減速制動工況下自動變速器檔位決策

付 堯，雷雨龍，劉洪波，李興忠，李順波

0 引 言

自動變速技術(shù)在減輕駕駛員駕駛操作強度的同時，有效地提高了整車動力性、燃油經(jīng)濟性、乘車舒適性，并降低了排放污染。傳統(tǒng)的自動變速控制系統(tǒng)以車速和油門開度作為換檔控制參數(shù)，很難在復雜多變的工況下適應駕駛員的真實意圖。制動工況是車輛行駛過程中的典型工況，根據(jù)駕駛員制動意圖，可將制動工況分為減速制動和停車制動兩種［1］。減速制動工況下駕駛員一般采取點剎或持續(xù)輕踏制動踏板［2］，使車速維持在駕駛員可接受的安全范圍。減速制動工況下的檔位決策會影響車輛的行駛安全性及舒適性。傳統(tǒng)換檔策略在制動工況下退化為單參數(shù)換檔策略，有兩個主要缺點：①由于剎車引起車速的改變以及駕駛員松油門時的跳變，傳統(tǒng)換檔策略容易出現(xiàn)意外換檔問題［2］；②僅依靠車速作為換檔決策參數(shù)的換檔策略不能依據(jù)駕駛員及環(huán)境需求有效利用發(fā)動機進行輔助制動，在下長坡、雨雪路面及高車速減速制動工況下，有一定的安全隱患。

一些學者對發(fā)動機輔助制動以及制動工況相關(guān)控制策略進行了研究。文獻［3-5］對發(fā)動機輔助制動的機理及其對制動性能的影響進行了研究；文獻［6］提出了基于制動強度和車速的兩參數(shù)主動降檔輔助制動換檔規(guī)律；文獻［7］分析了車輛在下坡時的動力及阻力特性，提出了下坡工況利用發(fā)動機輔助制動力克服車輛加速的主動降檔規(guī)律制定方法。

減速制動工況應在避免意外換檔的前提下，結(jié)合駕駛意圖和行駛環(huán)境，適時利用發(fā)動機進行輔助制動。意外換檔消除策略可參考文獻［8-10］。本文在分析發(fā)動機輔助制動的基礎上，提出了基于模糊推理的、綜合考慮駕駛員意圖和行駛環(huán)境信息、利用發(fā)動機輔助制動的減速制動工況檔位決策方法，并對該方法進行了道路試驗驗證。

1 減速制動時的兩參數(shù)檔位決策

自動變速車輛的換檔策略通常以車速和油門開度作為控制參數(shù)，其在行駛環(huán)境復雜、駕駛員意圖多變的情況下很難有令人滿意的換檔效果。在減速制動工況下，兩參數(shù)換檔策略如圖1所示。

圖1 減速制動工況下的換檔策略示意圖Fig.1 Diagram of the shift strategy in deceleration brake conditions

圖1 中的虛、實線分別代表5檔降4檔、4檔降3檔的換檔策略曲線。假設駕駛員駕車以5檔、40%的油門開度、80 k m／h的速度行駛。在遇到特殊情況后，駕駛員松開油門踏板，然后開始制動。這一過程在圖中由A、B、C、D 四點表示。A點到B點代表駕駛員松開油門踏板的過程，在B點油門開度為0%。伴隨著駕駛員的制動行為，車速開始下降。車速變化曲線分別與5檔降4檔、4檔降3檔曲線相交于C、D兩點，即在C點發(fā)生首次降檔、在D點發(fā)生第二次降檔動作。由圖1可知，在減速制動工況下，兩參數(shù)換檔控制策略退化為基于車速的單參數(shù)換檔控制策略。無論制動強度大小，行駛環(huán)境如何（坡路或平路），駕駛員意圖如何，降檔點固定不變，始終是C點、D點。從乘車舒適性角度來說，減速制動工況下的換檔點應能夠隨著駕駛員意圖、行駛環(huán)境變化而改變；從行駛安全性角度來說，減速制動工況下應適時換檔，以充分利用發(fā)動機輔助制動。

2 發(fā)動機輔助制動作用

對于有經(jīng)驗的駕駛員，在減速制動工況下，遇到下長坡、泥濘、雨雪路面時，一般會掛低檔利用發(fā)動機輔助制動，以提高制動穩(wěn)定性，保證行車安全［11］。

2.1 發(fā)動機輔助制動原理

發(fā)動機輔助制動是靠汽車傳動機構(gòu)，強迫發(fā)動機加速運轉(zhuǎn)來產(chǎn)生阻力而實現(xiàn)牽阻作用的［11］。在發(fā)動機輔助制動情況下，發(fā)動機成為吸收能量的裝置。車輛在正常行駛過程中，駕駛員放松油門踏板，此時若不切斷車輛發(fā)動機與傳動系的聯(lián)系則產(chǎn)生發(fā)動機輔助制動效果。發(fā)動機輔助制動力矩可用如下的經(jīng)驗公式表示［12］：

