基于模糊控制的發動機排氣緩速制動控制方法的研究

范 李 ，賓 軍 ，羅章華

（1.空軍空降兵學院，桂林 541003；2.武漢理工大學，武漢 430070）

隨著汽車技術的迅速發展，現代汽車發動機的功率越來越大，設計的行駛速度越來越高。同時，由于車輛功率的增加汽車載重量相應增加，而車輛內部的摩擦和外部的風阻越來越小，使得其自身的減速能力降低。另一方面由于汽車保有量的快速增長，道路上汽車行駛密度上升，交通安全壓力加大。汽車自身的行車制動（主制動）已經不能滿足車輛高速重載下的制動需求。為了確保車輛的行駛安全性能，增加緩速制動等輔助制動系統成為必然趨勢，我國于2012年9月1日起全面實施的新國標《機動車運行安全技術條件》（GB7258-2012），規定“車長大于9米的客車、總質量大于12噸的貨車和所有危險貨物運輸車應裝備緩速器或其他輔助制動裝置”［1］。

1 緩速制動

為避免長期使用行車制動系統造成制動失效或制動片磨損過快等問題，很多汽車上都裝有輔助制動裝置。目前在汽車上運用比較成熟的輔助制動裝置一般為緩速制動器（簡稱緩速器）。常見的緩速器有電渦流緩速器、永磁緩速器、液力緩速器及發動機緩速器等。從其安裝位置和作用機理來看，大部分都是通過對中間傳動系統施加反向的制動力矩來達到緩速制動的效果，制動功率較大的緩速器（如電渦流緩速器、液力緩速器等）往往體積較大，使傳動系統質量增加。有些緩速器（如電渦流緩速器）工作時間較長時由于溫升較大，制動效果會大幅降低，甚至會降到冷態工作能力的30%左右。發動機緩速制動具有體積小、質量輕、結構緊湊、響應時間短、造價低、制動功率大、性能穩定不受溫升影響等優點。并且可通過改變倒拖時發動機的工作狀態來調節發動機的制動功率。

2 發動機排氣緩速器的工作原理

發動機緩速制動在制動工作過程中由車輛倒拖發動機運轉，利用此時發動機的泵氣損失、摩擦損失以及通過調整發動機工作過程得到壓縮功損失等實現緩速制動的效果。雖然各類型的發動機緩速裝置結構不同，具體的工作過程也有所差異，但其主要的工作原理是相同的。四行程發動機的工作過程如圖1所示，分為進氣-壓縮-作功-排氣四個行程，如果在汽車行駛過程中切斷發動機的供油，而離合器依然結合時，依靠車輪反向帶動發動機運轉，此時發動機被動運轉所產生的功率消耗對車輛所產生的減速效果，即為發動機拖動作用。由于發動機拖動的制動能力非常有限，因此人們不斷的對發動機被拖動時的工作過程進行研究，并采用多種方法來影響或改變這一工作過程，以期提高發動機作為制動裝置的工作效率［2］。其中改進方法之一就是通過開閉排氣管道來增加發動機的排氣背壓，從而增強制動效果，這種類型的發動機緩速制動裝置即為發動機排氣緩速器。基本結構如圖2所示，在汽車制動過程中通過推桿來控制閥門的開閉程度，調節發動機的排氣阻力，從而得到不同的發動機制動功率。排氣緩速制動的制動功率通常可以達到發動機功率的60%以上，約為正常情況下發動機拖動功率的2倍。這種排氣緩速器具有結構簡單、操縱方便、安全可靠等優點，同時作為輔助制動裝置可以提高主制動系統的使用壽命。目前大部分的重型載貨汽車和大型客車上都可以方便地加裝發動機排氣緩速器。而在排氣緩速器的制動力矩控制方面，一般采用兩種形式。一種是排氣緩速器的蝶形閥全開或者全閉，即制動力矩不可調節。另一種是排氣緩速器的蝶形閥由全開到全閉之間各個位置都可以固定，形成不同的開度，從而產生大小不同的制動力矩，這種方式的控制比較復雜。因此目前排氣緩速器的控制一般采用第一種形式，即制動力矩大小不可調節。針對該控制問題，本文提出基于模糊控制的發動機排氣緩速器控制方法，從而使得排氣緩速控制變得較為方便。

3 基于模糊控制的發動機排氣緩速制動控制器設計

3.1 模糊控制技術的特點

模糊控制的概念是由美國著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出來的［3］。模糊控制系統是一種自動控制系統，它以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規則推理為理論基礎；采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環結構的數字控制系統。模糊控制系統的基本組成如圖3所示。

由于模糊控制的理論基礎是模糊數學和模糊邏輯學，因而為模糊控制系統的設計提供了可以根據專家知識和熟練操作人員的經驗來構造語言型規則，并將其轉換為控制策略的一種模糊推理方式。模糊控制語言是一種表示人類思維活動以及復雜事物的有效手段，對于那些復雜而難以建立精確的數學模型的對象或系統，利用傳統控制方法難以實現或奏效的控制問題，采用模糊控制技術往往能迎刃而解。與傳統的控制技術相比較，模糊控制具有如下的特點［3］。

（1）在設計控制系統時無需知道被控對象的數學模型，只需要提供專業知識和熟練操作人員的經驗或現場操作數據。因此，模糊控制器的基本出發點是對現場操作人員或者有關專家的經驗、知識以及操作數據加以總結和歸納，形成一定的模糊規則來對系統進行控制的。

（2）模糊控制是一種反映人類智慧思維的智能控制，容易被人接受。易于處理具有復雜性、模糊性的受控對象或系統。由于控制規則是用人類語言形式表示的，很容易被一般人接受和理解。

