CN108386535A - 一种双离合起步协调优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双离合起步协调优化控制方法，针对搭载6速DCT的车辆，将起步过程分为滑摩阶段和稳态运行阶段，分别建立动力学方程；将整个起步过程分为3个控制阶段，前2个阶段为滑摩阶段，第1阶段主要产生力矩，由两个离合器共同传递力矩，平均承担磨损，对DCT车辆起步过程的第1阶段基于MPC进行优化控制器的设计；第2阶段完成两个离合器力矩的交替，将分离离合器的转矩减小为零的同时提高结合离合器传递的转矩，这一阶段采用基于初始点的给定前馈控制律；第3个阶段为稳态运行阶段，结合离合器力矩完全承担发动机力矩，分离离合器不承担力矩，第3阶段采用规则给定的方式控制。

Description

一种双离合起步协调优化控制方法

技术领域

本发明针对双离合式自动变速器的起步过程提出一种两个离合器联合起步的协调优化控制策略，属于车辆传动系统电控技术领域。

背景技术

由于双离合式自动变速器(DCT)具有生产继承性好，结构紧凑，传动效率高，无动力中断等优点，已成为各大汽车厂商主要采用的变速箱类型，在全球汽车市场占有举足轻重的地位。传统的单离合起步主要由1个离合器承担起步力矩，尤其在重载坡起工况下，易引起较大的起步冲击和较长的起步时间，使得离合器表面温度较高，极大地缩短了离合器寿命，同时长期如此会造成两个离合器磨损度不均匀影响啮合的问题。DCT可联合两个离合器参与起步，能达到更平滑的力矩输出，减小起步冲击、缩短起步时间，提升驾乘感受，减少离合器磨损的效果。但两个离合器起步若控制不好会带来强耦合、功率循环等问题，为了满足起步过程中冲击度小、起步时间短、滑磨功尽可能小、发动机不熄火等一系列相互矛盾的性能指标。双离合起步需要在协调不同性能指标的同时快速精确的控制两个离合器动作，所以这是一个多目标协调优化问题。因此本发明基于优化控制理论，提出一种双离合器起步协调控制策略，即首先分析双离合起步前后DCT系统动力传递过程，制定起步不同阶段双离合的控制策略，在Simulink环境下搭建DCT车辆系统模型并验证控制方案，完成控制系统性能测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双离合器联合起步的协调优化控制方法，该控制方法可根据不同工况实现两离合器配合的1档或2档直接起步功能，并能综合考虑各项性能指标要求，包括减小起步冲击度，减小滑磨功，缩短起步时间。

针对现有技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种双离合起步协调优化控制方法，包括以下步骤：

步骤一、针对搭载6速DCT的车辆，分析两个离合器在起步过程中的作用，将起步过程分为滑摩阶段和稳态运行阶段，并分别对滑摩阶段和稳态运行阶段的动力传递过程建立动力学方程。

步骤二、协调优化起步控制策略：将整个起步过程分为3个控制阶段，前2个阶段为滑摩阶段，第1阶段主要产生力矩，由两个离合器共同传递力矩，平均承担磨损，对DCT车辆起步过程的第1阶段基于MPC进行优化控制器的设计；第2阶段完成两个离合器力矩的交替，将分离离合器的转矩减小为零的同时提高结合离合器传递的转矩，这一阶段采用基于初始点的给定前馈控制律；第3个阶段为稳态运行阶段，结合离合器力矩完全承担发动机力矩，分离离合器不承担力矩，第3阶段采用规则给定的方式控制。

采用上述的技术方案，本发明带来的有益效果是：

1.本发明采取的基于MPC的双离合器起步协调优化控制方法能够使车辆在不同工况下起步，并与单离合起步相比，避免了单离合起步时单个离合器承担滑摩所造成的离合器磨损较大，表面温度高，寿命缩短的缺点，延长离合器使用寿命；由于两离合器共同传递力矩，大大缩短了起步时间，减小起步冲击度，提升驾乘感受。

2.本发明采取的控制方法适用于各种搭载DCT变速器车辆的起步控制，具有普适性。

附图说明

图1起步优化控制计算流程；

图2轻载工况1仿真测试结果；

图3重载工况2仿真测试结果；

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案：

为了清楚的说明本发明的发明内容，分为3个部分进行描述：第一部分为本发明方案的前提基础，需要对起步过程中两个离合器的运行状态进行机理分析，为控制器的设计提供合理的控制模型；第二部分对起步过程两个离合器的作用进行划分，给出3个过程离合器配合的原则和具体的控制律形式，并基于优化理论推导和第一部分的动力学模型进行起步优化控制律的设计，同时详细说明优化计算流程；第三部分是对前两部分的综合验证，需要构建仿真模型进行测试，分别设定轻载与重载工况对控制性能进行验证。

