純電動(dòng)汽車(chē)兩擋雙離合變速器換擋控制研究

純電動(dòng)汽車(chē)兩擋雙離合變速器換擋控制研究摘要純電動(dòng)汽車(chē)兩擋干式雙離合器自動(dòng)變速器通過(guò)控制兩離合器的接合與分離完成換擋。由于離合器的摩擦因數(shù)隨溫度改變而變化，采用參數(shù)自適應(yīng)方法對(duì)摩擦因數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線參數(shù)估計(jì)。根據(jù)換擋動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的反步控制器，通過(guò)給出電機(jī)與1擋離合器從動(dòng)盤(pán)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，將換擋過(guò)程轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速跟蹤問(wèn)題。通過(guò)仿真和硬件在環(huán)驗(yàn)證了該控制器在外界干擾的情況下仍能有效保證自動(dòng)變速器的換擋品質(zhì)，且具有良好的魯棒性。關(guān)鍵詞雙離合器變速器擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器魯棒控制換擋品質(zhì)ResearchonShiftControlofTwo-gearDualClutchTransmissioninPureElectricVehiclesAbstractPureelectricvehicletwo-geardrydualclutchautomatictransmissioncompletestheshiftthroughthecontroloftwoclutchesengagementandseparation.Sincethefrictioncoefficientofclutchchangeswithtemperature，theparameteradaptivemethodisusedtoestimatethefrictioncoefficientonlineinrealtime.Accordingtotheshiftingdynamicsmodel，abacksteppingcontrollerbasedontheextendedstateobserverisde?signed，andtheshiftingprocessistransformedintospeedtrackingproblembygivingthetargetspeedofthemo?torandthefirstgearclutchdisk.Simulationandhardware-in-the-loopverifythatthecontrollercaneffectivelyensuretheshiftqualityofautomatictransmissionundertheconditionofexternalinterference，andhasgoodro?bustness.KeywordsDualclutchtransmissionExtendedstateobserverRobustcontrolShiftquality0引言雙離合自動(dòng)變速器（DCT）與其他變速器相比，采用兩個(gè)離合器，通過(guò)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和選擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力中斷換擋[1]。它綜合了機(jī)械式自動(dòng)變傳輸效率高、換擋質(zhì)量好，在傳動(dòng)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。DCT換擋時(shí)，兩個(gè)離合器同時(shí)參與工作，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力中斷換擋；若不能協(xié)調(diào)控制兩離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩，則會(huì)造成轉(zhuǎn)矩的重疊或動(dòng)力中斷[3]。因此，在換擋過(guò)程中，控制的關(guān)鍵在于協(xié)調(diào)離合器的壓盤(pán)壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩。在雙離合自動(dòng)變速器換擋控制的研究中，OhJJ等[4-5]建立了轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，對(duì)離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行估計(jì)，能有效延長(zhǎng)離合器的使用壽命。陳亮等[6]通過(guò)Matlab/simulink建立雙離合變速器模型與整車(chē)模型，采用d-SPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，以此減少換擋控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。KimS等[7-11]用魯棒控制策略對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計(jì)，有效降低了換擋的沖擊度，提高了換擋品質(zhì)。TambaR等[12-13]將電機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩聯(lián)合控制，來(lái)減少換擋時(shí)間，提升摩擦片的壽命，但未考慮到換擋時(shí)的沖擊度。SrinivasanK等[14-16]用批處理最小二乘法估計(jì)換擋時(shí)離合器的摩擦因數(shù)，但未對(duì)摩擦因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線估計(jì)。ChengXS等[17]對(duì)干式DCT換擋時(shí)的不同階段采用不同的壓力控制策略，使換擋過(guò)程能快速平穩(wěn)地完成。LiuJK等[18-19]對(duì)DCT離合器C1與C2的分離與接合速度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，能有效地減少換擋時(shí)間與換擋沖擊。