双离合器自动变速器控制品质评价指标分析*

宋世欣，张元侠，刘 科，付 尧，张建国，曾华兵

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022； 2.装甲兵技术学院车辆工程系，长春 130117)



2015159

双离合器自动变速器控制品质评价指标分析*

宋世欣1，张元侠1，刘 科1，付 尧1，张建国2，曾华兵1

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022； 2.装甲兵技术学院车辆工程系，长春 130117)

根据双离合器式自动变速器车辆的不同行驶工况，从控制的角度出发，将控制品质评价指标细分为起步品质和换挡品质的评价指标。基于MATLAB/Simulink搭建了某DCT样车整车模型，包括发动机、双离合器与操纵装置、变速器与同步器、负载、整车动力学、控制器和驾驶员等子模型，并设计了控制品质客观评价系统，研究各个评价指标与控制品质的映射关系。采用层次分析法确定控制品质评价指标权值，通过整车系统模型与评价系统的联合仿真，确定了控制目标，即各个评价指标的控制期望区间，为下一步优化DCT的控制策略、控制算法提供了优化目标，得到了能够保证DCT起步品质和换挡品质的控制期望值，为整车控制策略和控制算法优化提供了参考。

车辆工程；双离合器自动变速器；起步品质；换挡品质；评价指标

前言

双离合器式自动变速器的控制品质主要包括起步品质和换挡品质两方面。目前，针对DCT的研究主要集中在双离合器起步控制、换挡控制、换挡规律制定等方面，其研究内容大多参考已有AMT的研究成果。在国内，文献[1]中提出了根据换挡动力性、经济性需求，应用模糊方法建立冲击和滑摩这两项指标间的权值分配原则，对换挡品质进行综合评价。为解决评价指标量化要求，文献[2]中基于人体生理学对反映换挡平顺性的冲击度进行了理论分析和试验研究，定义了持续加速度和瞬时加速度，并采用评价等级来评价，给出了这两类加速度和评价等级之间的联系。文献[3]～文献[5]中对换挡时出现的Shunt和Shuffle进行了相关研究。研究者对于控制效果并没有判断优劣的明确标准，国内外通常的做法是采用主观评价方法，即根据传动系统产生的冲击度、滑摩功来对控制品质进行粗略的评估。这些评价方法只是实现了评价的一个功能，并不能针对自动变速器的控制品质给出控制目标，对控制和优化的指导作用还不够深入。究其原因就在于目前对自动变速器的控制目标无章可循。如何让评价指标具体、明确是研究者需要解决的第一个关键问题。

本文中根据双离合器式自动变速器车辆的不同行驶工况，从控制的角度出发将评价指标细分定义，设计控制品质评价系统，并研究各个评价指标与控制品质的映射关系。采用层次分析法确定控制品质评价指标的权值，通过整车系统模型与评价系统的联合仿真确定了控制目标，即各个评价指标的控制期望区间，为双离合器式自动变速器控制策略、控制算法提供了优化目标。

1 控制品质评价指标细分定义

由于双离合器式自动变速车辆起步和换挡工况不同，下面从控制的角度出发，将控制品质评价指标细分，分别对起步品质评价指标和换挡品质评价指标进行定义。

1.1 起步品质评价指标定义

起步品质是指在保证汽车动力性与动力传动系统寿命的前提下，起步迅速、平稳且满足舒适性要求。在车辆起步过程中，离合器接合速度过快，引起发动机转速产生较大波动，造成发动机颤振、熄火，破坏起步的平顺性；离合器接合速度过慢，滑摩功将迅速增加，降低离合器使用寿命，同时起步时间过长，不能满足起步的快捷性。由此，定义如表1和图1所示的评价指标，其中起步意图通过节气门开度来表示。

1.2 换挡品质评价指标定义

换挡品质是在保证动力传动系统寿命的前提下，能迅速平稳地变速换挡的程度[6-7]。良好的换挡品质要求传动系统换挡过程平稳而无冲击地进行，争取做到动力无中断、换挡无冲击。但因动力传动系统是多转动惯量系统，换挡过程远非瞬时可以完成，所以即使对于双离合器式自动变速器，在其传动比变化过程中都会有不同程度的冲击。当冲击严重时，不仅乘员难以忍受，而且传动系统的动载荷还将大大增加。由此，定义如表2和图2所示的评价指标。

表1 起步品质评价指标

表2 换挡品质评价指标

2 整车模型和评价系统设计

2.1 仿真模型总体方案

基于Matlab/Simulink建立的整车系统仿真模型[8-9]包括发动机模型、双离合器及操纵装置模型、变速器及同步器模型、负载模型、整车动力学模型、控制器模型(TCU)和驾驶员模型，仿真模型总体方案如图3所示。整车系统模型主要功能和数据流说明如下：

(1) 发动机模型根据节气门开度α和发动机转速ωe，计算发动机输出转矩Te；

(2) 双离合器及其操纵装置模型根据发动机输出转矩Te及阻力矩T1、双离合器从动盘与发动机的转速差dωc1和dωc2，控制器给出的离合器主从动盘接合速度vc1和vc2，计算双离合器传递转矩Tc1和Tc2；

