韓 玲，劉鴻祥,趙聰聰，曹 越，趙穎慧

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，長春 130012；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，長春 130118；3.富維偉世通汽車電子有限公司工程部,長春 130011)

無級變速器(Continuously Variable Transmission,CVT)作為現(xiàn)代最先進(jìn)的汽車變速器之一，采用了液力變矩器作為起步裝置。有別于一般的有級自動變速器，CVT通過前進(jìn)擋和倒退檔的離合器及制動器實(shí)現(xiàn)車輛前進(jìn)(Drive)、空擋(Neutral)和倒擋(Reverse)之間的切換，因此該離合器又稱為濕式DNR離合器。為提高車輛的起步能力和低速爬坡能力，新一代CVT以DNR離合器+變矩器作為起步裝置。由于DNR離合器是非線性、時變性的復(fù)雜多變量系統(tǒng)，故汽車起步離合器的控制問題成為CVT控制的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)之一。

DNR離合器在應(yīng)用過程中存在制造偏差、環(huán)境變化、駕駛員操作習(xí)慣以及意圖差異等多種不確定性因素，確保離合器無沖擊地平穩(wěn)接合成為其控制所面臨的難題。實(shí)際運(yùn)行過程中，即使是配有液力變矩器的CVT，當(dāng)駕駛員踩下加速踏板并將檔位切換到前進(jìn)擋時，濕式DNR離合器也需負(fù)擔(dān)一定程度的起步功能，該瞬間的實(shí)質(zhì)由液力變矩器潤滑油的流體特性所決定，此時離合器處于充油或者滑摩開始階段，高速開關(guān)先導(dǎo)閥接收經(jīng)發(fā)動機(jī)根據(jù)加速踏板壓力提升的功率、轉(zhuǎn)速、車速、離合器輸入轉(zhuǎn)矩等信息產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號(Pulse Width Modulation，PWM)，若不采取相應(yīng)的精確控制策略，則無法實(shí)現(xiàn)離合器控制閥對離合器接合的有效控制。由于控制閥在滑摩階段的充油和泄油需要一定的時間等待，這期間會使離合器滑摩階段不充分，導(dǎo)致輸入部件與從動部件在存有較大轉(zhuǎn)速差時快速接合，引起車輛起步?jīng)_擊，嚴(yán)重時會造成CVT金屬帶的斷裂。此外，還會導(dǎo)致離合器本身材料的剝落或者燒蝕。

濕式DNR離合器的控制問題指起步和接合過程中離合器的控制技術(shù)[1-2]。針對離合器各系列的控制問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種解決方案。Montanari等[3]通過分析商用車液壓驅(qū)動離合器的控制系統(tǒng)，基于簡化的系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了閉環(huán)控制器系統(tǒng)，并通過仿真對離合器液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。Glielmo等[4]對離合器接合的最優(yōu)控制進(jìn)行了研究，將發(fā)動機(jī)和載荷的轉(zhuǎn)矩視為魯棒干擾，對離合器壓力進(jìn)行控制，但忽略了起步平順問題。Goetz等[5-6]在離合器動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用滑摩功對雙離合器換擋進(jìn)行評價。Amir等[7]基于線性二次型構(gòu)建了起步離合器的閉環(huán)控制器，并針對變速器起步問題進(jìn)行優(yōu)化。密歇根大學(xué)的Kulkarni等[8]建立了雙離合變速器傳動系統(tǒng)的仿真模型。Pahlovy等[9]在設(shè)計(jì)濕式離合器的過程中，采用多項(xiàng)減阻模型預(yù)測來減阻扭矩特性。秦大同等[10-12]根據(jù)離合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過辨識起步和換擋狀態(tài)，以控制最小滑摩功為目標(biāo)減小沖擊度，從而實(shí)現(xiàn)自動變速器的優(yōu)化起步控制，延長離合器的使用壽命。同濟(jì)大學(xué)新能源汽車中心[13]，提出基于極小值原理的雙離合器聯(lián)合發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)矩的控制算法，確定了分離離合器分離條件與離合器轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系。

本文利用理論結(jié)合試驗(yàn)的方法，提出一種離合器電液控制系統(tǒng)魯棒性的模型預(yù)測控制算法?；隰敯艨刂芁yapunov函數(shù)(Rrobust Control Lyapunov Function,RCLF)，構(gòu)造離合器充油和滑摩階段的魯棒控制器。建立CVT離合器魯棒控制預(yù)測模型,替代傳統(tǒng)的基于線性壓力的比例控制模型。利用該理論在不同油門開度下，基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、車速、駕駛員操作意圖信號、CVT檔位狀態(tài)信號等，進(jìn)行了仿真以及實(shí)車試驗(yàn)。

