程一帆，李雪松，高炳釗，洪金龍，張國旭，陳 虹

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；

2.同濟大學(xué)機械工程博士后站，同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；3.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804）

前言

汽車電控技術(shù)已經(jīng)成為汽車性能提升的核心使能技術(shù)，但同時也增加了設(shè)計、標定與驗證環(huán)節(jié)的難度?；谀Ｐ偷目刂葡到y(tǒng)開發(fā)（model?based development，MBD）有著縮短項目時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少對物理原型的依賴等優(yōu)勢［1］。而目前國外各大汽車∕零部件廠商的控制系統(tǒng)開發(fā)進程普遍遵循V流程，其中model?based理念貫穿控制需求、設(shè)計和驗證等所有子進程，因此各大廠商正在逐步加大應(yīng)用基于模型的開發(fā)標準的占比，如：日本NISSAN公司于1999年將基于模型的理念應(yīng)用到系統(tǒng)開發(fā)中，目前已擴展至約85%的項目中［2］；德國ZF公司開展了基于模型的自動變速器軟件開發(fā)的設(shè)計項目，結(jié)果表明可以顯著減少代碼量（傳統(tǒng)開發(fā)的15%）和故障率［3］；瑞典沃爾沃公司通過使用自動測試系統(tǒng)，大大加快了開發(fā)進度并保證了貨車制動系統(tǒng)的可靠性［4］；美國福特公司的車道保持系統(tǒng)在結(jié)合了基于模型的開發(fā)模式后，有助于排除錯誤檢測并減少昂貴的原型測試［5］。

然而當(dāng)前汽車行業(yè)在基于模型開發(fā)的控制算法設(shè)計階段往往考慮采用PID和前饋查表控制［6］，忽略將控制器設(shè)計作為單獨環(huán)節(jié)，這樣會帶來兩個問題：（1）為了優(yōu)化PID和前饋查表法所需的控制參數(shù)，需要大量費時費力的臺架標定和實車試驗標定，并且基于靜態(tài)工況點的標定仍難以保證實際瞬態(tài)工況的控制性能；（2）面向控制的模型不可避免會有模型誤差，尤其是對于汽車系統(tǒng)，負載工況范圍廣、路面狀況和環(huán)境復(fù)雜多變等都會帶來較大的建模誤差。因此在進行電控系統(tǒng)基于模型的開發(fā)時又要同時考慮以下要素：（1）建模，在建立面向控制的模型時，要考慮其主要動力學(xué)成分，又要保證其階次不宜過高；（2）標定工作量，為了縮短電控系統(tǒng)開發(fā)周期、減少臺架和實車試驗標定工作量，設(shè)計的控制算法要同時具有實現(xiàn)控制參數(shù)整定的規(guī)律；（3）工具化，開發(fā)工程師往往不能理解復(fù)雜算法的推導(dǎo)過程，導(dǎo)致很多控制理論方法無法在行業(yè)發(fā)揮作用，因此應(yīng)當(dāng)考慮汽車多樣的運行工況和使用條件，開發(fā)出相應(yīng)工具填補研究人員和開發(fā)人員之間的斷層。

對于傳動系統(tǒng)而言，電控機械式自動變速器（automated mechanical transmission，AMT）由于具有高傳動效率、低制造成本等優(yōu)勢，在能源利用越來越嚴峻的形勢下得以快速發(fā)展。但由于AMT的定軸齒輪部分缺少黏性緩沖元件，普遍采用干式離合器進行動力切換，而離合器的滑摩控制對其磨損情況、壽命和駕乘人員舒適性等影響很大。因此針對AMT關(guān)鍵控制問題，國內(nèi)外學(xué)者從兩方面思路進行了大量研究：（1）通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實現(xiàn)無動力中斷技術(shù)［7-9］；（2）干式離合器滑摩算法優(yōu)化［10-12］。上述研究雖然優(yōu)化了AMT動力學(xué)控制問題并得到驗證，但對于采用控制理論方法來改進產(chǎn)品開發(fā)流程方面的研究較少。

因此，本文中介紹了基于顯式控制律設(shè)計的AMT電控系統(tǒng)開發(fā)流程，并與傳統(tǒng)開發(fā)思路進行對比說明其優(yōu)勢。首先建立AMT電控系統(tǒng)面向控制的數(shù)學(xué)模型并提煉出干式離合器滑摩關(guān)鍵控制目標；然后進行基于顯式控制律推導(dǎo)的控制器設(shè)計；之后設(shè)計用于虛擬標定的界面工具；最后通過快速原型技術(shù)在車載控制單元中進行試驗驗證和應(yīng)用。

