考慮油門(mén)開(kāi)度快速變化的工程車(chē)輛四參數(shù)換擋策略研究

張永明，徐 杰，田晉躍

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

0 引言

工程車(chē)輛以作業(yè)工況為主，且作業(yè)條件惡劣、復(fù)雜多變，為了保證工程車(chē)輛作業(yè)時(shí)具有足夠的動(dòng)力性，其采用最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律。目前，按照控制參數(shù)的個(gè)數(shù)以及應(yīng)用的普遍情況來(lái)看，工程車(chē)輛的換擋規(guī)律主要包括:雙參數(shù)、三參數(shù)的換擋規(guī)律［1-2］。兩參數(shù)控制以車(chē)速和油門(mén)開(kāi)度或以車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為輸入?yún)?shù)，車(chē)輛在正常路面穩(wěn)態(tài)行駛，兩參數(shù)控制準(zhǔn)確，能夠反映駕駛員的駕駛意圖，進(jìn)行正確的換擋操作。以車(chē)速、油門(mén)開(kāi)度和加速度三參數(shù)的控制與兩參數(shù)(車(chē)速和油門(mén)開(kāi)度)控制相比［3］，工程車(chē)輛三參數(shù)最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律具有較小換擋沖擊度，充分反映外界環(huán)境對(duì)車(chē)輛換擋的影響，更加符合工程車(chē)輛的實(shí)際工作狀態(tài)。

然而車(chē)輛在油門(mén)開(kāi)度變化率較大的情況下容易出現(xiàn)頻繁換擋的現(xiàn)象，降低了車(chē)輛的舒適性［4-5］。所以本研究在研究工程車(chē)輛三參數(shù)最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了基于油門(mén)開(kāi)度快速變化的四參數(shù)換擋規(guī)律，達(dá)到消除或者減少由于油門(mén)開(kāi)度變化率較大的情況下引起的頻繁換擋的目的。

1 油門(mén)開(kāi)度快速變化導(dǎo)致頻繁換擋的原因

工程車(chē)輛發(fā)生油門(mén)開(kāi)度快速變化的工況有作業(yè)工況和起步加速工況等。在作業(yè)工況中，由于工程車(chē)輛需要很大的驅(qū)動(dòng)力來(lái)完成作業(yè)，例如挖掘、推土等，需要在短時(shí)間內(nèi)加大油門(mén)以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)較大轉(zhuǎn)矩;在作業(yè)工況完成后需要將工程車(chē)輛快速轉(zhuǎn)移時(shí)或是在起步加速工況時(shí)，需要快速升到高速檔以提高車(chē)速快速行駛，此時(shí)駕駛員會(huì)快速加大油門(mén)開(kāi)度。在油門(mén)開(kāi)度變化較大情況下，工程車(chē)輛慣性很大，所以導(dǎo)致工程車(chē)輛行駛速度很難快速響應(yīng)油門(mén)開(kāi)度的這種突變，即車(chē)輛行駛車(chē)速的改變較油門(mén)開(kāi)度有較大的滯后，這種滯后性在車(chē)輛行駛檔位越高、油門(mén)開(kāi)度變化越快、車(chē)輛慣性越大等情況下越嚴(yán)重。在三參數(shù)最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律下，由于缺少油門(mén)開(kāi)度變化率這一參數(shù)，三參數(shù)換擋規(guī)律不能準(zhǔn)確、全面地反映工程車(chē)輛在此等工況下的信息，導(dǎo)致工程車(chē)輛換擋頻繁，增大了車(chē)輛換擋沖擊度，嚴(yán)重影響工程車(chē)輛平順性與舒適性。

動(dòng)力性分析

從動(dòng)力性的角度看發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)態(tài)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀況、負(fù)荷(油門(mén)開(kāi)度)和角速度一般同時(shí)改變，或者有兩者發(fā)生同時(shí)改變，這種改變都將改變發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)與氣缸內(nèi)混合氣充分，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失變大，這將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定工況下動(dòng)力性指標(biāo)比穩(wěn)態(tài)下低，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)速變化率dωe/dt 與油門(mén)開(kāi)度變化率dα/dt 決定［6］:

