神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和Markov鏈預(yù)測(cè)的商用車(chē)APU控制策略

王君琦 李勇滔 鄭偉光 張彥會(huì) 陳子郵 許恩永 李育方 王善超

摘 要： 為改善商用車(chē)空氣處理系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性，提出一種以基于電磁閥控制的電控空氣處理單元（APU）控制策略，進(jìn)行了Simulink 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。該策略具有基礎(chǔ)、低壓和高壓等3 種工作模式；基于發(fā)動(dòng)機(jī)工況識(shí)別和預(yù)測(cè)方法；利用Matlab/Simulink 搭建車(chē)輛模型和空氣處理系統(tǒng)模型；并構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別和Markov 鏈預(yù)測(cè)控制模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)和需求扭矩百分比預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了工況分類(lèi)和電磁閥控制策略的有效性。在中國(guó)重型商用車(chē)瞬態(tài)工況（C-WTVC）下，與相同儲(chǔ)氣筒初始?xì)鈮簵l件的機(jī)械A(chǔ)PU 相比較，應(yīng)用該控制策略的電控APU 的功率消耗下降480 Wh，下降比率34.7%，燃油經(jīng)濟(jì)性顯著改善。

關(guān)鍵詞： 商用車(chē)；燃油經(jīng)濟(jì)性；空氣處理單元（APU）；電磁閥控制；控制策略；模式識(shí)別；Markov 鏈

中圖分類(lèi)號(hào)： U 463.55 ；TP 212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2023.05.009

使用電子控制并優(yōu)化其控制策略從而提升商用車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性和駕駛體驗(yàn)成為了不可阻擋的趨勢(shì)[1-3]。因?yàn)殡娮涌刂频钠?chē)零部件有著更加智能化、精確化和響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)[4]，且合理的車(chē)輛電子電氣架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息共享、滿(mǎn)足功能分配、滿(mǎn)足成本控制等特點(diǎn)[5]，對(duì)機(jī)械零部件實(shí)現(xiàn)電子控制或?qū)F(xiàn)有的機(jī)械零部件更換為電子控制的零部件是滿(mǎn)足提升燃油經(jīng)濟(jì)性的有效方法。

空氣處理單元（air processing unit，APU）是商用車(chē)空氣處理系統(tǒng)中處理干燥壓縮空氣的重要部件，其主要作用是干燥和清潔空氣壓縮機(jī)輸入的壓縮空氣。因空氣處理系統(tǒng)涉及的空氣壓縮機(jī)對(duì)燃油消耗存在一定影響，近年來(lái)該系統(tǒng)的性能優(yōu)化問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

楊長(zhǎng)偉[6-7] 等人明確了空氣壓縮機(jī)的占空比和實(shí)際工作時(shí)間為評(píng)價(jià)APU 性能的重要指標(biāo)，并提出了更改空氣處理系統(tǒng)零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)減少能量消耗的方法。項(xiàng)小雷[8] 等人將鍵合圖理論用于分析空氣處理系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)的響應(yīng)性能。傳統(tǒng)APU 由于采用的是氣壓控制的調(diào)壓閥，固定的氣壓值控制調(diào)壓閥換向只能為APU 提供單一的工作模式，未能滿(mǎn)足日益復(fù)雜的行駛工況和駕駛需求。電子控制的汽車(chē)零部件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的控制精度和更復(fù)雜的控制任務(wù)，不僅可以通過(guò)合適的模式工作閾值和合理的模式切換策略，兼顧不同的駕駛工況，以達(dá)到節(jié)省燃油和提高動(dòng)力性的需求[9]，還可利用先進(jìn)的控制算法對(duì)車(chē)輛或發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行預(yù)判斷，使其工作狀態(tài)更加安全穩(wěn)定[10-12]。電子控制的APU 能夠通過(guò)不同的工作模式匹配對(duì)應(yīng)的工況形式，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式APU，其在燃油經(jīng)濟(jì)性、零部件使用壽命方面具有一定的提升[13-14]。

為此，本文以電控空氣處理單元APU 的占空比和能量消耗為研究對(duì)象，基于發(fā)動(dòng)機(jī)工況識(shí)別和預(yù)測(cè)，提出的一種具有多工作模式的商用車(chē)APU 控制策略。將利用Matlab/Simulink 搭建駕駛員、車(chē)輛和APU 的仿真模型。通過(guò)對(duì)實(shí)車(chē)行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成發(fā)動(dòng)機(jī)工況的分類(lèi)識(shí)別，并使用Markov 鏈預(yù)測(cè)未來(lái)短時(shí)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩輔助工況識(shí)別，根據(jù)識(shí)別分類(lèi)和預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)APU 的模式進(jìn)行控制?？赏M(jìn)一步優(yōu)化模式識(shí)別和預(yù)測(cè)算法，提升商用車(chē)空氣處理系統(tǒng)的能耗表現(xiàn)。

