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基于离散时间滑模控制器的自动变速器滑差控制

更新时间：2019-12-27 12:36:02 大小：489K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：滑模控制器自动变速器滑差控制 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

设计离散时间系统滑动模态变结构控制器,对闭锁离合器进行滑差控制以提高整车燃油经济性,消除发动机扭矩波动造成的传动系统冲击.采用零相位数字滤波器,以抑制滑模控制系统中的抖振.建立传动系统仿真模型对滑模控制器进行验证,并与传统比例-积分-微分(PID)控制器进行比较；通过硬件在环仿真测试车辆在十五循环工况(ECE)下有无滑差控制时的燃油消耗量.结果表明,滑差控制有效吸收传动系冲击,液力变矩器在滑差控制下的传递效率高于纯液力传动,可降低整车燃油消耗；基于滤波的滑模控制器,控制律平滑变化,具有更好的响应速度和跟踪指令信号的能力.

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、k1．39 No．II

第39卷第11期

2011年11月

同济大学学报(自然科学版)

Nov．2011

JOI珉NAI．OF TONG]IUNIV劂TY(NAll瓜AI，SCl日妪E)

文章编号：0253．374X(2011)11．1669．04

1301：10．3969／j．issn．0253· 374x．2011．11．019

基于离散时间滑模控制器的自动变速器滑差控制

王雷雷1，吴光强1’2

(1．同济大学汽车学院，上海201804；2．东京大学生产技术研究所，东京153—8505，日本)

results of the

in the

摘要：设计离散时间系统滑动模态变结构控制器，对闭锁离

合器进行滑差控制以提高整车燃油经济性，消除发动机扭矩

波动造成的传动系统冲击．采用零相位数字滤波器，以抑制

滑模控制系统中的抖振．建立传动系统仿真模型对滑模控制

器进行验证，并与传统比例一积分一微分(PID)控制器进行比

较；通过硬件在环仿真测试车辆在十五循环工况(ECE)下有

无滑差控制时的燃油消耗量．结果表明，滑差控制有效吸收

传动系冲击，液力变矩器在滑差控制下的传递效率高于纯液

力传动，可降低整车燃油消耗；基于滤波的滑模控制器，控制

律平滑变化，具有更好的响应速度和跟踪指令信号的能力．

hardware-in．the-loop experiments．1f11e

simulation and show that the

absorbs transmission

is far be!tter than the

control

experirnent

slip

its

shock and

effectively

system

transmission

converter

efficiency

torque

condition。SO it can reduce the ruel

working

consumption．In

discrete．time

controller with filter has

addition。the

sliding

better

and trace command

signal ability、析tll

response speed

control law

changessmoothly．

Key

mode controller；discrete-

words：slip control；sliding

time

system；Filtfilt filter；hardware-in-the-loop

自动变速器通过闭锁以提高其燃油经济性，但

关键词：滑差控制；滑模变结构控制器；离散时间系统；零

相位数字滤波器；硬件在环

闭锁影响传动系统吸收振动和冲击[1]，发动机的扭

矩波动会因此导致车辆乘坐舒适性降低．在液力变

矩器纯液力传递状态和全闭锁状态间增加滑差控

制，闭锁离合器始终存在微小滑差量，动力由油液和

摩擦片共同传递，可以大幅降低由发动机扭矩波动

造成的冲击．装有自动变速器的车辆在城市工况下

大部分时间均处于滑差[2]．

463．22

中图分类号：U

文献标识码：A

Control of Automatic Transmission Based

Slip

on Discrete-time

Mode Controller

Sliding

WANG埝舷，唧‰ 明缸叼

of Automotive

(1．College

Studies，Tongji University，Shanghai

滑差控制的控制器设计多采用比例一积分一微分

(PID)控制方法[33，但由于离合器系统的非线性和外

界扰动的不确定性，PID难以达到理想的控制

效果‘引．

201804，Chffla；2．Institute

Industrial Science，the

University

Tokyo，Tokyo 153—8505，Japan)

Abstract：A discrete-time

mode controller is

sliding

designed

converter

clutch SO

考虑到控制系统的高鲁棒性要求以及自动变速

the

adjust

slip

torque

lock-up

and avoid the vibration of

economy

vehicle fueI

improve

vehicle transmission

control

器电控单元(transmission

unit，TCU)工作特

which is caused

by engine

system

torque

点(如传感器信号均离散采集的特点)，本文设计了

离散时间系统滑模变结构控制器，并通过零相位数

字滤波器消除系统抖振．此外，该控制器基于离散时

间系统设计，易于在微处理器中的移植和实现．

fluctuation．Control variable is filtered

Filtfilt filter to

smoothen

mode control

vibrafion

phenomenon

sliding

is built

simulation model

transmission

system

system．111e

verify

traditmnal

this control method and to

with the

compare

proportional—integral-derivative(PID)contr01．For

数学模型

further

the influence of

control on vehicle fuel

slip

testing

economic commission for

consumption

Europe(ECE)cycle

condition，actual transmission control unit(TCU)is involwecl

液力变矩器滑差率A定义为

收稿Ft期：2010—08—04

基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2007AA042132)

第一作者：王雷雷(1985～)，男，博士生，主要研究方向为汽车自动变速器电控系统研究与开发．E-mail：maoma019850427@163．c．om

万方数据

同济大学学报(自然科学版)

第39卷

)

]

T。(t))l

A：业!

