变矩器离合器打滑的模型预测控制的制作方法

本发明涉及控制变矩器离合器(tcc)中的打滑，更具体地涉及使用模型预测控制(mpc)控制tcc打滑。

背景技术：

变矩器通常用于将驱动扭矩从扭矩产生装置传递到变速器。变矩器可以提供扭矩倍增、加速时平稳的比率变化和良好的扭转振动阻尼。因为变矩器在其输入端和输出端之间使用液力联轴节，所以流体损失会导致固有的效率低下。为了实现更好的燃料经济性，汽车制造商使用被称为变矩器离合器或tcc的锁止离合器，以将输入端机械地锁定到输出端，以减少稳态速度条件下的损失。在较低的挡位和较低的车速下，tcc不能被锁定，因为锁定的传动系会引起驾驶性能问题。为了在车辆驾驶性能和燃料经济性之间达到平衡，已经开发了控制tcc以允许在变矩器输入端和输出端之间存在较小的转速差(也称为打滑)的系统。

需要改进tcc打滑控制，以进一步改善车辆驾驶性能和燃料经济性。

技术实现要素：

根据若干方面，提供了一种控制系统，其控制动力传动系统中变矩器离合器的打滑，所述动力传动系统包括扭矩产生装置和包括变矩器离合器的变矩器，所述控制系统包括：离合器设备模型，其被配置为预测与变矩器离合器打滑有关的参数值，所述参数值是包括命令离合器压力的离合器设备模型输入与来自扭矩产生装置的扭矩的函数。所述控制系统还包括模型预测控制器，其被配置为接收可确定与变矩器离合器打滑有关的期望参数值和与变矩器离合器打滑有关的预测参数值的信号。所述模型预测控制器还被配置为接收表示扭矩产生装置的报告扭矩的信号，识别导致基于所述离合器设备模型的目标函数的最佳值的最佳命令离合器压力值和向致动器提供命令信号以有效地控制施加到所述变矩器离合器的命令离合器压力。

在所公开的控制系统的另一方面，所述目标函数包括与离合器打滑有关的期望参数值与预测参数值之间的差值、离合器压力的变化率和命令离合器压力的期望值与预测值之间的差值。

在所公开的控制系统的另一方面，所述目标函数包括对命令离合器压力、离合器压力的变化率和与离合器打滑有关的参数的约束。

在所公开的控制系统的另一方面中，所述模型预测控制器接收包括与离合器打滑有关的期望参数值、与离合器打滑有关的预测参数值和来自所述扭矩产生装置的扭矩的输入。

在所公开的控制系统的另一方面中，与离合器打滑有关的参数是离合器扭矩。

在所公开的控制系统的另一方面中，部分地基于从所述变矩器中的泵轮传递到涡轮的液压扭矩的估计值来计算所述离合器扭矩。

在所公开的控制系统的另一方面，所述液压扭矩的估计值基于k因子计算。

在所公开的控制系统的另一方面，所述与离合器打滑有关的参数是离合器打滑。

在所公开的控制系统的另一方面，所述离合器设备模型输入还包括从所述变矩器中的泵轮传递到涡轮的液压扭矩的估计值。

在所公开的控制系统的另一方面，由打滑的二阶多项式来估计所述液压扭矩。

根据若干方面，提供了一种控制动力传动系统中变矩器离合器打滑的方法，所述动力传动系统包括扭矩产生装置和包括变矩器离合器的变矩器，所述方法包括在离合器设备模型中预测与变矩器离合器打滑有关的参数值，所述参数值是包括命令离合器压力的离合器设备模型输入与来自扭矩产生装置的扭矩的函数。所述方法还包括在模型预测控制器中接收可确定与变矩器离合器打滑有关的期望参数值和与变矩器离合器打滑有关的预测参数值的信号，在模型预测控制器中接收表示扭矩产生装置的报告扭矩的信号，在模型预测控制器中识别最佳命令离合器压力值，所述最佳命令离合器压力值导致基于离合器设备模型产生目标函数的最佳值；和向致动器提供有效控制变矩器离合器的命令离合器压力的命令信号。

