孔慧芳， 柴會武, 鮑 偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

一種雙離合自動變速器換擋規(guī)律的修正方法

孔慧芳， 柴會武, 鮑 偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章針對搭載雙離合自動變速器(dual clutch transmission,DCT)的車輛制定了傳統(tǒng)的兩參數(shù)綜合換擋規(guī)律,分析了此換擋規(guī)律在不同的駕駛意圖、行駛環(huán)境下出現(xiàn)不必要換擋的原因。為減少不必要的換擋,綜合考慮駕駛員意圖以及行駛環(huán)境,通過模糊控制方法確定了換擋規(guī)律修正因子。建立仿真模型,并對比分析了傳統(tǒng)換擋規(guī)律和修正換擋規(guī)律在不同駕駛意圖和行駛環(huán)境下的換擋情況,仿真結(jié)果表明該修正換擋規(guī)律能夠有效消除不必要的換擋現(xiàn)象。

雙離合自動變速器(DCT);換擋規(guī)律;模糊控制;修正

0 引 言

雙離合自動變速器(dual clutch transmission,DCT) 是由平行軸式手動變速器發(fā)展而來,它繼承了手動變速器傳動效率高、安裝空間緊湊和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),此外在換擋過程中不存在動力中斷,具有良好的換擋品質(zhì)[1]。換擋控制是保證換擋品質(zhì)的核心技術(shù)之一,而換擋規(guī)律優(yōu)劣直接影響換擋品質(zhì)乃至整車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性等性能[2]。換擋規(guī)律不僅應(yīng)有根據(jù)駕駛員要求確定的動力性、經(jīng)濟(jì)性和綜合性等模式,還應(yīng)有加速超車、緊急制動或坡道等復(fù)雜工況下的模式[3]。這些模式下,若采用普通換擋規(guī)律,可能會產(chǎn)生頻繁或不必要的換擋現(xiàn)象[4],而意外升降擋及頻繁換擋的最大影響就是使乘客感到不舒服,而且還會影響離合器和同步器的使用壽命。

針對這些問題,文獻(xiàn)[5]采用基于油門開度及其變化率的模糊控制方法對傳統(tǒng)換擋規(guī)律進(jìn)行修正,提出的智能修正型換擋規(guī)律避免了平直路面的循環(huán)換擋;文獻(xiàn)[6-7]建立了擋位決策的模糊專家系統(tǒng),提高了汽車換擋的準(zhǔn)確性;文獻(xiàn)[8] 提出了基于Takagi-Sugeno模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車速和油門開度兩參數(shù)擋位判斷方法,提高了車輛在典型路況和不同駕駛員意圖下的擋位識別準(zhǔn)確度;文獻(xiàn)[9]提出采用動態(tài)三參數(shù)換擋規(guī)律,充分考慮了加速度對換擋時刻的影響,使車輛具有更好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性;文獻(xiàn)[10] 提出了以加速度為控制參量的包含升、降擋模糊控制器的換擋策略，有效避免了車輛在復(fù)雜路況下的換擋循環(huán);文獻(xiàn)[11]建立了DCT模糊修正換擋模塊,解決了駕駛員不當(dāng)操作所引起的頻繁換擋和意外換擋現(xiàn)象;文獻(xiàn)[12] 采用模糊邏輯技術(shù)對駕駛意圖和行駛工況進(jìn)行統(tǒng)一識別,并在已劃分的各種模式基礎(chǔ)上進(jìn)行了各模式下標(biāo)準(zhǔn)換擋規(guī)律的智能修正。

本文綜合考慮車輛行駛環(huán)境和駕駛員意圖,對基于油門開度和車速的傳統(tǒng)綜合換擋規(guī)律在特殊工況下的控制效果進(jìn)行分析,利用模糊智能控制技術(shù),選定油門開度、油門開度變化率以及車速變化率3個參數(shù)作為輸入,通過輸出修正因子對換擋臨界車速進(jìn)行修正,不僅可以減少平路時不同路況及駕駛員意圖下的不必要換擋現(xiàn)象,而且車速變化率的引入也可減少坡道工況下車輛的意外換擋,并且保證傳統(tǒng)換擋規(guī)律在常規(guī)路面行駛時的優(yōu)點(diǎn)。該控制算法無需增加傳感器,算法調(diào)試工作量小,適用性較好。

1 復(fù)雜工況對換擋規(guī)律的影響分析

按照文獻(xiàn)[13]中最佳換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)方法,本文以某搭載6擋DCT的車型制定了兩參數(shù)換擋規(guī)律。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和動力性[14]制定綜合換擋規(guī)律。

