JP4769111B2 - 自動変速機のシミュレーション装置およびそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、自動変速機における変速制御値を求めるためのシミュレーションを行う自動変速機のシミュレーション装置およびそのプログラムに関する。

従来より、多くの車両に自動変速機が搭載されており、この自動変速機における変速動作は、出力軸トルクおよびタービン回転数が目標通りに推移するように制御される。そして、この制御値を得るためには、各種条件による実車走行試験を行う必要がある。

しかし、このような走行試験は、時間と作業量が膨大となるため、これに変わるものとして自動変速機のモデルを利用したシミュレーションなども行われている。

例えば、特許文献１では、クラッチ・トゥ・クラッチ変速において、入力トルクＴ_in、係合側摩擦要素のトルク容量Ｔ₁、解放側摩擦要素のトルク容量Ｔ₂、Ｔ_inとＴ₁とのトルク比を表すＡ、Ｔ_inと変速前の変速段において釣り合うＴ₂とのトルク比を表すＢ、補正項Ｃにより設定される運動方程式Ｔ_in＝ＡＴ₁＋ＢＴ₂＋Ｃに従い、解放側・係合側摩擦要素のどちらか一方の油圧指令を求めることが示されている。

また、特許文献２では、コモンレール装置の逆モデルにより、フィードフォワード制御量を求めており、その際に、逆モデルのパラメータを、逐次システム同定を行うことにより更新している。

また、非特許文献１では、システムの動力学・運動学に着目して指令値の修正量を繰り返し求めることにより、ロボットの軌道追従性能を改善している。

特許文献３には、 生物の神経回路を模擬した学習制御装置を用いて、ロボットの軌道追従性能を改善するが示されている。さらに、特許文献４には、逐次２次計画法により複数の使用項目を満足するコントローラの制御定数を決定することが示されている。

特開２００４−３４０２８７号公報 特開２００４−１０８２１６号公報 特開２０００−２０３８９１号公報 特開平８−２２３０７号公報 内山勝，薄井和明，戴永強「計測自動制御学会論文集」、ｖｏｌ．３３， ｎｏ．８， ｐｐ．８５８−８６０「学習アルゴリズムを用いたフレキシブルマニピュレータの逆運動学解法」

前記特許文献１では、変速時の解放側または係合側摩擦要素のどちらか一方の油圧指令は、予め適合作業によって求めておく必要がある。また、性能バラツキへの対応は、オンボードでのフィードバック制御や学習制御（これらは補正項に含まれる）によって実行されており、フィードフォワード制御によって性能バラツキに対応する試みはなされていない。

また、特許文献２では、逆モデルのパラメータを逐次修正するために、実際の装置が必要であり、また特定の個体に対応した指令値しか生成できないという問題がある。

また、非特許文献１、特許文献３，４などにおいても、性能ばらつきに強いフィードフォワード制御のための制御値を効率的に導出することについては記載がない。

本発明は、モデルを利用した自動変速機の変速シミュレーション装置であって、前記自動変速機の出力軸トルク波形およびタービン角加速度波形について、モデルを利用したシミュレーション結果と、目標との誤差を減少させるように学習演算を繰り返し行い、自動変速機のトルク伝達のための各係合摩擦要素への係合制御指令値、及び自動変速機への入力タービントルク指令についてのフィードフォワード指令値を前記シミュレーション結果に基づいて繰り返し求めていくことで導出すると共に、前記モデルとして、設計諸元値が設定された規範モデルと、性能バラツキを含む変動モデルの２つを用意し、両方のモデルについて指令値を修正して学習演算を繰り返し行い、両方のモデルにおけるシミュレーション結果の誤差を所定以下とする前記指令値を求めることを特徴とする。

また、前記規範モデルと、前記変動モデルとで、学習ゲインを独立して調整可能であることが好適である。

また、自動変速機のギヤトレーン系を多入力多出力系システムとして表現し、このシステムを表す行列の擬似逆行列からフィードフォワード指令値の修正量を求めることが好適である。