以上文獻(xiàn)中對(duì)DCT的換擋過(guò)程研究，主要是基于燃油機(jī)進(jìn)行的。本文中研究對(duì)象為純電動(dòng)汽車(chē)兩擋干式雙離合自動(dòng)變速器（2DCT）。電動(dòng)汽車(chē)起步前，1擋離合器處于接合狀態(tài)，依靠電機(jī)低速恒扭的特性起步，故不會(huì)對(duì)離合器摩擦片造成磨損，有效提高了離合器的使用壽命。干式雙離合器在制造成本與輕量化方面比濕式雙離合器更有優(yōu)勢(shì)。此外，由于干式雙離合器沒(méi)有液壓阻力，傳動(dòng)效率比濕式雙離合器高。相對(duì)于單級(jí)變速器，兩擋自動(dòng)變速器還能降低對(duì)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)矩等的性能要求。相對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)輛搭載的DCT，純電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)變速器的擋位少且擋位階比大。以車(chē)速50km/h時(shí)升擋為例，此時(shí)，離合器C2主、從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速誤差高達(dá)約3000r/min，該轉(zhuǎn)速誤差遠(yuǎn)大于內(nèi)燃機(jī)換擋時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差；電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性與內(nèi)燃機(jī)也有很大差別。所以，傳統(tǒng)車(chē)輛DCT的控制方法具有參考價(jià)值，但并不完全適用于2DCT的換擋過(guò)程控制，故需要對(duì)2DCT提出合適的控制方法。本文中針對(duì)自主開(kāi)發(fā)的2DCT，提出了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的自適應(yīng)反步控制方法。離合器摩擦片在摩擦過(guò)程中，摩擦參數(shù)主要受摩擦副溫升影響[20-21]，故將摩擦參數(shù)定義為自適應(yīng)參數(shù)，通過(guò)自適應(yīng)控制器對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)在線估計(jì)；同時(shí)，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)未建模參數(shù)、外界干擾以及模型誤差進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)仿真軟件搭建電機(jī)模型、離合器模型、2DCT模型以及車(chē)輛模型并進(jìn)行仿真；采用NI-PXI平臺(tái)進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)（HIL對(duì)提出的控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法可提高電機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速跟蹤精度，達(dá)到了優(yōu)化換擋品質(zhì)的目的。12DCT工作原理及動(dòng)力學(xué)模型1.12DCT工作原理原理圖。1擋時(shí)，電機(jī)軸的動(dòng)力通過(guò)離合器C1、輸入軸1、傳遞到中間軸；2擋時(shí)，電機(jī)軸的動(dòng)力通過(guò)離合器2、輸入軸2、傳遞到中間軸。進(jìn)行換擋時(shí)，只需通過(guò)控制離合器C1、C2的接合與分離，無(wú)需同步器結(jié)構(gòu)。圖3所示為2DCT升擋過(guò)程圖。DCT換擋過(guò)程主要有3個(gè)階段，分別為準(zhǔn)備階段、轉(zhuǎn)矩階段、慣性階段。但降擋與升擋的轉(zhuǎn)矩階段、慣性階段出現(xiàn)的順序相反[22]。下文以升擋為例進(jìn)行說(shuō)明。（1）準(zhǔn)備階段。該階段需要完成離合器接合之前的空行程和預(yù)備換擋。此時(shí)，離合器C1接合，離合器C2分離。Fig.12DCTstructure（2）轉(zhuǎn)矩階段。該階段需完成離合器C1傳遞轉(zhuǎn)矩到離合器C2傳遞轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。該階段，兩個(gè)離合器均參與工作，并且都處于滑磨階段，都將動(dòng)力傳遞到中間軸上。此時(shí)，離合器C1上的壓力逐漸減??；離合器C2上的壓力逐漸增大，直到離合器C1上壓力降為0，該階段結(jié)束。圖22DCT結(jié)構(gòu)原理Fig.22DCTstructureprinciple圖32DCT升擋過(guò)程Fig.32DCTupshiftprocess（3）慣性階段。該階段完成離合器C2的主、從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速同步。此時(shí)，離合器C1已完成分離，離合器C2從動(dòng)盤(pán)還在系統(tǒng)慣性的作用下，與電機(jī)轉(zhuǎn)速未同步，需繼續(xù)完成最終的離合器接合，使其轉(zhuǎn)速完全同步。由于該階段完成的是低擋離合器分離、高擋離合器接合，并有輸出轉(zhuǎn)速的變化，因此，將會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊力。圖4所示為雙離合器自動(dòng)變速器換擋控制策略。升擋指令，雙離合變速器進(jìn)入準(zhǔn)備階段，該階段主要消除離合器C2主動(dòng)部分與從動(dòng)部分之間的間隙；離合器C1傳遞轉(zhuǎn)矩，離合器C2不傳遞轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩階段，離合器C1壓力持續(xù)降低；離合器C2壓力持續(xù)增大，直到離合器C1壓力為0，該階段完成。