基于Fuzzy Logic與State flow的汽車換擋策略研究

王秀發(fā)，于 英，田晉躍

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

汽車變速器因其具有良好的駕駛性能，行駛安全性能和乘坐舒適性能而受到人們的歡迎，裝車率不斷提高，但基于傳統(tǒng)控制理論與技術(shù)的自動(dòng)變速器在一些特殊運(yùn)行工況下，其工作性能還有諸多不盡如人意的地方，如換擋頻繁，經(jīng)濟(jì)性能差等.因此開發(fā)具有模擬實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員駕駛技術(shù)的智能控制方式成為今后變速器技術(shù)發(fā)展的重要方向.文中采用模糊控制作為換擋規(guī)律研究的主要控制方法.文獻(xiàn) [1]中考慮到行駛路面狀況對(duì)車輛的換擋有著重要的影響，提出了在線修正換擋規(guī)律的控制策略.文獻(xiàn) [2]基于模糊理論，建立了由基本模糊換擋策略和模糊修正模塊所組成的模糊換擋控制策略.文獻(xiàn) [3]提出了以加速度為控制參量的包含升、降檔模糊控制器的汽車模糊控制換擋策略的研究.

綜合以上文獻(xiàn)中提出的模糊換擋控制方法可知，換擋控制在智能控制中主要采用單模糊控制器或者是以一個(gè)主控制器和一個(gè)修正控制器或者是以兩個(gè)主控制器組成.故文中在已有的模糊控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以兩個(gè)主控制器、基于State flow的檔位判決模塊和模糊修正模塊組成的控制方法.

1 換擋控制策略

文中換擋控制系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成，分別是升降擋模糊控制器模塊、State flow換擋決策模塊和模糊修正模塊.其中，升降擋控制器模塊由升檔控制器和降檔控制器組成.如下圖1所示.換擋系統(tǒng)是以車速ν、油門開度信號(hào)α二參數(shù)的升、降檔換擋規(guī)律為依據(jù)，并根據(jù)坡道條件、彎道道路條件和制動(dòng)力信號(hào)，并利用經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員總結(jié)出的換擋規(guī)則進(jìn)行模糊推理.在這里環(huán)境模糊融合模塊輸出是比例因子Kμ，且Kμ對(duì)升、降檔控制器的輸出進(jìn)行調(diào)整，可得到gU和gD(gU對(duì)應(yīng)升檔控制器的輸出檔位;gD對(duì)應(yīng)降檔控制器的輸出檔位)，再在State flow檔位判決模塊中由輸入gU、gD和加速度a進(jìn)行邏輯判斷，可最終得到輸出檔位.

圖1 Fuzzy logic與State flow換擋策略原理圖

1.1 State flow的邏輯規(guī)則

升降擋控制器模塊是將換擋規(guī)律曲線分解為升檔規(guī)律曲線和降檔規(guī)律曲線，相應(yīng)的對(duì)曲線進(jìn)行模糊化，生成語言變量，再根據(jù)得到的曲線設(shè)計(jì)控制器的控制規(guī)則，就可以得到升降擋控制器了.控制器的作用與否是由汽車的加速度來決定的，當(dāng)加速度為正時(shí)系統(tǒng)由升、檔控制器控制，當(dāng)加速度為負(fù)時(shí)系統(tǒng)由降檔控制器控制.在換擋規(guī)律曲線中存在著換擋延遲的現(xiàn)象，它的主要作用是:①換入新檔，不會(huì)因油門的振動(dòng)或車速引起的輕度變化，而重新?lián)Q回原來的檔位，保證換擋過程的穩(wěn)定性;②有利于減少換擋循環(huán)，防止控制系統(tǒng)元件的加速磨損，并防止乘坐舒適性的降低.所以在兩個(gè)主控制模塊輸出檔位時(shí)，需要與原來檔位進(jìn)行關(guān)系的比較，由于需要很好的邏輯能力，故在文中引入了State flow工具箱，就是因?yàn)樗哂泻芎玫年P(guān)系推理能力.State flow邏輯規(guī)則如下:

(1)升擋控制器.若控制器輸出的檔位大于當(dāng)前系統(tǒng)的檔位時(shí)，系統(tǒng)升擋.否則檔位不變.