1 商用車(chē)電控APU 模式

1.1 電控APU 工作模式

空氣處理單元APU. 包含空氣壓縮機(jī)、干燥罐和儲(chǔ)氣筒等主要零部件。電控APU 可以控制入口壓力，從而控制空氣壓縮機(jī)的功率消耗。在對(duì)電控APU 工作模式設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，并將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和APU 工作模式進(jìn)行匹配。在應(yīng)對(duì)加速或爬坡等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求較大的工況時(shí)，空氣壓縮機(jī)應(yīng)減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩消耗；而應(yīng)對(duì)減速或下坡等工況時(shí)，車(chē)輪可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行反拖，空氣壓縮機(jī)應(yīng)充分利用反拖能量進(jìn)行泵氣。通過(guò)分析上述發(fā)動(dòng)機(jī)工況并對(duì)各運(yùn)行工況進(jìn)行匹配，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模式、低壓模式和高壓模式3 種APU 工作模式。

商用車(chē)電控APU 的3 種工作模式主要特點(diǎn)如下：基礎(chǔ)模式，儲(chǔ)氣筒的氣壓適中，空氣壓縮機(jī)負(fù)荷適中，發(fā)動(dòng)機(jī)做功直接帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，有一定的燃油消耗；低壓模式，儲(chǔ)氣筒的氣壓較低，空氣壓縮機(jī)負(fù)荷低，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)入該模式一段時(shí)間內(nèi)不帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率；高壓模式，儲(chǔ)氣筒的氣壓較高，空氣壓縮機(jī)負(fù)荷較高，燃油消耗大，若發(fā)動(dòng)機(jī)靠車(chē)輛滑行或下坡反拖的能量對(duì)空氣壓縮機(jī)做功，可以減少燃油消耗。

在基礎(chǔ)模式、低壓模式和高壓模式下，轉(zhuǎn)入泵氣狀態(tài)的切進(jìn)壓力分別為pnci、plci、phci ；轉(zhuǎn)入卸荷模式的切斷壓力分別為pnco、plco、phco。其中，最低壓plci 應(yīng)滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)[15] 最低額定工作氣壓1.0 MPa ；最大壓力phco應(yīng)不超過(guò)儲(chǔ)氣筒允許的最大壓力和空氣壓縮機(jī)的最大排壓限制，最大壓力限制為1.3 MPa。為滿(mǎn)足降低功率消耗和燃油消耗的要求，各壓力值區(qū)間還應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

電控空氣處理單元APU 各模式壓力區(qū)間示意圖如圖1 所示。

1.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況模式識(shí)別

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況識(shí)別分類(lèi)中應(yīng)用廣泛[16-17]。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況分類(lèi)時(shí)，通常以車(chē)輛的車(chē)速信息或加速度信息描述車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法判斷發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前或未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的功率或扭矩需求。為描述車(chē)輛行駛過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩需求，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)將車(chē)輛運(yùn)行工況分為怠速工況、勻速工況、加速工況和減速工況，其中，空擋滑行狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)仍需做功維持運(yùn)轉(zhuǎn)和附件正常運(yùn)行，同樣定義為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況。從轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)中采集的商用車(chē)行駛狀態(tài)信息中，抽取各運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的典型車(chē)輛加速度a 和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求Treq 的百分比γ（Treq），如圖2 所示。

綜合考量工況分類(lèi)所需的車(chē)輛傳感器信號(hào)[18-19] 和電控空氣處理單元APU 控制要求，在采集并分類(lèi)的車(chē)輛運(yùn)行工況中選取平均車(chē)速vave、最大車(chē)速vmax、平均加速度aave、最大加速度amax、平均扭矩百分比γ（Treq ave）和最大扭矩百分比γ（Treq max）作為APU 控制系統(tǒng)的車(chē)輛工況識(shí)別特征參數(shù)，各典型工況的特征參數(shù)如表1所示。

根據(jù)已采集的行車(chē)數(shù)據(jù)信息，使用統(tǒng)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算方法，得到的商用牽引車(chē)帶掛行駛功率轉(zhuǎn)移概率如圖3 所示。