慣性階段，離合器C1已完全分離，但離合器C2并未完全接合，需要繼續(xù)增加離合器C2上的壓力，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩，直至電機(jī)轉(zhuǎn)速與離合器C2從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速同步；然后，鎖死離合器C2的主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)，升擋過(guò)程完成。圖4換擋控制策略Fig.4Shiftcontrolstrategy1.22DCT動(dòng)力學(xué)模型DCT動(dòng)力學(xué)模型是一個(gè)多自由度、多零件并且耦合性較高的系統(tǒng)[23]。圖5所示為2DCT動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)圖。建立換擋動(dòng)力學(xué)方程時(shí)做出如下假設(shè)：軸上。（2）忽略齒輪與齒輪之間的嚙合間隙。（3）差速器、車(chē)輪與驅(qū)動(dòng)軸剛性連接，并將差速器、車(chē)輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)軸上。電機(jī)與離合器主動(dòng)軸處的動(dòng)力平衡方程為式中，Ie為電機(jī)與離合器主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；be為電機(jī)與離合器主動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；Te為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；TC1為離合器C1的傳遞轉(zhuǎn)矩；TC2為離合器C2的傳遞轉(zhuǎn)矩；ωe為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖52DCT動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)圖Fig.5Schematicdiagramof2DCTdynamicmodel離合器從動(dòng)部分與齒輪的動(dòng)力平衡方程為C1C1=TC1-bC1ωC1-T1■IC2C2=TC2-bC2ωC2式中，IC1為離合器C1從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；IC2為離合器C2從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；bC1為離合器C1從動(dòng)部分的旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；bC2為離合器C2從動(dòng)部分的旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；ωC1為離合器C1從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速；ωC2為離合器C2從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速；T1為離合器C1從動(dòng)部分輸出轉(zhuǎn)矩；T2為離合器C2從動(dòng)部分輸出轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過(guò)主減速器傳遞到驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩T0為式中，i1為1擋傳動(dòng)比；i2為2擋傳動(dòng)比；i0為主減速器的傳動(dòng)比。從2DCT的結(jié)構(gòu)中可知，控制離合器C1的轉(zhuǎn)速與控制離合器C2的轉(zhuǎn)速等價(jià)，整理得ee-TC1-TC2EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1C1=TC1+(i2/i1)TC2-bEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1ωC1-T0/(i1i0)（4）其中，EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)+(i2/i1)2bC2+b0/(i1i0)2（EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)+(i2/i1)2bC2+b0/(i1i0)2（5）式中，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車(chē)輛迎風(fēng)面積；G為整車(chē)重力；m為整車(chē)質(zhì)量；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；α為路面坡度角度；v為車(chē)速；r為車(chē)輪半徑。e-ωCnKn=RZμ式中，n取1、2；R為離合器等效半徑；Z為離合器工作面數(shù)；Fn為作用于離合器的正壓力；μ為離合器摩擦因數(shù)。22DCT魯棒控制器設(shè)計(jì)2.12DCT控制模型在換擋過(guò)程中，當(dāng)兩離合器處于滑磨狀態(tài)時(shí)，其動(dòng)力平衡方程為■IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1C1=TC1+(i2/i1)TC2-bEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1ωC1-（■IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1C1=TC1+(i2/i1)TC2-bEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1ωC1-（7）T0/(i1i0)+f2(t)定義不確定參數(shù)矩陣為2T式中，f1(t)、f2(t)分別為系統(tǒng)模型的不確定性以及未知干擾；參數(shù)不確定矩陣K與fn(t)有界。