從公式(1)可知，dωe/dt 與dα/dt 值越大，則(t)與Te(t)的差值就越大，即發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的差值就越大，所以導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的三參數(shù)換擋規(guī)律與車(chē)輛實(shí)際工況不完全匹配，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度變化率較大時(shí)，車(chē)輛發(fā)生頻繁換擋現(xiàn)象。

2 基于Mamdani 型推理的四參數(shù)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究在三參數(shù)最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了基于油門(mén)開(kāi)度快速變化的四參數(shù)換擋規(guī)律，以模糊控制理論為換擋規(guī)律控制方法，最終達(dá)到消除或減小因?yàn)橛烷T(mén)開(kāi)度變化率較大而導(dǎo)致的工程車(chē)輛的不合理的頻繁換擋操作，使得新?lián)Q擋規(guī)律能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地反映駕駛員意圖。

2.1 模糊控制原理

四參數(shù)模糊控制較三參數(shù)模糊控制，其輸入?yún)?shù)多了一個(gè)，相應(yīng)的所產(chǎn)生的模糊控制規(guī)則就會(huì)增加很多，這會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)計(jì)算量［7-9］。本章研究四參數(shù)換擋規(guī)律的控制方法是將四參數(shù)換擋規(guī)律分為兩個(gè)模糊控制，一個(gè)是三參數(shù)模糊控制，另一個(gè)是兩參數(shù)模糊控制。雙模糊控制原理圖如圖1所示。該雙模糊控制方法不僅減小了輸入數(shù)據(jù)的處理難度，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，而且使得工程車(chē)輛換擋精度得到了提高，更加符合駕駛員的駕駛意圖。

圖1 四參數(shù)模糊控制原理

圖1 中，三參數(shù)模糊控制器的作用是輸出對(duì)應(yīng)的工程車(chē)輛換擋策略，兩參數(shù)模糊控制器輸出油門(mén)開(kāi)度變化率的換擋策略，其是對(duì)三參數(shù)模糊控制器輸出的換擋策略進(jìn)行修正，判斷是否進(jìn)行檔位變換。

2.2 模糊控制系統(tǒng)的輸入量與輸出量

選定車(chē)輛速度v 模糊化值用7 個(gè)模糊狀態(tài)量來(lái)描述:{極小車(chē)速、非常小車(chē)速、小車(chē)速、中車(chē)速、大車(chē)速、非常大車(chē)速、極大車(chē)速};選定發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)開(kāi)度α 模糊化值用7 個(gè)模糊狀態(tài)量來(lái)描述:{極小、非常小、小、中、大、非常大、極大};選定車(chē)輛行駛加速度dv/dt 劃分為4 個(gè)模糊集合，分別為{小、較小、中、大};選定油門(mén)開(kāi)度變化率dα/dt 模糊化值用7 個(gè)模糊化狀態(tài)量來(lái)描述:{極負(fù)大、負(fù)大、負(fù)小、零、小、中、大};三參數(shù)模糊控制器用來(lái)判斷車(chē)輛的升檔、降檔以及保持在原來(lái)檔位，兩參數(shù)模糊控制器輸出狀態(tài)值是{保持當(dāng)前檔位、變換當(dāng)前檔位}。

本研究將兩個(gè)糊控制器的輸出結(jié)果進(jìn)行邏輯與操作，將升檔和降擋統(tǒng)一視為換擋操作并作為邏輯與的控制輸入為1，變速器的保持動(dòng)作控制輸入為0，得到最終的換擋策略，換擋策略如表1所示。

表1 換擋輸出結(jié)果真值表

在發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度變化不大時(shí)，兩參數(shù)模糊控制輸出值為換擋，此時(shí)系統(tǒng)輸出值為正常變換檔位;在油門(mén)開(kāi)度變化率較大時(shí)，兩參數(shù)模糊控制輸出值為保持在當(dāng)前檔位，此時(shí)系統(tǒng)輸出值是保持在原來(lái)的檔位，不進(jìn)行檔位變換。