また、本発明は、コンピュータにモデルを利用した自動変速機の変速シミュレーションを実行させる自動変速機の変速シミュレーションプログラムであって、コンピュータに、前記自動変速機の出力軸トルク波形およびタービン角加速度波形について、モデルを利用したシミュレーション結果と、目標との誤差を減少させるように学習演算を繰り返し行わせ、自動変速機のトルク伝達のための各係合摩擦要素への係合制御指令値、及び自動変速機への入力タービントルク指令についてのフィードフォワード指令値を前記シミュレーション結果に基づいて繰り返し求めていくことで導出させると共に、前記モデルとして、設計諸元値が設定された規範モデルと、性能バラツキを含む変動モデルの２つを用意し、両方のモデルについて指令値を修正して学習演算を繰り返し行わせ、両方のモデルにおけるシミュレーション結果の誤差を所定以下とする前記指令値を求めさせることを特徴とする。

フィードフォワード指令値の設計時に、学習制御の考え方を取り入れることで、モデル上にてオフラインで指令値を自動生成することができる。これにより、実車走行試験による適合作業に比べて大幅に工数を削減することができる。また、システム内の性能バラツキを想定した上で、フィードフォワード指令値を設計する。これにより、幅広い状況下で、変速ショックを抑え、乗り心地を改善することができる。また、フィードバック制御への依存度も軽減することができる。

さらに、自動変速機を多入力多出力系システムとしてとらえることにより、円滑な動力の受け渡し動作を実現する時系列の指令値を求めることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
本実施形態は、複数の摩擦係合装置の係合・解放状態に応じて変速比が設定される自動変速機の適合作業に関するものである。

この適合対象としている自動変速機は、複数の遊星歯車と、複数の油圧アクチュエータによって摩擦係合される油圧式摩擦係合装置によって構成されており、この油圧アクチュエータは、車載コンピュータによって電子制御される。

「全体構成」
図１に、ＣＡＥ（computer aided engineering）モデル上での適合作業の概要を示す。ＣＡＥモデルは、エンジン・トルクコンバータモデル１０と、自動変速機の遊星歯車によって構成されるギヤトレーンモデル１２と、解放側ブレーキモデル１４、係合側ブレーキモデル１６とを含み、これらモデルへ入力される指令値の修正量が修正量計算部１８において算出される。

エンジン遅角量についての初期値は加算器２０に供給される。ここには、修正量計算部１８からエンジン遅角量についての修正量が供給されており、両者が加算されることでエンジン遅角量が修正される。修正されたエンジン遅角量はエンジン・トルクコンバータモデル１０に供給される。従って、供給されたエンジン遅角量に応じてエンジン出力が制御されトルクコンバータからの出力タービントルクが決定される。

また、解放側油圧指令の初期値が加算器２２に供給され、ここには修正量計算部１８からの解放側油圧指令の修正量が供給されている。従って、加算器２２において修正された解放側油圧指令が得られ、これが解放側ブレーキモデル１４に供給され、この解放側ブレーキモデル１４から対応する解放側トルク容量Ｔ₁が出力される。

さらに、係合側油圧指令の初期値が加算器２４に供給され、ここには修正量計算部１８からの係合側油圧指令の修正量が供給されている。従って、加算器２４において修正された係合側油圧指令が得られ、これが係合側ブレーキモデル１６に供給され、係合側ブレーキモデル１６から対応する係合側トルク容量Ｔ₂が出力される。

エンジン・トルクコンバータモデル１０から出力されたタービントルク、解放側ブレーキモデル１４から出力された解放側トルク容量Ｔ₁、および係合側ブレーキモデル１６から対応する係合側トルク容量Ｔ₂がギヤトレーンモデル１２に供給される。これによって、このギヤトレーンモデル１２から出力軸トルクＴ_oおよびタービン角加速度（ｄ／ｄｔ）ω_tが出力される。

そして、出力軸トルクＴ_oは加算器２６に負の値として供給され、ここで目標値から減算され、得られた誤差が修正量計算部１８に供給される。また、タービン角加速度（ｄ／ｄｔ）ω_tは加算器２８に負の値として供給され、ここで目標値Ｔ_od、（ｄ／ｄｔ）ω_tdからそれぞれ減算され、得られた誤差が修正量計算部１８に供給される。

修正量計算部１８は、供給される誤差に基づいて、エンジン遅角量、解放側油圧指令、係合側油圧指令についての修正量を演算算出し、これらを加算器２０，２２，２４にそれぞれ供給する。

