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自動變速汽車智能換檔控制系統(tǒng)研究
( 一 ) 引言
換檔控制策略是汽車自動變速控制的關(guān)鍵技術(shù)。
傳統(tǒng)的基本換
檔規(guī)律按照換檔控制參數(shù)的不同
, 有單參數(shù)換檔規(guī)律、 兩參數(shù)換檔
規(guī)律和三參數(shù)換檔規(guī)律。 然而不論是基于穩(wěn)定行駛工況的兩參數(shù)換
檔規(guī)律 , 還是基于動態(tài)過程的三參數(shù)換檔規(guī)律
, 都只能反映汽車的
行駛狀態(tài) , 而沒有充分考慮駕駛員操縱意愿以及汽車行駛環(huán)境對
換檔時刻的影響。因此
, 近年來智能控制理論不斷地被引人到汽車
換檔控制研
2、究中來。當前
, 基于智能換檔控制策略的研究主要有兩
條路徑 : 第一 , 應(yīng)用智能控制理論等一些方法自動識別出當前行駛
中的駕駛員意圖和汽車行駛環(huán)境
, 以此調(diào)整或選擇合適的換檔規(guī)
律進行換檔控制 ; 第二 , 利用駕駛員的駕駛經(jīng)驗及相關(guān)專家的知識
形成模糊推理規(guī)則 , 根據(jù)當前汽車行駛參數(shù)
, 直接推理輸出檔位的
基于專家系統(tǒng)的換檔控制策略。本文將根據(jù)第一條路徑
, 詳細闡述
不同駕駛員意圖和行駛環(huán)境的識別方法及相應(yīng)的換檔控制策略
,
并以此建立汽車智能換檔控制系統(tǒng)。
( 二) 基本換檔規(guī)律的弊端
汽車基本換檔規(guī)律
3、包括最佳動力性和最佳經(jīng)濟性換檔規(guī)律。
最
佳動力性換檔規(guī)律是在汽車行駛加速度曲線上
, 取同一油門開度
下相鄰兩檔加速度曲線的交點
, 然后將不同油門下相鄰兩檔加速
度的交點連成曲線而獲得的。
最佳經(jīng)濟性換檔規(guī)律則是保持油門不
變, 以原地起步連續(xù)換檔加速至某一車速時
, 總油耗最小為目標函
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數(shù)而求得的。因此 , 當汽車的實際行駛環(huán)境和汽車行駛狀態(tài)與求解
最優(yōu)換檔規(guī)律的實驗條件相近時 , 傳統(tǒng)的換檔規(guī)律給出的是使某
一指標最優(yōu)的檔位 , 如最佳經(jīng)濟性、 最佳動力
4、性。 可是當汽車實際
行駛條件與最優(yōu)規(guī)律求解過程設(shè)定的條件有較大差別時 , 顯然給
出的檔位不是最優(yōu)的或在某些區(qū)域不是最佳的。另外 , 當汽車行駛
中某一段時間內(nèi)追求的操作目標與優(yōu)化目標不一致時 , 最優(yōu)規(guī)律
給出的檔位或確定的換檔點就可能是無法接受的。例如 , 在坡道行駛時的換檔循環(huán)問題 , 低附著路面下的打滑問題 , 以及在擁擠市區(qū)行駛時的頻繁換檔問題等。
由此我們發(fā)現(xiàn) , 自動變速系統(tǒng)必須識別出行駛中的駕駛員意圖和當前的行駛環(huán)境 , 然后據(jù)此調(diào)整或選擇相適應(yīng)的換檔規(guī)律。以下我們將用汽車上通用傳感器信號來獲知汽車行駛狀態(tài)參數(shù)和駕駛員操縱特征
5、參數(shù) , 以此來推知駕駛員意圖和汽車行駛環(huán)境。
( 三) 駕駛員意圖的識別
一般來說 , 駕駛員駕駛汽車采用大油門開度或急踩油門加速
時 , 表明她需要很強的加速性能 , 則此時自動變速應(yīng)選擇最佳動力
性換檔規(guī)律 ; 當油門開度不大 , 汽車在平直公路上高速行駛時 , 表明她需要較高的燃油經(jīng)濟性 , 因此此時應(yīng)選擇最佳經(jīng)濟性換檔規(guī)
律; 然而駕駛員意圖不只是這兩種情況 , 更多的時候 , 駕駛員希望
的是能夠兼顧動力性和經(jīng)濟性的中間規(guī)律。因此本文提出用 [0,1]
中的一個實數(shù)來描述這種駕駛員的意圖 , 稱之為 ”經(jīng)濟性
6、權(quán)數(shù) ”,相
應(yīng)地動力性權(quán)數(shù)二 1-經(jīng)濟性權(quán)數(shù) ( 1)
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顯然 , 最佳動力性換檔規(guī)律的經(jīng)濟性權(quán)數(shù)為 0, 最佳經(jīng)濟性換檔規(guī)律的經(jīng)濟性權(quán)數(shù)為 1。
圖 1 是駕駛員意圖識別算法的框圖。 我們把駕駛員意圖識別分為兩種情況 : 行駛工況和制動工況 , 以是否踩制動踏板來判別。對于行駛工況 , 以油門開度和油門開度變化率 , 這兩個駕駛員操縱特
征參數(shù)為輸人 , 以經(jīng)濟性權(quán)數(shù)
7、為輸出 , 建立駕駛員意圖識別模糊推
理系統(tǒng)。圖 2 為模糊推理識別結(jié)果。對于制動工況 , 對制動減速度
進行歸一化處理 , 使最大制動減速度對應(yīng)動力性權(quán)數(shù) 1, 制動減速
度零對應(yīng)動力性權(quán)數(shù) 0, 這樣就建立了制動減速度與動力性權(quán)數(shù)的一一對應(yīng)。
識別了當前的駕駛員意圖 , 獲得相應(yīng)的經(jīng)濟性、 動力性權(quán)數(shù)之
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后, 以此計算。相應(yīng)的換檔規(guī)律 , 即可較好地體現(xiàn)
8、駕駛員的意圖。
( 四) 汽車行駛環(huán)境識別及相應(yīng)換檔策略
1.上坡的識別及換檔策略
汽車行駛在上坡路面上 , 行駛阻力明顯增加 , 同時駕駛員對油門踏板的操作也顯著 : 區(qū)別于平直路面上行駛 , 圖 3 為一段時間內(nèi)油門和油門開度變化率出現(xiàn)時間統(tǒng)計分布圖。
由圖可見 , 由于行駛阻力的增加 , 上坡行駛時的油門開度和油
門開度變化率明顯增加??墒俏覀冎?