式中：Tne為發(fā)動機輔助制動力矩；T0為與轉(zhuǎn)速無關(guān)的常量；k為由發(fā)動機特性決定的系數(shù)；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

一般情況下，發(fā)動機輔助制動力矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系可通過平路滑行試驗方式測得［5］。圖2為依據(jù)該試驗方法測得的試驗車輛的發(fā)動機輔助制動力特性曲線。結(jié)合圖2及式（1）可知：發(fā)動機輔助制動力矩隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而增大。因此，為充分利用發(fā)動機輔助制動作用，應使發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于較高的水平。

圖2 發(fā)動機輔助制動力特性曲線Fig.2 Curve of engine assisted braking force

2.2 不同檔位下的發(fā)動機等效制動強度

發(fā)動機輔助制動力的等效制動強度可表示為［4］：

式中：ze為發(fā)動機輔助制動的等效制動強度；F為發(fā)動機作用在車輪上的輔助制動力；m為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；ig為當前檔位傳動比；i0為主減速器傳動比；ηt為傳動效率；R為車輪半徑。

圖3為依據(jù)式（2）計算得到的試驗車輛各檔位發(fā)動機輔助制動力矩的等效制動強度。由圖3可知：在同樣車速情況下，檔位越低，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，則發(fā)動機輔助制動產(chǎn)生的車輪制動力越大，等效制動強度越大；同檔位下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速（車速）越高，等效制動強度越大，制動效果越好。

圖3 等效制動強度與車速關(guān)系圖Fig.3 Equivalent brake strength at different velocity

綜合上述分析可得減速制動工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速對應其發(fā)動機輔助制動力的情況。本文所研究的減速制動工況換檔控制策略是通過降檔來滿足駕駛員在一定行駛環(huán)境下的輔助制動力需求的。

3 基于模糊推理的檔位決策

解決減速制動工況下兩參數(shù)換檔策略所存在的問題的關(guān)鍵是使換檔策略適應駕駛員意圖及行駛環(huán)境的變化。有經(jīng)驗的駕駛員在減速制動工況下會針對當前行駛環(huán)境、車輛狀況，結(jié)合駕駛意圖做出決策，采取相應的換檔動作。駕駛員換檔決策的依據(jù)是其對于發(fā)動機輔助制動力的需求，即當前檔位下發(fā)動機產(chǎn)生的輔助制動力小于駕駛員需求輔助制動力時，進行降檔。由于制動工況的復雜性，普通的決策手段難以達到良好的效果，而模糊推理方法能夠模仿人的控制經(jīng)驗和策略［13］，解決此類問題具有較好的魯棒性，因此本文采用了該方法進行檔位決策?；谀：评淼臏p速制動工況檔位決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于模糊推理的檔位決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Shifting control strategy system based on fuzzy inference

3.1 模糊推理輸入量的選擇

為了反映駕駛員意圖和行駛環(huán)境信息，模糊推理系統(tǒng)的輸入分別為制動時間、制動減速度、車輛負荷度及車速。減速制動工況下，制動減速度為：

式中：d u／d t為制動減速度；Fμ為制動器制動力；m為車輛質(zhì)量。

駕駛員初始制動時，地面制動力FXb等于制動器制動力Fμ，且隨制動踏板力Fp增長成比例地增長。制動減速度的大小與駕駛員施加的制動踏板力有一定的關(guān)聯(lián)。因此制動減速度及制動時間是減速制動工況下反映駕駛員意圖的量。

車輛負荷度定義為［14］：

式中：Fload為車輛負荷度；Ft為零負載工況下的驅(qū)動力；Ff為滾動阻力；Fw為零負載工況下的空氣阻力；Fj為零負載工況下的加速阻力。為便于計算，一般使用其基于轉(zhuǎn)矩的計算式。

車輛負荷度可以綜合反映車輛行駛過程中的坡道、載荷、行駛阻力等信息。當下坡行駛時，負荷度為負值，模糊推理系統(tǒng)可據(jù)此識別下坡工況，保證減速制動工況下，車輛在下坡路段行駛時，更早降檔以增強發(fā)動機輔助制動作用。駕駛員制動時的車速信息反映了制動時刻的車輛狀況。車速高低對制動工況下的換檔決策有不同程度的影響，車速較低時一般不考慮利用發(fā)動機輔助制動。因此模糊推理系統(tǒng)需參考該量。

3.2 減速制動工況檔位決策過程

模糊推理輸出為發(fā)動機輔助制動需求轉(zhuǎn)速。發(fā)動機輔助制動需求轉(zhuǎn)速代表了當前駕駛員的輔助制動力需求程度。減速制動工況下?lián)Q檔動作實質(zhì)是滿足駕駛員對發(fā)動機輔助制動力的需求。檔位決策過程為：