(2)降擋控制器.若控制器輸出的檔位小于當(dāng)前系統(tǒng)的檔位時(shí)，系統(tǒng)降擋.否則，檔位不變.

1.2 車輛換擋的主要原則

車輛進(jìn)行模糊換擋的前提是控制系統(tǒng)應(yīng)具有熟練駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn).駕駛員的操縱意圖主要通過油門踏板和轉(zhuǎn)向盤來反映，換擋的基本原則是獲得最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能.通過對(duì)駕駛員的操縱經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，得到車輛在各種工況下運(yùn)行時(shí)模糊換擋的主要原則:①平直道路上行駛時(shí)優(yōu)先采用平直道路換擋規(guī)律;②在復(fù)雜工況下，為達(dá)到車輛行駛時(shí)具有足夠的動(dòng)力，這時(shí)應(yīng)采用最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律;③如果沒有制動(dòng)信號(hào)參與，為減少頻繁換擋次數(shù)，在每個(gè)檔位的停留時(shí)間應(yīng)大于一個(gè)設(shè)定值;若小于設(shè)定值，除非是動(dòng)力不足，否則禁止換擋.④車輛行駛在上坡的路況時(shí)，若坡度過大致使車輛行駛過程中動(dòng)力不足則降擋，同時(shí)為了防止連續(xù)坡道的頻繁換擋，應(yīng)增大抵擋的使用范圍.⑤車輛行駛在下坡的路況時(shí)，坡道坡度不大、道路狀況良好，則不應(yīng)換擋;若坡道坡度過大，道路狀況不好，有制動(dòng)信號(hào)，則應(yīng)降擋;⑥如果輕踏制動(dòng)踏板，不應(yīng)該馬上降擋，而是要考慮其他的路面信號(hào);若重踏制動(dòng)踏板，則應(yīng)馬上降擋;⑦如果車輛行駛的道路彎道角度大時(shí)，則不應(yīng)降擋;如果彎道角度小，則應(yīng)降擋.并且要盡量的避免在坡道上轉(zhuǎn)彎，在遇到大彎時(shí)應(yīng)盡可能低速轉(zhuǎn)大彎，在原地轉(zhuǎn)小彎時(shí)應(yīng)避免使用高檔行駛.

2 升降擋模糊換擋控制模塊

模塊采用雙輸入單輸出，選取車速和油門開度作為輸入量，換擋位置為輸出量.

考慮到轎車在良好路面上的行駛速度在100 km/h左右，所以，可設(shè)論域Xν[0，100]為速度的變化范圍，對(duì)該論域進(jìn)行量程轉(zhuǎn)化，取Kν=1/10，論域轉(zhuǎn)化為Xν[0，10].由論域的取值范圍，選擇車速ν的詞集為 “VS”、“LS”、“S”、“M”、“B”、“LB”、“VB”7個(gè)詞集.取論域中的各輸入模糊變量的隸屬度函數(shù)為高斯型隸屬函數(shù)，下同.

設(shè)論域Xα[0，100]為油門開度的變化范圍，對(duì)該論域進(jìn)行量程轉(zhuǎn)化，取Kα=1/10，那么論域可以轉(zhuǎn)化為Xα[0，10].選擇油門開度的詞集為“VS”、“LS”、“S”、“M”、“B”、“LB”、“VB”7個(gè)詞集.

隨后根據(jù)熟練駕駛員的操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)與換擋規(guī)律曲線的數(shù)值，參照模糊換擋的主要原則可以歸納出兩個(gè)主控制器的換擋規(guī)則.由于篇幅限制，這里作者省略三維關(guān)系圖.

3 State Flow檔位判決模塊

State flow可以應(yīng)用于復(fù)雜控制和監(jiān)督邏輯等方面的設(shè)計(jì).在模塊中，輸入是加速度a和升、降檔控制器的兩個(gè)輸出檔位gU與gD(gU對(duì)應(yīng)于升檔控制器的輸出檔位;gD對(duì)應(yīng)降檔控控制器的輸出檔位)，輸出是g.圖2是檔位狀態(tài)根據(jù)State flow邏輯規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換的State flow圖，可以清晰看到檔位狀態(tài)在一定條件下的流動(dòng)路徑.