當(dāng)需求扭矩百分比狀態(tài)處于γi （Treq） 時(shí)，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P，選擇P （ i ， ： ） 中需求扭矩概率最大的扭矩值作為下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)值。通過(guò)這一方法，可以根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率Pij 的k 階概率確定未來(lái)k 步的加速度狀態(tài)。若車(chē)輛在同一工況下，車(chē)輛需求扭矩百分比狀態(tài)分布概率穩(wěn)定，可按照上述Markov 預(yù)測(cè)方法獲得理想的預(yù)測(cè)結(jié)果，為防止概率矩陣隨車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)更新或駕駛員駕駛風(fēng)格不同而發(fā)生變化，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，還應(yīng)對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，其更新過(guò)程如圖4 所示。

2 車(chē)輛關(guān)鍵部件參數(shù)及其建模

2.1 車(chē)輛關(guān)鍵參數(shù)

某商用車(chē)整車(chē)參數(shù)如表3 所示，其余參數(shù)將根據(jù)GB/T 27840-2021 設(shè)定。

2.2 車(chē)輛及其APU 數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)時(shí)，考慮使用工況車(chē)速作為輸入，空氣處理單元APU 電磁閥狀態(tài)量作為輸出。因此，需要建立的數(shù)學(xué)模型包含模擬油門(mén)和剎車(chē)踏板開(kāi)度的駕駛員模型、車(chē)輛傳動(dòng)模型、空氣處理系統(tǒng)氣壓模型、電磁閥控制模型。

駕駛員模型使用比例—積分（proportional integral，PI）控制，較比例—積分— 微分（proportional integralderivative，PID）控制方便簡(jiǎn)潔，控制效果穩(wěn)定可靠。駕駛員模型以目標(biāo)車(chē)速和實(shí)際車(chē)速之差為輸入信號(hào)，輸出表示油門(mén)踏板開(kāi)度和剎車(chē)踏板開(kāi)度的比例信號(hào)。油門(mén)踏板開(kāi)度可以聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)模型中的車(chē)速和擋位信息進(jìn)一步獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的需求扭矩輸出。良好的車(chē)速跟隨可以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

設(shè)某時(shí)刻目標(biāo)車(chē)速為vref，同一時(shí)刻實(shí)際車(chē)速為vact，則該時(shí)刻目標(biāo)車(chē)速和實(shí)際車(chē)速之差為Δv = vref - vact。

根據(jù)PI 控制，踏板開(kāi)度信號(hào)為

2.3 控制系統(tǒng)Simulink 模型建立空氣處理單元APU 系統(tǒng)仿真模型主要由整車(chē)模型、控制器模型和儲(chǔ)氣筒氣壓模型組成。為快速構(gòu)建APU 系統(tǒng)仿真模型，降低模型搭建難度和模型階次，本文建立的系統(tǒng)模型將基于以下假設(shè)：

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩計(jì)算忽略加速阻力和坡道阻力；儲(chǔ)氣筒內(nèi)壓縮空氣視為理想氣體，其壓縮因子Z = 1；儲(chǔ)氣筒內(nèi)壓縮空氣消耗視為勻速消耗，其總消耗量由同等質(zhì)量條件的轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)得出。

根據(jù)式（8）—式（16）， 建立某商用牽引車(chē)輛及其空氣處理系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)仿真模型如圖5 所示。

在APU 模型中，電磁閥決策模塊使用并行狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，APU 的狀態(tài)切換和APU 的模式切換2 個(gè)子模塊都處于活動(dòng)狀態(tài)。其中，APU 狀態(tài)子模塊中的氣壓工作區(qū)間由APU 模式子模塊決定并發(fā)送至APU 狀態(tài)子模塊。該模型以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為輸入，以電磁閥狀態(tài)xv1和xv2、空氣壓縮機(jī)負(fù)載時(shí)間tdur、儲(chǔ)氣筒氣壓值p 為輸出。

3 結(jié)果及分析

3.1 模式識(shí)別和預(yù)測(cè)分類(lèi)結(jié)果

為驗(yàn)證模式識(shí)別和預(yù)測(cè)分類(lèi)方法的有效性，在中國(guó)重型商用車(chē)瞬態(tài)工況（China World Transient VehicleCycle，C-WTVC）的車(chē)速輸入下，分別對(duì)加速度分類(lèi)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別分類(lèi)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和Markov 鏈預(yù)測(cè)分類(lèi)的工況分類(lèi)方法進(jìn)行仿真，輸出電控空氣處理單元APU 的工作模式，仿真輸出C-WTVC 工況車(chē)速下的電控APU 工作模式分類(lèi)結(jié)果如圖6 所示，其中，“模式1”表示低壓模式，“模式2”表示基礎(chǔ)模式，“模式3”表示高壓模式。

