發(fā)動機和AMT協(xié)同自適應(yīng)最佳擋位尋優(yōu)控制方法

楊正 任憲豐 孫曉鵬 于鵬飛 徐靜

（濰柴動力股份有限公司電控研究院 山東省濰坊市 261040）

1 發(fā)動機和AMT控制原理

1.1 發(fā)動機工況特性建立原理

發(fā)動機工況特性是發(fā)動機性能的具象反映。評價發(fā)動機工況特性的指標(biāo)有很多，經(jīng)濟(jì)性油耗率是一個重要方面。發(fā)動機油耗率一般是通過開展標(biāo)定實驗，在發(fā)動機處于某一轉(zhuǎn)速和某一轉(zhuǎn)矩時，計算一定時間內(nèi)的燃油消耗量，從而得到發(fā)動機的實際功率，并進(jìn)一步計算得出的。記錄發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的燃油消耗變化，形成的變化曲線也稱為發(fā)動機萬有特性曲線。為準(zhǔn)確建立發(fā)動機萬有特性模型，需要進(jìn)行大量標(biāo)定試驗，形成數(shù)據(jù)庫，而這些數(shù)據(jù)都將存入發(fā)動機控制單元ECU 中以開展工況控制；另外，用據(jù)此得到的特性軌跡建立發(fā)動機工況模型，并分析比對出發(fā)動機油耗率最低的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間，即為發(fā)動機最佳工作區(qū)域，實際控制時應(yīng)將工況落在最優(yōu)工作區(qū)域作為最高優(yōu)先級。某款發(fā)動機外特性曲線示意圖如圖1 所示。

圖1：某款發(fā)動機外特性曲線示意圖

1.2 AMT最佳擋位決策原理

車輛運行時，通過變速箱控制單元TCU 得出當(dāng)前車速和變速箱輸入軸、輸出軸轉(zhuǎn)速信息，并通過計算不同擋位、不同傳動比下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，公式如下。

公式（1）中，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)矩Tin(N*M)在經(jīng)對應(yīng)檔位速比kx、機械傳遞效率η 轉(zhuǎn)化后得到輸出軸轉(zhuǎn)矩Tout(N*M)，在通常情況下輸入軸轉(zhuǎn)矩Tin即反映了發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩；公式（2）中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速經(jīng)主傳動比k0、擋位對應(yīng)速比kx和機械傳遞系數(shù)轉(zhuǎn)化后得到車速。

TCU 中計算得到的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與數(shù)據(jù)庫中的信息實時比對，得到不同擋位下的燃油消耗率，經(jīng)過比較最優(yōu)確定最佳目標(biāo)擋位。同時，通過TCU 和ECU 的信息交互可以實時地知道發(fā)動機當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，在發(fā)出換擋指令時盡量尋找合理的目標(biāo)擋位，以防止檔位切換導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化過大，從而更加順暢地實現(xiàn)換擋。如圖2 所示。

圖2：ECU 和TCU 信息交互決策最佳擋位原理圖

2 AMT調(diào)節(jié)失準(zhǔn)的產(chǎn)生機理

在車輛運行過程中，隨環(huán)境變化如果遇到一些極端工況，會因為路況、溫度、濕度、氣壓等信息變化過大的原因，造成發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速與油耗率的對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)偏差；發(fā)動機在長期使用過程中的內(nèi)部損耗、性能變化也會導(dǎo)致該問題。另外，變速箱中器件的磨損會影響機械傳遞效率的變化。這就導(dǎo)致了按照出廠時的控制信息決策，在很多情況下會出現(xiàn)當(dāng)前擋位下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速已不再對應(yīng)最佳油耗率的情況；或者按照原機械傳遞效率計算的同擋位下車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速、軸轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化，使得原先信息的決策結(jié)果已不能滿足最佳性能要求，長期以往勢必會使AMT 的換擋經(jīng)濟(jì)性、舒適性優(yōu)勢大打折扣。

3 協(xié)同自適應(yīng)最佳擋位尋優(yōu)控制方法

3.1 協(xié)同自適應(yīng)實時校驗

為解決這一問題，需加強ECU 和TCU 的信息密切交互，如換擋決策部分需要實時收集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息，收集變速箱車速、擋位、軸轉(zhuǎn)速等信息，實時決策目標(biāo)擋位。為滿足這一部分功能引入的ECU-TCU 快速交互可促成“目標(biāo)擋位-油耗率”的直接對應(yīng)，快速得出當(dāng)前擋位對應(yīng)的油耗率實際值。這樣，發(fā)動機和AMT 可以實現(xiàn)信息實時交互，協(xié)同為一個整體互相校對，在工況的變化中進(jìn)行自適應(yīng)控制。

