双离合器式自动变速器控制系统的关键技术

    双离合器式自动变速器(DCT)是一种新型的自动变速器，它将变速器挡位按奇、偶数分别布置在与两个离合器所联接的两个输入轴上，通过离合器的交替切换完成换挡过程，实现了动力换挡。DCT综合了液力机械自动变速器(An和电控机械自动变速器(AMT)的优点，传动效率高、结构简单、生产成本低，不仅保证了车辆的动力性和经济性，而且极大地改善了车辆运行的舒适性。可以根据现有手动变速器的结构形式，灵活地进行DCT的改造设计，有利于手动变速器向自动变速器的升级，并可保护现有手动变速器的生产设备投资，生产继承性好，适合我国国情。

    根据专家预测，在未来几年中，DCT为增长速度最快的自动变速器，预计到2010年，市场占有率将达到18％。

    照离合器、离合器执行机构及换挡执行机构的类型，DCT可分为电控液动湿式离合器型和电控电动干式离合器型。前一种执行机构为高速开关电磁阀控制的液压缸，后一种为直流电动机。

    DCT由机械系统和控制系统组成，机械系统中同步器、齿轮副等零部件的设计过程与手动变速器类似，技术难度不大。控制系统是DCT的关键部件，而起步控制策略的制定、综合智能换挡规律的制定和换挡品质的改善方法是DCT控制系统的核心技术，对整车的起步性能、换挡品质、动力性和经济性等有着重要的影响。

1 DCT的起步控制技术

    DCT的起步控制技术就是指起步过程中离合器的控制技术，主要目标就是保证车辆在不同环境下，均可按照驾驶员的意图进行起步，并使车辆的冲击度和离合器的滑磨功处于合理的范围。

    1.1 DcT起步控制技术的研究现状

    装有DCT车辆的起步是靠离合器主从动片的滑磨而达到同步的，与AMT起步过程相同。综合当前的研究成果，通过优化离合器的动力学模型、完善离合器接合的控制策略及提高离合器执行机构的跟踪品质，是提高车辆起步性能的主要途径。

    1.1.1 离合器起步时的动力学模型

    离合器起步过程中的动力学模型是进行离合器控制策略研究的基础，包括离合器执行机构动力学模型、接合过程中转矩传递的模型及离合器接合过程的动力学模型。

    杨树军等对电控液动湿式离合器执行机构动力学模型进行了研究，并建立了接合过程的动力学模型。李焕松、张俊智、申水文和葛安林等16书J对电控液动干式离合器执行机构的工作过程进行了详细分析，建立了相应的模型。雷雨龙利用键合图理论，建立了离合器执行机构的动力学模型，并依据离合器主从动片间压力与从动盘轴向变形量之间的非线性关系，对接合过程中的转矩传递模型进行了

    分析，在此基础上，建立了接合过程的动力学模型。叶明、秦大同和席军强等建立了电控电动干式离合器执行机构的动力学模型

    在对离合器的动力学模型进行分析的过程中，基本上都是采用式(1)所示的转矩传递模型，没有考虑动态摩擦因数和离合器传递转矩的过渡过程。由于接合过程中，驾驶员在松离合器踏板的同时必须改变发动机的油门(即发动机工况要改变)，摩擦片摩擦因数随相对速度而变化，故式(1)仅表示离合器接合终了的设计容量，不能反映接合过程中的摩擦状态。为如实反映离合器传递转矩的过程，王玉海等根据摩擦学原理，建立了离合器传递转矩的动态模型，并给出了仿真结果。

    此外，CAO等利用神经网络建立了离合器结合过程模型，丰富了离合器的建模方法。

    1.1.2 离合器接合速度的控制策略

    离合器接合速度的控制策略是优化起步性能的关键，总体可分为基于现代控制技术和基于智能控制技术的控制策略。

    (1)离合器控制策略的基本理论。当前使用的控制规则都可归结为发动机转速设定控制原则，按照离合器接合速度的变化规律，它又可分为离合器定接合速度和离合器变接合速度控制原则。离合器变接合速度控制原则就是指快一慢一陕的接合控制原则，即在离合器到达半接合点前或离合器主、从动片转速趋于同步后，加快离合器的接合速度，而在半接合点到趋于同步过程中放慢离合器的接合速度。该原则是离合器控制的理论基础。在变接合速度控制原则的基础上，雷雨龙提出了发动机恒转速起步控制原则，孙冬野等提出了局部恒转速控制原则，进一步发展了离合器变接合速度的控制原则。

