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基于状态机设计的DCT起步控制研究

2018-04-27

传动技术 2018年1期
关键词:状态机离合器扭矩

李 育 丁 健

(上海汽车变速器有限公司 控制与标定部, 上海 201807)

0 引言

车辆起步工况下双离合器的控制方法,一直以来都是双离合器自动变速器(DCT)的核心和难点技术之一[1],其主要控制目标为:1)保证车辆快速、平稳起步;2)保证发动机转速平稳变化,即发动机不出现转速过低(甚至熄火)、转速过高或突变的情况;3)防止离合器滑摩功过大,防止离合器表面温度过高,及引起的离合器损伤[2]。

上述目标实现需通过控制DCT离合器接合,一方面保证发动机转速上升至需求扭矩输出区间,另一方面保证DCT输入轴转速提升并与发动机转速平稳同步。

在DCT起步控制方面,秦大同等[3]研究了采用线性二次型最优控制方法,以冲击度为最优控制约束,以滑摩功最小为目标,计算最优接合控制压力,但未考虑整车动力性需求。鲁统利等[4]研究了DCT双离合器和单离合器起步的模糊控制,但存在可移植性差的问题。

本文在综合研究了DCT起步过程中发动机转速、输入轴转速、目标档位选择、变速器油温等因素对整车起步性能的需求和影响的基础上,对DCT起步控制策略进行了架构设计,使用Matlab Simulink、dSPACE Targetlink等工具完成TCU软件开发,实现了:1)基于DCT起步控制架构设计的控制阶段划分;2)通过软件策略逻辑架构优化,提高标定效率;3)完成实车测试验证。最终实现整车起步平顺性、动力性的平衡。

1 DCT起步控制阶段划分

根据DCT起步工况的特点,将起步控制主要区分为三个主阶段:发动机转速提升阶段(Flaring)、发动机转速保持阶段(Stabilizing)、发动机转速与输入轴转速同步阶段(Smoothing)。Flaring阶段的控制目标是:控制发动机转速尽快达到需求扭矩输出的转速区间,同时控制DCT输入轴开始平稳升速。Stabilizing阶段的控制目标是:控制发动机转速维持在稳定的转速区间,保持发动机稳定扭矩输出,同时控制DCT输入轴平稳升速。Smoothing阶段的目标是:当DCT输入轴转速与发动机转速接近时,实现离合器平稳接合。

Flaring阶段为了保证发动机转速升速到需求的转速区间,来驱动车辆并且防止发动机转速下拉情况出现,将Flaring阶段细分为转速提升等待阶段(FlareWait)、转速提升保持阶段(FlareSteady)、转速提升同步阶段(FlareApproach)。

具体的阶段划分如下图1所示。其中,发动机目标怠速作为目标转速计算过程及结果的保护门限(不得低于发动机目标怠速);参考转速是基于当前档位、油门开度的标定值,目标转速是以参考转速为目标,基于控制阶段、变化率限制、发动机怠速情况、发动机实际转速情况进行标定修正后的计算结果。需基于目标转速进行离合器扭矩计算,则不会造成离合器计算扭矩值突变的情况。

图1 DCT起步控制阶段划分Fig.1 Stages during the launch process of DCT vehicles

2 DCT起步控制的功能实现

上述基于车辆起步工况需求,对DCT起步控制阶段进行了划分,本文通过对TCU软件中起步控制功能进行状态机优化设计、分阶段进行离合器目标扭矩计算、特殊工况控制,最终实现DCT起步控制的功能实现。

2.1起步控制的状态机划分

上文所述阶段划分是从DCT起步工况车辆性能需求、各参数(发动机转速、扭矩等)实际变化特点的角度进行划分,基于此对DCT起步控制软件进行状态机设计,如图2所示。

图2 起步控制状态机
Fig.2 State machine design for the launch control

2.2离合器目标扭矩计算

DCT起步控制目标:一是,发动机转速达到预期扭矩输出区间;二是,离合器快速平稳闭合,即车辆快速平顺起步。两者都需通过DCT工作离合器目标扭矩控制来实现,对离合器的目标扭矩计算分为两部分:前馈项计算、PID计算。设置前馈项的目的是,在起步控制前期,由于液压系统存在一定的迟滞,需要通过标定的方式使系统快速建立油压。而PID计算则是以发动机实际转速与上文中发动机目标转速只差作为输入进行闭环控制。

上文阶段划分的目的之一,就在于在不同的控制阶段,PID和前馈项计算函数及参数可进行区分设计。

本文所采用PID计算方法:

Ttgt=Teng-TPID

(1)

其中,Ttgt代表离合器目标扭矩;Teng代表发动机扭矩;TPID代表PID计算扭矩;

在起步工况初期,离合器压力处于较低水平,为防止离合器目标扭矩波动造成实际压力不足情况发生,需使用开环的前馈项控制,经标定、验证能够达到较为理想的控制效果。

前馈项(TFF)的计算需区分控制阶段及工况,且主要依赖于标定工作。在起步控制过程中,离合器总需求扭矩按照如下方式计算:

TComb=max(Ttgt,TFF)

(2)

