基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制技术研究
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摘要
基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制技术研究
随着电子技术的快速发展，以及驾驶者对汽车的舒适性、安全性、动力性和便捷性等各项性能的要求日益提高，自动变速器由于其具有降低燃油消耗率、改善排放、提高动力传动系统使用寿命以及减轻驾驶者劳动强度等一系列优点，得到了日益广泛的应用。
伴随着科学技术的进步，自动变速技术也不断发展，自动变速器经历着不断的改良、进化和升级。汽车动力传动系统一体化控制是结合自动变速理论和电子控制技术，通过电子装置控制发动机的输出转矩和通过相关执行机构控制自动变速器的工作状态实现档位变换。基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器(Dual ClutchTransmission，简称DCT)控制是指根据驾驶员的操作意图和当前车辆的运行状态，以及车辆其他电子系统对传动系统输出功率的需求，通过联合控制动力传动系统的相关部件（发动机、自动变速器等），达到精确控制动力传动系统功率输出的目的，实现良好的起步、换档品质。
双离合器自动变速器是近年来自动变速器领域的研究热点，它由传统平行轴式外啮合齿轮变速箱的基础上发展而来，分别将奇、偶数档位轴系布置在两个离合器上，换档过程通过两个离合器交替来实现。它既保持了传统手动变速器结构简单、机械效率高等优点，又能实现动力无中断换档，提高了车辆的动力性和经济性，改善了换档品质。
本文基于动力传动系统一体化的思想，进行双离合器自动变速器的动力传动系统开发和研究。针对基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器，在理论分析的基础上，结合仿真和试验，对基于动力传动系统一体化的DCT换档规律制定和换档品质控制技术进行了深入研究。在介绍了双离合器自动变速器的结构特点和应用现状的基础上，分析了传动系统控制的发展历程和动力传动系统一体化控制技术的研究现状，结合国家“863”高技术研究发展资助项目—“6档双离合器自动变速器开发”，进行基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制技术研究，具体如下：
（1）对整车系统进行建模，采用MATLAB作为建模基础建立系统仿真模型，根据基于模型的开发的特点，采用模块化的建模技术，将整个系统模型分为三个部分：驾驶员模型、控制器模型和整车硬件系统模型，利用MATLAB/Simdriveline对装备有双离合器式自动变速器的整车硬件进行建模分析，建立了整个传动系统的模型。通过对仿真结果和试验结果的对比，从动力性特性和燃油经济性特性两个方面表明仿真结果可以有效的反映车辆的运行情况，证明了仿真模型的有效性。为基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制策略开发奠定基础。
（2）对发动机转矩控制系统进行了设计，采用模糊补偿控制进行发动机转矩的精确控制，设计了电子节气门控制的软硬件系统，采用参数模糊自整定PID控制的方法实现了电子节气门的良好控制。进行了电子节气门控制试验，试验结果表明节气门开度跟随良好，证明了控制方法的有效性。
（3）在分析了传统的换档规律制定方法的基础上，采用动态规划的方法进行了基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器最佳换档规律的制定。分别进行基于传统综合型换档规律和基于动力传动一体化最佳换档规律下的ECE循环工况仿真、EUDC循环工况仿真和全油门加速性能仿真，通过仿真对比可以看出，采用本文制定的基于动力传动系统一体化控制的最佳换档规律，能够在不损失动力性的情况下，有效地改善燃油经济性。
（4）在分析了换档品质评价指标的基础上，提出了基于动力传动系统一体化的DCT换档品质控制策略，通过联合控制发动机转矩和两个离合器的传递转矩实现换档前后转矩基本保持稳定的目标。采用径向基神经网络（Radial Basis Function NeuralNetwork简称RBFNN）智能控制算法进行离合器压力的补偿控制，实现离合器压力的精确控制，建立基于RBFNN的离合器压力智能控制系统并进行仿真，仿真结果显示，RBFNN离合器压力智能控制系统能够有效地保证实际压力跟随目标压力变化，减小压力控制的误差，实现离合器压力的精确控制。利用本文建立的传动系统模型，进行换档品质控制的仿真分析，仿真结果显示本文提出的换档品质控制策略，有效地提高了换档的平顺性，改善了换档品质。
（5）设计了基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器的电控系统方案，采用XC164CS单片机进行了PCU硬件系统开发，设计了电控单元软件架构，开发了基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器的电控系统的软硬件，介绍了数据采集和分析系统原理，进行了整车试验，通过试验验证了本文提出的控制策略的有效性。
本文通过理论分析与试验研究相结合的方法，对基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制技术进行了深入研究，试验和仿真结果表明，通过采用动力传动系统一体化控制技术，有效地改善了传动系的各项性能，获得了较好的换档品质，对双离合器自动变速器的开发具有一定的参考价值。
With the development of electronic technology, as well as the driver’s requirements fordriveability, comfort, safety and convenience, the automatic transmission has been anincreasingly wide range of applications, because of it has a series of advantages includingits reduction of fuel consumption, improvement of emissions and the driver’s convenience.