    (2)基于现代控制技术的控制策略。车辆起步性能的评价指标中，冲击度与滑磨功是相互矛盾的，不可能使二者同时达到最优。在满足各种约束条件的前提下，为了找出比较满意的综合最优解，基于约束条件的最优算法及最优控制方法，在离合器起步控制中得到了应用。

    葛安林等基于离合器的动力学模型，以平均冲击能量和滑磨功为目标函数，进行多目标函数的综合优化，从而获得在不同操纵规律下，任一坡度、载荷和挡位下起步时的最佳接合规律。

    孙承顺、张建武、AMIR和秦大同等基于最小值和线性二次型的最优控制原理，综合考虑冲击度和滑摩功两项评价指标，以解析形式推导出离合器的最优接合轨线。

    为了适应起步过程中离合器状态、地面条件和发动机参数等复杂多变，难以建立精确的数学模型的特点，模型参考自适应控制系统得到了应用。

    席军强、陈慧岩和丁华荣等根据离合器输出轴转速和发动机转速与离合器输出轴转速差，得到理想离合器输出轴加速度，并通过控制离合器驱动机构的行程增量，使得实际离合器输出轴加速度和理想相一致，实现了起步过程中的自适应控制。

    (3)基于智能控制技术的控制策略。模糊控制等智能控制技术的最大优点，就是对非线性、大滞后及难以建立精确数学模型的控制对象，具有更好的适应性。自20世纪90年代以来，模糊控制技术被广泛应用于离合器的起步控制中，丰富了自动变速器控制理论。

    LUCAS等分析了40位驾驶员的起步操作数据，总结了相应的起步控制规则，为起步过程中模糊规则的制定奠定了基础。

    TANAKA等基于驾驶员经验建立了模糊规则库，根据驾驶员踏板的操作过程，模糊推理出驾驶员的意图，实现了离合器的模糊起步控制。

    与此同时，葛舜、王云成、申水文和汤霞清等国内学者也开展了离合器模糊起步控制技术的研究，并进行了实车测试，取得了预期的效果。
 

    1.1.3 离合器执行机构跟踪品质的提高

    由于电动执行机构、液动执行机构及离合器本身都具有复杂的非线性特性，且在执行过程中会受到液压油粘度变化等因素的干扰。因此研究鲁棒性强、跟踪品质好的执行机构控制器，建立控制决策系统和硬件机构之间的良好接口，是精确实现离合器的控制策略、优化离合器起步性能的关键。张俊智等采用预测控制的方法，有效地克服了液压控制系统对电磁阀开、关指令的滞后，实现了离合器接合的高精度控制，并提出了离合器的容错控制方法。

    高炳钊、葛安林等将反馈信号由液压缸柱塞的速度转变为位移量，避开了液压系统的高度非线性和时变性的影响，实现了接合速度精确控制。

    孙承顺、张建武等根据非线性控制理论和滑模控制原理，构造了等价线性系统滑模控制器，使之具有高精度的跟踪品质和较强的抗干扰能力。

    何忠波等利用控制电动机正反向运转时间的办法，解决了执行电动机在低转速下匀速运动精度不高的问题，实现了离合器的精确控制。

    叶明等设计了基于模糊控制的速度环和基于PI控制的电流环双闭环控制系统，使伺服电动机具有良好的动态性能。

    1.2 DCT起步控制技术的评价及发展动态

    应从提高离合器动力学模型的精度、完善离合器控制策略及提高执行机构的跟踪精度三方面来优化离合器的起步性能，离合器控制策略的完善最为关键，其各种方法的评价及发展动态如下。理论上，最优控制等综合优化方法可使离合器起步性能达到设定的理想效果，但综合优化方法需要建立精确的离合器动力学模型，且不适应控制过程中参数变化引起的决策调整。由于发动机动态性能滞后和离合器模型的时变特征，建立完全精确的动力学模型十分困难，而且由于车辆起步时载荷、挡位等变化，使离合器传动系中参数具有不确定性，限制了最优控制的性能。

