中基于人體生理學(xué)對(duì)反映換擋平順性的沖擊度進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，定義了持續(xù)加速度和瞬時(shí)加速度，并采用評(píng)價(jià)等級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)，給出了這兩類加速度和評(píng)價(jià)等級(jí)之間的聯(lián)系。文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[5]中對(duì)換擋時(shí)出現(xiàn)的Shunt和Shuffle進(jìn)行了相關(guān)研究。研究者對(duì)于控制效果并沒(méi)有判斷優(yōu)劣的明確標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外通常的做法是采用主觀評(píng)價(jià)方法，即根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊度、滑摩功來(lái)對(duì)控制品質(zhì)進(jìn)行粗略的評(píng)估。這些評(píng)價(jià)方法只是實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)的一個(gè)功能，并不能針對(duì)自動(dòng)變速器的控制品質(zhì)給出控制目標(biāo)，對(duì)控制和優(yōu)化的指導(dǎo)作用還不夠深入。究其原因就在于目前對(duì)自動(dòng)變速器的控制目標(biāo)無(wú)章可循。如何讓評(píng)價(jià)指標(biāo)具體、明確是研究者需要解決的第一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

本文中根據(jù)雙離合器式自動(dòng)變速器車輛的不同行駛工況，從控制的角度出發(fā)將評(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)分定義，設(shè)計(jì)控制品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并研究各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與控制品質(zhì)的映射關(guān)系。采用層次分析法確定控制品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值，通過(guò)整車系統(tǒng)模型與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真確定了控制目標(biāo)，即各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制期望區(qū)間，為雙離合器式自動(dòng)變速器控制策略、控制算法提供了優(yōu)化目標(biāo)。

1 控制品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)分定義

由于雙離合器式自動(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)分，分別對(duì)起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)和換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定義。

1.1 起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

起步品質(zhì)是指在保證汽車動(dòng)力性與動(dòng)力傳動(dòng)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(guò)程中，離合器接合速度過(guò)快，引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大波動(dòng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)顫振、熄火，破壞起步的平順性；離合器接合速度過(guò)慢，滑摩功將迅速增加，降低離合器使用壽命，同時(shí)起步時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足起步的快捷性。由此，定義如表1和圖1所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中起步意圖通過(guò)節(jié)氣門開(kāi)度來(lái)表示。

1.2 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

換擋品質(zhì)是在保證動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)換擋過(guò)程平穩(wěn)而無(wú)沖擊地進(jìn)行，爭(zhēng)取做到動(dòng)力無(wú)中斷、換擋無(wú)沖擊。但因動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是多轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)，換擋過(guò)程遠(yuǎn)非瞬時(shí)可以完成，所以即使對(duì)于雙離合器式自動(dòng)變速器，在其傳動(dòng)比變化過(guò)程中都會(huì)有不同程度的沖擊。當(dāng)沖擊嚴(yán)重時(shí)，不僅乘員難以忍受，而且傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)載荷還將大大增加。由此，定義如表2和圖2所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 整車模型和評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)模型、雙離合器及操縱裝置模型、變速器及同步器模型、負(fù)載模型、整車動(dòng)力學(xué)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(shuō)明如下：

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)模型根據(jù)節(jié)氣門開(kāi)度α和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωe，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te及阻力矩T1、雙離合器從動(dòng)盤與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差dωc1和dωc2，控制器給出的離合器主從動(dòng)盤接合速度vc1和vc2，計(jì)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(biāo)擋位計(jì)算同步力矩Ts、同步時(shí)間ts和傳動(dòng)比ig；

同步器傳遞的力矩為

(1)

同步時(shí)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(dòng)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(fù)載模型根據(jù)整車驅(qū)動(dòng)力矩Tout、車輪旋轉(zhuǎn)角速度ωv等信號(hào)計(jì)算整車阻力矩T1；

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

(6) 控制器模型根據(jù)車輛運(yùn)行參數(shù)給出vc1，vc2，Δα(節(jié)氣門開(kāi)度變化率)和Geartar(目標(biāo)擋位)，對(duì)雙離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(hào)L_pos、加速踏板位置信號(hào)Acc_p、制動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)B_on和駕駛模式(運(yùn)動(dòng)型/經(jīng)濟(jì)型)Mode；

(8) 控制品質(zhì)評(píng)價(jià)模型根據(jù)加速踏板位置信號(hào)Acc_p、制動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)B_on、當(dāng)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(dòng)機(jī)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(hào)，提取出評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)車輛換擋品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 控制品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿真模型的總體方案中集成了控制品質(zhì)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)的提取和評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算。