在所公开的方法的另一方面，所述目标函数包括与离合器打滑有关的期望参数值与预测参数值之间的差值、离合器压力的变化率和命令离合器压力的期望值与预测值之间的差值。

在所公开的方法的另一方面，所述目标函数包括对命令离合器压力、离合器压力的变化率和与离合器打滑有关的参数的约束。

在所公开的方法的另一方面，所述模型预测控制器接收包括与离合器打滑有关的期望参数值、与离合器打滑有关的预测参数值和来自所述扭矩产生装置的扭矩的输入。

在所公开的方法的另一方面，与离合器打滑有关的参数是离合器扭矩。

在所公开的方法的另一个方面，部分地基于从变矩器中的泵轮传递到涡轮的液压扭矩的估计值来计算离合器扭矩。

在所公开的方法的另一方面，所述液压扭矩的估计值基于k因子计算。

在所公开的方法的另一方面，所述与离合器打滑有关的参数是离合器打滑。

在所公开的方法的另一方面，所述离合器设备模型输入还包括从变矩器中的泵轮传递到涡轮的液压扭矩的估计值。

根据若干方面，提供了一种系统，所述系统包括包含变矩器离合器的变矩器、向所述变矩器提供扭矩的扭矩产生装置和控制变矩器离合器的离合器压力的致动器。所述系统还包括具有离合器设备模型的控制器，所述离合器设备模型预测与变矩器离合器打滑有关的参数值，所述参数值是包括命令离合器压力的离合器设备模型输入和来自所述扭矩产生装置的扭矩的函数。所述系统还包括模型预测控制器，所述模型预测控制器接收可确定与变矩器离合器打滑有关的期望参数值和与变矩器离合器打滑有关的预测参数值的信号，接收表示扭矩产生装置的报告扭矩的信号，识别导致基于所述离合器设备模型的目标函数的最佳值的最佳命令离合器压力值和向致动器提供命令信号以有效地提供施加到所述变矩器离合器的最佳命令离合器压力值。

根据本文提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应理解，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是示出车辆的示例性动力传动系统部件的框图；

图2是可以包括在图1的示例性动力传动系统中的示例性变矩器的示意图；

图3描绘了识别影响变矩器的动态行为的扭矩和惯性的示例性变矩器的元件；

图4是示意性地描绘了示例性mpc控制器的框图；

图5是描绘根据示例性实施例的打滑控制系统的性能的图表。

具体实施方式

以下描述在本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。

现在参考附图，其中附图仅是为了说明某些示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1是车辆10的各种动力传动系统部件的框图。动力传动系统部件包括发动机12和变速器14。应理解，在本说明书中提及“发动机12”是为了方便，并不限于内燃发动机。本发明的教导可以应用于任何扭矩产生装置12，包括但不限于汽油发动机、柴油发动机和/或电动马达。发动机12的输出轴16联接到变矩器18的输入端(即，泵轮或泵)，变速器14的输入轴20联接到变矩器18的输出端(即，涡轮)。变矩器18使用液压流体将旋转能量从发动机12传递到变速器14，使得当必要时发动机12可以与变速器14机械地分离。在完全接合位置、打滑发生的打滑模式和完全分离位置之间致动的tcc22可施加tcc扭矩，以用于控制发动机12和变速器14之间的变矩器18中的变矩器打滑。发动机输出功率301被描绘为发动机转速ωe和发动机扭矩te。同样，变速器输入功率303被描绘为变速器输入速度(其等于变矩器涡轮速度ωt)和变速器输入扭矩ti(其是tcc离合器扭矩tc和通过tcc涡轮传递的变矩器扭矩th的总和)。变矩器18中的打滑定义为(ωe-ωt)。变速器14的输出轴28联接到车辆10的传动系30，所述传动系30以本领域普通技术人员所熟知的方式将发动机功率分配给车轮。变速器输出功率305被描绘为输出速度no和输出扭矩to。

