湿式双离合器式自动变速器起步智能控制

学报（自然科学版）JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY （Natural Science Edition ）2011年11月Nov．2011第32卷第6期Vol．32No．6doi ：10．3969/j．issn．1671－7775．2011．06．008湿式双离合器式自动变速器起步智能控制王印束1，程秀生1，冯巍2，李雪松1（1．吉林大学汽车工程学院，吉林长春130022；2．上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）摘要：针对装有湿式双离合器式自动变速器的车辆起步控制问题，根据起步过程的性能评价指标，在综合考虑驾驶员的起步意图、发动机的运行状态及离合器的接合状况的基础上，提出了基于模糊智能控制的湿式双离合器式自动变速器的起步控制策略，确定起步过程中的离合器目标压力，根据离合器目标压力与实际压力值的误差，设计基于FCMAC 的离合器压力智能控制系统，实现离合器压力的精确控制．采用该控制方法进行实车起步试验，验证了控制策略的有效性．试验结果表明：离合器压力控制系统保证了离合器压力的精确控制，起步控制策略能够满足汽车起步过程的平顺性和快捷性要求，使车辆具有良好的起步品质．关键词：双离合器自动变速器；湿式离合器；起步控制；智能控制；模糊控制中图分类号：U463.211.2文献标志码：A 文章编号：1671－7775（2011）06－0658－05收稿日期：2010－10－17基金项目：国家“863”计划项目（2006AA110109）作者简介：王印束（1985—），男，山东临沂人，博士研究生（wangyinshu@yahoo．com．cn ），主要从事汽车自动变速理论与控制技术研究．程秀生（1950—），男，吉林长春人，教授，博士生导师（通信作者，xiusheng_cheng@yahoo．com．cn ），主要从事汽车自动变速理论与控制技术研究．Starting control for wet dual clutch transmission based onintelligent controlWang Yinshu 1，Cheng Xiusheng 1，Feng Wei 2，Li Xuesong 1（1．College of Automotive Engineering ，Jilin University ，Changchun ，Jilin 130022，China ；2．SAIC Motor Technical Center ，Shanghai 201804，China ）Abstract ：In order to solve the starting control problems of vehicle equipped with wet dual clutch trans-mission ，the starting strategy based on fuzzy control was proposed with regarding of driver intention ，en-gine running state and clutch engaging state．The fuzzy controller was designed to solve the starting non-linearities and uncertainties due to variation of vehicle characteristics ，driving condition and driver inten-tion．The wet clutch target pressure of starting phases was determined by the fuzzy controller．Based on fuzzy cerebellar model articulation controller （FCMAC ），the clutch pressure intelligent control arithmetic was designed to realize accurate control of clutch pressure．The vehicle starting experiment was conducted to verify the control strategy．The results show that the clutch pressure control system ensures precise con-trol of clutch pressure ，and starting control strategy meets the requirements of smooth and rapid ride in starting process．The starting quality of vehicle is satisfying according to the proposed control strategy．Key words ：dual clutch transmission ；wet clutch ；starting control ；intelligent control ；fuzzy control 车辆起步过程中，离合器控制问题具有非线性、时变性、强耦合与难于建模的特征，并且车辆起步时存在驾驶员的意图、车况、路况的多变性以及对乘员舒适性、离合器磨损、发动机不熄火等要求，离合器接合速度过快，引起发动机转速的较大波动，造成发动机颤振、熄火，破坏起步的平顺性；离合器接合速第6期王印束等：湿式双离合器式自动变速器起步智能控制659度过慢，滑摩功将会迅速增加，降低离合器使用寿命，不能满足起步的快捷性．