通過(guò)與加速度分類(lèi)和模式識(shí)別分類(lèi)方法進(jìn)行對(duì)比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和Markov 鏈預(yù)測(cè)的電控APU 控制方法模式切換頻次較其他方法明顯降；另外，通過(guò)觀察分類(lèi)結(jié)果和車(chē)速可以發(fā)現(xiàn)，該方法對(duì)細(xì)微的車(chē)輛狀態(tài)變化判斷更加準(zhǔn)確、避免了APU 工作模式頻繁切換。相比于加速度分類(lèi)方法，該方法使得APU 工作模式可以穩(wěn)定應(yīng)對(duì)突然變化的速度需求和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求，具有較好的魯棒性。

3.2 電控APU 仿真結(jié)果及分析

采用C-WTVC 車(chē)速作為輸入，在儲(chǔ)氣筒初始?xì)鈮褐翟O(shè)定為1.0 MPa、車(chē)輛牽引質(zhì)量30 t 條件下，對(duì)單一工作模式的機(jī)械式空氣處理單元APU 和加速度分類(lèi)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別分類(lèi)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和Markov 鏈預(yù)測(cè)分類(lèi)的工況分類(lèi)方法分別進(jìn)行仿真。APU 各模式仿真切斷閥狀態(tài)結(jié)果如圖7 所示，其中“狀態(tài)1”表示切斷電磁閥xv1 通電，此時(shí)空氣壓縮機(jī)不工作；“狀態(tài)0”表示切斷電磁閥xv1 不通電，空氣壓縮機(jī)工作?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和Markov 鏈預(yù)測(cè)控制以及基于調(diào)壓閥控制的APU，空氣壓縮機(jī)的瞬時(shí)功率Pins 曲線(xiàn)如圖8 所示。

記錄機(jī)械式APU 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和多模式電控APU 各工作模式仿真數(shù)值結(jié)果，以機(jī)械式APU 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)值結(jié)果作為對(duì)照，APU 各工作模式實(shí)驗(yàn)數(shù)值結(jié)果如表5 所示。其中： tdur 為空氣壓縮機(jī)工作時(shí)間，γ（tdur）為空氣壓縮機(jī)占空比，Pcom 為空氣壓縮機(jī)功耗，nv1 為切斷（電磁）閥換向次數(shù)。表5 中，機(jī)械式APU 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果為機(jī)械式APU 在3 輪C-WTVC 工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值。仿真實(shí)驗(yàn)與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的空氣壓縮機(jī)占空比絕對(duì)誤差約為3%。考慮到臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速值獲取過(guò)程包含車(chē)輛換檔時(shí)的動(dòng)力銜接和行駛阻力等因素，認(rèn)為該仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有參考意義。

由表5 可知：在C-WTVC 工況下，通過(guò)對(duì)駕駛工況識(shí)別和分類(lèi)的APU 控制策略相較于機(jī)械式APU 的氣壓控制方法可以顯著降低空氣壓縮機(jī)的工作時(shí)間，占空比下降約12%；在空氣壓縮機(jī)功耗方面，電控APU 控制策略使空氣壓縮機(jī)功耗下降約480 kWh，功率消耗下降約34.7% ；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和Markov 鏈預(yù)測(cè)分類(lèi)的APU 控制策略較其他2 種控制策略在能耗方面優(yōu)勢(shì)不明顯，但較其他2 種控制方法降低了電磁閥的換向次數(shù)，減少了電磁閥的工作強(qiáng)度，起到了節(jié)能和增加電磁閥使用壽命的效果。

4 結(jié) 論

本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)工況識(shí)別和預(yù)測(cè)，提出的一種具有3 種工作模式的商用車(chē)空氣處理單元APU 控制策略，建立了該車(chē)輛和空氣處理系統(tǒng)的Matlab/Simulink 系統(tǒng)仿真模型。

在中國(guó)重型商用車(chē)瞬態(tài)工況（C-WTVC） 工況下，該電控APU 相較單一模式的APU 減少了12% 的空氣壓縮機(jī)工作時(shí)間，降低了空氣壓縮機(jī)的能量消耗約34.7%。

該電控APU 能夠?qū)Σ煌ぞ匦枨蟀俜直人幍墓r進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)，使控制單元準(zhǔn)確控制APU 工作模式。在車(chē)輛應(yīng)對(duì)爬坡和超車(chē)等復(fù)雜工況時(shí)，該控制策略的應(yīng)用降低了發(fā)動(dòng)機(jī)附件的功率消耗，燃油經(jīng)濟(jì)性得到了顯著改善。

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