示例性车辆10还包括控制器36，其旨在表示发动机控制器和变速器控制器；然而，应理解，这两个控制功能可由单个装置或多个通信连接的装置来伺服。控制器36由车辆节气门38接收节气门位置信号，并且向发动机12提供信号以产生必要的发动机转速并向变速器14提供信号以产生必要的档位以满足节气门需求。另外，控制器36在线路40上向tcc22提供信号，以控制致动压力p，从而实现期望的变矩器打滑。根据一个示例性方法，期望的变矩器打滑是变速器档位状态、发动机扭矩和涡轮或输入速度的函数。在这种背景下，将输入速度的示例性使用作为输出速度或车辆速度的间接量度。传感器42测量变速器14的输出行为。在一个示例性实施例中，传感器42测量变速器14的输出轴28的转速，并向控制器36发送速度信号。传感器42的合适的非限制性示例包括编码器或速度传感器。

如上所述，控制器36可以是单个装置或多个装置。控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语是指专用集成电路(asic)、电子电路、中央处理单元(优选微处理器)和执行一个或多个软件或固件程序的相关存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路以及提供所述功能的其他适当部件中一者或多者的任意适当的一种或多种组合。控制器36具有一组控制算法，包括存储在存储器中并被执行以提供所需功能的驻留软件程序指令和校准。在预设循环周期期间优选地执行所述算法。所述算法由例如中央处理单元来执行，并且可操作以监测来自感测装置和其他联网控制模块的输入，并执行控制和诊断程序来控制致动器的操作。可以在正在进行的发动机和车辆操作期间以规则的时间间隔执行循环周期。替代地，执行所述算法以响应事件的发生。

现在参考图2，示出了示例性变矩器18，其在发动机12和变速器14之间提供液力联轴节。变矩器18包括壳体50，所述壳体50被固定以经由飞轮52与发动机输出轴16(例如发动机曲轴)一起旋转。泵轮54被固定以与壳体50一起旋转，涡轮56被固定以与变速器输入轴20一起旋转。还提供定子60，并且定子60被固定为不旋转。变矩器18的内部填充有粘性流体。泵轮54的旋转可引起对应的粘性流体运动，该粘性流体运动通过定子60导向涡轮56以引发涡轮56的转动。尽管联接装置18被描述为简化的变矩器，但是应理解，在不脱离本发明范围的前提下，联接装置18可以采取各种其他形式。

当发动机输出轴16以怠速旋转时，引发泵轮54旋转。然而，怠速通常不足以克服阻止涡轮56旋转的制动力。随着制动力减少或发动机转速增加，泵轮54将粘性流体驱动到涡轮56中，并且引发涡轮56旋转。因此，驱动扭矩从发动机输出轴16通过变速器14传递，以推进车辆。在实现涡轮56和泵轮54之间几乎没有或没有rpm差的点时，可接合tcc22以在发动机12和变速器14之间提供直接驱动。在此类状况下，泵轮54机械地联接到涡轮56，使得涡轮56的转速约等于发动机输出轴16的速度。

还提供tcc22的打滑模式。打滑被确定为发动机输出轴16的转速和变速器输入轴20的转速之间的差值，其中变速器输入轴20用于将动力从联接装置18传递到变速器14。打滑模式通过改变由液压控制系统(未示出)供应给tcc22的离合器致动压力p而发生。当tcc22处于完全接合位置时，致动压力p的大小约为最大值。随着致动压力p减小，tcc22从完全接合位置转换到完全分离位置。

