基于全局尋優(yōu)函數(shù)的AMT預(yù)測(cè)性爬坡檔位決策方法

孫曉鵬 郝功凱 任憲豐 胡永慧 劉中秀

（濰柴動(dòng)力股份有限公司電控研究院 山東省濰坊市 261040）

1 研究背景

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）是在傳統(tǒng)機(jī)械齒輪式變速器的基礎(chǔ)上，加裝一套選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)換擋，使車輛獲得良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少駕駛員疲勞，提高乘坐舒適性，因此在商用車上得到了廣泛應(yīng)用[2]。坡道行駛是車輛行駛中的常見工況，對(duì)于搭載AMT的汽車合理決策爬坡?lián)跷唬瑢?duì)車輛的性能有著至關(guān)重要的影響[3]。

2 爬坡檔位決策研究

2.1 傳統(tǒng)控制策略

傳統(tǒng)控制策略無法對(duì)道路進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，更多的依靠駕駛員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提前換擋，以此來保證動(dòng)力性的同時(shí)，也能夠有效降低燃油消耗[4]。在實(shí)際工況下，整車負(fù)載變化和坡度的變化都會(huì)影響駕駛員的判斷，無法保證整車處于最優(yōu)檔位，常常會(huì)導(dǎo)致燃油消耗過高[5]。

2.2 爬坡檔位決策基本原則

結(jié)合傳統(tǒng)控制策略與實(shí)際工況，對(duì)AMT爬坡檔位決策制定以下原則[6-7]：

（1）保證爬坡動(dòng)力性能，保證坡道上正常行駛；

（2）保證動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，盡可能減小燃油消耗；

（3）坡前換擋，盡量避免坡道行駛過程中換擋。

2.3 爬坡檔位決策邏輯設(shè)計(jì)

針對(duì)以上原則，設(shè)計(jì)爬坡?lián)跷粵Q策邏輯。為了節(jié)省TCU算力，檢測(cè)到坡道后，當(dāng)車輛行駛到坡前一定距離即決策距離時(shí)開始進(jìn)行擋位決策，在爬坡前完成擋位切換并恢復(fù)扭矩。擋位決策控制流程圖如圖1所示。

圖1：擋位決策控制流程圖

其總體思路為：車輛實(shí)時(shí)檢測(cè)前方坡道，并根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際車速，計(jì)算決策距離，當(dāng)車輛與坡底的實(shí)際距離小于決策距離時(shí)，使能爬坡?lián)跷粵Q策模塊；使能決策功能后，計(jì)算最低允許擋位g；同時(shí)根據(jù)當(dāng)前實(shí)際車速、當(dāng)前擋位以及加速踏板開度，以當(dāng)前擋位作為最高允許擋位，進(jìn)行該擋位下的爬坡車速計(jì)算；使用最高允許擋位計(jì)算的爬坡過程中最小車速小于最低允許車速時(shí)，減小最高允許擋位，再次進(jìn)行計(jì)算，直至滿足條件，獲取到最高允許擋位k；最低可行擋位和最高檔位之間的擋位定義為可行擋位[g,k]，并構(gòu)建全局尋優(yōu)函數(shù)，計(jì)算可行擋位范圍內(nèi)各擋位的爬坡代價(jià)，其中代價(jià)最小的擋位為最優(yōu)擋位，作為最終決策擋位輸出；根據(jù)輸出的最終決策擋位，進(jìn)行換擋執(zhí)行操作。

具體計(jì)算過程和分析闡述：

（1）坡前決策距離：通過分析現(xiàn)有實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，外掛式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的16檔AMT變速箱完成換擋并恢復(fù)扭矩的時(shí)間一般為2s左右，所以進(jìn)行坡前擋位決策的距離可定義為2.5s車速距離（可后期標(biāo)定td），即以當(dāng)前車速在2.5s內(nèi)的行駛距離

L1=v0td

式中，v0為當(dāng)前車速。

（2）最低允許擋位：同樣發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下，擋位越低輸出至驅(qū)動(dòng)輪的扭矩越大，車輛的動(dòng)力性越好；但維持同樣車速時(shí)，擋位越低，需求的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，所以最低允許擋位的選擇考慮的是保證發(fā)動(dòng)機(jī)不超速：