以下结合技术方案和附图详细阐述本发明的具体实施方式。

1.DCT传动系统动力学分析及建模

带有离合器的车辆起步过程一般分为两个状态，一个是离合器滑摩阶段，一个是离合器结合稳定运行状态。当两个离合器配合起步时，滑摩阶段又可根据动力的分配分为两个过程，一个是力矩产生过程，该过程需要同时控制两个离合器的啮合程度，保证两个离合器平均分担滑摩功，且能较快的达到起步力矩；另一个是力矩转移过程，当输出力矩达到起步转矩时，需要逐渐移除分离离合器的力矩，直至由结合离合器完全承担力矩传递。在滑摩阶段，动力由发动机产生，并经由两个离合器传递，考虑发动机、离合器连同车轮为两个转动体，根据牛顿第二定律，可得动力传递方程为：

其中I_e是发动机连同飞轮的等效转动惯量，C_e是发动机粘性摩擦系数，T_e、T_c1、T_c2分别为发动机力矩和离合器C₁、C₂传递力矩，是等效到车轮端的转动惯量，是等效到车轮端的粘性摩擦系数，ω_s是车轮端转速，T_r是车辆起步所要克服的阻力，K_c1、K_c2分别是从离合器输出到车轮端的等效放大系数。

以车辆1挡起步为例，稳定运行状态时，离合器C₁与发动机同步，传递力矩为发动机力矩，此时车辆动力学方程变为：

其中是1档稳定运行状态下的车轮端等效转动惯量，是1档稳定运行状态的等效粘性摩擦系数，K_e1是发动机力矩输出到动力输出轴的放大系数。

2.起步协调控制系统设计

在整个起步阶段，既要满足动力性，又要兼顾平顺性，同时还不希望离合器过度磨损，具体的性能要求为，传递力矩平稳变化，单位面积滑磨功小于0.4J/mm²，2.0s之内完成起步，起步过程中发动机不熄火。除此之外，控制过程中存在诸多控制难点，包括可能的功率循环以及耦合，若两个离合器各自承担的力矩过小，则不能完成起步过程。所以本发明选择MPC来解决这一多目标协调优化问题。将整个起步过程分为3个控制阶段，前2个阶段为滑摩阶段，第1阶段主要产生力矩，由两个离合器共同传递力矩，平均承担磨损，该阶段易产生冲击，是协调优化的主要阶段；第2阶段完成两个离合器力矩的交替，分离离合器传递力矩以一定速率下降，结合离合器补偿发动机和分离离合器变化的力矩，来保证输出力矩尽可能小的波动；第3个阶段为稳态运行阶段，结合离合器力矩完全承担发动机力矩，分离离合器不承担力矩。对DCT车辆起步过程的第1阶段基于MPC进行优化控制器的设计。第2阶段需要将分离离合器的转矩减小为零的同时提高结合离合器传递的转矩，这一阶段采用基于初始点的给定前馈控制律。第3阶段则是使离合器压紧力较大保证不滑摩，因此也采用规则给定的方式控制。

第1阶段MPC优化控制器

为了在优化目标函数中显示的表示起步冲击及控制的平顺性，需要对动力学方程进行变形，对方程(1)的第二项微分，在起步过程中认为T_r为恒定值，可得设计控制器的连续时间模型为：

取状态变量x₁、x₂为：

控制量u为：

其中i₁、i₂、i_f分别为1档、2档传动比以及主减速比。

被控量y_c为：

y_c＝ω_s (6)

连续时间状态空间方程可写为：

其中

其中A_c、B_cu、C_c分别为系数矩阵。

将方程(7)离散化为：

k表示当前时刻，k+1表示下一时刻。其中：

其中T_s为离散时间。

定义p步预测输出向量Y_p(k+1|k)和m步输入向量U(k)：

N_p步预测输出可以如下计算：

Y_p(k+1|k)＝S_xx(k)+S_uu(k) (12)

在方程(12)中：

起步过程中重要的性能评价指标之一为冲击度，可以描述如下：

其中a为车辆加速度，r为车轮半径，I_s为车轮端等效转动惯量。

其次要保证起步过程中离合器的主从动盘完全啮合，因此将从动盘与主动盘之间的转速差尽快的调节到零作为调节目标之一。定义跟踪期望R为：

R＝ω_e/i₁/i_f (15)