    模型参考自适应控制策略，可自动适应离合器状态、地面条件以及发动机的变化，确保冲击度和滑磨功处于合理的范围。但对于非线性时变的自适应控制系统而言，系统的稳定性、鲁棒性等方面的理论尚不完善，不易建立性能较好的自适应控制系统。

    因此应从优化离合器动力学模型和完善白适应控制系统两个方面，来提高基于现代控制技术的离合器起步的性能，但难度较大。

    尽管离合器的起步控制十分复杂，熟练驾驶员可根据自己丰富的经验和对外界环境、车辆状态的判断，可成功地实现离合器的起步操纵。这些行为都是基于模糊的、凭经验而实施的，但却可以获得很好的操纵效果。包括模糊控制在内的智能控制可以利用人的知识和经验，达到模仿人的思维来控制车辆起步的目的，而且对难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制对象，具有很好的适应性，非常适用于离合器起步控制领域，应用前景较好。但模糊控制在其参数的模糊化过程中，受人为因素的影响较大，控制规则中参数特性与控制目标关系不明确，不易于参数的调整，获得较优的控制参数困难。

    齐占宁等利用遗传算法，对离合器起步模糊控制器的隶属度函数进行了优化。但遗传算法进行优化的工作量较大，开发周期长、成本高，不利于实车调试。

    因此基于优秀驾驶员的起步操纵经验，不断丰富模糊控制规则的基础上，研究如何通过少量的调试次数，即可获取较优控制参数的方法，是目前急需解决的问题。

2 换挡规律的制定

    换挡规律是指选择什么样的换挡控制参数，在何时进行换挡。换挡规律的好坏直接影响车辆的燃油经济性、动力性及乘坐舒适性，是DCT控制系统的关键技术之一。

    2.1 换挡规律的研究现状

    换挡规律研究的主要目标，就是获得一种操纵灵活、安全可靠、动力性能佳和经济性能好的换挡规律。总结当前的研究成果，可总结为以下四种。

    第一种是基于经验的换挡规律，即通过学习优秀驾驶员的换挡操纵数据，从中提取出换挡规律。

    秦贵和等根据驾驶员的换挡操纵数据，利用BP神经网络进行离线训练，提取出车辆状态与最佳挡位的对应关系。汤霞清等在原ECU的基础上，增加了高速数字信号处理器，建立了基于DsP的神经网络换挡系统，可实时在线获取优秀驾驶员的换挡规律。HAYASHI等利用模糊控制和神经网络方法，对优秀驾驶员的换挡规律进行辨识，建立了基于经验的换挡规律，提高了车辆在爬坡及制动工况时的性能。实际工程应用方面，三菱汽车公司率先应用神经网络逻辑电路，成功开发了能最优选择变速挡位的INVECSⅡ型软件系统。

    第二种为基于约束条件的换挡规律，也可称为传统的换挡规律，通常是基于发动机试验数据，利用回归分析、插值法、神经网络等系统辨识方法，建立发动机的模型。然后在动力性和经济性约束条件下，利用图解法或解析法，获取最佳动力性或经济性换挡规律。

    早期使用的是单参数换挡规律，它以车速大小作为换挡的依据，由于没有油门的参与，不能实现驾驶员的干预换挡，目前应用较少；彼得罗夫提出了以车速和油门作为控制参数的二参数换挡规律，二参数换挡规律引入了油门参数，实现了驾驶员的干预换挡，与单参数相比，整车的动力性、经济性和换挡品质有了较大的提高，当前被广泛采用；葛安林等在发动机动态试验数据的基础上，提出了以车速、油门开度和加速度为控制参数的动态三参数控制规律，试验结果表明，该规律优于静态的二参数换挡规律。