A=—L一

竹p

iio(竹坑r+，d· r—iio

，(t)=J

仇r2

式中：竹p为泵轮转速，r· rainl；铊。为涡轮转速，r

· rain～．

式中：a为风阻系数；A为车辆迎风面积，m2；r为

车轮半径，m；m为车辆质量，kg；产。为闭锁离合器

摩擦片摩擦系数；S。为闭锁离合器摩擦面积，m2；r。

为闭锁离合器摩擦片有效半径，m；z为闭锁离合器

摩擦片总面数；，r为道路滚动阻尼系数；^为外界

扰动阻力，N．令：

滑差控制中涡轮和泵轮间速比较耦合工况稍

高‘51；令目标滑差率为．：Id，因此涡轮的目标转速

他Ⅱ为

(2)

ntd=(1一．：【d)佗。

涡轮目标转速和当前涡轮转速之差铭矗为

(3)

他吐2竹埘一7／,t

户。S。r。z(iio)2

．

m一——i 一

将式(4)转换为离散时间系统的状态方程如下：

工七(七+1)=A七工七(七)+B七U(七)+，I(七)(5)

其中：

如下所示，图1和图2分别为车辆动力传动系统示

意图和滑差控制示意图．

：]

At=[三

，Bt=[△?T]

州加[△；丁]

图1车辆动力传动系示意统图

Schematic

ofvehicle

driveline

power

diagram

Fig．1

△2

—0．61—Cd—A—rix；一(k)

m祝O

T。(t))

iio(m伉+打一说o

mr2

弘妞茹嘲

式中：∞l(七)为k时刻涡轮转角，rad；z2(七)为七时

刻涡轮转速，rad· s1；钆(七)为七时刻控制器输出，

MPa；T为采样周期，s．

而(￡)

图2滑差控制示意图

Schematic

diagram

Fig．2

2控制器设计

图2中：铭(￡)为闭锁离合器控制油压，MPa；i

为变速器传动比；io为主减速器传动比；T。(t)为液

力传递的扭矩，N· m；T。(t)为车轮驱动力矩，N·

滑模变结构控制的突出优点是滑动模态与系统

的外界干扰和参数摄动完全无关，缺点在于滑模面

上的控制输出会产生高频抖振从而会损坏执行

机构[6|．

m；Tf(t)为外界阻力矩，N· m；∞。(t)为车轮角速度，

rad· s‘1；∞1(t)为涡轮角速度，rad· S。1；刃2(t)为涡

2．1滑模变结构控制器设计

轮角加速度，rad· S。2；J为整车等效转动惯量，kg·

m2；8为积分符．

根据式(5)得到离散误差状态方程如下：

Xe(七+1)=A。xe(k)+Be if,(七)+，e(七)(6)

其中：

根据图1和图2，控制系统状态方程可描述如下：

广1 T1

广

(4)

x(t)=Ax(t)+曰乱(t)+，(t)

₁j’Be

屯2【．o

L厶，Tj

其中：

^c七，=[一z¨ !二：。T七X，2+d(∞k材)。+七X+ldl(，k+1’]

式中：矗(七)为误差向量；∞1d(七)为七时刻∞l的目标

值；z列(七)为k时刻z2的目标值．

A邓．。．1

61掣

设计切换函数8。(七)为

(7)

B=婷]

8。(七)=(0xe(七)

万方数据

第11期

王雷雷，等：基于离散时间滑模控制器的自动变速器滑差控制

式中，C：为滑模控制切换系数向量．

在切换面上由s。(k+1)=s。(k)可得到控制

律钆。(k)为

600

型[8]，模型主要参数为：整车质量m=1

kg，发

动机曲轴及泵轮转动陨量j。=0．18 kg· m2，涡轮转

动惯量I。=0．06 kg· m2，发动机曲轴阻尼系数C。=

0．05

U鹎(七)=一(c：Be)一1[ck(▲一I)xe(七)+

Nm· rad～，一挡传动比i1=3．44，主减速器传

c：，(七)]

(8)

动比io=4．1，轮胎半径r=2．89 m，道路摩擦系数

滑差控制中仅要求涡轮转速跟踪目标转速，因此可

选取c：=E0 c]，c>0．可将式(8)简化为

m2，

^=0．019，道路坡度0=0，迎风面积A=2．2

风阻系数Cd=0．3，油门开度a按图4中曲线变化；

并给发动机扭矩添加扰动信号以检验滑差控制

效果．

(9)

州尼)：2地毕掣

△1

考虑到系统扰动，且扰动有界，设总控制律铭(七)为

∞

(10)

U(k)=U朗+知。(k)

