丁 華，徐 聰

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

雙離合自動變速器(DCT)是在手動變速器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型的自動變速器，是一種用雙離合器和換擋控制裝置實現(xiàn)純機(jī)械自動變速的先進(jìn)技術(shù)。換擋控制策略作為DCT擋位變換控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其擋位決策點的合理性將直接影響著整車的最優(yōu)性能的發(fā)揮以及駕駛操縱性的優(yōu)劣。目前，自動變速器主要采用的換擋規(guī)律包括：兩參數(shù)換擋規(guī)律，動態(tài)三參數(shù)換擋規(guī)律[1-2]。駕駛員的駕駛意圖影響著汽車行駛的整個過程。但是，目前這兩種換擋規(guī)律沒有考慮到駕駛意圖對DCT換擋決策系統(tǒng)的影響。當(dāng)駕駛員意圖發(fā)生較大變化時，依據(jù)傳統(tǒng)換擋規(guī)律所確定的最優(yōu)擋位可能引起頻繁換擋現(xiàn)象[3-5]。

為了解決汽車行駛時所出現(xiàn)的頻繁換擋問題，有必要對駕駛意圖進(jìn)行參數(shù)辨識，研究駕駛意圖與汽車行駛狀態(tài)以及自動變速器換擋控制策略的關(guān)系。同時，在駕駛意圖識別的基礎(chǔ)上對車輛傳統(tǒng)換擋規(guī)律進(jìn)行實時修正，來減少自動變速器的換擋次數(shù)，消除車輛頻繁換擋現(xiàn)象。

因此，本研究將在傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律和駕駛意圖識別的基礎(chǔ)上，通過采用模糊控制方法對雙離合自動變速器的傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律進(jìn)行實時修正；利用Matlab/Simulink建立雙離合自動變速器換擋控制策略仿真模型，對其換擋性能進(jìn)行仿真分析。

1 駕駛員意圖識別

為了滿足行駛環(huán)境變化所帶來的對于車輛動力的需求，駕駛員駕駛意圖也是會隨著行駛環(huán)境變化改變，也就是行車時駕駛員的期望加減速特性也是隨時改變的。因此，要對駕駛員意圖進(jìn)行實時在線識別，并根據(jù)駕駛員意圖來實現(xiàn)DCT擋位自適應(yīng)決策。

本文通過加入相對油門開度這一重要參數(shù)來表達(dá)駕駛員在車輛實際行駛過程時的加速和減速意圖。同時，為了表達(dá)駕駛員在車輛實際行駛過程時對于加速和減速意圖的期望程度，文中通過引入油門開度變化率這一參數(shù)來解析駕駛員駕駛意圖。

為實現(xiàn)上述駕駛員意圖參數(shù)辨識，筆者首先對行車時的整車動力學(xué)模型進(jìn)行受力分析。汽車在行駛過程中，為了獲得汽車行駛時的驅(qū)動力要求，必須克服來自于行車過程中的道路阻力[6]。根據(jù)上述行車過程中的受力分析，可得到行車時的汽車受力平衡方程式：

(1)

式中：Ft—汽車驅(qū)動力；G—汽車重力；m—整車質(zhì)量；f—滾動阻力系數(shù)；θ—道路坡度角；CD—空氣阻力系數(shù)；A—迎風(fēng)面積；δ—汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；v—車速。

假設(shè)車輪的動態(tài)滾動半徑為r，則：

(2)

式中：Ttq—發(fā)動機(jī)輸出扭矩；ig—變速器擋位速比；i0—主減速器速比；ηT—傳動系效率。

式(2)中，令dv/dt=0，則可得到汽車在水平良好路面上等速穩(wěn)定行駛的平衡方程式：

(3)

其中，發(fā)動機(jī)實時轉(zhuǎn)速與汽車行駛車速有下列關(guān)系成立：

(4)

根據(jù)發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及式(4)，可以得到發(fā)動機(jī)扭矩Ttq是車速和油門開度的函數(shù)[7]，即Ttq=f(v，α)。

因此，可以得到汽車在水平道路上等速行駛時，不同擋位下所對應(yīng)的油門開度αe，即使車輛在良好水平道路上以目前擋位及目前車速勻速穩(wěn)定行駛時的油門開度。其函數(shù)關(guān)系式為：

(5)