可以通过施加tcc扭矩来控制变矩器打滑。tcc包括机械地、电子地或流体地操作以可控地联接变矩器的泵轮和涡轮从而调节其间的允许打滑的结构。当tcc完全释放时，泵轮和涡轮之间的流体相互作用控制打滑。通过变矩器传递的扭矩是在泵轮和涡轮之间的流体相互作用中传递的变矩器扭矩或涡轮扭矩。当tcc完全释放时，tcc扭矩基本上等于零。当tcc被完全锁定时，有可能在泵轮和涡轮之间没有打滑，tcc扭矩等于通过变矩器传递的扭矩。当tcc处于打滑模式时，通过变矩器传递的扭矩包括作为tcc扭矩的扭矩的一部分，并且通过变矩器传递的扭矩的其余部分是涡轮扭矩。在一个示例性控制方法中，到tcc的液压流体的压力控制施加在tcc内的力和所产生的tcc扭矩，使得变矩器打滑接近期望的打滑值或参考打滑。通过减少到变矩器离合器的液压流体的压力，给定工况下的变矩器打滑将增加。类似地，通过增加到变矩器离合器的液压流体的压力，用于给定工况的变矩器打滑将减小。

变矩器打滑影响车辆的操作和驾驶性能。稳态下打滑过多会降低燃料效率；稳态下打滑过小会导致驾驶性能降低。瞬态条件下打滑过多或过少都可能导致失控打滑状况，导致到输出端的功率损失，或者锁止离合器或离合器“崩溃”状况。如本文所使用的，术语“tcc崩溃”是指在计算为(目标打滑减去偏移值)的值以下的打滑。

然而，在过渡中的期望打滑可不等于稳态条件下的期望打滑。例如，在命令的加速期间，打滑能增加到受控的水平，从而允许发动机快速地加速，然后减少以快速地通过变速器增加输出扭矩。设置此类用于tcc控制的期望打滑值可以被描述为选择参考打滑。

可以参考图3展开描述变矩器的动态行为的方程。发动机输出轴16以角速度ωe旋转。扭矩te是在发动机输出轴16处提供的发动机扭矩。惯性je表示发动机曲轴的旋转惯性，并且惯性jtc表示变矩器泵侧的旋转惯性。在输出轴16处看到的组合惯性jt是发动机曲轴惯性je和变矩器惯性jtc的总和。传递到变速器输入轴20的扭矩是由离合器22传递的离合器扭矩tc和从泵轮54液压地传递到涡轮56的液压扭矩th的总和。

在模型预测控制中，离散状态空间模型通常表示为：

xk+1＝axk+buk

yk＝cxk+duk

其中x表示模型状态矩阵，y表示模型输出矩阵，u表示模型输入矩阵，且a、b、c和d是系数矩阵。

参考图4，示例性模型预测控制(mpc)控制器100包括设备模型(plantmodel)102、控制逻辑104和观测器110。控制逻辑104向实际tcc22提供命令的控制输出信号106。将表示tcc22的实际工况的信号108提供给观测器110。观测器110将从信号108导出的信息112提供给控制逻辑104。继续参考图4，将表示tcc的期望操作点的输入信号114提供给控制器104。控制器104接受附加的控制器输入信号116，并且设备模型102接受附加的设备输入信号118。mpc控制器100向设备模型102提供建议的控制信号120。设备模型102基于建议的控制信号120和设备模型输入信号118提供预测的设备响应122。基于期望的操作点114、附加的控制器输入信号116、预测的设备响应122和建议的控制信号120来评估成本函数。迭代所述过程以找到使成本函数的值最小化的最佳建议的控制信号120。然后，控制器104向实际tcc提供优化的控制信号作为命令的控制输出信号106。当tcc响应新的命令控制信号106时，系统的状态改变，并且控制器104基于新系统的状态重复优化过程。可以使用如图4所示的示例性控制器100来实现下面将描述的各种实施例。

在第一示例性实施例中，设备模型102是tcc的线性模型。在本实施例中，建议的控制信号120是对tcc模型102的建议的压力命令，预测的设备响应122是预测的打滑水平。附加的设备模型输入118是报告的发动机扭矩信号，如由发动机控制模块(ecm)报告的。期望的操作点114表示期望的tcc打滑水平。附加的控制器输入信号116表示发动机扭矩。命令的控制输出信号106是传递至实际tcc22的命令压力信号。观测到tcc22中的实际打滑，并将其作为信号112提供给控制器104。

