使用自定义动态编程方法的汽车变速器离合器辅助控制

大连理工大学本科文献翻译使用自定义动态编程方法的汽车变速器离合器辅助控制AutomotiveTransmissionClutchFillControlUsingaCustomizedDynamicProgrammingMethod学部（学院）：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：李俊卿学号：201161171指导教师：刘欣评阅教师：完成日期：大连理工大学DalianUniversityofTechnology使用自定义动态编程方法的汽车变速器离合器辅助控制-I-摘要离合器变速控制技术对于紧凑、低成本的变速器设计是关键的因素，它对于自动变速器和手自混合变速器都十分重要。为了确保离合器换挡的流畅性，在换挡前和档位切换时离合器的精确同步非常重要。这进一步要求在档位切换前离合器在预定时间达到接合效果。由于紧凑的设计，目前还没有放置于离合器腔室内部的压力传感器，并且因此离合器填充只能在开环方式进行控制。依靠手动校准方式进行离合器填充压力指令所依靠的传统的离合器填充方式存在几个局限。首先，在离合器填充期间，压力分布不够优化，不能够降低流量要求的峰值。此外，在系统中造成不确定的因素并没与得到系统的设计，如不同电磁阀的延迟与离合器的组件参数。在本文中，我们提出了一个系统的方法来评估离合器填充和合成的最理想的压力分布。首先，被构造与分析的离合器填充动态模型抓住了离合器填充过程中的关键动态。第二点，对于离合器填充控制问题，常规数字动态编程方法经探索被证明是无效的，是因为它本身是一种刚性动态模型。因此，我们提出了一种定制动态编程(以下均是以DP替代）方法来获得在指定约束下的最理想和最健全的压力分布状。定制的DP方法不仅能显著的降低了计算负担，还通过消除该插值误差提高了结果的准确性。为了验证该方法，变速离合器夹具已经在实验室中设计和制造出来了。仿真与实验结果表明，之前提出的定制ＤＰ方法是十分有效的，高效有力地解决了离合器填充优化控制问题。关键词：汽车变速器；离合器填充；定制动态编程；液压传动大连理工大学本科毕业设计（论文）题目-II-目录摘要.....................................................................................................................................I1引言................................................................................................................................12问题描述................................................................................................................................42.1系统建模.....................................................................................................................42.2制动离合器的控制问题.............................................................................................63优化控制设计........................................................................................................................93.1系统模型的离散化.....................................................................................................93.2常规的数值动态编程方法对优化离合器填充控制的适应性...............................104结论......................................................................................................................................16大连理工大学本科毕业设计（论文）题目–1–1引言汽车变速器，作为汽车推进系统的重要组成部分被设计成按照一定的传动比，将引擎扭矩顺利有效地传递到车辆传动系中的一种装置。一个典型的自动变速器的主要部件包括变矩器、行星齿轮系统和离合器系统。动力的传输与换档事实上都是由接合与分离离合器系统实现的。图一是一种有着五套离合器压盘的简易的六级自动变速器示意图。离合器被连接到行星齿轮组的特定齿轮，通过对应离合器的接合实现相应的传动比。在变速过程中，一组离合器被接合，而另一组离合器被分离，我们将其称为离合器换挡。为了能够流畅的进行变档，保证换挡前和切换时离合器的精确同步是至关重要的，否则将造成不良的扭矩中断和震荡。为了确保同步的精确性，在离合器接合之前，使即将接合的离合器达到离合器压盘刚好接触的位置是非常必要的。这个过程被称为离合器填充过程，它在离合器换挡技术中起到了非常重要的作用。图１六级自动变速器的示意图在传输中通常使用的离合器驱动装置是电动液压离合器驱动装置，这主要归功于电动液压系统的高功率密度，图2是一个典型的传动离合器驱动系统示意图。一旦离合器被接合，受压流体冲入离合器室并且推动离合器活塞朝向离合器压盘运动，直至与其接触（离合器填充）。