由此，可以定義相對油門開度為：

(6)

根據(jù)相對油門開度識別在行車過程中的加速和減速意圖，即相對油門開度大于零時，表明此時的車輛行駛狀態(tài)下，駕駛員有較為明顯的加速意圖。當(dāng)相對油門開度小于零時，表明此時的車輛行駛工況下，駕駛員意圖表現(xiàn)為減速意圖。當(dāng)相對油門開度等于零時，表明此時車輛在道路上是勻速行駛的，即此時駕駛員意圖表現(xiàn)為維持車速穩(wěn)定行駛。

油門開度變化率的大小表示駕駛員對于加減速的期望程度[8]，其在正方向較大時，表明此時的車輛行駛工況下，駕駛員有著強烈的加速意圖，表現(xiàn)為急加速意圖。油門開度變化率在負(fù)方向較大時，表明此時的車輛行駛工況下，駕駛員有著強烈的減速意圖，表現(xiàn)為急減速意圖。

綜合對駕駛意圖的分析，本文將其分成緊急加速、一般加速、維持車速、減速行駛、緊急減速5種類型。對裝配DCT的車輛在行駛過程中出現(xiàn)的換擋頻繁問題進(jìn)行模糊修正換擋。

2 傳統(tǒng)換擋規(guī)律下的DCT性能仿真

2.1 頻繁換擋原因分析

以車速和油門開度為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律是在汽車在穩(wěn)定工況下所制定的[9]。此時，若汽車行駛環(huán)境發(fā)生變化，駕駛員必然會操縱油門踏板來是實現(xiàn)自身的行駛意圖，這樣就會引起油門開度的變化。甚至在一些工況下，比如加速工況，緊急停車工況，會出現(xiàn)駕駛員突然深踩油門踏板或快速松開加速踏板的情況，此時油門開度會快速變大或變小。

在汽車行駛過程中存在慣性作用，車輛行駛速度的變化滯后于油門開度的變化。在這種情況下就會出現(xiàn)油門開度變化而車輛行駛速度保持不變的狀況。根據(jù)車輛最佳性能所制定的傳統(tǒng)換擋規(guī)律可知，駕駛員意圖的改變引起了油門開度的變化，而油門開度的變化又引起車速的變化。因此，在行車過程中DCT車輛容易出現(xiàn)頻繁換擋的情況。

傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律

由圖1可以看出：油門開度在a-b段快速變化，表明此時駕駛員有加速意圖。車輛由于行駛過程中存在慣性作用，行駛速度的變化滯后于油門開度的變化。因此，此時的車速保持不變，導(dǎo)致車輛越過升擋線而換入5擋。車輛降為5擋后，車輛驅(qū)動力變大，導(dǎo)致行駛車速在b-c段變化而升高，此時，車輛越過降擋線而換入6擋。如此往復(fù)操作使DCT的擋位在5擋和6擋之間頻繁動作。

2.2 換擋控制策略仿真模型搭建

本文建立了DCT換擋控制策略及整車動力傳動系統(tǒng)模型對其換擋性能進(jìn)行仿真。為實現(xiàn)汽車在循環(huán)工況下行駛時的目標(biāo)車速很好地跟隨實際車速，本研究通過PID控制方法來實現(xiàn)車速的跟隨，根據(jù)循環(huán)工況目標(biāo)車速以及汽車實際行駛車速得到車輛油門開度。在駕駛員模型中，油門開度作為變速器控制器模型的輸入?yún)?shù)。

仿真中DCT車輛主要參數(shù)如表1所示。

表1 DCT車輛主要參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果及分析

整車動力傳動系統(tǒng)的輸入工況選擇歐洲循環(huán)行駛EUDC工況，并對傳統(tǒng)換擋規(guī)律下的DCT換擋性能進(jìn)行仿真，仿真時間設(shè)置為400 s。

傳統(tǒng)換擋規(guī)律下DCT性能仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)換擋規(guī)律下的DCT性能仿真結(jié)果