对于所述第一示例性实施例，离散状态空间模型中的输入项和输出项可以表示为：

y＝s

其中ptcc表示tcc离合器激活压力，te表示发动机扭矩，s表示tcc离合器打滑。

对于所述第一示例性实施例，示例性成本函数可以包括打滑误差、tcc输入压力的变化率和tcc输入参考压力误差积分。成本函数可以表示为：

其中：

受到约束：

ptcc,min,k≤ptcc,k≤ptcc,max,kk＝0,1,…,n-1

smin,k+1≤sk+1≤smax,k+1k＝0,1,…,n-1

δptcc-min,k≤δptcc,k≤δptcc-max,kk＝0,1,…,n-1

用于第一示例性实施例的成本函数的加权因子包括：w^slip，打滑误差的加权因子；w^δptcc，输入压力的变化率的加权因子；和w^ptccref，输入压力参考误差的加权因子。可以调整成本函数的各个加权因子的相对大小以有利于不同的性能标准。tcc性能标准的示例包括但不限于打滑误差(平均绝对值、平均值、标准偏差、最大值)、打滑误差的下冲或过冲、离合器能量以及避免tcc“崩溃”。如本文所使用的，术语“tcc崩溃”是指在计算为(目标打滑减去偏移值)的值以下的打滑。

图5示出了根据本文所描述的第一示例性实施例的基线pid(比例-积分-微分)打滑控制系统和mpc打滑控制系统之间的打滑控制结果的比较。图5中的曲线图表示两个控制系统对15％节气门压下操纵的响应。参考图5，曲线图150是具有在x轴上表示的以秒为单位的时间和在y轴上表示的以rpm为单位的打滑的绘图。在曲线图150中，迹线156表示目标tcc打滑值，如在图4中对于第一示例性实施例将其提供为输入114。迹线154表示实际tcc打滑值，如在图4中对于第一示例性实施例将其提供为信号112。经历相同的15％节气门压下操纵的基线pid打滑控制系统的性能如图5中的迹线152所示。如曲线图150所示，根据第一示例性实施例的mpc系统的性能与基线系统的性能相比是有利的，其中峰值打滑误差减少约50％。继续参考图5，曲线图160是具有在x轴上表示的以秒为单位的时间和在y轴上表示的以kpa为单位的压力的绘图。在曲线图160中，迹线162表示命令的tcc压力，如将其提供给tcc22作为图4中的输入106，其导致曲线图150中的迹线154中所示的打滑。迹线164表示基线pid系统中的命令tcc压力，该pid系统可导致曲线图150中的迹线152中所示的打滑。根据曲线图160中的结果，可以理解的是，根据第一示例性实施例的mpc打滑控制系统具有比基线pid系统更低的峰值tcc压力和更低的tcc压力的变化率。

在第二示例性实施例中，再次参考图4，设备模型102是tcc22的模型。在本实施例中，建议的控制信号120是对tcc模型102的建议的压力命令，预测的设备响应122是预测的离合器扭矩。附加的设备模型输入118是报告的发动机扭矩信号，如由发动机控制模块(ecm)报告的。期望的操作点114表示期望的tcc离合器扭矩水平。附加的控制器输入信号116表示发动机扭矩。命令的控制输出信号106是传递至实际tcc22的命令压力信号。tcc22中的估计值的tcc离合器扭矩是基于发动机扭矩和观测到的tcc打滑来计算的，并作为信号112提供给控制器104。

再次参考图3，发动机输出轴16的角加速度由下式给出：

使用k因子变矩器模型：

打滑定义为：s＝ωe-ωt并且打滑误差定义为：se＝s-sd；其中sd是期望的打滑。

打滑误差的时间变化率由下式给出：

求解tc：

在所述第二实施例的一个方面，离合器设备模型将离合器扭矩tc与发动机扭矩te和命令的扭矩致动压力ptcc相关联。在下面的讨论中，为了通过减少下标等级的数量来简化符号，变量名称clttrq被用于表示离合器扭矩tc。