1 CVT起步離合器結(jié)合過程分析及起步評價

1.1 CVT起步離合器結(jié)合過程分析

圖1所示為CVT前進(jìn)/倒擋的實(shí)現(xiàn)原理，由行星機(jī)構(gòu)及前進(jìn)擋離合器、倒擋制動器組成。動力由行星架齒輪輸入，經(jīng)太陽輪輸出至金屬帶主動帶輪軸。車輛前進(jìn)時，行星架和太陽輪鎖止，前進(jìn)擋傳遞動力，倒擋制動器相對脫開。車輛倒退時，松脫前進(jìn)擋離合器，實(shí)現(xiàn)倒擋制動器制動齒輪，動力由太陽輪原方向反向傳遞至行星架齒輪輸出。

圖1 CVT前進(jìn)/倒擋的實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.1 Continuously variable transmission drive/reverse schematic

如圖2所示，在DNR離合器的接合過程中，其閥的目標(biāo)壓力、油缸壓力以及油缸充油可分為快速充油階段，滑摩階段和離合器接合三個階段。其中，t1過程表示快速充油階段，根據(jù)離合器油缸壓力與離合器活塞的彈簧剛度、位移、加速度等結(jié)構(gòu)特征，可知該過程近似為線性關(guān)系。

圖2 DNR離合器接合過程示意圖Fig.2 DNR clutch engaging process schematic

t1與t2時刻的臨界點(diǎn)A表示第一階段充油結(jié)束時刻，對該臨界點(diǎn)的精準(zhǔn)控制極為重要。若充油過度，離合器閥目標(biāo)壓力維持在Pfill水平不變，而離合器活塞位移達(dá)到最大行程后，離合器油缸內(nèi)壓力被瞬間提高至離合器閥目標(biāo)壓力，摩擦盤壓力驟升將引起換擋沖擊。若充油不足，即充油尚未完成時，系統(tǒng)已將離合器閥目標(biāo)壓力由Pfill降至Pslip,0位置，導(dǎo)致充油速度下降并延長充油時間。此時，如果離合器閥目標(biāo)壓力按照Pslip,0-Pslip,1提升至較高水平，則摩擦盤壓力升高，同樣會引起換擋沖擊。t2與t3時刻的臨界點(diǎn)B是第二階段滑摩結(jié)束的時刻。在臨界點(diǎn)A，控制系統(tǒng)將離合器閥目標(biāo)壓力降至在Pslip,0，以便A-B滑摩階段離合器油缸壓力以較低水平逐漸完成降壓過程。該階段離合器從動摩擦盤扭矩逐漸增大，液力變矩器渦輪軸與離合器從動摩擦盤之間存在的轉(zhuǎn)速差減小。此時如果轉(zhuǎn)速差轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變，將導(dǎo)致第二次換擋沖擊?；﹄A段結(jié)束，為使離合器傳遞扭矩在發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出扭矩基礎(chǔ)上有一定的安全裕度，將離合器閥目標(biāo)壓力值將升至Psafe。

1.2 CVT起步離合器性能評價指標(biāo)

車輛起步性能的評價指標(biāo)，主要因素是接合滑摩功(快速性)和沖擊度(平順性)。離合器接合受力動力學(xué)過程可簡化如圖3所示，發(fā)動機(jī)輸出扭矩并傳遞給離合器主、從動盤。

圖3 離合器接合過程動力學(xué)示意圖Fig.3 DNR clutch dynamics engaging process schematic

DNR離合器主動盤動力學(xué)方程

(1)

DNR離合器從動盤動力學(xué)方程

(2)

式中：Je為DNR離合器主動盤轉(zhuǎn)動慣量；Jp為DNR離合器從動盤轉(zhuǎn)動慣量；Ted為發(fā)動機(jī)輸出扭矩；Tcl為DNR離合器傳遞扭矩；Pcl為DNR離合器從動盤油壓；Tl為DNR離合器負(fù)載扭矩；Be為發(fā)動機(jī)粘性阻尼系數(shù)；Bp為從動部分等效阻尼系數(shù)；Fncl為DNR離合器接合壓力；ωe,ωp為DNR離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速。

同時，在滿足無沖擊起步的前提下(德國標(biāo)準(zhǔn)沖擊度j≤10 m/s3，國標(biāo)j≤17.64 m/s3)，應(yīng)盡量減小滑摩功。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：j為沖擊度；Tr為整車阻力矩在離合器上的等效阻力矩；J為DNR離合器從動盤至車輪及整車等效慣性；xcl為離合器油缸活塞移動位置；Cdj為離合器從動盤流量系數(shù)；Qin,Qleak為離合器油缸進(jìn)油和泄油流量；Acl為油缸截面積；V0,cl為油缸初始和供油管路總體積；E′為體積彈性模量。