「指令値生成」
例えば、２速から３速へのアップシフト時において目標出力軸トルク波形および目標タービン角加速度波形を実現するフィードフォワード指令値（解放側および係合側ブレーキ油圧・エンジン遅角量）を学習計算により導き出す。ここで、実際の自動変速機においては、構成部材の個体差や経年劣化などによる性能バラツキがある。本実施形態においては、上記性能バラツキがない規範モデルを対象としてフィードフォワード指令値を求める学習計算と、上記性能バラツキを考慮した変動モデルを対象としてフィードフォワード指令値を求める学習計算の両方を行う。

すなわち、図２に示すように、まず規範モデルのみを利用してシミュレーションを行い、学習を実行してフィードフォワード指令値を求める（ステップＳ１）。そして、その後に規範モデルおよび変動モデルの両方を用いてシミュレーションを行い、学習を実行する（ステップ２）。

ここで、図２におけるＳ１における学習のフローを図３に示す。まず、ブレーキ油圧（解放側および係合側ブレーキ油圧）波形およびエンジン遅角量の指令値についての初期値を入力する（ステップＳ１１）。この初期指令値に基づき、規範モデルによって変速シミュレーションを実行する（ステップＳ１２）。このシミュレーション結果が学習終了の条件を満たすか否かを判断し（Ｓ１３）、満たす場合には処理を終了する。学習終了の条件は、繰り返し回数が所定の回数を超えた場合や、出力軸トルクおよびタービン角加速度と、これら出力の目標値との誤差が所定値よりも十分に小さい値（所定値以下）になった場合などとすることができる。

終了条件を満たしていない場合には、各部のトルク修正量を算出し（Ｓ１４）、算出されたトルク修正量に基づいて各油圧波形および遅角量についての修正量を求め、求めた修正量によって各指令値を修正する（Ｓ１５）。そして、修正された各指令値を採用して、ステップＳ１２に戻る。

「修正量の計算」
次に、ステップＳ１４およびＳ１５におけるトルクおよび制御値修正量の算出について説明する。

「トルク修正量」
まず、自動変速機のクラッチtoクラッチ変速時の運動方程式を下に示す。

ここで、Ｔ_oは出力軸トルク、（ｄ／ｄｔ）ω_t はタービン角加速度、Ｔ_B1は解放側ブレーキのトルク容量、Ｔ_B2は係合側ブレーキのトルク容量、Ｔ_tはタービントルク、Ｔ_wは走行負荷トルクを表す。そして，上式内の各係数Ａ₁₁，Ａ₁₂，・・・，Ａ₂₄は、遊星歯車によって構成されるギヤトレーン系のギヤ比や各部の慣性モーメントによって決定される定数を表す。行列表現を用いて、上式を以下に示すように記述し直す。太文字Ａは最右辺で表される行列となる。

２つのブレーキトルク容量およびタービントルクを入力として、エンジン・トルクコンバータモデルにおける変速シミュレーションを実行した場合において、出力軸トルクＴ_o及びタービン角加速度（ｄ／ｄｔ）ω_tの目標値との間に誤差ΔＴ_o，Δ（ｄ／ｄｔ）ω_tがある場合、行列Ａの擬似逆行列Ａ⁺、及び目標値への収束性を調整するゲイン行列Ｋを用いてブレーキトルク容量の修正量ΔＴ_B1，ΔＴ_B2、タービントルクの修正量ΔＴ_tを、以下に示すように求める。

ブレーキトルク容量Ｔ_B1，Ｔ_B2に関しては，これら修正量ΔＴ_B1，ΔＴ_B2をそれまでのブレーキトルク容量に加算することで、新たなブレーキトルク容量を得る。なお、走行負荷トルクＴ_wは、自動変速機の出力側の負荷であり、モデルに入力されるものではない。

「制御値修正量」
ここで、ブレーキトルク容量Ｔ_B1，Ｔ_B2に関し、次のようにして修正量を決定する。まず、係合側ブレーキに関しては、トルク相・イナーシャ相を通じて、以下に示す関係式より、トルク容量を発生させるブレーキ油圧へ変換される。

ここで、Ｐ_B2はブレーキ油圧、μ_B2は摩擦係数、Ｎ_B2は摩擦材枚数、Ｒ_B2は摩擦材有効半径、Ｓ_B2はピストン重圧面積、Ｆ_B2はリターンスプリング荷重を表す。