圖2 換擋決斷過程的State flow圖

4 模糊修正模塊

模塊是三輸入單輸出的模糊推理模型，輸入包括坡度大小、制動(dòng)大小、轉(zhuǎn)彎大小，經(jīng)模糊化后轉(zhuǎn)化成語言變量，再根據(jù)模糊規(guī)則判斷，最后通過解模糊器，得到輸出，即比例因子Kμ[4].

由于在道路行駛中坡度大于45°是很少出現(xiàn)的，所以定義模糊輸入變量坡度的論域?yàn)?[0，45]，取Kg=1/9，則論域轉(zhuǎn)化為 [0，10].模糊集為:小坡度 (L);中等坡度 (M);大坡度(B).模糊輸入變量制動(dòng)力的論域?yàn)?[0，200]，這里取Kb=1/20，則論域轉(zhuǎn)化為 [0，10].模糊集為:輕踩油門 (L);中等程度踩油門 (M);重踩油門 (H).模糊輸入變量的轉(zhuǎn)彎角度的論域?yàn)閇0，90]，取Ke=1/10，則論域轉(zhuǎn)化為 [0，10].模糊集為:小角度 (L);中等角度 (M);大角度 (B).

定義模糊輸出變量的論域?yàn)?[0，8]，輸出變量是環(huán)境模糊融合模塊對(duì)環(huán)境的模糊輸入變量判別出來的具有代表路面行駛狀況的參數(shù)，即比例因子Kμ.模糊集為:好行駛路況 (G);較好行駛路況 (LG);較差行駛路況 (LW);壞行駛路況(W).

輸入采用高斯型隸屬函數(shù)，輸出采用三角形隸屬函數(shù)，并根據(jù)熟練駕駛員的操作和模糊換擋的原則可得到如表1所示的模糊規(guī)則庫.

表1 環(huán)境模糊融合模塊規(guī)則表

5 仿真結(jié)果和分析

將上述模糊換擋策略應(yīng)用于仿真模型 (由于篇幅的限制，不再敘述具體的仿真模型).其中變速器5個(gè)檔位的轉(zhuǎn)動(dòng)比為Ⅰ檔3.883，Ⅱ檔2.764，Ⅲ檔1.967，Ⅳ檔1.4，Ⅴ檔1.整車質(zhì)量為1 550 kg，車輪半徑為0.37 m.且設(shè)置地面阻尼系數(shù)為0.21.

圖3中 (a)、(b)、(c)對(duì)應(yīng)于無環(huán)境模糊融合模塊的升檔控制器、降檔控制器和最終輸出的檔位圖.圖4是有環(huán)境模糊融合模塊的對(duì)應(yīng)檔位輸出圖.

圖4 帶有環(huán)境融合控制器的輸出檔位

由圖3的 (a)、(b)和圖4的 (a)、(b)可知升降擋控制器再單獨(dú)作用時(shí)出現(xiàn)了不同程度的換擋循環(huán).所以，可以看出由升、降檔兩個(gè)控制器的共同作為為基本模塊具有很好的優(yōu)越性.由圖3的(c)和圖4的 (c)可以看出，在路況不是很好的情況下，可以使汽車有足夠的動(dòng)力來進(jìn)行有效的行駛.即有效的提高了車輛的效率和防止意外換擋，有利于車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性.

6 結(jié)論

針對(duì)車輛行駛在復(fù)雜道路上時(shí)，所出現(xiàn)的頻繁換擋和在差的行駛路況時(shí)動(dòng)力不足等狀況，提出了以S升降擋控制器為基本模塊，利用包括坡度、制動(dòng)力、轉(zhuǎn)彎大小等3個(gè)因素為輸入的模糊修正模塊的換擋策略.通過仿真分析驗(yàn)證了這種模糊換擋策略的有效性.

[1] 申水文，葛安林.模糊換擋技術(shù)與綜合換擋規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997，13(3):145-149.

[2] 馮能蓮，李克強(qiáng)，連小珉.液力機(jī)械傳動(dòng)車輛模糊換擋車輛研究 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34(5):9-12.

[3] 巫世晶，朱恩涌，李群立，等.汽車模糊控制換擋策略仿真研究 [J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43(6):756-761.

[4] 張?jiān)?模糊數(shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用 [M].北京:清華大學(xué)出版社，1997.