由此可知，為達(dá)到DNR離合器無沖擊平穩(wěn)結(jié)合的目的，其難點(diǎn)在于構(gòu)建具有自適應(yīng)性和較強(qiáng)魯棒性能的控制系統(tǒng)，并對油缸壓力的半離合點(diǎn)A和滑摩結(jié)束點(diǎn)B進(jìn)行精準(zhǔn)且實(shí)際有效的控制。針對上述問題，本文選擇基于魯棒控制Lyapunov函數(shù)的控制(RCLF)算法對離合器電液系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

2 DNR離合器起步過程控制

2.1 魯棒控制Lyapunov函數(shù)控制策略

一般情況，離合器扭矩及其變化率是衡量沖擊度的重要標(biāo)準(zhǔn)，但在新一代CVT的設(shè)計(jì)中，無法通過傳感器直接獲得DNR離合器的傳遞扭矩。然而，離合器扭矩及其變化率的改變將直接影響渦輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速加速度及其變化率，如果在充油階段→滑摩階段(如圖2所示，A→B階段)能夠合理控制渦輪加速度，并使之穩(wěn)定保持在滑摩過程中，將有效降低換擋沖擊。因此，本文選取與渦輪轉(zhuǎn)速相關(guān)的參數(shù)作為離合器控制器的依據(jù)。相關(guān)參數(shù)主要包括如下內(nèi)容：

(1)油液溫度。該參數(shù)影響攪油，引起高速開關(guān)先導(dǎo)閥口流量的變化；

(2)離合器油缸充油量。該參數(shù)的變化會造成換擋沖擊；

(3)離合器活塞可移量。由于加工誤差符合正態(tài)分布，故選取均值作為初始控制條件；

(4)離合器目標(biāo)壓力。該參數(shù)將決定沖擊度的大??；

(5)CVT金屬帶夾緊力對沖擊扭矩的限定。該參數(shù)超出限值時，將引起金屬帶打滑甚至斷裂，如圖4所示。

2.2 魯棒控制Lyapunov函數(shù)控制系統(tǒng)

考慮離合器接合過程中不確定因素較多這一特點(diǎn)，本文選擇渦輪轉(zhuǎn)速參數(shù)作為設(shè)計(jì)魯棒控制Lyapunov函數(shù)控制器的依據(jù)。根據(jù)動力學(xué)式(1)和(2)可知

(7)

(a)金屬帶右側(cè)磨損狀態(tài)

(b)金屬帶左側(cè)磨損狀態(tài)

(c)金屬片沖擊損壞

(d)金屬帶材料剝落圖4 金屬帶受沖擊扭矩磨損和斷裂情況Fig.4 The metal belt wear and tear due to impact torque

其中選取離合器高速開關(guān)先導(dǎo)閥，類似線性的可控段作為發(fā)電流-壓力特性表示

Pcl=β1Icurrent,cl+β2

(8)

DNR離合器接合過程時，摩擦盤壓力與扭矩關(guān)系可表示為

Tcl=λ1Pcl+λ2

(9)

將式(8)和(9)代入(7)，并整理得

(10)

為避免換擋沖擊，如果將某一不變常數(shù)作為渦輪轉(zhuǎn)矩加速度變化率的控制目標(biāo)，式(6)可轉(zhuǎn)化為目標(biāo)驅(qū)動電流的形式

θ1Tt+θ2

(11)

式中：ωt為渦輪轉(zhuǎn)速；Tt為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；θ1,θ2為不確定時變性參數(shù)；α1,α2為整車質(zhì)量及旋轉(zhuǎn)慣量相關(guān)參數(shù)；β1,β2為電磁特性和液壓執(zhí)行系統(tǒng)增益相關(guān)參數(shù)；λ1,λ2為彈簧剛度及摩擦特性相關(guān)參數(shù)。

魯棒控制Lyapunov函數(shù)策略就是解決換擋沖擊中所包含的不確定因素，通過式(11)調(diào)整控制參數(shù)θ1,θ2，補(bǔ)償系統(tǒng)變化及不確定性問題。為保證接合過程的平順性，作為控制目標(biāo)的渦輪加速度需保持平穩(wěn)，因此取系統(tǒng)的狀態(tài)約束和控制約束為

(12)

根據(jù)渦輪加速度狀態(tài)約束范圍，可以表達(dá)出Lyapunov函數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)的二次型性能方程

(13)

(14)

(15)