针对车辆的湿式离合器特性［1］，为同时满足平顺性和快捷性这2个矛盾的指标，笔者提出应用模糊控制方法，进行离合器目标压力计算，通过实时控制离合器压力增量来平衡起步品质评价指标的控制策略，设计基于FCMAC（fuzzy cerebellar model arti-culation controller，简称FCMAC）的离合器压力智能控制系统，进行离合器压力的精确控制［2－3］，并进行实车试验．1起步性能的评价指标车辆的起步控制是根据路况和驾驶者的意图，合理地控制离合器的接合过程，使车辆按驾驶者意图起步．起步过程的离合器控制应满足：①充分体现驾驶者的意图，在兼顾舒适性的同时，保证车辆起步的快捷性；②发动机运转平稳，不熄火，不失速；③接合平稳，避免产生使乘员感到不舒适的抖动和冲击，减少传动系统动载荷；④保证离合器的使用寿命．衡量车辆起步性能的客观评价指标主要有冲击度和滑摩功．冲击度j是车辆纵向加速度的变化率，其数学表达式为j=d2vd t2=1δmitiηtrdd Tcd t，（1）式中：v为车速；δ为汽车旋转质量换算系数；m为整车质量；i t为起步档位速比；i0为主减速比；ηt为变速器传动效率；r d为车轮滚动半径；T c为离合器摩擦力矩．离合器滑摩功L用来衡量离合器接合过程中主从动盘摩擦做功的大小，其定义如下：L=∫t s tart0T c（ωe－ωc）d t，（2）式中：ωe为发动机角速度；ωc为离合器从动片角速度；t start为起步时间．式（1）表明：冲击度j与离合器摩擦力矩的变化率成正比，摩擦力矩变化越快，离合器结合时间就越短，传动系统冲击度越大．式（2）表明：离合器滑摩功L与离合器主从动片角速度差、滑摩力矩和滑摩时间相关，在湿式离合器中，离合器油温与滑摩功密切相关，因此在试验时用离合器油温来体现滑摩功．2起步智能控制系统2.1离合器目标压力模糊控制器起步控制是根据驾驶员意图、车辆运行状态等因素，按照车辆最佳冲击度和滑摩功，来确定离合器扭矩最佳变化率．针对离合器压力与扭矩的非线性关系，设计模糊控制器，建立合理的离合器起步模糊控制策略．对汽车起步时的离合器接合过程进行分析，可知接合过程分为2个阶段：1）第1阶段为车辆静止状态阶段．此阶段整车处于静止状态，虽然离合器压力迅速升高，但是离合器传递的扭矩不足以克服整车的阻力，因此不会带来冲击，初始压力主要由油门开度和油温决定，其关系如图1所示．图1离合器初始压力图Fig．1Initial clutch pressure2）第2阶段为车辆开始运动阶段．离合器主、从动盘之间传递的扭矩大于起步阻力矩，车辆开始运动，在升压过程中的压力增量，主要根据驾驶者的操作意图和车辆状态确定．这一阶段是离合器控制的重点．车辆在行驶过程中，最能反映驾驶员意图又能为驾驶员熟练掌握的是油门开度，对离合器动态摩擦系数影响最大是离合器主从动片角速度差和离合器油温，因此模糊压力决策系统以离合器主从动片角速度差、油门开度和油温为输入量，离合器压力变化率为输出量，起步模糊压力决策系统是一个三输入单输出结构．模糊控制器的控制规则是由若干语言变量构成的模糊条件语句．根据起步模糊压力决策控制器的需要，选择输入输出变量的词集分别为离合器主从动片角速度差Δω：“很小”（VS）、“小”（S）、“中”（M）、“大”（B）、“很大”（VB）；油门开度α：“很小”（VS）、“小”（S）、“中”（M）、“大”（B）、“很大”（VB）；660江苏大学学报（自然科学版）第32卷离合器油温t em ：“很低”（VS ）、“低”（S ）、“中”（M ）、“高”（B ）、“很高”（VB ）；离合器压力变化率Δp：“很小”（VS ）、“小”（S ）、“中”（M ）、“大”（B ）、“很大”（VB ）．各模糊变量（油门开度、离合器主从动片角速度差、离合器油温、离合器压力变化率）取论域中的隶属度函数为三角形型分布．离合器油温、油门开度、离合器主从动片角速度差和离合器压力变化率的各模糊子集隶属度曲线，如图2所示．图2Δω，α，t em ，Δp 隶属度函数Fig．2Δω，α，t em ，Δp membership function由于起步过程离合器采用多输入变量，为了克服基本模糊控制器在多变量下储存量大和难以调整的缺点，采用分层多规则结构的设计方法，模糊控制器分为两层模糊推理，第1层根据离合器主从动片角速度差Δω以及离合器油温t em 推理出离合器动态摩擦系数μ，第2层根据油门开度α及离合器动态摩擦系数μ推理出离合器压力变化率Δp ，其控制原理如图3所示．图3模糊控制原理示意图Fig．3Schematic diagram of fuzzy control模糊控制规则是模糊控制的核心，参照起步控制主要原则，提出的模糊控制的控制规则：离合器动态摩擦系数模糊控制规则，见表1；离合器压力变化模糊控制规则，见表2．应用Mamdani 直接推理法和“极大－极小”法则进行模糊关系的合成运算，并采用重心法进行反模糊化，可以得到起步过程中的离合器动态摩擦系数模糊控制和离合器压力变化模糊控制规则分别如图4，5所示．表1离合器动态摩擦系数模糊控制规则表Tab．1Fuzzy control rule table of μΔωt emVS S M B VB VS VS S M B VB S S M B M S M M B VB B M B S M B M S VBVSSMSVS表2离合器压力变化模糊控制规则表Tab．2Fuzzy control rule table of ΔpαμVS S M B VB VS M S S VS VS S M M S S VS M B B M M S BB B M M S VBVBVBBBM2.2FCMAC 离合器压力智能控制系统由于电磁阀模型存在一定的非线性关系，且长时间使用后，存在模型精度下降问题，且各个零部件的加工精度也不可能完全相同．因此需要FCMAC 自适应控第6期王印束等：湿式双离合器式自动变速器起步智能控制661制器根据离合器目标压力与实际压力值的误差，产生控制电流的修正量，提高离合器压力的控制精度，并自动补偿因长时间工作而产生的模型失真［4－9］．应用FCMAC 神经网络技术，建立仿真模型，如图6所示．