圖3：協(xié)同自適應(yīng)最佳擋位自尋優(yōu)控制原理圖

在出廠前的標(biāo)定試驗中，建立發(fā)動機萬有特性曲線，變速箱當(dāng)前車速不同擋位下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。如果外部環(huán)境和內(nèi)部條件不發(fā)生過大變化，原有的控制參數(shù)理論上可以在當(dāng)前車速下尋找合適擋位，使得對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩滿足發(fā)動機燃油消耗最優(yōu)。而為了應(yīng)對工況變化，在此基礎(chǔ)庫之外，建立一個動態(tài)變化的數(shù)據(jù)庫，實時計算一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速-油耗對應(yīng)關(guān)系，及同一車速在各擋位下對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系等。車輛運行中，按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫計算當(dāng)前車速在實際擋位下的理論燃油消耗值，并使動態(tài)數(shù)據(jù)庫記錄實際的油耗值，如果二者的差值超過一定閾值，則判定原有的控制參數(shù)已不再準(zhǔn)確、即出現(xiàn)了“控制差異”情況，報出此種錯誤狀態(tài)。錯誤狀態(tài)報出后，可選擇進(jìn)行重新學(xué)習(xí)相關(guān)參數(shù)，重新決策最佳擋位，以適應(yīng)新的工況。協(xié)同自適應(yīng)最佳擋位自尋優(yōu)控制原理圖如圖3 所示。

3.2 最佳擋位尋優(yōu)方法

“控制差異”錯誤觸發(fā)后，說明原有的“轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩-油耗率”，或“車速-發(fā)動機轉(zhuǎn)速”、“軸轉(zhuǎn)矩-發(fā)動機轉(zhuǎn)矩”關(guān)系已發(fā)生變化，可使車輛進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，使用最小二乘法采用曲線擬合的方式重新計算實際的發(fā)動機參數(shù)、變速箱參數(shù)，得到實際的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與油耗率的對應(yīng)關(guān)系，以及當(dāng)前車速在不同檔位下對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，從而得到當(dāng)前車速下各擋位實際對應(yīng)的油耗率。

式中，y 為擬合輸出結(jié)果，x 為擬合計算輸入，bi為擬合參數(shù)，n 為擬合階數(shù)

（3）式為最小二乘法曲線擬合的公式，以發(fā)動機特性關(guān)系來講，當(dāng)發(fā)動機油門固定時，外特性曲線可以看作轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率關(guān)于轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)，所以柴油發(fā)動機的外特性曲線可以采用曲線擬合的方法得到,將發(fā)動機轉(zhuǎn)速賦給 x，將擬合結(jié)果y 設(shè)為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩或發(fā)動機油耗，在實車運行中實時收集兩方數(shù)據(jù)，不斷進(jìn)行曲線擬合，動態(tài)調(diào)整發(fā)動機特性曲線，使得發(fā)動機的內(nèi)部控制參數(shù)不斷更新，更加貼近實際工況。為保證擬合效果準(zhǔn)確，需進(jìn)行線性回歸模型評估，盡量提高最小二乘法的R-Square（決定系數(shù)，在0~1 之間）、減小RMSE(擬合標(biāo)準(zhǔn)差)，增強曲線模型的解釋能力，計算公式如下。

式中，ωi為計算系數(shù)， 為預(yù)測數(shù)據(jù)值，為原始數(shù)據(jù)均值。

式中，ωi為計算系數(shù)，yi為原始數(shù)據(jù)值，為原始數(shù)據(jù)均值。

式中，ωi為計算系數(shù)，yi為原始數(shù)據(jù)值，為預(yù)測數(shù)據(jù)值。

式中，R-Square 為決定系數(shù)，RMSE 為擬合標(biāo)準(zhǔn)差。

自適應(yīng)計算完成后，按照新的參數(shù)計算不同擋位的燃油消耗量，判斷當(dāng)前車速下的默認(rèn)決策擋位是否仍然對應(yīng)最佳油耗率，如果已經(jīng)不能滿足，則進(jìn)行目標(biāo)擋位的變更，按照擋位實際油耗率關(guān)系尋找更優(yōu)擋位。這樣，發(fā)動機和變速箱的控制參數(shù)、不同車速下決策的最佳擋位可通過實時計算得出。如果控制參數(shù)可以在規(guī)定的較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，則對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，按照新的控制參數(shù)決策最佳擋位，可以使車輛在內(nèi)部性能變化后也能始終處于最佳工況。

4 結(jié)果驗證

在某款12 擋AMT 重卡實驗中驗證了此種自適應(yīng)控制的調(diào)節(jié)效果。未進(jìn)行重新自學(xué)習(xí)的實車測試油耗率與期望的理論值已有一定差距，因此為改善這種情況，對AMT 和發(fā)動機進(jìn)行了協(xié)同自適應(yīng)控制，在重新標(biāo)定、數(shù)據(jù)庫更新完成后，在同一工作環(huán)境下又開展了新一輪油耗試驗，結(jié)果如圖4 所示，可以看到油耗率有顯著下降。

圖4：燃油經(jīng)濟(jì)性測試結(jié)果對比

5 結(jié)論

本項研究成果可以實現(xiàn)如下目標(biāo)，進(jìn)一步提高了AMT 自動決策最佳性能的準(zhǔn)確性。

（1）實時得到發(fā)動機最優(yōu)工況和對應(yīng)的變速箱最佳擋位，保證最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性能。

（2）對信息交互頻繁的部分開展協(xié)同控制，可以更及時地把握發(fā)動機和變速箱工況信息，提高信息傳遞和計算速度，提升控制性能。

（3）對因外部條件和內(nèi)部條件變化導(dǎo)致的工況變化設(shè)置最佳擋位尋優(yōu)控制，比較靈活的修正調(diào)節(jié)參數(shù)，使性能始終自動調(diào)節(jié)處于最優(yōu)。