控制品質(zhì)評(píng)價(jià)模型由信號(hào)輸入和數(shù)據(jù)處理模塊、駕駛意圖辨識(shí)與工況模式識(shí)別模塊、評(píng)價(jià)指標(biāo)提取模塊3部分組成，如圖4所示。信號(hào)輸入和數(shù)據(jù)處理模塊可以對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)所需的基本信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如去噪濾波、計(jì)算衍生信號(hào)等；駕駛意圖辨識(shí)與工況模式識(shí)別模塊可以根據(jù)整車行駛參數(shù)，進(jìn)行邏輯判斷、辨識(shí)駕駛員駕駛意圖和車輛當(dāng)前所處的行駛狀態(tài)，并觸發(fā)相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)提取模塊；評(píng)價(jià)指標(biāo)提取模塊用于提取不同工況下的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在駕駛意圖識(shí)別與工況模式識(shí)別中，采用了模糊數(shù)學(xué)的方法，通過(guò)節(jié)氣門開(kāi)度及節(jié)氣門開(kāi)度的變化率表征駕駛員的駕駛意圖，建立節(jié)氣門開(kāi)度的隸屬度函數(shù)，設(shè)計(jì)了駕駛員意圖識(shí)別算法、工況模式識(shí)別算法、評(píng)價(jià)指標(biāo)提取算法等。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)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(duì)乘員的主觀感覺(jué)提出的，具體包括行駛平順性、可控性和噪聲等因素對(duì)乘員的影響；使用壽命是對(duì)車提出的，體現(xiàn)在離合器的滑摩功和沖擊對(duì)傳動(dòng)系的影響。評(píng)價(jià)指標(biāo)與控制品質(zhì)存在復(fù)雜交錯(cuò)的映射關(guān)系，下面結(jié)合DCT系統(tǒng)模型和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的仿真來(lái)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)與控制品質(zhì)的映射關(guān)系。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)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(gè)不同工況下的起步過(guò)程。從上到下依次為加速度、沖擊度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、比滑摩功和起步時(shí)間隨時(shí)間的變化曲線。評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)起步過(guò)程a的評(píng)價(jià)為起步舒適性好，滑摩功較大，相應(yīng)地可以看出ap，jp-p，jp-n較小，Δωe，tL較大，ωe-min高于怠速；對(duì)起步過(guò)程b的評(píng)價(jià)為起步舒適性良好，滑摩功適中，相應(yīng)的可以看出ap，jp-p，jp-n較小，Δωe，tL比過(guò)程a稍?。粚?duì)起步過(guò)程c的評(píng)價(jià)為起步舒適性差、滑摩功較小，相應(yīng)地可以看出ap，jp-p，jp-n較大，Δωe，tL較小。

通過(guò)仿真分析可以得到評(píng)價(jià)指標(biāo)與起步品質(zhì)的映射關(guān)系，如圖6所示。在車輛起步時(shí)，影響乘員舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有ap，jp-p，jp-n，Δωe，tL，其中ap只對(duì)舒適性有影響，對(duì)車沒(méi)有影響，jp-p，jp-n，Δωe，tL4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響乘員主觀感覺(jué)的同時(shí)，還影響著車的使用壽命。評(píng)價(jià)指標(biāo)ωe-min只對(duì)車的使用壽命產(chǎn)生影響。因此可以得出：對(duì)乘員舒適性和對(duì)車使用壽命二者的評(píng)價(jià)指標(biāo)總是矛盾的，減小起步?jīng)_擊是以犧牲滑摩功為代價(jià)的，在進(jìn)行控制時(shí)可以根據(jù)不同的起步工況進(jìn)行折中考慮。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與換擋品質(zhì)的映射分析

通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)與控制品質(zhì)的映射分析，可以得出：在各個(gè)不同工況下各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在著非線性、強(qiáng)耦合的關(guān)系。因此，有必要對(duì)控制品質(zhì)的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的權(quán)值分配。

4 基于層次分析法的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值分配

雙離合器式自動(dòng)變速器控制品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)[10]是一個(gè)復(fù)雜的多層次和多指標(biāo)系統(tǒng)，在評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值分配問(wèn)題上，由于評(píng)價(jià)者關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同，權(quán)值亦有所不同。因此，本文中應(yīng)用層次分析法確定評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，建立層次分析法結(jié)構(gòu)模型和判斷矩陣，為確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)提供理論依據(jù)。根據(jù)評(píng)價(jià)工況和評(píng)價(jià)指標(biāo)建立如表3所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)層次分析法結(jié)構(gòu)，目標(biāo)層為整車綜合控制品質(zhì)；準(zhǔn)則層設(shè)為起步和換擋兩種評(píng)價(jià)工況；對(duì)于起步工況，6個(gè)起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為方案層，對(duì)于換擋工況，9個(gè)換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為方案層。

按判斷矩陣標(biāo)度構(gòu)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(kāi)度下起步的判斷矩陣及計(jì)算所得的權(quán)值，并計(jì)算一致性比率CR，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次分析法結(jié)構(gòu)

表4 起步品質(zhì)各指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重

5 評(píng)價(jià)給出的控制目標(biāo)

基于整車系統(tǒng)模型和評(píng)價(jià)系統(tǒng)集成的仿真平臺(tái)，通過(guò)評(píng)價(jià)得出控制品質(zhì)評(píng)價(jià)達(dá)優(yōu)時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制期望區(qū)間，如表6和表7所示。表中給出的結(jié)果也是進(jìn)行DCT系統(tǒng)控制品質(zhì)優(yōu)化的控制目標(biāo)，在保證各個(gè)指標(biāo)的落在控制期望區(qū)間之內(nèi)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)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(jié)果是基于仿真得出的結(jié)果，結(jié)合不同車型，表中的值需要進(jìn)行調(diào)整。

表5 換擋品質(zhì)各指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重

表6 起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制期望區(qū)間

表7 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制期望區(qū)間

6 結(jié)論

由于傳統(tǒng)意義上的控制品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)較少，無(wú)法全面準(zhǔn)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(dòng)變速器車輛的不同行駛工況，從控制的角度出發(fā)將評(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)分定義，設(shè)計(jì)控制品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并研究各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與控制品質(zhì)的映射關(guān)系，基于層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)值分配。通過(guò)整車系統(tǒng)模型與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真確定了控制目標(biāo)，即各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(biāo)。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(píng)價(jià)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(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFA71790)、教育部博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(201200611100027)、吉林省科技重大專項(xiàng)(20130204023GX)、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111712)、吉林大學(xué)“985”工程、長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1017)和新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)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。