定義參數(shù)估計(jì)誤差為EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up1(?),K)=EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up1(?),K)-K（9）式中，EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)為參數(shù)估值。定義EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7(X),u1)EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up5(1),1)232C1Tu2=EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0(?),F)2EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up2(1),2)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up4(T),u)-g1K1F1-g2x1-K2F2/Ie+EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7(?),f1)(t)3=T0'-g3K1F1-g4x3+i'K2F2/IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2147483647('),C)1+EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up1(?),f2)(t)（11）其中，|EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),f1)=f1|EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),f1)=f1(t)/Ie|EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up6(g1),g2)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7(s),b)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7(n),/I)we-wC1)/Ie0'=-T0/i1i0IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up1('),C)1（12）|EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),f2)=f2(t)/IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2147483647('),C)1i′=i2/i1|EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up7(g3),g4)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7(s),b)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7(n),1/)e-wC1)/IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up7('),C)1i′=i2/i12.2觀測(cè)器與魯棒控制器設(shè)計(jì)由于雙離合變速器在換擋時(shí)模型的不確定和未知干擾的影響，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）不僅用于估計(jì)未測(cè)量的系統(tǒng)狀態(tài)，還用于估計(jì)建模不確定性。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的適應(yīng)性和魯棒性比一般狀態(tài)觀測(cè)器強(qiáng)[24]。該控制器采用ESO觀測(cè)器與自適應(yīng)魯棒控制器相結(jié)合，可在一定程度上對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，并且可實(shí)現(xiàn)摩擦因數(shù)的參數(shù)自適應(yīng)。通過(guò)式（11）可得1EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up7(e),2)13e24=Te'-g1K1x4-g2x1-K2x2/Ie+e1EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),f1)0'-g3K1x4-g4x3+i'K2x2/IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1+e2EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),f2)1由此可建立觀測(cè)器方程為|e1-xt1'-g1K1x4-g21-K2x2|e1-xt1e1=-ωEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(2),0)(1-x1)xt1=2ω0(1-x1)e2-xt2|||3=T0'-g3K1x4-g43+i'K2x2/Ie2-xt2|||e2=-ωEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(2),0)(3-x3)xt2=2ω0(3-x3)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up3(?),f1)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up3(?),f2)(t)的觀測(cè)值；ω0為觀測(cè)器的觀測(cè)頻率。定義x1d、xC1d分別為x1、x3的跟蹤角速度，定義α2、α4分別為x2、x4的控制輸出項(xiàng)，則有4分別為角速度ωe、ωC1的跟蹤誤差以及離合器C1、C2的正壓力輸出誤差。