また、トルク相中においては、係合側ブレーキのトルク容量Ｔ_B2の修正ΔＴ_B2に対して、この係合側ブレーキのトルク容量とタービントルクとの関係から、タイアップ及びエンジン回転数の吹き現象が発生しないように、解放側ブレーキの油圧Ｔ_B2の油圧波形が修正される。
さらに、イナーシャ相中においては，出力軸トルクのピーク値を抑えるために、エンジンの遅角制御が行われる。タービントルクの修正量ΔＴ_tから、次式に従いエンジン遅角量の修正量Δαが求められる。

ここで、αは遅角量、Δαは遅角量修正量、ｔはエンジントルクとタービントルクのトルク比、ｋは定数を表す。

このように、システムの運動方程式に従い、各フィードフォワード指令値の修正量を繰り返し求めていくことで、係合摩擦要素間で滑らかな動力の受け渡し作業を実現する複数の時系列フィードフォワード指令値を、理論的に導出することが可能となる。

「変動モデルを利用した処理」
ここで、実際の自動変速機においては、構成部材の個体バラツキや経年劣化などにより、常に設計通りのトルク容量を発生できない場合がある。このことにより、変速中の運動方程式が切り替わるタイミングがずれ、大きな変速ショックが生じる場合がある。

そこで、本実施形態では、上述のように、規範モデルのみを対象とするのではなく、予め油圧レベルの変動などのシステムの性能バラツキが含まれている変動モデルも対象とする。そして、規範・変動モデルの双方に対して、フィードフォワード指令値の修正を交互に実行することで、性能バラツキの影響を軽減し、幅広い状況下で変速動作を完了させるフィードフォワード指令値を求めることができる。

図７には、図２におけるステップＳ２に該当する、基本モデルおよび変動モデルの両方を用いて学習を行うフローを示してある。

まず、図３の処理によって求められた規範モデルを用いて求められた制御値を初期値とし、変動モデルを用いてシミュレーションを行う（ステップＳ２１）。ここで、変動モデルによるシミュレーションは変動モデルによる最悪の結果が得られるものを採用する。そして、シミュレーションにより得られた出力（出力軸トルクおよびタービン角加速度）と、これら出力の目標値との誤差から各油圧波形および遅角量についての修正量を求め、求めた修正量によって各指令値を修正する（ステップＳ２２）。

このようにして、変動モデルによるシミュレーションを終えた場合には、修正された各指令値を用い、規範モデルを利用してシミュレーションを行う（ステップＳ２３）。そして、得られた出力と目標値との誤差から各指令値についての修正量を求め、修正する（ステップＳ２４）。

次に、学習終了条件を満たすか否かを判定し（ステップＳ２５）、満たしていた場合には処理を終了し、満たしていなかった場合にはステップＳ２１に戻る。なお、終了の条件としては、学習計算の繰り返し回数や、ステップＳ２４およびステップＳ２２において得られた規範・変動モデルで誤差の両方が所定値以内になっているか等が採用される。

また、フィードフォワード指令値を修正するにあたって、ステップＳ２４での規範モデルにおける学習ゲインと、ステップＳ２２での変動モデルにおける学習ゲインとの値を変更とすることが好適である。これによって、いずれのモデルにおける応答を優先するかを決定することができる。例えば、ステップＳ２２における学習ゲインを大きくして、変動モデルでの応答改善を優先させることが好適である。

「処理例」
図４には、規範モデルにおいて初期指令値を入力とした場合の変速シミュレーション結果、図５には、学習計算により修正された指令値によるシミュレーション結果を示す。これらの図より、学習計算により変速ショックが改善され、目標波形を実現する指令値が導出されていることが分かる。

しかし、自動変速機には構成部材の個体差や経年劣化などによる性能バラツキがある。このため、図２ステップＳ１で求められた係合側ブレーキの油圧波形に意図的にマイナスオフセットを加えて変速シミュレーションを行うと、図６に示すように変速が想定時間内に終了せず、大きなショックが発生する。

図８には、図７の処理による、学習計算中の目標出力軸トルク波形との誤差の推移を示す。図８のケース１は規範モデルでのシミュレーション結果、ケース２は最悪変動モデルとして、係合側ブレーキの油圧がマイナスにオフセットされた状態でのシミュレーション結果を示してある。この図から、ケース１に関しては誤差が増え応答が悪化しているが、ケース２については、誤差値が減少し、応答が改善していることがわかる。そして、本例では、この２つのケースでの誤差がほぼ同じ値となった時点で、フィードフォワード指令値の修正を終了した。