    第三种是智能修正的换挡规律，它是基于约束条件的换挡规律，参考优秀驾驶员在爬坡、转弯等特殊路段的驾驶经验，利用模糊控制技术，制定相应控制规则，对传统换挡规律进行修正，最典型的优点就是减少了特殊路面行驶时的换挡次数。BAsTIAN等对弯道情况的挡位选择问题进行了研究，设计了弯道模糊估计器，分析了运动型和一般型驾驶员在弯道运行时换挡的操作特征，制定了相应的控制规则。

    WEIL等提出了一个挡位决策的模糊专家系统模型，详细介绍了获取换挡控制规则的方法，并进行了仿真对比分析，证明了该方法的优点。三菱汽车公司也开展了相应研究，并在上、下坡等特殊路段进行了对比测试。

    与此同时，国内学者也开展了智能修正换挡规律的研究。申水文、葛安林等通过增加转向盘转角传感器和道路坡度传感器，引入坡道和弯道信息，采用模糊逻辑技术修正二参数换挡规律，减少了爬坡和弯道行驶时的换挡次数。

    第四种是综合智能的换挡规律，即基于传统的换挡规律，参考优秀驾驶员的换挡操纵经验，综合考虑驾驶员类型、驾驶员意图、行驶环境和汽车的行驶状态，利用模糊控制和神经网络技术等智能控制技术，生成一个可使动力性、燃油经济性、废气排放和其他性能达到综合最优且符合驾驶员意愿的换挡规律。

    秦贵和等将路面和驾驶员意图分为良好路段、颠簸路段、加速和停车等典型工况。首先求出各典型工况较佳的换挡规律。然后利用易于测量的车辆的状态参数，依据模糊推理方法，形成一个描述路面特征、驾驶员意图和车辆状态的模糊集合，求出当前状态与各典型工况的贴近度，计算得到最终的挡位数值。

    葛安林等在综合国内外对驾驶员类型、驾驶员意图和行驶环境(路段、路况和路形)实时识别研究成果的基础上，提出由路段和路况识别信息建立标准行驶工况的换挡规律，按照驾驶员的类型进行标准换挡规律的个性化处理，并依据路形、驾驶员意图识别的结果，进行局部信息占优再修正，获取最佳的换挡规律。
 

    2.2 各种换挡规律的评价及发展动态

    基于经验的换挡规律是从优秀驾驶员的换挡操作过程中提取出来的，当驾驶员类型、行驶环境与存储的换挡规律相吻合时，汽车的综合性能较佳，但驾驶员意图、驾驶员类型、行驶环境和车辆状态可组合出若干种状态，逐一进行测试很难实现，个别测试结果并不具有代表性。

    当汽车行驶状态与求解最优换挡规律的约束条件相近时，传统的换挡规律可使汽车获得最佳动力性能或最佳经济性能。但传统换挡规律没有考虑汽车行驶环境以及驾驶员操纵意愿对换挡过程的影响，只能反映汽车的行驶状态，当实际行驶条件与最优规律求解过程设定的条件有较大差别时，给出的挡位不是最优的或在某些区域不是最佳的。

    与传统换挡规律相比，智能修正的换挡规律减少了汽车在爬坡、转弯等特殊路段的换挡次数，提高了挡位决策品质，为向综合智能换挡规律方向转化奠定了基础。

    综合智能换挡规律综合了基于经验、基于约束条件和智能修正换挡规律的优点。它不仅提高了车辆在爬坡、转弯等特定路面情况下的换挡品质，而且充分利用了传统换挡规律在常规较理想路面情况时的优势。综合智能换挡规律是实现汽车的可驾驶性、燃油消耗、废气排放和其他性能达到综合较优的最佳途径，也是换挡规律发展和应用的方向。可以从以下两个方面来完善综合智能换挡规律。

    2.2.1 提高基于约束条件换挡规律的精度

    当汽车处于常规路面时，基于约束条件的换挡规律可使汽车获取较好的动力性和燃油经济性。在综合智能换挡体系中，经常要用到基于约束条件的换挡规律。提高基于约束条件的换挡规律的精度，是完善综合智能换挡规律体系的重要途径。