通過(guò)魯棒設(shè)計(jì)方法可得1、3分別為EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)2/Ie-k1se1-e13=-k3e2+g3EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up1(?),K)1e4-i'EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up1(?),K)2e2/IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2147483647('),C)1+k3se3-e2（16）式中，k1、k3均為正反饋增益系數(shù)；k1s、k3s均為正非線性增益系數(shù)。綜上所述，基于ESO觀測(cè)器的自適應(yīng)魯棒控制器輸出設(shè)計(jì)為=[-i′EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up3(?),K)2u2/IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0(′),C)1-(g4+k3+k3s)3-T0′-e2+C1d-(k3+k3s)C1d]/EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)1g3EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up6(1),d)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(-),k)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(+),1d)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(k),])其中e1=e1-xe其中e2=e2-xe22.3穩(wěn)定性分析通過(guò)構(gòu)造Lyapunov函數(shù)來(lái)證明控制器的穩(wěn)定性。ESO觀測(cè)器及魯棒控制器的穩(wěn)定性證明如下所述。定義234]TEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(2),1)EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(2),2)EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(2),3)EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(2),4)則EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),V)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)4+EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)22/Ie-k1se1-e1)+e3(-k3e3+g3EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)1e4-i'EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)2e2/IEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up0('),C)1+k3se3-e2)+e2(-k2e2)+4(-k4e4)≤-eTΛe-εk1k2≤EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),K)EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up3(2),2)/4Ie2，k3k4≤gEQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(2),3)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up3(?),K)EQ\*jc3\*hps10\o\al(\s\up4(2),1)/4。對(duì)任意狀態(tài)存在EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),V)<0，EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(?),V)負(fù)定，此時(shí)控制器逐漸穩(wěn)定。3結(jié)果分析3.1仿真分析2DCT換擋仿真模型包括整車(chē)控制單元（VCU）、TCU、電機(jī)與控制器、液壓系統(tǒng)、離合器、2DCT和整車(chē)模型，分別如圖6、圖7所示。各模型功能如下所述。圖6TCU與VCU控制器模型Fig.6TCUandVCUcontrolmodels（1）VCU模型：對(duì)實(shí)際車(chē)速和變速器擋位狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)換擋規(guī)律做出響應(yīng)。將TCU的轉(zhuǎn)矩需求、加速踏板開(kāi)度信號(hào)傳輸?shù)诫姍C(jī)控制器，將換擋指令、汽車(chē)加速度信號(hào)傳輸?shù)絋CU。（2）TCU模型：根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩、實(shí)際車(chē)速和離合器C1、C2的轉(zhuǎn)矩，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行換擋控制。將壓力信號(hào)傳輸?shù)揭簤合到y(tǒng)，將變速器換擋狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩需求信號(hào)輸出到VCU，協(xié)調(diào)電機(jī)與液壓系統(tǒng)完成換擋。（3）電機(jī)與控制器模型：根據(jù)踏板開(kāi)度信號(hào)及電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩輸出到離合器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋到TCU。（4）液壓系統(tǒng)：TCU通過(guò)電磁閥控制離合器C1、2油路的壓力，使換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。將推力輸出至離合器，將油路壓力反饋至TCU。