1 電控系統(tǒng)開發(fā)流程與對比

干式離合器滑摩控制是設(shè)計AMT控制系統(tǒng)的難點之一，其摩擦片與壓盤之間的夾緊力變化會直接反映到汽車縱向加速度上，因此對AMT動力切換過程中的駕駛性能有很大影響［13］。目前傳統(tǒng)開發(fā)方式，主要借助符合工程經(jīng)驗的“快-慢-快”接合規(guī)律對干式離合器進行控制，如圖1所示，其原理是在空行程和完全接合后加快離合器接合速度以減少鎖止時間和滑摩損失，而在滑摩階段降低離合器接合速度以保證駕駛平順性。

圖1 干式離合器“快-慢-快”接合規(guī)律

上述傳統(tǒng)開發(fā)方式的流程如圖2右圖所示，對“快-慢-快”接合規(guī)律的具體控制策略如圖3所示?？梢钥闯?，該開發(fā)方式經(jīng)過劃分典型工況、大量實車標定驗證和可靠性路試后，能夠獲得較好的平順性效果，但此過程有以下缺陷：（1）開發(fā)效果過于依賴工程師經(jīng)驗；（2）未考慮極端工況下的傳動系變化，控制效果無法保證；（3）標定工作量過大，對不同工況、不同工作點和控制器參數(shù)均需實車試驗驗證，若控制效果無法通過標定優(yōu)化，則需要重新細分工況再次試驗。

圖2 基于顯式控制律設(shè)計的開發(fā)流程與傳統(tǒng)開發(fā)流程對比

圖3 基于“快-慢-快”接合規(guī)律的具體控制策略

為了考慮前言中所提到的MAP查表法帶來巨大標定工作量和模型誤差兩個問題，本文中加入控制器設(shè)計環(huán)節(jié)，提出基于顯式控制律設(shè)計的AMT電控系統(tǒng)正向開發(fā)流程，如圖2左圖所示。首先對離合器滑摩階段的動力學(xué)特點進行分析、建模，設(shè)計顯式推導(dǎo)的抗擾最優(yōu)控制律，并通過軟件在環(huán)（software?in?the?loop）進行驗證；其次開發(fā)出基于上述控制律的虛擬標定工具，并將標定優(yōu)化出的控制參數(shù)直接用于快速原型（rapid control prototyping）實車驗證；最后通過產(chǎn)品級控制器進行系統(tǒng)集成和真實場景路試。如任一環(huán)節(jié)不滿足平順性要求，工程師可即時通過標定工具實現(xiàn)快速的虛擬標定，并重新驗證。

綜合以上分析，兩種開發(fā)方式的特點對比如表1所示。

表1 開發(fā)流程對比

2 基于模型的顯式控制律設(shè)計

裝載AMT車輛的動力性和駕駛品質(zhì)會受道路環(huán)境變化（如道路坡度、整車質(zhì)量）和離合器摩擦不確定性（如工作溫度變化、長期滑摩導(dǎo)致摩擦因數(shù)變化、膜片彈簧剛度衰減）等影響。本節(jié)中，為了考慮上述由參數(shù)變化和不確定性引起的時變擾動，設(shè)計了基于顯式控制律推導(dǎo)的抗擾最優(yōu)控制器和擾動觀測器［14］，并提出基于干式離合器位移的控制策略。該控制策略抑制了時變擾動對控制系統(tǒng)的影響，因此免去了依靠工程經(jīng)驗劃分工況的步驟，大大縮減了標定工作量。

2.1 傳動系建模

當(dāng)離合器處于滑摩階段時，發(fā)動機到變速器輸出軸部分可簡化為如圖4所示的二質(zhì)量模型。

式中：ωe為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；ωc為離合器輸出轉(zhuǎn)速；Te為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩；Tc為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩；Tl為等效阻力矩；Ce和Cv為主、從動端的等效阻尼系數(shù)；Ie和Iv為離合器主、從動盤的等效轉(zhuǎn)動慣量。

圖4 簡化的傳動系二質(zhì)量模型

令滑摩轉(zhuǎn)速差Δω=ωe-ωc，前文中提到了建模誤差、車輛行駛環(huán)境變化和離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的非線性等擾動因素，假設(shè)將其耦合成一項d，可將式（1）簡化為