由于車輛動力學(xué)系統(tǒng)是一個由“人-車-環(huán)境”構(gòu)成的統(tǒng)一的閉環(huán)系統(tǒng),必須根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)、路面狀況和駕駛員意圖完成換擋規(guī)律的智能決策,篇幅所限,本文選取以下幾種工況進(jìn)行分析。

(1) 快速超車工況。 車輛需要超車時,油門開度迅速增加,而車輛由于慣性提速滯后,若仍采用一般的換擋規(guī)律,在特定速度范圍則會產(chǎn)生意外換擋,如圖1中a、b、c點(diǎn)所示,超車前車輛為4擋,如圖中1a點(diǎn)所示,超車時短時間內(nèi)發(fā)生降擋再升擋的意外換擋。

(2) 緊急制動、下坡、轉(zhuǎn)彎工況。車輛遇到下坡或緊急制動時,駕駛員通常會迅速松開油門,迅速松開油門可能導(dǎo)致車輛意外升擋,如圖1中j、k、l點(diǎn)所示,下坡前車輛在4擋,如圖1中j點(diǎn)所示,油門迅速減小時,發(fā)生jk+kl的意外換擋現(xiàn)象。制動情況類似,只是車速由l點(diǎn)移動到o點(diǎn)。同樣,在轉(zhuǎn)彎工況下車速油門變化如圖1中mp和mn+no+op線段,車輛短時間內(nèi)會出現(xiàn)意外升擋再降擋現(xiàn)象。

圖1 快速超車、緊急制動等工況下意外換擋

(3) 城市道路工況。在城市道路工況下,由于路況復(fù)雜以及紅綠燈的原因,車速不斷波動,駕駛員為了保持車輛低速平穩(wěn)運(yùn)行,需不斷的調(diào)整油門開度,這樣便會造成油門開度的頻繁變化,而車速變化滯后。若駕駛員操作不熟練可能導(dǎo)致車輛頻繁換擋,如圖2所示。圖2中,df、gi方向?yàn)槠谕{駛員操作,當(dāng)駕駛員按de、gh方向改變油門開度時,車輛便可能會發(fā)生頻繁換擋,造成行駛舒適性變差。

圖2 城市道路工況下意外換擋

2 智能修正型換擋規(guī)律

2.1 修正方法介紹

由上述分析可知,基本換擋規(guī)律下,車輛在快速超車、緊急制動等特殊工況下可能會出現(xiàn)意外換擋現(xiàn)象,其主要原因是由于油門-車速的不對應(yīng)變化(車速未隨油門變化而及時、相應(yīng)地改變)。現(xiàn)采用模糊控制方法,模糊控制器實(shí)時跟蹤當(dāng)前的油門開度、車速變化,通過判斷此時油門開度、車速的變化趨勢輸出相應(yīng)的換擋修正因子。本文采用Sugeno型模糊控制方法,輸出范圍為0～1,經(jīng)2倍增益后可以對標(biāo)準(zhǔn)換擋規(guī)律的臨界車速進(jìn)行修正。當(dāng)車輛此時的油門開度和車速對應(yīng)變化時,模糊控制器輸出增益后等于1的換擋修正因子,保持基本換擋規(guī)律的換擋臨界車速;當(dāng)車輛此時的油門開度和車速不對應(yīng)變化時,模糊控制器輸出增益后不等于1的換擋修正因子,改變基本換擋規(guī)律的換擋臨界車速,從而實(shí)現(xiàn)對基本換擋規(guī)律的修正,保證車輛合理換擋。

以快速超車工況為例說明其控制原理?？焖俪嘺b段,油門迅速增加,車速變化很小,模糊控制器輸出降擋修正因子,減小降擋臨界車速,油門變化率越大,相應(yīng)的降擋修正因子越小,則可避免車輛意外降擋;bc段,油門較大且不變化,此時車速迅速增加,車輛應(yīng)該升擋,控制器輸出最小的降擋修正因子,最大程度抑制車輛意外降擋,達(dá)到c點(diǎn)后,油門、車速變化穩(wěn)定,模糊控制器的輸出不改變原換擋規(guī)律。同樣,在下坡工況中,jk段油門迅速降低,車速基本保持不變,通過模糊控制器輸出升擋修正因子,增大升擋臨界車速,油門變化率越小,相應(yīng)的升擋修正因子越大,則可避免車輛意外升擋,kl段油門很小保持不變,車速迅速減小,此時車輛應(yīng)降擋同時抑制意外升擋,控制器輸出最大的升擋修正因子,最大程度抑制車輛意外升擋。在l點(diǎn)時,油門開度和車速保持穩(wěn)定值,通過模糊控制器輸出的換擋修正因子不改變原有的換擋規(guī)律。城市道路工況的控制原理相同。