最终选择目标函数为：

N_p是预测时域步长，N_m是控制时域步长，满足N_m≤N_p。上式中：

J＝||Γ_y(y_c-R)||²+||Γ_uu||² (17)

在公式(17)等号右侧，第一项J₁＝||Γ_y(y_c-R)||²为了保证离合器主从动盘结合，第二项J₂＝||Γ_uu||²保证冲击度尽可能的小。权重Γ_y和Γ_u的形式分别为：

选择跟踪输入序列R(k+1)：

定义：

E_p(k+1|k)＝R(k+1)-S_xx(k) (20)

其中，R(k+1)为下一时刻跟踪期望，S_x为系数矩阵，x(k)为当前时刻状态量。控制量输出推导得：

综上，给出MPC控制器的滚动优化流程如图1所示。在初始时刻，MPC控制器从DCT车辆系统读取t₀时刻车辆状态，包括T_c1(t₀),T_c2(t₀),ω_c1(t₀),ω_c2(t₀),ω_s(t₀)，设定权重Γ_y,Γ_u大小，选择k+1时刻跟踪输入序列R(k+1)，计算S_x,S_u,E_p，通过以上参数计算最优控制序列U^*(i)，提取控制序列的第1个元素，通过控制率计算输出T_on,T_off，输入给DCT车辆系统。下一时刻控制器再次获取DCT车辆系统的状态量，滚动计算。

起步过程3个阶段离合器转矩的分配原则

当系统最终以1档起步时，发动机转速ω_e总是大于离合器C₁从动盘转速，所以没有功率循环。为了使两离合器在第1阶段滑磨功平均相等，根据这一原则，分配由MPC控制器计算的控制量u，两离合器滑磨功为：

其中T_on，T_off分别为结合离合器和分离离合器传递力矩。

对公式(5)积分，得到：

∫udt＝i₁i_fT_c1+i₂i_fT_c2 (23)

联立公式(22)和(23)，得到在分离离合器开始分离之前的两离合器分别传递的力矩T_on和T_off：

这里定义滑差率在上式中，i_on、i_off分别为结合离合器与分离离合器传动比。第1阶段在t_d时刻结束，此时以离合器主从动盘结合作为分界条件。系统接下来进入第2阶段，分离离合器传递力矩T_off逐渐减小，为了防止过快的分离离合器，导致输出转矩波动较大，需要合理设定脱开离合器的转矩变化率，记为K_off：

对上式积分，得到T_off的变化规则。这里注意到当T_off减小到0Nm时，保持在0Nm不变。在每一采样时刻T_on的增量为T_e的变化量ΔT_e与T_off的变化量ΔT_off之和。当T_on等于T_e时，T_on保持等于T_e。所以第2阶段得前馈控制率为：

其中分别为结合离合器与分离离合器在t_d时刻承担的力矩。

当T_on等于T_e时，阶段2于t_f时刻结束。接下来车辆在稳定运行状态下运行，此时动力学模型为公式(2)。在第3阶段，使得离合器完全结合，分离离合器完全不承担任何力矩。此时的控制律为：

3.仿真结果调试及分析

以6速DCT车辆为例，包括2个干式离合器，6个前进齿轮对及1个倒档，4个同步器，2个动力输入轴，2个中间轴和1个动力输出轴。发动机部分采用1.6升汽油机，通过给定acc信号与从车辆系统获得的ω_e查表获得发动机输出力矩T_e。以1档起步的情况下，在两种工况下测试起步控制器性能，结果分别如图2，3所示，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为给定acc信号，转速跟踪结果，力矩跟踪结果和车辆行驶速度。

在工况1条件下，车辆轻载，车重1420kg，给定节气门信号acc为恒定值0.1，在控制器的控制作用下，离合器C₁的主从动盘在0.625s转速同步，滑摩阶段在0.954s结束。结果显示，在起步过程中传递力矩变化平稳，无明显波动，保证驾乘舒适性。车辆加速到12.88km/h。在起步过程结束，车辆继续平稳加速。

在工况2条件下，车辆重载，车重1680kg，为了成功起步，加大油门，给定acc为恒定0.2的信号，起步离合器C₁的主从动盘在0.747s转速同步。在1.036s滑摩阶段结束。力矩变化平顺，满足性能指标要求。在成功起步后，车辆加速到30.2km/h。离合器模型采用1片离合器，直径为200mm，工况1条件下两离合器单位面积滑磨功在0.012J/mm²左右，工况2条件下两离合器单位面积滑磨功在0.024J/mm²左右。在控制器作用下，车辆能够成功起步，并符合各项性能指标要求。