2.2 抗擾控制器與擾動觀測器設(shè)計

將式（2）整理成狀態(tài)空間方程形式，得其中

狀態(tài)矩陣分別為

由式（4）可知p和B p是可測變量及其系統(tǒng)矩陣，d和B d是擾動變量及其系統(tǒng)矩陣。

為了同時保證平順性和滑摩快速性，目標函數(shù)選擇如式（6）的形式，式中Q和R分別是快速性控制權(quán)重和平順性控制權(quán)重。由式（4）可知，yTQ y=qΔωΔω2一項使滑摩轉(zhuǎn)速差Δω盡快變化至0，從而使離合器接合時間和滑摩功最小，uTRu=rT?*2c一項保證傳遞轉(zhuǎn)矩不會急劇變化，從而減小了動力切換過程中的沖擊度。

為保證控制器時變擾動抑制性能，根據(jù)文獻［14］提出的新型乘子函數(shù)形式求解目標函數(shù)式（6），最終推導(dǎo)出控制律為

其中

式中：K x、K p、K d為控制器系數(shù)；P、h p、h d為求解上述優(yōu)化問題過程中產(chǎn)生的中間參數(shù)。

由于傳統(tǒng)的基于模型開發(fā)效果過于依賴模型精度，本節(jié)沿用文獻［14］觀測器形式估計包含模型誤差在內(nèi)的系統(tǒng)擾動。從式（7）可以看出，所提出的控制器不僅包括車輛狀態(tài)信息，還包括擾動信息，理論上來說具有較好的擾動抑制能力。

上述推導(dǎo)過程對于電控系統(tǒng)開發(fā)流程而言，有兩點值得指出：（1）如式（7）所示的顯式控制律能優(yōu)化傳遞轉(zhuǎn)矩，從而完成駕駛品質(zhì)的控制目標；（2）如式（6）所示的目標函數(shù)只需調(diào)整控制權(quán)重即可實現(xiàn)有效側(cè)重，因此該顯式控制律可通過簡單易懂的參數(shù)整定規(guī)律進行修正，減少了后續(xù)標定過程的工作量。

2.3 控制策略實現(xiàn)

利用上述抗擾最優(yōu)控制器和擾動觀測器，本節(jié)提出基于干式離合器位移的AMT動力切換控制策略，對離合器執(zhí)行機構(gòu)的位移進行規(guī)劃，控制框圖如圖5所示。其中，抗擾控制器輸出的目標離合器轉(zhuǎn)矩通過式（9）轉(zhuǎn)化為離合器夾緊力，并通過查表最終作用于離合器執(zhí)行機構(gòu)位移。式中為離合器輸出轉(zhuǎn)矩；μd為離合器摩擦因數(shù)，μd=0.4；Rc為離合器有效摩擦半徑；N為離合器摩擦片數(shù)，N=2。

圖5 控制策略實現(xiàn)的框圖

3 虛擬標定工具設(shè)計

電控系統(tǒng)標定技術(shù)屬于開發(fā)過程的核心技術(shù)［15］，為了彌補研究人員和開發(fā)人員之間的技術(shù)斷層，需要將電控系統(tǒng)開發(fā)過程“工具化”，幫助工程師理解開發(fā)原理。因此，利用上述控制器可通過調(diào)整式（6）中控制權(quán)重Q和R，從而實現(xiàn)控制效果有效側(cè)重的特點，本節(jié)開發(fā)了人機交互的可視化工具，用于軟件在環(huán)測試的虛擬標定過程，從而協(xié)助工程師簡化實車標定環(huán)節(jié)。該工具利用Matlab∕GUI模塊進行編寫，無需編寫復(fù)雜函數(shù)即可實現(xiàn)預(yù)期功能［16］。

3.1 功能實現(xiàn)

虛擬標定工具的功能實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 虛擬標定工具功能實現(xiàn)的流程

3.2 工具操作

標定工具的界面如圖7所示，各區(qū)域可實現(xiàn)的功能如下：

（1）參數(shù)輸入?yún)^(qū)，改變車輛構(gòu)型參數(shù)或相關(guān)動力學(xué)參數(shù)，如整車質(zhì)量、道路坡度、傳動速比等；

（2）控制參數(shù)輸入?yún)^(qū)，進行本文第2節(jié)的控制器計算，得到優(yōu)化后的控制器權(quán)重參數(shù)；

（3）結(jié)果顯示區(qū)，查看不同參數(shù)下的動力學(xué)曲線，并放大縮小查看各動力學(xué)階段細節(jié)；

（4）參數(shù)輸出區(qū)，獲取相關(guān)的性能評價指標，如滑摩功、最大沖擊度和滑摩時間，并采集虛擬標定數(shù)據(jù)以對比得出優(yōu)化結(jié)果。