（1）當發(fā)動機當前轉(zhuǎn)速大于此需求轉(zhuǎn)速，則保持檔位行駛。

（2）當發(fā)動機當前轉(zhuǎn)速小于模糊推理輸出需求轉(zhuǎn)速時，則進行降檔，以提供更大的發(fā)動機輔助制動力。

圖5為檔位決策過程示意圖。由圖5可知，隨著制動的持續(xù)進行，車速（也即發(fā)動機轉(zhuǎn)速）在逐漸下降；t時刻當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速（A點）等于發(fā)動機需求轉(zhuǎn)速，而t時刻之后小于需求轉(zhuǎn)速，因此執(zhí)行降檔動作；降檔后在t＋1時刻發(fā)動機轉(zhuǎn)速升至B點，大于需求轉(zhuǎn)速，保持檔位行駛。

3.3 模糊推理系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)設計

圖5 檔位決策示意圖Fig.5 Illustration of gear position decision

模糊推理系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)主要完成精確量的模糊化，即把物理量的精確值轉(zhuǎn)換成語言變量值，以進行模糊推理決策。輸入有制動時間、制動減速度及實時車速。其中制動時間Tmr＿br k用｛短（S），中（M），長（L）｝描述，論域為［0，5］；制動減速度Ac＿br k（單位為150 ms的變速箱輸出軸速差）用｛低（L），中（M），高（H）｝描述，論域范圍為［0，125］；車輛負荷度Load＿dif 用｛負（N），其他（O）｝描述，論域范圍為［－100，100］；車速Sp＿veh 用｛?。⊿），中（M），大（B）｝描述，論域范圍為［0，255］；發(fā)動機需求轉(zhuǎn)速 Ne＿br k 用｛低（L），中（M），高（H）｝描述，論域范圍為［0，6000］。針對上述各語言變量值的隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 隸屬度函數(shù)圖Fig.6 Membership f unction

3.4 模糊規(guī)則制定

模糊推理過程建立在一系列模糊規(guī)則的基礎上。推理規(guī)則是人的推理經(jīng)驗的總結(jié)，推理規(guī)則可用條件語句描述，每條規(guī)則分別對應一種工況，例如：

if（Sp＿veh＝＝S）and（Ac＿br k＝＝L）and

（Load＿dif＝＝N）and（Tmr＿brk＝＝S）then

（Ne＿br k＝L）

該語句的含義為：如果車速小且制動減速度低且車輛負荷度為負且制動時間短，則發(fā)動機需求轉(zhuǎn)速低。對應低速下坡時駕駛員減速制動工況，此時駕駛員需求的輔助制動力低。

3.5 模糊推理算法

模糊推理是應用模糊關(guān)系表示模糊條件句，將推理的判斷過程轉(zhuǎn)化為對隸屬度的合成及演算過程。本文設計的模糊推理系統(tǒng)采用Mamdani算法。該算法的推理過程如下：

假設有模糊推理系統(tǒng)n條推理規(guī)則：

式中：Ai、Bi、Ci、分別是不同論域 X、Y、Z 的模糊集合。當輸入為x、y時，對應每條規(guī)則的推理結(jié)果C′i為：

總的推理結(jié)果為：

模糊判決是將模糊推理的結(jié)果解模糊的過程。針對上述推理結(jié)果，用重心法對其解模糊，采用如下公式：

式中：zdef為模糊判決結(jié)果；zi為論域Z中的相關(guān)元素。

模糊推理系統(tǒng)利用推理算法依據(jù)推理規(guī)則將輸入的制動時間、車輛負荷度、制動減速度及實時車速與輸出的發(fā)動機需求轉(zhuǎn)速建立了映射關(guān)系。通過 MATLAB／Fuzzy Tool Box，可將輸入量與輸出量的關(guān)系用三維圖形表示。

圖7為車輛負荷度為－20 N·m、實時車速為85 k m／h時，制動時間、制動減速度及發(fā)動機需求轉(zhuǎn)速三者間的關(guān)系圖。

圖7 模糊推理輸入輸出關(guān)系映射圖Fig.7 Relationship bet ween the input and output of the f uzzy inference

3.6 模糊推理系統(tǒng)的實現(xiàn)

實時系統(tǒng)運行時，基于模糊推理的減速制動工況換檔控制程序只在特定條件下被激活。這些條件包括：制動信號開啟，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在合理范圍內(nèi)，車速在合理范圍內(nèi)及當前檔位非最低檔位。程序激活運行期間，這些條件被實時檢測。當檢測到的任一條件不滿足，減速制動工況換檔控制程序都會進入凍結(jié)狀態(tài)。當駕駛員結(jié)束制動后，減速制動工況換檔控制程序結(jié)束運行，這一過程如圖8所示。