このようにして導出されたフィードフォワード指令値による変速シミュレーション結果を図９、１０に示す。図９は求められたフィードフォワード指令値がそのまま入力された結果、図１０は係合側ブレーキへの油圧波形が、マイナスオフセットされて入力された場合の結果を示す。

さらに、図７による変動モデルも対象として学習計算を実行することにより導き出された係合側油圧波形を図１１に示す。図１１において、波形１は図２ステップＳ１の規範のみを使用した学習計算結果を表し、波形２は図２ステップＳ２の規範・変動モデル双方を利用した学習結果を表す。変動モデルも対象としたことにより、変速中の油圧波形がわずかに上昇している。

このような修正により、システム内の性能バラツキによって設計通りのブレーキ油圧が発生しない場合でも、過大なショックが出ることなく変速可能なフィードフォワード指令値が求められていることが図９、図１０より分かる。

モデル上での適合作業の概要を示す図である。 指令値生成のフローチャートである。 規範モデルでの学習計算を示すフローチャートである。 初期指令値を用いたシミュレーション結果を示す図である。 規範モデルでのシミュレーション結果を示す図である。 油圧変動がある場合のシミュレーション結果を示す図である。 規範・変動モデルでの学習計算を示すフローチャートである。 繰り返し学習による誤差の推移を示す図である。 油圧変動がない場合におけるシミュレーション結果を示す図である。 油圧変動がある場合におけるシミュレーション結果を示す図である。 修正された係合側油圧波形を示す図である。

符号の説明

１０ エンジン・トルクコンバータモデル、１２ ギヤトレーンモデル、１４ 解放側ブレーキモデル、１６ 係合側ブレーキモデル、１８ 修正量計算部、２０，２２，２４，２６，２８ 加算器。

Claims (4)

1. モデルを利用した自動変速機の変速シミュレーション装置であって、
   前記自動変速機の出力軸トルク波形およびタービン角加速度波形について、モデルを利用したシミュレーション結果と、目標との誤差を減少させるように学習演算を繰り返し行い、自動変速機のトルク伝達のための各係合摩擦要素への係合制御指令値、及び自動変速機への入力タービントルク指令についてのフィードフォワード指令値を前記シミュレーション結果に基づいて繰り返し求めていくことで導出すると共に、
   前記モデルとして、設計諸元値が設定された規範モデルと、性能バラツキを含む変動モデルの２つを用意し、両方のモデルについて指令値を修正して学習演算を繰り返し行い、両方のモデルにおけるシミュレーション結果の誤差を所定以下とする前記指令値を求めることを特徴とする自動変速機のシミュレーション装置。
2. 請求項１に記載の自動変速機のシミュレーション装置において、
   前記規範モデルと、前記変動モデルとで、学習ゲインを独立して調整可能であることを特徴とする自動変速機のシミュレーション装置。
3. 請求項１または２に記載の自動変速機のシミュレーション装置において、
   自動変速機のギヤトレーン系を多入力多出力系システムとして表現し、このシステムを表す行列の擬似逆行列からフィードフォワード指令値の修正量を求めることを特徴とする自動変速機のシミュレーション装置。
4. コンピュータにモデルを利用した自動変速機の変速シミュレーションを実行させる自動変速機の変速シミュレーションプログラムであって、
   コンピュータに、
   前記自動変速機の出力軸トルク波形およびタービン角加速度波形について、モデルを利用したシミュレーション結果と、目標との誤差を減少させるように学習演算を繰り返し行わせ、自動変速機のトルク伝達のための各係合摩擦要素への係合制御指令値、及び自動変速機への入力タービントルク指令についてのフィードフォワード指令値を前記シミュレーション結果に基づいて繰り返し求めていくことで導出させると共に、
   前記モデルとして、設計諸元値が設定された規範モデルと、性能バラツキを含む変動モデルの２つを用意し、両方のモデルについて指令値を修正して学習演算を繰り返し行わせ、両方のモデルにおけるシミュレーション結果の誤差を所定以下とする前記指令値を求めさせることを特徴とする自動変速機のシミュレーションプログラム。