式中，ig為最低擋位g擋傳動(dòng)比，i0為主減速器傳動(dòng)比，r為車輪滾動(dòng)半徑，nmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。

（3）k檔坡道行駛車速計(jì)算。由于本文是在爬坡前進(jìn)行了預(yù)判并做出決策，所以以爬坡前駕駛員操縱的加速踏板開度并假設(shè)爬坡過程駕駛員加速踏板開度不變?yōu)轭A(yù)測(cè)依據(jù)。一定加速踏板開度下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試數(shù)，可以擬合出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性曲線T(ne)，某一檔位k檔下，車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：

式中，ik為k檔傳動(dòng)比。該擋位下，車輛的驅(qū)動(dòng)力為：

式中，nt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。所以，加速踏板開度不變時(shí)，k檔下車輛的驅(qū)動(dòng)力與車速之間關(guān)系函數(shù)可以精確求取，即Ftq(v)。車輛行駛時(shí)縱向動(dòng)力學(xué)關(guān)系為：

式中，δ為旋轉(zhuǎn)慣量轉(zhuǎn)換系數(shù)，F(xiàn)∑(v,θ)為行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力、坡度阻力和空氣阻力?？紤]到坡道信息已知，可將時(shí)間域上的動(dòng)力學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換成距離域上的關(guān)系，即 ，

通過轉(zhuǎn)換，可得到：

由于道路坡度已知，即θ(s)為已知量，擋位一定時(shí)，車速v和s的關(guān)系是固定的，所以爬坡過程中車速關(guān)系為：

通過上式可求得爬坡過程中任意位置1處車速。

（4）全局尋優(yōu)函數(shù)。設(shè)計(jì)全局尋優(yōu)函數(shù)求可行范圍內(nèi)各擋位的代價(jià)，選擇代價(jià)最小的擋位作為輸出，可以獲得設(shè)定目標(biāo)下的最優(yōu)擋位。為更好的節(jié)省燃油，同時(shí)盡可能減小爬坡過程中的降速，本文設(shè)計(jì)的全局尋優(yōu)函數(shù)為：

式中，β為權(quán)重系數(shù)，mgf(v(s))為燃油消耗量在距離域上的導(dǎo)數(shù)。前一項(xiàng)為整個(gè)坡道行駛過程中的燃油消耗量。發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性即燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩有固定關(guān)系，而之前的分析可知某一擋位下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速、扭矩與車速關(guān)系也是固定的，所以上式燃油消耗量與車速關(guān)系是固定的，所以上式積分可以求出具體值。后一項(xiàng)為爬到坡頂后車速與爬坡前車速的差值代價(jià)。建立該全局尋優(yōu)函數(shù)的目的是選擇合適擋位使整個(gè)爬坡過程燃油消耗小，且兼顧車速，使車速盡量較少的偏離駕駛員預(yù)期。

3 爬坡檔位決策結(jié)果驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)檢測(cè)到坡度后，能夠基于當(dāng)前車速以及坡度，決策出最優(yōu)檔位，且此過程中油門開度保持不變。爬坡結(jié)束后，能夠重新?lián)Q回原檔位，在兼顧駕駛員對(duì)車速的需求，最大程度的保證燃油經(jīng)濟(jì)性。爬坡檔位決策試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。

圖2：爬坡檔位決策試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4 爬坡檔位決策研究結(jié)果

對(duì)比傳統(tǒng)控制策略，本文提供的爬坡?lián)Q擋決策可提前決策并切換至合適擋位，避免了爬坡過程中動(dòng)力中斷換擋；在爬坡過程中，根據(jù)全局尋優(yōu)函數(shù)，選擇最小代價(jià)的擋位，減小爬坡過程中的燃油消耗，又兼顧駕駛員對(duì)車速的需求。此外，在實(shí)現(xiàn)時(shí)還需要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）坡前決策距離影響預(yù)測(cè)精度，決策距離越短，預(yù)測(cè)精度越高，需要對(duì)換擋時(shí)間進(jìn)行大量測(cè)試；

（2）需建立較為精確的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型以及精確擬合發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)荷特性曲線，才可以更精確地預(yù)測(cè)爬坡過程中車速；

（3）獲得準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線并建立燃油消耗模型，并建立合適的全局尋優(yōu)函數(shù)，取得相應(yīng)的控制目標(biāo)。