圖72DCT換擋結(jié)構(gòu)模型Fig.72DCTshiftstructuremodel表1仿真模型參數(shù)參數(shù)數(shù)值0.075從動(dòng)軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/（kg·m2）1.473主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)阻尼/（N·s/rad）0.0015從動(dòng)軸等效旋轉(zhuǎn)阻尼/（N·s/rad）0.001911擋傳動(dòng)比i132擋傳動(dòng)比i2主傳動(dòng)比i03.91整車(chē)質(zhì)量/kg車(chē)輪半徑/m0.31離合器等效半徑/m0.07322電機(jī)轉(zhuǎn)速初始值/（rad/s）525.5離合器從動(dòng)盤(pán)C1初始值/（rad/s）525.5（5）離合器：通過(guò)液壓系統(tǒng)執(zhí)行件的推力，控制離合器C1、C2分離與接合，完成換擋。（6）2DCT與整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)模型：離合器輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)變速箱輸出到整車(chē)模型。2DCT將離合器C1的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋至TCU，整車(chē)模型將車(chē)速信號(hào)對(duì)于純電動(dòng)兩擋雙離合自動(dòng)變速器升擋過(guò)程，仿真參數(shù)如表1所示。在開(kāi)始升擋時(shí)，TCU控制液壓系統(tǒng)，降低離合器C1的正壓力至滑磨臨界附近，同時(shí)需要克服離合器C2膜片彈簧的預(yù)緊力。所設(shè)計(jì)的控制器中其他參數(shù)設(shè)置如表2所示。表2控制器參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值Ts0.000552005×10-8505×10-8501在仿真過(guò)程中，給出電機(jī)轉(zhuǎn)速ωe與離合器C1轉(zhuǎn)速ωC1的期望軌跡，控制器將對(duì)期望軌跡進(jìn)行跟蹤。將所設(shè)計(jì)的魯棒控制器與PID控制相對(duì)比，PID控制器1控制跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速ωe，PID控制器2控制跟蹤C(jī)1。對(duì)比在無(wú)干擾下，魯棒控制器與PID控制器的跟蹤誤差，驗(yàn)證魯棒控制器是否具有更好的跟蹤精度。整定后的PID控制器參數(shù)如表3所示。表3PID控制器參數(shù)KPKIKDPID控制器110.40.8PID控制器210.50.5無(wú)干擾輸入下電機(jī)轉(zhuǎn)速與離合器C1轉(zhuǎn)速的跟隨結(jié)果及誤差仿真結(jié)果如圖8所示。（a）電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤（b）電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤誤差（c）離合器C1轉(zhuǎn)速跟蹤（d）離合器C1轉(zhuǎn)速跟蹤誤差圖8無(wú)干擾輸入下的控制結(jié)果Fig.8Controlresultswithoutinterferenceinput由圖8中可知，在無(wú)外界干擾時(shí)，魯棒控制與PID控制均能對(duì)離合器C1的轉(zhuǎn)速進(jìn)行良好的跟蹤。對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤，其轉(zhuǎn)速誤差有兩處峰值，分別在0.3s和0.6s處。0.3s是轉(zhuǎn)矩階段切換到慣性階段，0.6s是換擋完成附近。魯棒控制的跟蹤誤差最大值為9.60rad/s，PID控制的跟蹤誤差最大值為29.82rad/s。對(duì)于離合器C1的轉(zhuǎn)速跟蹤，魯棒控制的跟蹤最大誤差為1.037rad/s，PID控制的最大跟蹤誤差為2.616rad/s。如表4所示。表4無(wú)擾輸入時(shí)跟蹤誤差轉(zhuǎn)速最大跟蹤誤差魯棒控制PID控制電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差9.6029.82離合器C1轉(zhuǎn)速誤差2.616對(duì)于電機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)速跟蹤，在轉(zhuǎn)速恒定或以相等的速比變化時(shí)，魯棒控制和PID控制都能進(jìn)行良好的跟蹤且總體趨于穩(wěn)定，具有良好的魯棒性；但在轉(zhuǎn)速比有突變的情況下，跟蹤誤差有較大的變化。魯棒控制的跟蹤誤差小于PID控制的跟蹤誤差，故魯棒控制的跟蹤精度更好。PID誤差比魯棒控制誤差大的原因可能是增益系數(shù)不能良好地適應(yīng)轉(zhuǎn)速比突然的變化，而魯棒控制具有良好穩(wěn)定性。在離合器C1的轉(zhuǎn)速跟蹤中，魯棒控制器與PID控制器的跟蹤誤差都不趨向于0。原因是雙離合器換擋過(guò)程中所傳遞的轉(zhuǎn)矩大于車(chē)輛所受阻力，導(dǎo)致車(chē)輛仍然處于加速狀態(tài)，此時(shí)跟蹤誤差不趨向于0，但是并沒(méi)有失穩(wěn)，并符合駕駛員的駕駛意圖。但是，PID控制輸出的車(chē)速在降低，并不符合駕駛員駕駛意圖。在干擾輸入下，驗(yàn)證了ESO觀測(cè)器的補(bǔ)償效果，如圖9所示。由圖9中可知，魯棒控制器在干擾輸入下的電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差增加了1.04rad/s；PID控制器在干擾輸入下的電機(jī)跟蹤誤差增加了6.67rad/s。魯棒控制器在干擾輸入下的離合器C1轉(zhuǎn)速誤差變化了0.071rad/s；PID控制器在干擾輸入下的離合器C1跟蹤誤差增加了0.294rad/s。如表5所示。