, 在汽車起步或加速時 ,
油
門開度和油門開度變化率也有相同的變化
, 因此我們再引入
9、兩條
推理規(guī)則來識別上坡道路 : ( 1) 車速較高 ; ( 2)
油門開度較大 , 而加
速度較小。由此 , 我們建立了油門開度、
油門開度變化率、
車速、
加速度 4 個參數(shù)為輸入 , 上坡指數(shù)為輸出的模糊推理系統(tǒng) ,
如圖 4
所示。上坡指數(shù)取 4 個輸入?yún)?shù)推理的最小值作為系統(tǒng)的推理輸出
,
當換檔控制系統(tǒng)檢測到上坡指數(shù)大于某一值時
, 即認為當前處于
上坡路面。
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10、
上坡模式下 , 為克服行駛阻力 , 提供較大牽引力 , 一般較高車
速時才升檔。同時可根據(jù)上坡指數(shù)相應(yīng)增大換檔延遲來避免換檔循
環(huán)。
2.下坡的識別及換檔策略
汽車下坡時 , 一般油門開度為零 , 而行駛加速度為正值 , 換檔
控制系統(tǒng)則依此可識別汽車當前處于下坡路面。
汽車處于下坡路面時 , 往往先禁止升檔 ; 若駕駛員踩制動踏板 , 則降一檔 , 以提高發(fā)動機制動效果 ; 若降檔后依然加速 , 則再降一
檔, 直到利用發(fā)動機制動能夠使汽車平穩(wěn)下坡。當然在此過程中 ,
還要監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速 , 以避
11、免過快降檔 , 造成發(fā)動機超速。
3.低附著路面的識別及換檔策略
低附著路面主要是指濕滑路面和雪地路面 , 它的識別主要依
靠 ABS 經(jīng)過 CAN; 總線傳送過來的 4 個輪速傳感器的信號。 設(shè)前左、前右、 后左、 后右 4 個車輪角速度為 ω-1、 ω-2、 ω-3、 ω-4, 則前輪驅(qū)動汽車的驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率可定義為
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然而強烈制動和小半徑曲線行駛時 , 滑轉(zhuǎn)率也較高 , 因此必須
排除這兩種工況的干擾。因此 , 為保證準確性 , 低附、 著路
12、面識別
判據(jù)可概括為 : 當制動燈卜不亮 , 橫向加速度小于一定值的情況下 ,
若一段時間內(nèi)的平均驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率大于規(guī)定值 , 則認為當前為低
附著路面。其中橫向加速度的算法如圖 5 所示 ( L 為兩輪間距 , R 為
彎道半徑 , α-h 為橫向加速度 ) 。
低附著路面下的換檔控制策略主要是為了保證行駛穩(wěn)定性 , 避免打滑現(xiàn)象 , 因此可概括為 : 加大換檔延遲 , 減少換檔次數(shù) , 避免扭矩跳躍 ; 提前升檔、 推遲降檔 , 一以二檔起步 , 限制過大驅(qū)動扭矩等。
13、
4.擁擠市區(qū)的識別及換檔策略
汽車在擁擠的市區(qū)行駛 , 其行駛狀態(tài)參數(shù)和駕駛員操縱特征
參數(shù)具有一定的統(tǒng)計分布特性 , 如圖 6 所示。
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由圖可見 , 以軸矩系數(shù) ( 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩 /轉(zhuǎn)速 ) 和汽車平均車速為
識別參數(shù) , 可較好的區(qū)分市區(qū)、 郊區(qū)和高速公路。 其中軸矩系數(shù)可
經(jīng)過油門開度、 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和當前檔位的變速比計算得到。同時 , 從圖中還能夠發(fā)現(xiàn) , 在擁擠的市區(qū)和郊區(qū)兩個統(tǒng)計區(qū)、 域中有一小
塊重疊部分。這是由市
14、區(qū)和郊區(qū)行駛本身的模糊性所引起的 , 因此
對這部分重疊區(qū)域采用保持上一次識別結(jié)果的處理方法。
由于在擁擠的市區(qū)內(nèi)行駛 , 基本處于走走停停的狀態(tài) , 因此為提高乘坐舒適性 , 降低油耗 , 在識別出市區(qū)環(huán)境后 , 應(yīng)禁用一檔 , 以二檔起步行駛。
( 五) 汽車智能換檔控制系統(tǒng)
在駕駛員意圖和行駛環(huán)境識別的基礎(chǔ)上 , 我們建立了汽車智
能換檔控制系統(tǒng) , 如圖 7 所示。該系統(tǒng)對不同行駛環(huán)境識別具有優(yōu)
先級 , 當系統(tǒng)識別出低附著路面時 , 直接調(diào)用控制器內(nèi)存 4 條換檔