Solenoid_valve 模块为离合器压力控制阀的仿真模块，FCMAC 模块为FCMAC 网络的仿真模型，Signal 2为目标压力信号的生成模块，以训练FCMAC 网络的各个参数．p t 为目标压力；p r 为实际压力；i 为控制电流．图6FCMAC 仿真模型Fig．6FCMAC simulation model应用FCMAC 网络控制离合器压力，输入是一维的离合器目标压力，输出是一维的离合器压力控制电流，基于FCMAC 的自适应离合器压力控制系统的目标跟随仿真曲线，如图7所示．图7压力跟随仿真曲线Fig．7Simulation curve of pressure follow3试验结果与分析应用模糊控制进行起步过程离合器目标压力计算，采用FCMAC 离合器压力智能控制系统进行离合器压力精确控制，制定起步控制逻辑，程序流程图，如图8所示．图9为压力试验硬件系统简图，编写控制程序，将控制程序注入TCU ，TCU 根据控制程序控制DCT 的各个电磁阀，各种传感器信号由数据采集仪采集，TCU 内部的控制参数通过CAN 通讯传给数据采集仪，数据采集仪将所有数据上传至笔记本电脑以分析试验数据．试验结果如图10所示，离合器实际压力精确地跟随目标压力，起步开始1.5s 后，油门开度稳定在30%左右，发动机转速和车速增加均匀，发动机转速保持在1500 2600r ·min －1，发动机转速在2200r ·min －1时完成起步过程，整个起步过程中，起步时最大冲击度为6.3m ·s －3，起步时间为2.3s ，起步平顺性和快捷性得到良好平衡．662江苏大学学报（自然科学版）第32卷图10d 为起步过程中的离合器油温变化曲线，在6min 内进行不同油门开度的16次起步停车试验，离合器油温保持基本稳定，在100ħ以下，证明起步过程中的滑摩控制有效，保证了离合器的使用寿命．图10起步过程试验Fig．10Test of start process4结论针对装配有湿式双离合器式自动变速器的车辆的起步问题进行了分析，综合起步品质的评价指标，应用模糊控制方法，确定了起步过程中的离合器目标压力，建立了基于FCMAC 的离合器压力智能控制系统实现对离合器实际油压的精确控制．试验结果表明：文中论述的湿式双离合器自动变速器起步控制策略能够满足汽车起步过程的平顺性和快捷性要求，为解决湿式双离合器自动变速器的起步控制问题提供了一种有效方法．参考文献（References ）［1］Kitabayashi H ，Li C Y ，Hiraki H．Analysis of the vari-ous factors affecting drag torque in multiple-plate wet clutches ［C ］∥SAE Technical Paper Series ．USA ：SAE Publication Group ，Paper Number ：2003－01－1973．［2］韦巍，何衍．智能控制基础［M ］．北京：清华大学出版社，2008：131－142．［3］诸静．模糊控制原理与应用［M ］．北京：机械工业出版社，2005．［4］胡丰宾，孙冬野，秦大同，等．DCT 双离合器联合起步模式建模与仿真［J ］．江苏大学学报：自然科学版，2010，31（1）：19－25．Hu Fengbin ，Sun Dongye ，Qin Datong ，et al．Modelingand simulation for dual clutch launching mode of DCT ［J ］．Journal of Jiangsu University ：Natural Science Edi-tion ，2010，31（1）：19－25．（in Chinese ）［5］Cameron T M ，McCombs T ，Devlin M ，Tersigni S ，etal．ATF friction properties and shift quality ［C ］∥SAE Technical Paper Series ．USA ：SAE Publication Group ，Paper Number ：2004－01－3027．［6］Zheng Q ，Kraenzlein J ，Hopkins E ，et al．Closed looppressure control system development for an automatic trans-mission ［C ］∥SAE Technical Paper Series ．USA ：SAE Pub-lication Group ，Paper Number ：2009－01－0951．［7］Hurley S ，Tipton C D ，Cook S P．Lubricant technologyfor dual clutch transmissions ［C ］∥SAE Technical Paper Series．USA ：SAE Publication Group ，Paper Number ：2006－01－3245．［8］Song X ，Liu J ，Smedley D．Simulation study of dualclutch transmission for medium duty truck applications ［C ］∥SAE Technical Paper Series ．USA ：SAE Publica-tion Group ，Paper Number ：2005－01－3590．［9］Cameron T M ，Tersigni S H ，McCombs T ，et al．ATFeffects on friction stability in slip-controlled torque con-verter clutches ［C ］∥SAE Technical Paper Series．USA ：SAE Publication Group ，Paper Number ：2003－01－3255．（责任编辑贾国方）。