（a）電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤（b）電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤誤差（c）離合器C1轉(zhuǎn)速跟蹤（d）離合器C1轉(zhuǎn)速跟蹤誤差圖9有干擾輸入下的控制結(jié)果Fig.9Controlresultswithinterferenceinput表5有干擾輸入時(shí)跟蹤誤差轉(zhuǎn)速最大跟蹤誤差魯棒控制PID控制電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差36.55離合器C1轉(zhuǎn)速誤差0.9662.91因此可知，ESO觀測(cè)器對(duì)干擾的估計(jì)與補(bǔ)償效果良好，能有效地對(duì)外界干擾與模型誤差進(jìn)行估計(jì)并進(jìn)行補(bǔ)償，減小了干擾下對(duì)目標(biāo)的跟蹤誤差。圖10所示為自適應(yīng)控制器對(duì)離合器摩擦因數(shù)的估計(jì)結(jié)果。初始狀態(tài)下為離合器C1主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)之間為靜摩擦，此時(shí)估計(jì)值約為0.42。當(dāng)主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)進(jìn)入滑磨狀態(tài)，摩擦因數(shù)的估計(jì)值也發(fā)生變化。圖10離合器摩擦因數(shù)估計(jì)結(jié)果Fig.10Estimationresultsofclutchfrictioncoefficient在0.1s時(shí)的估計(jì)值為0.34，并在0.4s時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)估計(jì)值約為0.3。由此可知，參數(shù)自適應(yīng)可以在摩擦因數(shù)變化時(shí)，對(duì)其進(jìn)行良好的實(shí)時(shí)在線估計(jì)。圖11所示為魯棒控制器輸出升擋時(shí)兩離合器的壓力變化，轉(zhuǎn)矩階段靜摩擦轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)摩擦，摩擦因數(shù)變小。在0.3s附近，離合器C1的壓力由452N降為0，不再傳遞轉(zhuǎn)矩，離合器C2傳遞力矩繼續(xù)增加。圖12所示為離合器換擋過(guò)程的滑磨功，換擋所產(chǎn)生的滑磨功為6.12kJ，其滑磨功增加較為平穩(wěn)。圖13所示為換擋所產(chǎn)生的沖擊度，在0~0.2s，其沖擊度為負(fù)沖擊，并且波動(dòng)范圍小，原因可能是在轉(zhuǎn)矩階段兩離合器轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換較為平穩(wěn)。在0.2~0.6s，沖擊度有較大的波動(dòng)，原因可能是在慣性階段降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使離合器C2轉(zhuǎn)速快速同步，影響了沖擊度的變化。在整個(gè)換擋過(guò)程中，所產(chǎn)生的最大沖擊度為7.9m/s3，小于德國(guó)推薦標(biāo)準(zhǔn)10m/s3，換擋過(guò)程的平順性好。圖11離合器壓力變化Fig.11Clutchpressurechange圖12離合器換擋過(guò)程的滑磨功Fig.12Slidingworkofclutchduringgearshifting圖13升擋沖擊度Fig.13Upshiftimpact由于1擋與2擋的階比為2.52，不同于普通的燃油機(jī)用變速器?？刂破鬏敵龅碾x合器C2壓力變化與常規(guī)控制不太相同，在慣性階段，離合器C2傳遞的轉(zhuǎn)矩仍然增加。分析認(rèn)為，魯棒控制器在轉(zhuǎn)矩階段沒(méi)有完全將離合器C2的壓力提升至目標(biāo)值（1140N是為了減小換擋過(guò)程產(chǎn)生的沖擊；在慣性階段，配合電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，增大了離合器C2的壓力，是為了加快電機(jī)轉(zhuǎn)速與離合器轉(zhuǎn)速同步，減少換擋時(shí)間，延長(zhǎng)離合器摩擦片壽命。3.2硬件在環(huán)為了對(duì)魯棒控制器進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，采用NI-PXle平臺(tái)進(jìn)行了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)車(chē)中，TCU、VCU以及電機(jī)控制器都是通過(guò)CAN總線進(jìn)行通訊，其中，TCU通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)液壓換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電磁閥進(jìn)行控制；VCU等控制器通過(guò)傳感器反饋信號(hào)，了解被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作情況并進(jìn)行響應(yīng)。在虛擬仿真中，控制器與被控對(duì)象都是虛擬的，所有的信號(hào)都是虛擬連接。硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)中，TCU與液壓換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)物，通過(guò)NI-PXle模擬TCU與液壓換擋機(jī)構(gòu)在實(shí)車(chē)中的工作環(huán)境，TCU與NI-Pxle采用CAN通訊。其中，2DCT、電機(jī)、離合器、車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)NI-Pxle進(jìn)行模擬，是虛擬的。但由于NI-PXle也可以認(rèn)為是一種控制器，所以，可以間接認(rèn)為VCU與電機(jī)控制器是真實(shí)的。綜上所述，硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)比虛擬仿真更接近真實(shí)情況。通過(guò)TCU、NI-PXle、液壓裝置等搭建了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖14所