对于该第二示例性实施例，离散状态空间模型中的输入项和输出项可以表示为：

u＝[ptcc]

y＝clttrq

其中ptcc表示tcc离合器激活压力，clttrq表示tcc离合器扭矩。

对于该第二示例性实施例，示例性成本函数可以包括离合器扭矩误差、tcc输入压力的变化率和tcc输入参考压力误差积分。成本函数可以表示为：

其中：

受到约束：

ptcc,min,k≤ptcc,k≤ptcc,max,kk＝0,1,…,n-1

clttrqmin,k+1≤clttrqk+1≤clttrqmax,k+1k＝0,1,…,n-1

δptcc-min,k≤δptcc,k≤δptcc-max,kk＝0,1,…,n-1

用于第二示例性实施例的成本函数的加权因子包括：w^clttrq，离合器扭矩误差的加权因子；w^δptcc，输入压力的变化率的加权因子；和w^ptccref，输入压力参考误差的加权因子。可以调整成本函数的各个加权因子的相对大小以有利于不同的性能标准。tcc性能标准的示例包括但不限于打滑误差(平均绝对值、平均值、标准偏差、最大值)、打滑误差的下冲或过冲、离合器能量以及避免tcc“崩溃”。如本文所使用的，术语“tcc崩溃”是指在计算为(目标打滑减去偏移值)的值以下的打滑。

在第三示例性实施例中，再次参考图4，设备模型102是由具有非线性干扰的线性系统描述的tcc的非线性模型，所描述的非线性干扰包括发动机扭矩、液压扭矩的非线性部分和轴扭转振动。在所述第三实施例的一个方面，所关注的操作范围内的液压扭矩通过打滑的二阶多项式来估算；即，th≈a(slip)+b(slip)²。在本实施例中，建议的控制信号120是对tcc模型102的建议的压力命令，预测的设备响应122是预测的打滑水平。附加的设备模型输入118包括报告的发动机扭矩信号，如由发动机控制模块(ecm)报告的。附加的设备模型输入118还包括液压扭矩信号。期望的操作点114表示期望的tcc打滑水平。附加的控制器输入信号116表示发动机扭矩。命令的控制输出信号106是到实际tcc22的命令压力信号。观测到tcc22中的实际打滑，并将其作为信号112提供给控制器104。

对于该第三示例性实施例，离散状态空间模型中的输入项和输出项可以表示为：

y＝s

其中ptcc表示tcc离合器激活压力，te表示发动机扭矩，th表示由变矩器传递的液压扭矩，而s表示tcc离合器打滑。

对于该第三示例性实施例，示例性成本函数可以包括打滑误差、tcc输入压力的变化率和tcc输入参考压力误差积分。成本函数可以表示为：

其中：

受到约束：

ptcc,min,k≤ptcc,k≤ptcc,max,kk＝0,1,…,n-1

smin,k+1≤sk+1≤smax,k+1k＝0,1,…,n-1

δptcc-min,k≤δptcc,k≤δptcc-max,kk＝0,1,…,n-1

用于第一示例性实施例的成本函数的加权因子包括：w^slip，打滑误差的加权因子；w^δptcc，输入压力的变化率的加权因子；和w^ptccref，输入压力参考误差的加权因子。可以调整成本函数的各个加权因子的相对大小以有利于不同的性能标准。tcc性能标准的示例包括但不限于打滑误差(平均绝对值、平均值、标准偏差、最大值)、打滑误差的下冲或过冲、离合器能量以及避免tcc“崩溃”。

本发明的控制系统具有若干优点。这些优点包括在使用反馈和/或前馈控制系统难以进行控制的操作点处改善打滑控制性能。另外，本发明的控制系统简化并减少了校准工作，并且提供校准的系统方法。根据本发明的控制系统考虑不同的目标量度，如打滑误差、输入压力的变化率等，并且允许对这些量度进行加权，以基于车辆类型提供期望的驾驶体验。本发明的控制系统能够对预测的干扰做出反应。

本发明的描述在性质上仅是示例性的，并且不脱离本发明内容所做的变化皆落入本发明的范围内。这种变化不应被视为脱离本发明的精神和范围。