Along with the development of science and technology, the automatic transmissionproduct experienced continuous improvement, evolution and upgrade. With the Applicationof the theory of automatic transmission and electronic control technology, the vehicle’slaunch and shift base on the integrated powertrain control technology is automaticallycompleted by control the output torque of engine and the clutch’s work state through theactuator. The Integrated powertrain control system provides optimum power through the useof an electronically controlled throttle and adjustment of shift position. The system offers ashockless shift by increasing or decreasing engine torque when shifting and improves fueleconomy.
As the research focus of domestic and international transmission industry, Dual clutchtransmission is evolved in parallel shaft transmission, which arranged tow clutch parallellyon the odd gears and the even gears. The shift progress of the dual clutch transmission iscompleted by clutch to clutch shifting. It maintained advantages of a traditional manualtransmission including the simple structure and high efficiency, but also achieves powershift without interruption, which has improved the vehicle's driveability and economy.
Research on dual clutch transmission based on the integrated powertrain control theoryis developed in this paper. The key technical issues of dual clutch transmission based onintegrated powertrain control is studied through depth theoretical analysis and experimentalresearch. On the basis of analysis on the structural characteristics of the dual clutchtransmission and its application status, as the following study of‘863’ high-tech programproject(No.2006AA110109)‘the development of six-speed dual clutch transmission’, Thedual clutch transmission control technology based on the integrated powertrain is studied,.The main content of research is as follows:
1. Vehicle system model is built used in DCT’s simulation using modular modelingtechnology according to the characteristics of model based design. The entire system modelis divided into three parts: the driver model, controller model and the vehicle hardwaresystem model using the MATLAB/Simdriveline. The model of the entire powertrainequipped with dual clutch transmission is established by analyzing vehicle hardware. It canbe seen from the comparison of simulation and experimental results that the simulationresults from the two aspects of the dynamic characteristics and fuel economy characteristicscan effectively reflect the operation of the vehicle, which proves the validity of thesimulation model. The simulation model could be the foundation to develop the controlstrategies of the dual clutch transmission based on integrated powertrain.
2. Engine torque control system is designed, using fuzzy compensation control toachieve precise control of engine torque. The hardware and software of the electronicthrottle control system is designed, using fuzzy parameter self-tuning PID control method toachieve a good electronic throttle control. The electronic throttle control system is tested.The experimental results show that the throttle follows well, which proves the effectivenessof the control method.
3. The dual clutch transmission shift schedule based on integrated powertrain isdeveloped using dynamic programming method on the basis of analyzing traditional shiftschedule. The simulation comparison is obtained, which including the traditional shiftschedule and integrated powertrain shift schedule under the ECE driving cycle simulation,EUDC driving cycle simulation and full-throttle acceleration performance. It can be seenfrom the comparison that the integrated powertrain shift schedule can improve fueleconomy without losing driveability.
4. The DCT’s shift quality control strategy based on integrated powertrain is proposedon the basis of analyzing the shift quality evaluation. The output torque keeps stable beforeand after shift through the integrated control of the engine torque and the torque of the dualclutch. Precise control of the clutch pressure is achieved by using Radial Basis FunctionNeural Network to build the intelligent pressure control system, which is simulated. Thesimulation results show that the intelligent clutch pressure control system achieved theprecise control of the clutch pressure which can effectively guarantee the actual pressure tofollow the target pressure and reduce the pressure control error. The gearshift qualitysimulation is analyzed, which shows that the shift quality control strategy proposed in this paper can improve the shift quality.
5. The electric control system of the integrated powertrain is designed. ThePCU(Powertrain control units) hardware system is designed by using XC164CSmicrocontroller. The software architecture is proposed based on the integrated powertraincontrol. The hardware and software of the DCT based on integrated powertrain is developed.The data acquisition systems theory and analysis equipment is introduced. The real vehicletest is carried out, which verifies the validity of the control strategy proposed in this paper.
In this paper, the key technologies of dual clutch transmission based on integratedpowertrain is studied by combining the theoretical analysis and experiment. The test andsimulation results show that the performance of the driveline is effectively improved by theuse of integrated powertrain control technology, which has some reference value for thedevelopment of the dual clutch transmission.