換擋規(guī)律在線修正的控制框圖如圖3所示。

圖3中,g為當(dāng)前擋位；v為車速；α為油門開度；dα為油門開度變化率；dv表示車速變化率;ru、rd分別為增益后的升、降擋臨界車速修正因子；vi+1、vi-1分別為由g和α決定的升降擋臨界車速;vu、vd分別為實(shí)際升、降擋臨界車速。

圖3 智能換擋規(guī)律控制框圖

2.2 修正因子的模糊控制器設(shè)計(jì)

Sugeno型模糊控制方法的輸出變量可為常值系數(shù),適合對升降擋規(guī)律的修正。由于油門開度α和車速v在一定程度上可以反映道路情況,而車速變化率dv可以反映車輛當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài),因此本文選取表征駕駛員意圖的油門開度α以及油門開度變化率dα和反映車輛運(yùn)行狀態(tài)的車速變化率dv作為模糊控制器的實(shí)時輸入,模糊控制器迅速做出反映輸出升降擋車速修正因子。由于Sugeno型模糊控制器輸出范圍為0～1,需在輸出的修正因子上乘以增益2,以便提高、保持或降低換擋臨界車速。當(dāng)升擋臨界車速修正因子ru≥1時,保持或提高升擋臨界車速;當(dāng)降擋臨界車速修正因子rd≤1時,保持或降低降擋臨界車速。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和仿真結(jié)果的反饋信息不斷進(jìn)行修正,確定Z 函數(shù)、S 函數(shù)和三角形函數(shù)相結(jié)合的隸屬度函數(shù),各輸入變量隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 輸入變量隸屬度函數(shù)

圖4中，定義模糊輸入變量油門開度的論域?yàn)閇0 100],即油門開度變化范圍為0～100。模糊集為S(小) 、M(中) 、B(大);模糊輸入變量油門開度變化率的論域?yàn)閇-60 60],超過此范圍按邊界值處理,模糊集為NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PB(正大);模糊輸入變量車速變化率的論域?yàn)閇-40 40],超過此范圍按邊界值處理,模糊集為NB(負(fù)大)、Z(零)、PB(正大);模糊輸出變量升擋修正因子的模糊集為M(0.5)、B(0.75)、VB(1);模糊輸出變量降擋修正因子的模糊集為VS(0.1)、S(0.3)、M(0.5)。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)修正,并參照模糊換擋原則,制定出換擋修正因子的控制規(guī)則，見表1所列。

表1 換擋修正因子的模糊規(guī)則表

表1中的控制規(guī)則可以用以下45條模糊條件語句來描述:

IFα=S and dα=NB and dv=NB thenru=M andrd=M

IFα=S and dα=NS and dv=NB thenru=M andrd=M

?

IFα=B and dα=PB and dv=PB thenru=M andrd=M。

3 仿真分析

為驗(yàn)證本模糊控制器對特殊工況下車輛換擋規(guī)律的改進(jìn)效果,在Matlab/Simulink環(huán)境下,本文以某搭載6擋DCT車型的整車參數(shù)建立整車動力學(xué)模型[15]進(jìn)行換擋仿真,并與傳統(tǒng)換擋規(guī)律進(jìn)行對比。

車輛部分主要參數(shù)如下:整備質(zhì)量為1 200 kg,空氣阻力系數(shù)為0.35,迎風(fēng)面積為1.96 m2,車輪半徑為0.31 m,傳動效率為0.98,滾動阻力系數(shù)為0.012,主減速比為4.5,DCT6擋速比為3.455、2.0、1.373、1.056、0.88、0.765。

3.1 快速超車工況

快速超車工況下的仿真結(jié)果如圖5所示,由圖5c修正前換擋規(guī)律仿真結(jié)果可知:起始時油門緩慢增加,車速也相應(yīng)增加,擋位依次升到5擋;100 s時油門快速增加準(zhǔn)備超車,此時車速變化滯后,出現(xiàn)5→4→3→4的意外換擋現(xiàn)象;200 s時車輛超車結(jié)束,迅速收油門,車速減小,傳統(tǒng)換擋規(guī)律正常換擋;250 s時,車輛進(jìn)入彎道,油門迅速降到最小(一般為1%),車速減小滯后,出現(xiàn)5→6→5的意外換擋;340 s時車輛轉(zhuǎn)彎結(jié)束,油門開始緩慢增加,車速隨之緩慢增加,車輛正常升擋。結(jié)合圖5d，對比圖5c和圖5e可知:100 s時,控制器輸出增益后小于1的降擋修正因子,減小降擋臨界車速,抑制4→3的意外降擋現(xiàn)象;200 s時,控制器輸出增益后大于1的升擋修正因子,增大升擋臨界車速,確保車輛不是意外升擋;250 s時,控制器輸出增益后大于1的升擋修正因子,抑制了5→6的意外升擋。