圖8 減速制動工況換檔控制程序狀態(tài)圖Fig.8 State machine diagram of gearshift control program in deceleration brake conditions

4 道路試驗

針對基于模糊推理的減速制動工況換檔控制算法進行了基本功能試驗及控制策略對比試驗。試驗車輛采用國內(nèi)某A MT轎車硬件平臺，TCU及其控制程序為自行開發(fā)，使用Vector CANape對道路試驗中的實時數(shù)據(jù)進行采集。

4.1 功能試驗

功能試驗是驗證減速制動工況換檔程序是否達到初始設計功能的要求：即達到換檔點隨駕駛員意圖及行駛環(huán)境而變化；充分利用發(fā)動機輔助制動作用。圖9為水平路減速制動工況換檔試驗曲線。由圖9可以看出，駕駛員在檔位為3檔，車速為53 k m／h時制動。系統(tǒng)第1次計算出的發(fā)動機需求轉(zhuǎn)速為2400 r／min，低于同一時刻發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速2595 r／min，可以滿足駕駛員輔助制動力需求。第2次計算出的發(fā)動機需求轉(zhuǎn)速為2880 r／min，高于同一時刻發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速2509 r／min，為了滿足駕駛員對輔助制動力的需求，執(zhí)行降檔。降檔時刻車速為47 k m／h，遠高于換檔規(guī)律3檔降2檔車速17 k m／h。實現(xiàn)了減速制動工況下?lián)Q檔點隨駕駛員意圖而改變的功能，充分利用了發(fā)動機輔助制動。

圖9 減速制動工況換檔試驗曲線Fig.9 Test curves of gearshift in deceleration brake conditions

4.2 對比試驗

本文以同一路段、相同制動條件下，降低同等車速的時間作為對比指標。為了保證試驗結(jié)果的準確及可信性，分別進行了水平路、下坡路狀況下，有、無減速制動工況換檔控制策略的多次試驗。

試驗時，駕駛員將車速保持在75 k m／h一段時間（10 s左右），在此時間段內(nèi)使車輛加速度維持在0左右。然后駕駛員快速松開油門踏板，以一定的制動強度開始持續(xù)制動。每次試驗過程中，要保證駕駛員踩制動踏板產(chǎn)生相同的制動器制動力，需使制動期間駕駛員始終保持相同的制動踏板位置持續(xù)制動。為了避免駕駛員制動過程中的操作誤差，對制動踏板進行了限位處理。當車速低于15 k m／h時，駕駛員停止制動，一次試驗結(jié)束。統(tǒng)計制動狀態(tài)下，車速由70 k m／h降至20 k m／h的時間。由于每次試驗中，駕駛員施加的制動力是恒定的，因此降速時間可以很好地反映出減速制動工況換檔控制策略的效果。表1為對比試驗的結(jié)果統(tǒng)計表。

從表1可以看出，平路試驗及下坡路試驗中，有減速制動工況換檔控制策略的降速時間均小于傳統(tǒng)兩參數(shù)換檔策略的降速時間。其中，有減速制動工況換檔控制策略時，在水平路及下坡路的平均降速時間分別為8.45、12.61 s；傳統(tǒng)兩參數(shù)換檔策略的平均降速時間分別為10.58、17.13 s。由此可見，減速制動工況換檔控制策略較好地利用了發(fā)動機輔助制動。

表1 降速時間對比試驗結(jié)果Table 1 Comparison experi mental results of decelerating duration s

在減速制動工況的換檔策略下，水平路及下坡路均降到了較低檔位，在一定程度上保障了車輛行駛安全性。圖10為水平路及下坡路有、無制動工況換檔控制策略的對比試驗曲線。

圖10 有、無制動工況換檔控制策略的對比試驗曲線Fig.10 Comparison test curves bet ween the gearshift strategy under br aking conditions and the t wo-parameter strategy

分析這幾組曲線可以得出基于模糊推理的減速制動工況換檔控制策略的優(yōu)點：換檔點隨駕駛員意圖及行駛環(huán)境變化而改變，輔助制動時的降檔過程比無輔助制動時明顯加快，相應地，降低到相同車速所用時間也縮短，克服了傳統(tǒng)兩參數(shù)換檔策略在減速制動工況下的不足。

5 結(jié)束語

應用模糊推理理論解決自動變速車輛減速制動工況檔位決策問題，避免了傳統(tǒng)兩參數(shù)換檔策略的固有缺陷。該策略能適應駕駛員意圖及行駛環(huán)境變化，充分利用了發(fā)動機輔助制動。道路試驗結(jié)果表明：該策略具有較好的實用性，在一定程度上提高了自動變速車輛的行駛安全性。

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