(3) 变速器及同步器模型根据控制器提供的目标挡位计算同步力矩Ts、同步时间ts和传动比ig；

同步器传递的力矩为

(1)

同步时间为

(2)

式中：μs为同步环摩擦工作面摩擦因数，Fs为作用在同步器上的同步力，αs为同步器摩擦锥面锥角，Rso，Rsi为同步器摩擦锥面的工作外径与内径，Isi，Iso为同步器输入端、输出端的等效转动惯量，ωsi，ωso为同步器输入端、输出端角速度，Tsi，Tso为同步器器输入端、输出端所作用的转矩；

(4) 负载模型根据整车驱动力矩Tout、车轮旋转角速度ωv等信号计算整车阻力矩T1；

(5) 整车动力学模型根据Te，Tc1，Tc2，T1计算Tout、车速ua、纵向加速度a、离合器从动盘转速ωc1，ωc2等参数；

(6) 控制器模型根据车辆运行参数给出vc1，vc2，Δα(节气门开度变化率)和Geartar(目标挡位)，对双离合器和发动机进行控制；

(7) 驾驶员模型给出能够反映驾驶员驾驶意图的手柄位置信号L_pos、加速踏板位置信号Acc_p、制动开关信号B_on和驾驶模式(运动型/经济型)Mode；

(8) 控制品质评价模型根据加速踏板位置信号Acc_p、制动开关信号B_on、当前挡位Gear、离合器C1行程Lc1、离合器C2行程Lc2、车速ua、车辆加速度a、发动机曲轴角速度ωe、离合器C1角速度ωc1、离合器C2角速度ωc2等输入信号，提取出评价指标，对车辆换挡品质进行评价。

2.2 控制品质评价系统设计

仿真模型的总体方案中集成了控制品质评价模型，其输入为Acc_p，B_on，Lc1，Lc2，Gear，ua，a，ωe，ωc1，ωc2，用于控制品质评价指标的提取和评价等级计算。

控制品质评价模型由信号输入和数据处理模块、驾驶意图辨识与工况模式识别模块、评价指标提取模块3部分组成，如图4所示。信号输入和数据处理模块可以对评价系统所需的基本信号进行数据处理，如去噪滤波、计算衍生信号等；驾驶意图辨识与工况模式识别模块可以根据整车行驶参数，进行逻辑判断、辨识驾驶员驾驶意图和车辆当前所处的行驶状态，并触发相应的评价指标提取模块；评价指标提取模块用于提取不同工况下的评价指标。

在驾驶意图识别与工况模式识别中，采用了模糊数学的方法，通过节气门开度及节气门开度的变化率表征驾驶员的驾驶意图，建立节气门开度的隶属度函数，设计了驾驶员意图识别算法、工况模式识别算法、评价指标提取算法等。

3 评价指标与控制品质的映射分析

控制品质需要兼顾舒适性-使用寿命两方面，其中舒适性是对乘员的主观感觉提出的，具体包括行驶平顺性、可控性和噪声等因素对乘员的影响；使用寿命是对车提出的，体现在离合器的滑摩功和冲击对传动系的影响。评价指标与控制品质存在复杂交错的映射关系，下面结合DCT系统模型和评价系统的仿真来分析评价指标与控制品质的映射关系。

3.1 评价指标与起步品质的映射分析

图5为整车系统仿真模型给出的3个不同工况下的起步过程。从上到下依次为加速度、冲击度、发动机转速、比滑摩功和起步时间随时间的变化曲线。评价系统对起步过程a的评价为起步舒适性好，滑摩功较大，相应地可以看出ap，jp-p，jp-n较小，Δωe，tL较大，ωe-min高于怠速；对起步过程b的评价为起步舒适性良好，滑摩功适中，相应的可以看出ap，jp-p，jp-n较小，Δωe，tL比过程a稍小；对起步过程c的评价为起步舒适性差、滑摩功较小，相应地可以看出ap，jp-p，jp-n较大，Δωe，tL较小。

通过仿真分析可以得到评价指标与起步品质的映射关系，如图6所示。在车辆起步时，影响乘员舒适性的评价指标有ap，jp-p，jp-n，Δωe，tL，其中ap只对舒适性有影响，对车没有影响，jp-p，jp-n，Δωe，tL4个评价指标影响乘员主观感觉的同时，还影响着车的使用寿命。评价指标ωe-min只对车的使用寿命产生影响。因此可以得出：对乘员舒适性和对车使用寿命二者的评价指标总是矛盾的，减小起步冲击是以牺牲滑摩功为代价的，在进行控制时可以根据不同的起步工况进行折中考虑。