    基于约束条件换挡规律的设计方法中，求解最佳动力性换挡规律、恒油门加速和匀速状态下的最佳经济性换挡规律的理论比较完善。由于汽车通常是按照某一循环工况(如上海市城市循环工况)行驶的，研究制定可使汽车在某一循环工况内的燃油经济性最佳且容易实施的换挡规律，是完善换挡规律体系的重要方向。

    此外，提高发动机模型的精度，减小发动机模型与实时运行工况之间的误差，也是提高传统换挡规律精度的关键。

    传统的发动机建模方法，是通过试验得到的若干有代表性的稳态点，利用高次多项式的逼近特性进行回归分析，来建立发动机的模型。由于多项式的拟合精度不高，所以应用传统的数学方法建立的发动机模型并不能满足实际的需求。

    研究表明，自适应神经网络所建发动机模型的精度较高。另外，利用BP神经网络对发动机进行建模，也可获得理想的效果。

    人工神经网络的隐层数、神经元数、初始权值、初始阈值及样本的选择方法对发动机辨识的精度影响较大，但这些参数的选择方法并没有理论指导。当前普遍采用试凑法来确定网络的初始权值和阈值、隐层数、神经元数及样本数据，这种方法的缺点是工作量大且易造成疏漏，很难得到最佳结果，而且模型的稳定性也较差。为建立一个稳定的最优的发动机模型，获得精度较好的换挡规律，必须对上述问题进行更深入的分析。

    2.2.2 丰富换挡决策的知识库、加强综合智能换挡规律的试验及推广研究

    应通过对大量优秀驾驶员在不同行驶环境、车辆状态下换挡决策的统计分析，总结相应的控制规则，丰富并完善专家知识库，为修正换挡规律，全面实现综合智能换挡规律奠定基础。实际应用过程中，由于硬件响应速度和控制精度的限制，可全面考虑各种因素的理想化的综合智能换挡规律很难实现。因此应分析各因素对车辆性能的影响，仅考虑对车辆性能具有较大影响的因素，设计出一种易于推广应用的综合智能换挡规律。

3 换挡品质

    双离合器以其独特的结构，采用预先升、降挡的方法，消除了AMT换挡过程中主、被动齿轮转速差对换挡品质的影响，并且通过两个离合器在换挡过程中的交替工作，实现了动力换挡，换挡品质比传统的机械式自动变速器有了很大提高。但是由于DCT仍然属于有级式变速器，换挡过程中传动比的变化，必然会产生换挡前后驱动转矩的改变。而且，DCT系统是一个多转动惯量的系统，换挡过程也不是瞬时完成的，这些都会产生不同程度的换挡冲击。因此分析换挡冲击度和离合器滑磨功产生的原因，制定合理的控制策略，优化换挡品质，对于加快DCT的研发过程，具有重要意义。

    3.1 研究现状

    换挡品质研究的主要目标，就是缩短换挡时间，且使换挡过程中的冲击度和滑磨功符合要求。牛铭奎等将换挡过程分为：低挡、低挡转矩相、惯性相、高挡转矩相和高挡五个阶段，建立了DCT换挡过程的数学模型，并对升、降挡的换挡特性进行了仿真与试验分析，定性分析了分离离合器压力与接合离合器压力变化对换挡品质的影响。

    GOETZ等初步探讨了通过发动机、变速器集成控制来提高换挡品质的方法。

    3.2 发展动态

    3.2.1 换挡执行机构控制指令的优化控制

    优化离合器的切换规律，控制离合器的接合、分离速度，是提高DCT换挡品质的重要途径。在液作动DCT的换挡过程中，各电磁阀占控比数值的大小，决定着离合器分离或接合的快慢程度；而在电作动DCT的换挡过程中，离合器分离或接合的快慢程度，是由电动机电压的方向、占控比或运转时间的数值决定的。因此应直接以各电磁阀的占控比，直流电动机电压的方向、占控比或运转时间为研究对象，对比分析不同控制指令时的换挡品质。考虑系统温度、离合器磨损等因素对换挡品质的影响，对控制指令进行补偿。最终得到使各挡位的换挡品质达到综合较优时，各电磁阀或各电动机控制指令的数值表。