從EUDC循環(huán)工況下離線仿真的擋位結(jié)果可以看出(圖2(c))：在50 s后，車輛在加速的過程中，DCT擋位在3擋和4擋之間頻繁動作；同樣在250 s后的一段時間內(nèi)，駕駛員有加速意圖，駕駛員操縱油門踏板以達(dá)到目標(biāo)車速，此時油門開度瞬間增大，換擋點越過降擋線，擋位降低為5擋；為保持車速穩(wěn)定，駕駛員降低油門開度，此時換擋點越過升擋線，擋位升為6擋；換擋點不斷地越過升擋線和降擋線就產(chǎn)生了頻繁換擋現(xiàn)象。同時，在這段時間內(nèi)，由于頻繁升擋、降擋，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生劇烈變化(圖2(d))。另外為達(dá)到在變速器不同擋位下的轉(zhuǎn)矩需求，發(fā)動機(jī)扭矩也存在劇烈的變化(圖2(e))。這對DCT的使用壽命以及駕駛操縱性有著較為嚴(yán)重的影響。

因此，需要基于駕駛員駕駛意圖識別對擋位進(jìn)行實時在線模糊修正。

3 基于駕駛意圖識別的模糊修正換擋控制策略

3.1 傳統(tǒng)換擋規(guī)律模糊修正

本文根據(jù)上文分析，在傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用模糊控制方法對換擋車速進(jìn)行實時在線修正。

由于相對油門開度和油門開度變化率的大小在實際中均可以視為模糊變量，故可采用模糊推理的方法來確定換擋車速修正系數(shù)。通過結(jié)合汽車實際行駛狀態(tài)，可以得到駕駛意圖辨識參數(shù)以及換擋車速修正系數(shù)的模糊子集及相對應(yīng)的基本論域。

相對油門開度αr論域取[-100，200]，其模糊子集為：NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、ZO(基本不變)、PS(正小)、PB(正大)；油門開度變化率dα/dt論域取[-100，100]，其模糊子集為：NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZO(基本不變)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)；換擋車速修正系數(shù)λ的模糊子集為：S(小)、M(適中)、B(大)[10]。

駕駛意圖辨識參數(shù)隸屬度函數(shù)如圖3所示。

圖3 相對油門開度及油門開度變化率隸屬度函數(shù)

本研究通過汽車行駛情況以及專家經(jīng)驗，制定擋位模糊規(guī)則，以在模糊控制器中獲取模糊規(guī)則插值曲面，如圖4所示。

3.2 模糊修正換擋仿真結(jié)果及分析

本研究在Matlab/Simulink中建立基于駕駛意圖識別的模糊換擋控制仿真模型，仿真模型如圖5所示。

圖5 DCT模糊換擋控制仿真模型

本研究以相對油門開度及油門開度變化率作為系統(tǒng)的輸入量，換擋車速修正系數(shù)作為系統(tǒng)的輸出量，對行車時的換擋車速進(jìn)行實時修正。模糊換擋控制系統(tǒng)的輸入選擇歐洲循環(huán)行駛EUDC工況，并對模糊修正后的DCT換擋控制策略進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 模糊修正后的DCT性能仿真結(jié)果

通過對比傳統(tǒng)換擋規(guī)律下和基于駕駛意圖識別的模糊換擋控制策略下的DCT性能仿真結(jié)果可知：在基于駕駛意圖識別的模糊修正換擋控制策略下，上述頻繁換擋問題得到了改善。從圖6(b～c)可以看出：模糊修正后的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不再劇烈震蕩，發(fā)動機(jī)扭矩變化也較為平穩(wěn)。從DCT擋位模糊修正前后仿真結(jié)果(圖6(a))對比可以看出：模糊修正后換擋次數(shù)明顯減少。可見基于駕駛意圖識別的DCT模糊換擋控制策略較好地解決了行車時所出現(xiàn)的頻繁換擋問題。

4 結(jié)束語

本研究分析了引起DCT車輛頻繁換擋的原因，并對汽車行駛時的駕駛意圖參數(shù)進(jìn)行了辨識；在駕駛意圖識別的基礎(chǔ)上，建立了雙離合自動變速器模糊換擋控制策略，并對DCT車輛進(jìn)行了傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律和模糊換擋控制策略的仿真研究。

通過仿真結(jié)果對比可知：基于駕駛意圖識別的DCT模糊換擋控制策略較好地解決了行車時所出現(xiàn)的頻繁換擋問題。同時，也在充分體現(xiàn)駕駛員駕駛意圖的前提下，實現(xiàn)了雙離合自動變速器擋位實時在線修正以及自適應(yīng)擋位決策。

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