3.2 评价指标与换挡品质的映射分析

通过对评价指标与控制品质的映射分析，可以得出：在各个不同工况下各个评价指标存在着非线性、强耦合的关系。因此，有必要对控制品质的各个评价指标进行科学的权值分配。

4 基于层次分析法的评价指标权值分配

双离合器式自动变速器控制品质评价系统[10]是一个复杂的多层次和多指标系统，在评价指标的权值分配问题上，由于评价者关注的侧重点不同，权值亦有所不同。因此，本文中应用层次分析法确定评价系统中各个单项指标权重，建立层次分析法结构模型和判断矩阵，为确定优化目标函数的加权系数提供理论依据。根据评价工况和评价指标建立如表3所示的评价指标层次分析法结构，目标层为整车综合控制品质；准则层设为起步和换挡两种评价工况；对于起步工况，6个起步品质评价指标作为方案层，对于换挡工况，9个换挡品质评价指标作为方案层。

按判断矩阵标度构造出各因素两两相互比较的判断矩阵。表4为DCT系统节气门大开度下起步的判断矩阵及计算所得的权值，并计算一致性比率CR，进行一致性检验。

表3 评价指标层次分析法结构

表4 起步品质各指标判断矩阵及权重

5 评价给出的控制目标

基于整车系统模型和评价系统集成的仿真平台，通过评价得出控制品质评价达优时评价指标的控制期望区间，如表6和表7所示。表中给出的结果也是进行DCT系统控制品质优化的控制目标，在保证各个指标的落在控制期望区间之内，对各个指标进行折中可以保证DCT具有良好的控制品质。值得一提的是，表中结果是基于仿真得出的结果，结合不同车型，表中的值需要进行调整。

表5 换挡品质各指标判断矩阵及权重

表6 起步品质评价指标的控制期望区间

表7 换挡品质评价指标的控制期望区间

6 结论

由于传统意义上的控制品质评价指标较少，无法全面准确地表征车辆的控制品质，本文中根据双离合器式自动变速器车辆的不同行驶工况，从控制的角度出发将评价指标细分定义，设计控制品质评价系统，并研究各个评价指标与控制品质的映射关系，基于层次分析法对评价指标进行权值分配。通过整车系统模型与评价系统的联合仿真确定了控制目标，即各个评价指标的控制期望区间，为下一步优化DCT的控制策略、控制算法提供了优化目标。得到了能够保证DCT起步品质和换挡品质的控制期望值，评价为整车控制策略及控制算法优化提供了参考和依据。

[1] Bernd Matthes. Double Clutch Transmissions Lessons Learned and Future Potential[C]. SAE Paper 2005-01-1021.

[2] Huang Quanan, Wang Huiyi. Fundamental Study of Jerk: Evaluation of Shift Quality and Ride Comfort[C]. SAE Paper 2004-01-2065.

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[4] Johansson S, Langjord E, Pettersson S. Objective Evaluation of Shunt and Shuffle in Vehicle Powertrains[C]. 7th International Symposium on Advanced Vehicle Control, Arnhem, the Netherlands,2004.

[5] Johan Dufberg, Sebastian Dyrkell. Objective Evaluation of Shunt and Shuffle[D]. Master’s Thesis Exe068/2004, Department of Signals and Systems, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, March 2004.

[6] Geoff Davis, Rolland Donin, Mark Findlay, et al. Optimization of Gear Shift Quality by Mean of Simulation[J]. ATZ Worldwide eMagazines,2004,7:668.

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[10] Song Xubin, Liu Jason, Daniel Smedley. Simulation Study of Double Clutch Transmission for Medium Duty Truck Applications[C]. SAE Paper 2005-01-3590.

An Analysis on the Evaluation Metrics of Control Qualityfor Vehicles with Dual Clutch Transmission

Song Shixin1, Zhang Yuanxia1, Liu Ke1, Fu Yao1, Zhang Jianguo2& Zeng Huabing1

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomobileSimulationandControl,Changchun130022; 2.DepartmentofVehicleEngineering,ArmorTechniqueInstituteofPLA,Changchun130117

According to the different driving cycles of vehicle with dual clutch transmission (DCT) and viewing from the perspective of control, its evaluation metrics of control quality are subdivided into the evaluation metrics for starting and shifting. The model for a prototype vehicle with DCT is built with MATLAB/Simulink, incorporating the sub-models for engine, dual clutch and its actuator, transmission and synchronizer, controller，driver and vehicle dynamics, and the objective evaluation system of control quality is designed to study the mapping relationship between evaluation metrics and control quality, and the weighs of control quality metrics are determined by analytic hierarchy process. Through the co-simulation of vehicle model and evaluation system, the control objectives, namely the expected control interval of each evaluation metric are determined, providing the optimization objective of control strategy and algorithm for subsequent DCT optimization. The expected control values for the starting and shifting quality of DCT are obtained, providing references for the optimization of vehicle control strategy and algorithm.

vehicle engineering; DCT; starting quality; shifting quality; evaluation metrics

*国家国际科技合作专项项目(2014DFA71790)、教育部博士学科点专项科研基金项目(201200611100027)、吉林省科技重大专项(20130204023GX)、国家863计划项目(2012AA111712)、吉林大学“985”工程、长江学者和创新团队发展计划(IRT1017)和新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0248)资助。

原稿收到日期为2013年11月22日，修改稿收到日期为2014年3月5日。