2.3特殊工况的处理方法

本文所开发的起步控制策略,能够提升车辆常规工况下起步性能,包括:缩短起步工况时长(即缩短离合器滑摩时长)、降低起步过程中发动机转速过高、低情况出现频率、避免离合器压力建立不线性造成起步不平顺等。对于如下特殊工况的处理,本文在控制策略上进行了相应的开发。

2.3.1起步过程中长时间滑摩工况

起步过程中,若出现长时间滑摩的情况(例如:坡道起步工况),此时为避免离合器过温而造成变速器硬件损伤,在控制策略上需要对此种情况进行保护控制。目前,本文对此种情况的后处理方法为:降低发动机目标转速,间接提高离合器计算扭矩,从而使离合器尽快接合避免过度滑摩。

需区分为如下三种情况:

1、离合器表面温度大于设定门限,且起步工况持续时长大于设定时长;

2、当车辆已经具有车速,且起步工况的持续时长大于设定门限;

3、驾驶者未踩油门。

情况1或2将激活后处理,而情况3是退出后处理的唯一条件。

2.3.2起步2档降1档工况

常规的静态起步工况,DCT采用1档起步,因为1档具有最大的速比,能够提供最大扭矩输出,且奇数离合器设计的扭矩容量比偶数离合器高。但是,当车辆实际工作档位为2档,且1档同步器未在位,此时若激活起步控制,为加快DCT响应,在起步控制策略中开发了2档起步、2档降1档起步控制策略。

对于2档降1档起步,分三个阶段进行控制:(1)转速调节控制阶段;(2)扭矩交互控制阶段;(3)2降1交互完成识别与保护。第一阶段的控制目标是实现发动机转速与奇数输入轴转速同步,第二阶段的控制目标是实现奇偶离合器之间的扭矩交互,第三阶段的控制目标是识别2降1是否完成。本文开发了起步控制保护策略 ,即2降1工况持续时间超时后,强制将1档所在离合器升扭,强制将2档所在离合器降扭。常规起步2降1工况示意图如图3所示。

3 实车测试验证

原TCU软件起步工况控制,由于阶段划分较为笼统,各状态机参数无法精确区分,同样的标定参数作用于不同的控制阶段,因此,容易造成整车起步动力输出不线性,且针对上文所述特殊工况无处理,容易造成DCT离合器接合过快,造成发动机转速下拉、整车顿挫,或离合器滑摩过度对硬件造成损伤风险等问题。

常见的双离合器变速器车辆起步顿挫感问题如下图4所示,原因在于起步初段的flare控制阶段发动机转速过高,加剧了起步后段smoothing阶段发动机转速与奇数输入轴转速接合时不平顺,发动机转速下拉过快,这种现象严重时,将造成整车起步顿挫感。

图3 起步2档降1档控制策略Fig.3 Control strategy from 2nd to 1st gear during launch process

第二种常见的双离合器变速器车辆起步问题是,高档位起步时车辆动力不足,且离合器同步时间长,可能造成离合器滑摩过度。如下图5所示,为车辆2档起步工况,可以发现,发动机转速与偶数输入轴转速同步时间较长,将造成整车动力不足的主观感受。

本文基于工况需求进行基于状态机设计的DCT起步控制策略研究,实现软件开发之后,进行实车测试验证,测试结果如下图6所示。验证数据中可以发现,当车辆在2档起步过程中,若驾驶员深踩油门,则目标档位由2档降1档,控制策略能够通过偶数离合器扭矩控制,实现偶数离合器滑摩,使发动机转速向上爬升,当1档同步器挂档完成,此时DCT奇数输入轴转速即为发动机目标转速,通过flare阶段偶数离合器扭矩控制,实现发动机转速到达目标转速,转速同步后进行DCT奇、偶离合器扭矩交互控制。最终实现起步工况2档降1档控制,避免出现转速同步时间过长、滑摩过度、整车顿挫,并且整个过程中发动机转速平稳变化,整车保持稳定的加速感。

图4 车辆起步控制顿挫问题Fig.4 Jerk during vehicle launch

图5 2档起步离合器同步时间长Fig.5 Clutch synchronization during vehicle launch with 2nd gear operation

图6 2档降1档起步控制Fig.6 Shifting from 2nd to 1st gear during vehicle launch

4 结论

湿式离合器起步控制是一种复杂的非线性控制过程,通过本文的相关工作,实现了基于状态机设计的DCT起步控制研究,实车测试数据表明,能够实现本文描述的相关控制算法,并在一定程度上缩短起步时长,降低起步不平顺、发动机转速过高或过低、离合器过温等问题工况发生的概率或程度,为后续更加深入的研究并优化DCT起步控制奠定了基础。

[1] 程秀生,冯巍,陆中华等. 湿式双离合器自动变速器起步控制[J]. 农业机械学报,2010,41(1):18-22.

[2] 张东方. 双离合器自动变速器(DCT)起步控制策略研究[J]. 重庆理工大学硕士学位论文, 2011.

[3] 秦大同,陈清洪. 基于最优控制的AMT/DCT离合器通用起步控制[J]. 机械工程学报,2011,47(12):85-91.

[4] 鲁统利,王衍军. 基于模糊控制的双离合器式自动变速器起步过程仿真研究[J]. 汽车工程,2009,31(8):746-750.

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