    3.2.2 动力传动系的综合控制

    尽管离合器的滑磨控制是实现DCT动力换挡的主要途径，但它是以延长换挡时间和增加离合器热负荷、减少离合器使用寿命为代价的。因此应该基于CAN总线的动力传动系综合控制，根据发动机电子控制单元和变速器电子控制单元之间信息的共享，通过发动机的供油控制，缩短换挡的时间，优化换挡品质。

    DCT换挡过程中，发动机转矩、离合器传递转矩和输出转矩的关系如式(3)、(4)所示，由于离合器接合或分离的快慢影响dw1／dt、dw2／dt数值大小。因此瓦。受发动机转矩和离合器接合快慢等因素的耦合作用

    应该考虑离合器的执行机构、电子油门的执行电动机和各传感器对控制指令的滞后情况，制定并优化各控制指令发出的时序，合理制定每个挡位升、降挡过程中，电子油门执行电动机控制指令的数值表，实现动力传动系的综合控制。
 

4 仿真技术在DCT控制系统研发中的应用

    仿真技术在汽车产品开发中所起的作用已经得到了广大设计人员的认可，仿真技术缩短了新产品的开发周期，可在产品开发前期，快速有效地对新颖的设计思想进行验证和评价。

    在AT、CVT、AMT和HEv的研发过程中，仿真技术都得到了广泛的应用，取得了较好的效果。

    4.1 研究现状

    对于DCT控制系统的研发而言，采用数字仿真和半实物仿真方法，可高效快速地对起步控制策略、换挡规律及改善换挡品质方法进行评价，对比分析不同控制策略的优劣。另外，可以借助数字仿真和半实物仿真方法，对汽车在高速紧急制动等危险工况时的性能进行分析。

    ZHANG等基于Modelica／Dvm01a平台，建立了DCT动力传动系的数字仿真模型，并基于EPA循环工况，对换挡过程进行了分析。

    金伦等基于EASY5平台，建立了动力传动系统的数字仿真模型，并对典型升挡过程的动态特性进行了分析。

    4.2 硬件在环仿真技术的应用

    与数字仿真相比，硬件在环仿真具有实时性的优点，分析结果与实车测试更加贴近。

    在研发DCT过程中，首先应基于Matlab／Simulinl(／Statenow软件平台，建立装备DCT车辆的数字仿真模型；然后利用Real．Time．workshop，实现图形化模型向c代码的转化；并基于xPc或dSPACE目标工作环境，借助dSPACE、AUTOB0x或xPC和共控机等软硬件，与电子控制单元和作动器进行连接，建立半实物仿真试验台；在此基础上，定性(量)分析各因素对整车的起步品质、换挡品质、动力性和燃油经济性的影响，并优化各种控制策略。

5 结论

    起步控制策略的制定、换挡规律的制定和换挡品质的改善方法是DCT控制系统的核心技术，对装备DCT车辆的动力性、经济性和舒适性有着重要的影响。

    从离合器起步时的动力学模型、离合器接合速度的控制策略及离合器执行机构的跟踪品质三个方面，总结了DCT起步控制技术的研究现状，并且指出：研究模糊控制参数的快速寻优方法，完善离合器的模糊控制技术，是提高DCT起步性能的主要途径。

    将目前的换挡规律分别归纳为基于经验、基于约束条件、智能修正和综合智能四种类型，并且指出：完善基于约束条件换挡规律的设计方法，提高发动机模型的精度，以使汽车在某一具体循环工况内的燃油经济性最优；丰富换挡决策的知识库，加强综合智能换挡规律的试验及推广研究，是目前换挡规律发展的主要方向。

    总结了提高DCT换挡品质的研究成果，并且指出：应直接以各离合器执行机构的控制指令为研究对象，对比分析不同控制指令时的换挡品质，最终得到使各挡位的换挡品质达到综合较优时，各执行机构控制指令的数值表；制定电子油门执行电动机控制指令的数值表，通过发动机的供油调节，实现换挡过程中动力传动系的综合控制，以缩短换挡时间，优化换挡品质。

    总结了DCT系统仿真方面的研究成果，分析了半实物仿真技术在DCT控制系统研发过程中的应用方法。