圖7 標定工具的界面

界面中有3個按鈕：單擊“計算”按鈕可計算出優(yōu)化控制參數(shù)；單擊“仿真”按鈕可在Simulink模型中進行仿真；單擊“記錄”按鈕可采集當(dāng)前工況的車輛參數(shù)和仿真結(jié)果。所設(shè)計的參數(shù)標定軟件已通過Matlab編譯環(huán)境下的仿真驗證，并通過Github公布了這個工具［17］。

4 快速原型試驗驗證

為進一步對基于顯式控制律的抗擾控制器和虛擬標定工具進行驗證，本節(jié)利用整車平臺和快速原型技術(shù)進行了真實道路試驗。首先，通過利用第3節(jié)開發(fā)的標定工具，在計算機層面進行多次虛擬仿真與性能對比，根據(jù)駕駛員節(jié)氣門開度θ大小，選擇控制權(quán)重如下：

通過虛擬標定工具計算得出的抗擾最優(yōu)控制器參數(shù)如下，可將其直接輸入到用于實車試驗的快速原型中。

其次，整車平臺是加裝了電控液壓式離合器執(zhí)行機構(gòu)的一汽奔騰1.6L?MT?B50轎車，可實現(xiàn)干式離合器位移的自動控制；快速原型工具是dSPACE MicroAutoBox，在MATLAB∕Simulink環(huán)境下搭建了控制策略模型，并在編譯后導(dǎo)入實時系統(tǒng)中進行實車試驗，如圖8所示。另外，試驗過程中通過車輛CAN總線實時采集到部分關(guān)鍵信號，如：節(jié)氣門開度與制動信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωe、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Te和離合器從動盤轉(zhuǎn)速ωc等。

圖8 整車平臺和快速原型工具

最后，控制策略驗證的具體應(yīng)用案例是AMT汽車起步與換擋過程，依據(jù)節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速是否同步、升降擋邏輯等條件，判斷出當(dāng)前汽車所處的動力學(xué)階段再進行對應(yīng)控制。尤其是在關(guān)鍵的離合器滑摩階段，快速原型控制器實時計算出優(yōu)化后的離合器傳遞轉(zhuǎn)矩目標值，再通過式（9）和MAP查表法轉(zhuǎn)換為離合器位移目標值，之后電控液壓式執(zhí)行機構(gòu)通過前饋查表+反饋PI控制器跟蹤目標位移，實現(xiàn)起步或換擋過程的離合器滑摩優(yōu)化。制動工況時離合器處于完全分離狀態(tài)，保證控制系統(tǒng)能安全運行，具體試驗流程如圖9所示。

圖10 為真實道路工況下AMT起步與換擋的實車試驗結(jié)果，考察節(jié)氣門開度、擋位∕制動、控制器輸出值（離合器傳遞轉(zhuǎn)矩）、轉(zhuǎn)速、沖擊度等瞬態(tài)變化量。對圖10試驗結(jié)果分析可知：（1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速與離合器位移曲線變化平穩(wěn)，響應(yīng)迅速，滿足了試驗實時性要求；（2）坡路換擋與大油門起步時的車輛沖擊度較大，但無論何種工況，其沖擊度均小于8 m∕s3，滿足了復(fù)雜工況下的整車平順性要求；（3）試驗過程無須對復(fù)雜工況進行繁雜的分類標定，而是將對式（10）虛擬標定優(yōu)化后的控制器參數(shù)式（11）直接用于真實道路試驗得到結(jié)果，從而降低了產(chǎn)品標定成本。因此從試驗實時性、控制效果、標定成本等多方面驗證了該開發(fā)流程的有效性。

5 結(jié)論

（1）分析了AMT動力切換時的干式離合器滑摩控制過程，提出基于顯式控制律的電控系統(tǒng)開發(fā)流程，并與傳統(tǒng)開發(fā)流程進行對比；

（2）基于顯式控制律設(shè)計的開發(fā)流程包含以下3部分：推導(dǎo)設(shè)計了考慮動力學(xué)系統(tǒng)時變擾動的抗擾最優(yōu)控制律；基于Matlab∕GUI開發(fā)了用于虛擬標定的界面工具，填補研究人員和開發(fā)人員之間的斷層；通過快速原型技術(shù)進行了真實道路試驗，保證了AMT駕駛品質(zhì)控制效果的一致性；

（3）該開發(fā)流程在控制效果和工程開發(fā)效率兩方面均具有優(yōu)越性，為先進控制技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用提供了可能。

圖9 AMT起步、換擋試驗流程圖

圖10 真實道路下的快速原型試驗結(jié)果（工況：0~43 s和215~253 s為平路升降擋；75~80 s為大油門起步；155~175 s為坡路升擋）