圖5 快速超車工況仿真結(jié)果

3.2 坡道、緊急制動工況

坡道、緊急制動工況下的仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6c修正前換擋規(guī)律仿真結(jié)果可知:車輛在41 s時遇到上坡,油門開始增加,車速下降,擋位依次降到2擋準(zhǔn)備降擋上坡,此時的油門、車速狀態(tài)在傳統(tǒng)換擋規(guī)律下未發(fā)生意外換擋;100 s時車輛上坡結(jié)束,油門減小,車速增加,擋位依次上升到4擋,車輛在平直道路正常行駛;196 s時遇到下坡,油門迅速降到最小,此時車速降低準(zhǔn)備下坡,發(fā)生4擋升5擋的意外升擋,然后車輛便以4擋穩(wěn)定行駛;301 s時下坡結(jié)束,車輛油門增加準(zhǔn)備加速,車速增加滯后,發(fā)生4擋降3擋的意外降擋;361 s時車輛緊急制動,油門迅速降低同時制動踏板開度增加,擋位迅速升至5擋后依次降至1擋。

結(jié)合圖6d，對比圖6c和圖6e可知:196 s時,控制器輸出增益后的升擋修正因子,增大升擋臨界車速,抑制下坡時發(fā)生的4擋升5擋的意外升擋;301 s時車輛下坡結(jié)束開始加速,控制器輸出增益后的降擋修正因子,抑制車輛4擋降3擋;361 s時車輛緊急制動,控制器輸出增益后的升擋修正因子,抑制車輛的意外升擋,使車輛正常依次降擋。

圖6 坡道、緊急制動工況仿真結(jié)果

3.3 城市擁擠道路工況

城市擁擠道路工況下的仿真結(jié)果如圖7所示。

為了保證車速相對穩(wěn)定,油門開度不斷變化,導(dǎo)致車輛頻繁升降擋,通過模糊控制器輸出增益后的升降擋修正因子,抑制車輛的頻繁換擋。由圖7e可知，修正后的擋位連續(xù)升至5擋后,保持5擋正常運(yùn)行。

圖7 城市擁擠道路工況仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計(jì)了DCT車輛的傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律,分析了在傳統(tǒng)兩參數(shù)換擋規(guī)律的控制下,車輛產(chǎn)生不合理換擋現(xiàn)象的原因?yàn)?在不同行駛環(huán)境和駕駛員意圖下車輛的油門開度和車速的不對應(yīng)變化,導(dǎo)致車輛發(fā)生意外換擋。

(2) 基于Sugeno型模糊控制方法,設(shè)計(jì)了智能修正型換擋規(guī)律。該模糊控制系統(tǒng)以油門開度、油門開度變化率以及車速變化率作為輸入,輸出為升、降擋規(guī)律換擋臨界車速的修正因子。實(shí)際升、降擋車速為傳統(tǒng)換擋規(guī)律臨界車速與相應(yīng)的修正因子的積。

(3) 結(jié)合搭載6DCT的某試驗(yàn)車,對修正后的換擋規(guī)律進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,此智能換擋規(guī)律在保留兩參數(shù)換擋規(guī)律優(yōu)點(diǎn)的同時,可以避免車輛在不同行駛環(huán)境以及駕駛員意圖下產(chǎn)生的頻繁換擋及意外換擋現(xiàn)象的發(fā)生。

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(責(zé)任編輯 閆杏麗)

A correction method of shift schedule for dual clutch transmission

KONG Huifang, CHAI Huiwu, BAO Wei

(School of Electric Engineering and Automation， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

For the traditional two-parameter comprehensive shift schedule of the car with dual clutch transmission(DCT)， the causes of unnecessary shifting happened under different driver’s intension and driving environment are analyzed. To avoid this， the correction factor based on two-parameter comprehensive shift schedule is proposed by using fuzzy control method. Based on the simulation model， the traditional comprehensive shift schedule and the corrected shift schedule are compared under different driver’s intension and driving environment， verifying the effectiveness of the corrected shift schedule proposed.

dual clutch transmission(DCT); shift schedule; fuzzy control; correction

2016-02-01；

2016-03-15

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BAG06B02);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014HGCH0003)

孔慧芳(1964-),女,安徽蚌埠人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.001

TP271.4

A

1003-5060(2017)08-1009-06