1∞

∞

式中，厂为扰动系数；选取Lyapunov函数：

宁

阜

邑

(11)

芝80

y(k)=÷ 8各(七)

、

越

嫩

擐

辑

稃

嬲

控制器收敛的条件为

囊60

8套(k+1)一3兰(七)<0，8。(k)≠0(12)

根据式(7)，(10)，(12)得：

^I-焉旨邑、鞠辩辑露，墨臀《

咖咖啪啪咖咖咖咖m

l曰O

lU lZ 14 16

时闻／8

18：翔

刃：(七)(2△l

(13)

f+△；尸)<0

因为△->0可以得到：

图4仿真条件

(14)

一÷ <厂<0

The simulation conditions

Fig．4

△1

2．2滤波消除抖振

如图5中冲击度所示，液力变矩器全锁工况下

在滑模控制器输出端添加低通滤波器，可以将

离散时间系统高频抖振信号有效地消除[7|．基于滤

波器的滑差控制系统结构如图3所示；图中r为控

制器目标量，U为控制器输出，r为滤波器输出，∞

为控制反馈量．

发动机扭矩波动给车辆带来明显的冲击，有滑差控

制的车辆冲击被较好吸收．

!，刖 ‰ 地l

矿∞．；I)、越懵凳

rM wff|¨ 吲删

l壮：0U

—_。【1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．!!：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一

图3基于滤波器的滑模控制

The _sliding

mode controller with filter

Fig．3

时间／s

图5有无滑差控制车辆的冲击度

采用正反向零相位数字滤波器(Filtfilt filter)，

其差分方程描述如下：

The

ofvehicles with or without

Fig．5

jerk

control

slip

可(馆)=6(1)刃(竹)+6(2)∞(竹一1)+ +

b(nb+1)刃(记一nb)

(15)

如图6中所示，与PID控制相比，滑模控制可以

让涡轮转速更快跟踪目标转速，另外，滑模控制可以

更好地吸收传动系冲击．

式中：b为滤波系数．

滤波器先将输入正向滤波，将所得结果反转后

再次滤波，再将所得结果逆转后输出；因为从正反两

个方向分别滤波，该滤波器无相位延迟．

滤波可以有效地消除控制系统抖振，如图7中

所示，未加滤波器的滑模控制器控制律有较明显的

抖动现象；滤波后的控制律平滑变化，并有效地消除

因系统抖振造成的冲击和转速差波动．

3仿真和硬件在环验证

图8中，滑差控制下液力变矩器的传递效率约

为90％，远高于纯液力工况下的效率．

建立传动系统和整车纵向动力学数字仿真模

万方数据

同济大学学报(自然科学版)

第39卷

啪

81。

：

f⁴⁰⁰

_l籼L 灿五』_。2堇

氟枷

一2交

n”w1’’r1P1飞 ””1”可”岬”l

滑模控制冲击度

霎啪 i＼HD控制靛差

：粪

。

、滑模控倒转遗差

叫k ：；。。．。———卢、、————一

圈6滑模控制与Pm控制结果

：

一100

18∞

时间，s

图9发动机燃油消耗率

results of

andPID

The

mode

sliding

controller

Fig．6

The_specificfuel

consumption

Fig．9

600

E(、E工况下车{砰均速度为18．7 km· h～，液

力变矩器多处于纯液力传动工况．根据图10和表1

中结果，ECE工况下有滑差控制车辆燃油消耗量相

对于纯液力传动车辆降低了约4．8％．

：

￡

睡F嗲秒：l

制

墨o。

翥02

m霎

Fs．邑＼恒坩量

O{4

宁∞

100

f憷兰二三兰1

图7有无滤波置比较

i蚰

4{"

18∞

i∞

时间／日

固

l∞

时间／B

l∞

Fig．7 C伪npari啪b酣w鲫Ⅱ托controllems

with and without fiIter

0,15

=0,ill

塞0．09

篓0．(16

／

纯液力传崭教事

肇0,00

150

固

100

时问，8

200

么丽孟矗1一一一_

／

．

围10胞循环工况

Fig．10 E④cycle

裹1燃油消耗量

Fuel

Tab．1

时问，8

Qmlmlptiml

圈8滑差控制与纯液力传动效率比较

efficiency of

control

Fig．8‰ transmission

and

slip

conditioll

operating

converter

torque

由前面可知，滑差控制和纯液力工况吸收冲击

能力接近，因此其可在不影响乘坐舒适性的同时，又

提高了整车燃油经济性．

进一步验证滑差控制对燃油经济性的影响，将

滑差控制策略写入TcU硬件，整车模型编译后下载

至具有实时操作系统( 屯)的工控机，两者通过研

华公司生产的型号为PCL726和PCL818的数据采

集卡进行通讯．测试硬件在环下车辆ECE工况中有

无滑差控制时的燃油消耗量．发动机燃油消耗率图

谱如图9所示．

4结论

(1)与液力变矩器全锁工况相比，滑差控制有

(下转第1679页)

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