2.3 兩參數(shù)模糊控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則與推理

兩參數(shù)模糊控制器實(shí)質(zhì)是油門(mén)開(kāi)度快速變化下的模糊控制器，模糊隸屬度函數(shù)均用高斯函數(shù)來(lái)描述，高斯函數(shù)能夠合理的反映輸入?yún)?shù)的變化特性。兩參數(shù)模糊控制規(guī)則是在車(chē)輛系統(tǒng)辨識(shí)以及總結(jié)了優(yōu)秀駕駛員經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，其具體規(guī)則如下所示:

式中:Eup，Edown—當(dāng)油門(mén)開(kāi)度變化率為正/負(fù)時(shí)，油門(mén)開(kāi)度正/負(fù)變化率設(shè)置進(jìn)行換擋的閥值;dα/dt—油門(mén)開(kāi)度變化率;Ac—加速度。

3 基于Matlab/SIMULINK/Stateflow 的仿真

3.1 換擋的Stateflow 模型搭建

筆者對(duì)所研究的工程車(chē)輛建立換擋邏輯判斷模塊，換擋Stateflow 模型［10］如圖2所示。

圖2 換擋Stateflow 模型

在圖2 中還增加了control 事件觸發(fā)器，該觸發(fā)器的作用是;若control = =0，則表示四參數(shù)模糊控制器的輸出符合發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度正常變化，變速器可以正常的進(jìn)行升檔與降檔;若control = =1，則表示四參數(shù)模糊控制器的輸出不符合發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度正常變化，變速器不可以進(jìn)行正常的升檔和降檔。

3.2 四參數(shù)模糊控制仿真模型搭建

本研究分別建立工程車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)各子模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、液力變矩器模型、變速器模型與整車(chē)模型等，將上述模型與雙模糊控制系統(tǒng)與Stateflow 換擋模型組合在一起構(gòu)成四參數(shù)模糊控制仿真模型，四參數(shù)模糊控制仿真模型如圖3所示。

圖3 四參數(shù)模糊控制仿真模型

4 仿真分析

慮油門(mén)開(kāi)度快速變化的四參數(shù)換的規(guī)律仿真僅以工程車(chē)輛轉(zhuǎn)移工況(或起步加速工況)為例進(jìn)行分析。仿真時(shí)間設(shè)置為40 s。

考慮油門(mén)開(kāi)度快速變化的四參數(shù)模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5、圖7 和圖9所示，沒(méi)有考慮油門(mén)開(kāi)度快速變化的三參數(shù)模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4、圖6、圖8所示。

圖5 四參數(shù)仿真檔位

圖6 三參仿真擋車(chē)速

圖7 四參數(shù)仿真車(chē)速

圖8 三參數(shù)仿真沖擊度

圖9 四參數(shù)仿真沖擊度

通過(guò)四參數(shù)仿真與三參數(shù)仿真結(jié)果的對(duì)比可知，沒(méi)有考慮油門(mén)開(kāi)度快速變化的三參數(shù)模糊控制系統(tǒng)在仿真時(shí)間約為26 s 時(shí)發(fā)生5 檔與4 檔之間的頻繁換擋現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)著的工程車(chē)輛行駛車(chē)速在該時(shí)刻下降，沖擊度迅速增大，如圖6、圖8所示。相反，考慮了油門(mén)開(kāi)度快速變化的四參數(shù)模糊控制系統(tǒng)在仿真過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)循環(huán)換擋現(xiàn)象，車(chē)速與沖擊度沒(méi)有什么突變現(xiàn)象，如圖7、圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行動(dòng)力性分析和對(duì)工程車(chē)輛自動(dòng)變速器雙參數(shù)、三參數(shù)的換擋規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論:

(1)通過(guò)仿真曲線的對(duì)比可知，考慮油門(mén)開(kāi)度快速變化的四參數(shù)模糊控制能夠有效的降低車(chē)輛換擋次數(shù)，不僅降低了換擋沖擊度，減少了工程車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件的磨損，提高了車(chē)輛舒適性與平順性，而且四參數(shù)換擋規(guī)律更加符合駕駛員的駕駛意圖。

(2)四參數(shù)模糊控制是較多輸入?yún)?shù)的控制，本研究采取將四參數(shù)分開(kāi)的雙模糊控制的方式，有效的減少了模糊控制規(guī)則的數(shù)量，提高了處理器的運(yùn)行效率。

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