在离合器填充过程结束时，挤压离合器活塞使其与离合器压盘接触以及将发动机扭矩传送到车辆传动系的输入压力sP进一步增加。控制离合器活塞在特定的离合器填充时间到达离合器压盘是非常必要的，因为不当的离合器填充过程会导致欠填充或是过填充这两者都会导致离合器换挡同步的失败并因此会对离合器换挡质量带来不良影响。因此，对于实现精确的离合器填充和流畅的离合器接合过程来说，设计离合器填充过程压力指令是非常重要的。此外，在离合器填充过程中，通过综合离合器填充压力降低峰值流量要求是非常必要的。该功能使减小输送泵成为可能，以提高车俩的大连理工大学本科毕业设计（论文）题目–2–燃油经济性。然而，现在存在两个与离合器填充控制设计相关联的主要挑战，首先，在计算离合器填充压力与填充时间时，及时是细小的误差都将导致过填充或欠填充，这将对换挡质量产生不力影响；第2，目前，还不存在处于离合器室内部的压力传感器，因此不能形成一个压力反馈控制回路，因此，设计一种开环压力控制分布是十分必要的，从流量需求峰值上来说这是最理想的，从离合器填充时间上来时是最稳健的。显然，基于手动校准的传统方法是不能够有效实现上述目标的。在本文中，我们将提出一个系统化的方法来解决这项问题。图２离合器机构示意图为了使基于控制设计的系统和模型成为可能，精确的离合器填充动态模型是非常必要的。我们应该捕捉离合器填充过程的关键动态，它与离合器接合过程的关键动态是不同的。基于离合器填充动态模型，对于这种控制问题的系统化方法可与通过贝尔曼动态编程方法递进地确定。在车辆控制领域的研究人员已经成功地将动态编程方法应用于解决多种最优控制问题。例如Kim等人利用动态编程方法获得了最佳的变速与油门控制，在满足动力要求的同时，实现了燃油经济性的最大化。Kang等人已经将最有设计方法应用于使用数字化DP方式的稀燃发动机。然而与上述的程序不同，这种离合器驱动系统包含高频与刚性动力学，对于离散模型来说这需要非常快的采样频率。其结果是，大量的步骤，以及与传统数值DP方法相关联的维数魔咒，阻碍了离合器填充控制问题的有效实现。此外，传统的数字DP算法因为插值误差的原因，对最后结果的准确性有影响。因此，我们提出了一个定制的数值动态编程方法，已经成功地解决了上述问题，并产生令人满意的效果。通过一种独特的模型结构变换和状态离散，定制DP方法将刚大连理工大学本科毕业设计（论文）题目–3–性动态模型转化为一种柔性模型，从而减少了离散采样步骤。并且，通过将状态区域离散成为区域而不是成为离散的节点，内插错误得到了避免。最后，定制DP只搜索可行离散状态中的最优解决方案，从而大大减少了搜索空间，因此减轻了维度问题的魔咒。为了验证所提出的控制方法，我们设计和搭建了传输离合器夹具和液压回路控制系统以便进行最优化离合器填充控制的实验研究。在这一系列的实验中，我们识别了动态模型参数。为此，最佳离合器填充压力基于定制动态编程设计而成，并被实施以实现离合器填充性能的最佳化。本文的其余部分安排如下，第2部分给出了系统模型并将其作为优化问题制定了离合器填充控制问题。第3部分首先调查了常规数值动态编程方法的适用性，然后提出了个性化数字DP的方法。实验装置、系统识别以及离合器填充实验结果列于第4部分。结论在第五部分中提出。大连理工大学本科毕业设计（论文）题目–4–2问题描述在这一部分中，我们首先建立传动离合器驱动系统的模型，然后将离合器填充控制问题作为一个优化问题进行规划。2.1系统建模正如图2所示sP是压力供给指令，同时也是系统输入的控制指令。Pp是离合器室内的压力，pX是离合器活塞的位移。加压流体推入离合器室，并推动该离合器活塞到右侧并最后接触离合器压盘，我们将这个过程成为离合器填充。与离合器填充相关的动力学因素可以如下建模。将1X作为离合器活塞的位移，2X是离合器活塞速度，3X是离合器室压力，u是压力供应的输出值，pM是活塞的有效质量，pA是活塞的面积，pD是离合器活塞阻尼系数，atmP是大气压力，pK是返回弹簧弹性系数，0PX是复位弹簧预加初始载荷，b是液体体积弹性模量，0V是离合器室体积，dC是流量系，orificeA是孔口区域，d是流体密度dragF是活塞密封阻力，这取决于活塞的运动。假设当mK与mC为常数时，,a是活塞阻尼系数,stickF是静态粘摩擦力Kanopp的粘滑运动模型，静摩擦力往往忽视了离合器动态模型的作用，这是因为，相较于离合器接触力，它的作用较小。但是由于操作压力在离合器大连理工大学本科毕业设计（论文）题目–5–填充过程中较小，所以动摩擦力就变得尤为重要。假设当活塞速度X2在零附近时，牵引力为stickF，这就是如图3所示的粘区域图3静摩擦力图像当活塞速度在该区域中时，stickF与活塞合力平衡，活塞的加速度为零。此外，静摩擦力受最大值的约束。如果合力超过最大静摩擦力，活塞将做加速运动，最大摩擦力，即staticF，与活塞燃烧室压力成正比，可建模为：其中sK与sC是常数。并且，cP是离合器组件旋转产生的离心力所造成的压力，在任何半径r时由于离心力作用的流体压力分布百分比可以表示为：其中X是离合系统转速，r是其实流体水平高度，在有效活塞面积上的的平均液离心压力cP可以表示为：大连理工大学本科毕业设计（论文）题目–6–其中pir与oir分别是活塞的内、外半径。2.2制动离合器的控制问题为了使离合器填充迅速而准确，离合器活塞必须在所需要的离合器填充时间T内移动正好的距离d，这个距离是活塞与离合器压盘接触所需要的。并且，在时间T时，活塞速度V2应该为零，腔室内部压力必须与弹簧力相等，以便保持活塞与离合器压盘相接触。这些要求可以视为一组最终条件，即系统必须满足d是是所希望的离合器行程，其中)(),(),(321TXTXTX是最终状态。在离合器由初始状态到最终状态的诸多控制中，我们需要找到一个满足最小流量峰值要求的，这将使位移传输泵更加小型化，小型化的位移传输泵反过来又能够提高汽车的燃油经济性，降低了成本。在离合器填充过程中，由于离合器填充流量正比于活塞速度，为了减少流量需求高峰