則θ=[θ1θ2]T?？梢则?yàn)證，式(15)為不確定系統(tǒng)式(13)和(14)的一個RCLF，通過式(7)～式(9)整理式(15)得

(16)

-γ(γ1Tt+γ2)e2=-γ2e2<0

(17)

根據(jù)上述分析，參數(shù)補(bǔ)償?shù)腞CLF規(guī)則易于實(shí)現(xiàn)，其中根據(jù)Lyapunov函數(shù)的判據(jù)，控制目標(biāo)的偏差具有漸進(jìn)穩(wěn)定性。將其用于離合器模塊接合系統(tǒng)的控制，接合控制原理如圖5所示。

圖5 離合器RCLF控制接合原理圖Fig.5 Clutch engaging process based on RCLF control diagram

3 基于魯棒控制Lyapunov函數(shù)的整車起步仿真

3.1 整車起步仿真模型

本文以國產(chǎn)某CVT轎車為研究對象，車型主要參數(shù)如表1所示。以離合器魯棒控Lyapunov函數(shù)模型替代傳統(tǒng)模型，建立如圖6所示的整車仿真模型，主要包括：發(fā)動機(jī)模型、離合器模型和阻力矩模型等的整車仿真模型。

表1 國產(chǎn)某CVT車型技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of domestic vehicle with CVT

圖6 基于RCLF控制的整車仿真模型Fig.6 The complete vehicle simulation model based on RCLF control diagram

3.2 不同節(jié)氣門開度的整車試驗(yàn)分析

本文以DNR離合器油缸壓力在目標(biāo)時刻變化和整車起步時的沖擊度，作為衡量該控制系統(tǒng)起步性能的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)整車仿真模型，測試基于傳統(tǒng)模型和魯棒性Lyapunov函數(shù)模型的整車仿真效果。分別在怠速工況，中等節(jié)氣門開度40%以及較大節(jié)氣門開度60%，分別進(jìn)行起步仿真，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7所示為基于傳統(tǒng)線性壓力比例控制的離合器接合過程曲線。發(fā)動機(jī)油門開度增加至40%時，離合器PWM下降，DNR離合器油缸壓力曲線在目標(biāo)時刻未發(fā)生變化，而是在充油結(jié)束的2.6 s后開始上升，在主動輪轉(zhuǎn)速不變的情況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速開始下降，車輛沖擊度達(dá)到10 m/s3，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)上限，由此判斷該控制系統(tǒng)在存在充油不足。圖8所示為基于RCLF控制模型的離合器接合過程曲線，該控制算法對比例控制離合器充油時間進(jìn)行補(bǔ)償，其表明了起步?jīng)_擊度有所降低，提升了換擋品質(zhì)。圖8(a)怠速工況下，離合器油缸壓力隨PWM的變化在1 s后開始上升，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速相繼在2.4 s出現(xiàn)明顯下降，整車沖擊度達(dá)到4 m/s3；圖8(b)中等節(jié)氣門開度下，離合器油缸壓力上升時刻，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速和主動輪轉(zhuǎn)速整體均上升；圖8(c)較大節(jié)氣門開度下，從控制效果可以明顯看出，利用RCLF控制替代傳統(tǒng)控制方法，離合器的接合控制過程可達(dá)到預(yù)期效果。

為驗(yàn)證本文所提出的基于RCLF模型的控制效果，在國產(chǎn)某車型上進(jìn)行了小節(jié)氣門開度和較大節(jié)氣門開度的起步試驗(yàn)，試驗(yàn)所得沖擊度均未超過德國標(biāo)準(zhǔn)10 m·s3，并與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

圖7 傳統(tǒng)模型控制下離合器接合過程曲線和起步?jīng)_擊度Fig.7 Clutch engaging curve based on traditional control and starting shock

4 結(jié) 論

本文基于魯棒控制Lyapunov函數(shù)(Rrobust Control Lyapunov Function,RCLF)，構(gòu)造了離合器充油和滑摩階段的魯棒控制器，并與傳統(tǒng)比例控制下的離合器油缸充油速度和整車沖擊度進(jìn)行比較分析。此外，搭建了整車仿真模型，分別在怠速工況、中等油門開度工況和較大油門開度工況下完成整車仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：基于RCLF的離合器控制系統(tǒng)的執(zhí)行性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制，RCLF的控制使得離合器油缸壓力能更迅速響應(yīng)變化，且起步?jīng)_擊度小于傳統(tǒng)控制，可以準(zhǔn)確的反映離合器液壓控制系統(tǒng)真實(shí)性，對提高新一代CVT車輛的起步舒適性具有一定的實(shí)際參考價值。