随着电子技术的快速发展，以及驾驶者对汽车的舒适性、安全性、动力性和便捷性等各项性能的要求日益提高，自动变速器由于其具有降低燃油消耗率、改善排放、提高动力传动系统使用寿命以及减轻驾驶者劳动强度等一系列优点，得到了日益广泛的应用。
伴随着科学技术的进步，自动变速技术也不断发展，自动变速器经历着不断的改良、进化和升级。汽车动力传动系统一体化控制是结合自动变速理论和电子控制技术，通过电子装置控制发动机的输出转矩和通过相关执行机构控制自动变速器的工作状态实现档位变换。基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器(Dual ClutchTransmission，简称DCT)控制是指根据驾驶员的操作意图和当前车辆的运行状态，以及车辆其他电子系统对传动系统输出功率的需求，通过联合控制动力传动系统的相关部件（发动机、自动变速器等），达到精确控制动力传动系统功率输出的目的，实现良好的起步、换档品质。
双离合器自动变速器是近年来自动变速器领域的研究热点，它由传统平行轴式外啮合齿轮变速箱的基础上发展而来，分别将奇、偶数档位轴系布置在两个离合器上，换档过程通过两个离合器交替来实现。它既保持了传统手动变速器结构简单、机械效率高等优点，又能实现动力无中断换档，提高了车辆的动力性和经济性，改善了换档品质。
本文基于动力传动系统一体化的思想，进行双离合器自动变速器的动力传动系统开发和研究。针对基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器，在理论分析的基础上，结合仿真和试验，对基于动力传动系统一体化的DCT换档规律制定和换档品质控制技术进行了深入研究。在介绍了双离合器自动变速器的结构特点和应用现状的基础上，分析了传动系统控制的发展历程和动力传动系统一体化控制技术的研究现状，结合国家“863”高技术研究发展资助项目—“6档双离合器自动变速器开发”，进行基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制技术研究，具体如下：
（1）对整车系统进行建模，采用MATLAB作为建模基础建立系统仿真模型，根据基于模型的开发的特点，采用模块化的建模技术，将整个系统模型分为三个部分：驾驶员模型、控制器模型和整车硬件系统模型，利用MATLAB/Simdriveline对装备有双离合器式自动变速器的整车硬件进行建模分析，建立了整个传动系统的模型。通过对仿真结果和试验结果的对比，从动力性特性和燃油经济性特性两个方面表明仿真结果可以有效的反映车辆的运行情况，证明了仿真模型的有效性。为基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制策略开发奠定基础。
（2）对发动机转矩控制系统进行了设计，采用模糊补偿控制进行发动机转矩的精确控制，设计了电子节气门控制的软硬件系统，采用参数模糊自整定PID控制的方法实现了电子节气门的良好控制。进行了电子节气门控制试验，试验结果表明节气门开度跟随良好，证明了控制方法的有效性。
（3）在分析了传统的换档规律制定方法的基础上，采用动态规划的方法进行了基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器最佳换档规律的制定。分别进行基于传统综合型换档规律和基于动力传动一体化最佳换档规律下的ECE循环工况仿真、EUDC循环工况仿真和全油门加速性能仿真，通过仿真对比可以看出，采用本文制定的基于动力传动系统一体化控制的最佳换档规律，能够在不损失动力性的情况下，有效地改善燃油经济性。
（4）在分析了换档品质评价指标的基础上，提出了基于动力传动系统一体化的DCT换档品质控制策略，通过联合控制发动机转矩和两个离合器的传递转矩实现换档前后转矩基本保持稳定的目标。采用径向基神经网络（Radial Basis Function NeuralNetwork简称RBFNN）智能控制算法进行离合器压力的补偿控制，实现离合器压力的精确控制，建立基于RBFNN的离合器压力智能控制系统并进行仿真，仿真结果显示，RBFNN离合器压力智能控制系统能够有效地保证实际压力跟随目标压力变化，减小压力控制的误差，实现离合器压力的精确控制。利用本文建立的传动系统模型，进行换档品质控制的仿真分析，仿真结果显示本文提出的换档品质控制策略，有效地提高了换档的平顺性，改善了换档品质。
（5）设计了基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器的电控系统方案，采用XC164CS单片机进行了PCU硬件系统开发，设计了电控单元软件架构，开发了基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器的电控系统的软硬件，介绍了数据采集和分析系统原理，进行了整车试验，通过试验验证了本文提出的控制策略的有效性。
本文通过理论分析与试验研究相结合的方法，对基于动力传动系统一体化的双离合器自动变速器控制技术进行了深入研究，试验和仿真结果表明，通过采用动力传动系统一体化控制技术，有效地改善了传动系的各项性能，获得了较好的换档品质，对双离合器自动变速器的开发具有一定的参考价值。
With the development of electronic technology, as well as the driver’s requirements fordriveability, comfort, safety and convenience, the automatic transmission has been anincreasingly wide range of applications, because of it has a series of advantages includingits reduction of fuel consumption, improvement of emissions and the driver’s convenience.