Claims (4)

1.一种双离合起步协调优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、针对搭载6速DCT的车辆，分析两个离合器在起步过程中的作用，将起步过程分为滑摩阶段和稳态运行阶段，并分别对滑摩阶段和稳态运行阶段的动力传递过程建立动力学方程。

步骤二、协调优化起步控制策略：将整个起步过程分为3个控制阶段，前2个阶段为滑摩阶段，第1阶段主要产生力矩，由两个离合器共同传递力矩，平均承担磨损，对DCT车辆起步过程的第1阶段基于MPC进行优化控制器的设计；第2阶段完成两个离合器力矩的交替，将分离离合器的转矩减小为零的同时提高结合离合器传递的转矩，这一阶段采用基于初始点的给定前馈控制律；第3个阶段为稳态运行阶段，结合离合器力矩完全承担发动机力矩，分离离合器不承担力矩，第3阶段采用规则给定的方式控制。

2.如权利要求1所述的一种双离合起步协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤一对滑摩阶段的动力传递过程建立的动力学方程为：

其中，I_e是发动机连同飞轮的等效转动惯量；C_e是发动机粘性摩擦系数；T_e、T_c1、T_c2分别为发动机力矩和离合器C₁、C₂传递力矩；是等效到车轮端的转动惯量；是等效到车轮端的粘性摩擦系数；ω_s是车轮端转速；T_r是车辆起步所要克服的阻力；K_c1、K_c2分别是从离合器输出到车轮端的等效放大系数；

稳定运行状态时，离合器C₁与发动机同步，传递力矩为发动机力矩，此时车辆动力学方程变为：

其中，是1档稳定运行状态下的车轮端等效转动惯量；是1档稳定运行状态的等效粘性摩擦系数；K_e1是发动机力矩输出到动力输出轴的放大系数。

3.如权利要求1所述的一种双离合起步协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤二中，DCT车辆起步过程的第1阶段基于MPC进行优化控制器的设计包括以下过程：

设计控制器的连续时间模型为：

取状态变量x₁、x₂为：

控制量u为：

其中i₁、i₂、i_f分别为1档、2档传动比以及主减速比；

被控量y_c为：

y_c＝ω_s (6)

连续时间状态空间方程可写为：

其中，

其中，A_c、B_cu、C_c分别为系数矩阵；

将方程(7)离散化为：

k表示当前时刻，k+1表示下一时刻，其中：

其中T_s为离散时间；

定义p步预测输出向量Y_p(k+1|k)和m步输入向量U(k)：

N_p步预测输出可以如下计算：

Y_p(k+1|k)＝S_xx(k)+S_uu(k) (12)

在方程(12)中：

起步过程中，冲击度描述如下：

其中，a为车辆加速度；r为车轮半径；I_s为车轮端等效转动惯量；

定义跟踪期望R为：

R＝ω_e/i₁/i_f (15)

最终选择目标函数为：

N_p是预测时域步长；N_m是控制时域步长，满足N_m≤N_p；上式中：

J＝||Γ_y(y_c-R)||²+||Γ_uu||² (17)

权重Γ_y和Γ_u的形式分别为：

选择跟踪输入序列R(k+1)：

定义：

E_p(k+1|k)＝R(k+1)-S_xx(k) (20)

其中，R(k+1)为下一时刻跟踪期望；S_x为系数矩阵；x(k)为当前时刻状态量；控制量输出推导得：

在初始时刻，MPC控制器从DCT车辆系统读取t₀时刻车辆状态，包括T_c1(t₀),T_c2(t₀),ω_c1(t₀),ω_c2(t₀),ω_s(t₀)，设定权重Γ_y,Γ_u大小，选择k+1时刻跟踪输入序列R(k+1)，计算S_x,S_u,E_p，通过以上参数计算最优控制序列U^*(i)，提取控制序列的第1个元素，通过控制率计算输出T_on,T_off，输入给DCT车辆系统；下一时刻控制器再次获取DCT车辆系统的状态量，滚动计算。

4.如权利要求1所述的一种双离合起步协调优化控制方法，其特征在于，所述步骤二中，DCT车辆起步过程的3各阶段的离合器转矩的控制策略分别为：

第1阶段，在分离离合器开始分离之前的两离合器分别传递的力矩T_on和T_off：

定义滑差率在上式中，i_on、i_off分别为结合离合器与分离离合器传动比；

第2阶段，前馈控制率为：

其中，分别为结合离合器与分离离合器在t_d时刻承担的力矩；

第3阶段，控制律为：