Along with the development of science and technology, the automatic transmissionproduct experienced continuous improvement, evolution and upgrade. With the Applicationof the theory of automatic transmission and electronic control technology, the vehicle’slaunch and shift base on the integrated powertrain control technology is automaticallycompleted by control the output torque of engine and the clutch’s work state through theactuator. The Integrated powertrain control system provides optimum power through the useof an electronically controlled throttle and adjustment of shift position. The system offers ashockless shift by increasing or decreasing engine torque when shifting and improves fueleconomy.
As the research focus of domestic and international transmission industry, Dual clutchtransmission is evolved in parallel shaft transmission, which arranged tow clutch parallellyon the odd gears and the even gears. The shift progress of the dual clutch transmission iscompleted by clutch to clutch shifting. It maintained advantages of a traditional manualtransmission including the simple structure and high efficiency, but also achieves powershift without interruption, which has improved the vehicle's driveability and economy.
Research on dual clutch transmission based on the integrated powertrain control theoryis developed in this paper. The key technical issues of dual clutch transmission based onintegrated powertrain control is studied through depth theoretical analysis and experimentalresearch. On the basis of analysis on the structural characteristics of the dual clutchtransmission and its application status, as the following study of‘863’ high-tech programproject(No.2006AA110109)‘the development of six-speed dual clutch transmission’, Thedual clutch transmission control technology based on the integrated powertrain is studied,.The main content of research is as follows:
1. Vehicle system model is built used in DCT’s simulation using modular modelingtechnology according to the characteristics of model based design. The entire system modelis divided into three parts: the driver model, controller model and the vehicle hardwaresystem model using the MATLAB/Simdriveline. The model of the entire powertrainequipped with dual clutch transmission is established by analyzing vehicle hardware. It canbe seen from the comparison of simulation and experimental results that the simulationresults from the two aspects of the dynamic characteristics and fuel economy characteristicscan effectively reflect the operation of the vehicle, which proves the validity of thesimulation model. The simulation model could be the foundation to develop the controlstrategies of the dual clutch transmission based on integrated powertrain.
2. Engine torque control system is designed, using fuzzy compensation control toachieve precise control of engine torque. The hardware and software of the electronicthrottle control system is designed, using fuzzy parameter self-tuning PID control method toachieve a good electronic throttle control. The electronic throttle control system is tested.The experimental results show that the throttle follows well, which proves the effectivenessof the control method.
3. The dual clutch transmission shift schedule based on integrated powertrain isdeveloped using dynamic programming method on the basis of analyzing traditional shiftschedule. The simulation comparison is obtained, which including the traditional shiftschedule and integrated powertrain shift schedule under the ECE driving cycle simulation,EUDC driving cycle simulation and full-throttle acceleration performance. It can be seenfrom the comparison that the integrated powertrain shift schedule can improve fueleconomy without losing driveability.
4. The DCT’s shift quality control strategy based on integrated powertrain is proposedon the basis of analyzing the shift quality evaluation. The output torque keeps stable beforeand after shift through the integrated control of the engine torque and the torque of the dualclutch. Precise control of the clutch pressure is achieved by using Radial Basis FunctionNeural Network to build the intelligent pressure control system, which is simulated. Thesimulation results show that the intelligent clutch pressure control system achieved theprecise control of the clutch pressure which can effectively guarantee the actual pressure tofollow the target pressure and reduce the pressure control error. The gearshift qualitysimulation is analyzed, which shows that the shift quality control strategy proposed in this paper can improve the shift quality.
5. The electric control system of the integrated powertrain is designed. ThePCU(Powertrain control units) hardware system is designed by using XC164CSmicrocontroller. The software architecture is proposed based on the integrated powertraincontrol. The hardware and software of the DCT based on integrated powertrain is developed.The data acquisition systems theory and analysis equipment is introduced. The real vehicletest is carried out, which verifies the validity of the control strategy proposed in this paper.
In this paper, the key technologies of dual clutch transmission based on integratedpowertrain is studied by combining the theoretical analysis and experiment. The test andsimulation results show that the performance of the driveline is effectively improved by theuse of integrated powertrain control technology, which has some reference value for thedevelopment of the dual clutch transmission.
引文
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