（3）適應性強。經研究結果表明，對于確定的過程對象，用模糊控制與用PID控制的效果相當；但是對于非線性和時變等一類不確定系統，模糊控制卻有較好的控制作用，同時對于非線性、噪聲和純滯后有較強的抑制能力，而在這方面傳統控制往往顯得無能為力。

（4）系統的魯棒性好，對參數變化不靈敏。由于模糊控制采用的不是二值邏輯，而是一種連續多值邏輯，所以當系統參數變化時，能比較容易實現穩定的控制，尤其是適合于非線性、時變、滯后系統的控制。

（5）結構簡單。系統的軟硬件實現都比較方便，硬件結構一般無特殊要求，在軟件方面其算法也比較簡潔。容易被現場工程技術人員和操作人員掌握。

3.2 模糊控制器的設計

通過研究表明［5］，汽車在不同的擋位下發動機緩速的制動力矩是不同的，但是如果要使車輛在各種不同的坡度以某一車速穩定行駛，采用常規的控制方法是無法滿足要求的。這是由于制動力在兩個擋位之間是非連續變化的，如果在某一坡度下需要的制動力在兩擋之間時，汽車就無法穩定在希望的車速上。但利用自動控制系統，就可通過對發動機排氣緩速制動器（如蝶形閥）進行不斷調整，使車速穩定在希望的速度附近或者在其上下不斷地調整。從理論上來看，各調節擋位之間的制動力差別越小（即調節擋位劃分得越細），得到的控制精度就會越高。而通過變速器的換擋操作可以使制動力矩的調節進一步細分。但是，由于目前大部分客車和貨車采用的是手動變速器，而自動控制系統對手動變速器的換擋操作控制非常困難，所以本文在此僅考慮變速器擋位不變的條件下的自動控制。將汽車作為一個被控制對象，控制系統由控制器和執行元件組成。系統控制框圖如圖4所示。模糊控制器采用雙輸入單輸出的結構模式，以汽車行駛速度作為被控量，將汽車實際行駛速度與設定值的偏差以及偏差變化率（偏差為設定值與本次采樣值之差，偏差變化率為本次偏差值和上次偏差值之差）作為模糊控制器的輸入。以理想的行駛速度作為設定值，將車速與加速度傳感器組實際測得的汽車行駛速度與加速度與設定值進行比較，得到其偏差以及偏差變化率，經過模糊控制器進行模糊運算來控制發動機排氣緩速器（如蝶形閥片的開度），從而改變發動機排氣背壓，最終達到控制汽車行駛速度的目的，其控制過程如圖4所示。在此需要說明的是，系統在控制過程中是以正常行駛（無緊急制動等意外情況發生）和變速器擋位不發生變化為前提，即變速器處于某一擋位時通過對排氣緩速器進行調節而將汽車控制在某一車速附近。如果車速無法控制在設定車速附近（過高或過低），控制系統將會控制緩速器處于極限位置（全閉或全開），并通過聲光報警方式提醒駕駛員進行人工干預。而此時當駕駛員進行人工干預（即變換變速器擋位或采用其它控制車速的方法）后，控制系統將根據輸入值進行重新運算和控制。

3.3 輸入變量的模糊化

前面已經確定輸入變量為汽車的行駛速度V，即通過車速傳感器組測得的實際車速，與系統設定的理想車速 V0之間的偏差（或稱誤差）e（e=V-V0）及其變化率Δe，輸入語言變量選為偏差E和偏差變化率EC；輸出變量為控制發動機排氣緩速器蝶形閥開度的電信號u，輸出語言變量選為U。

3.3.1 輸入語言變量偏差E

將輸入語言變量偏差E離散為七個點，即論域X={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}， 相應的選取七個語言值：{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（Z0），負小（NS），負中（NM），負大（NB）}。 分別表示當前汽車行駛速度V相對于設定值V0為：“極高”、“很高”、“偏高”、“正好”、 “偏低”、“很低”和“極低”。

3.3.2 輸入語言變量偏差變化率EC

基于偏差e語言變量E的選取原則，同樣將偏差變化率Δe的語言變量EC離散為七個點，論域Y={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}， 相應的選取五個語言值：{正大（PB），正小（PS），零（0），負小（NS），負大（NB）}。分別表示當前汽車行駛速度變化為：“快速下降”、“下降”、“不變”、“上升”和“快速上升”。

3.3.3 輸出語言變量U

將輸出語言變量U離散為七個點，論域Z={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，相應的選取七個語言值：{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（Z0），負小（NS），負中（NM），負大（NB）}。 分別表示：“汽車行駛速度速度極低，并全開排氣緩速器蝶形閥”、“排氣緩速器蝶形閥開度增加量大”、“排氣緩速器蝶形閥開度增加量小”、“排氣緩速器蝶形閥開度增加量不變”、“排氣緩速器蝶形閥開度關閉量小”、“排氣緩速器蝶形閥開度關閉量大”、“汽車行駛速度速度極高，并全閉排氣緩速器蝶形閥”。

3.4 確定語言變量的隸屬度函數

語言變量的隸屬度函數又稱為語言值的語義規則，可以用連續函數的形式表示，也可以用離散的量化等級形式來表示。選擇常用且運算較簡便的三角形函數，這種隸屬度函數的形狀和分布可以由三個參數（如 a、b、c）來描述見式（1）。

對上述各語言值給定的模糊化隸屬度函數見圖5 a）、圖 5 b）、圖 5 c）所示。

3.5 建立模糊控制規則

模糊控制規則以邏輯推理的方式得出，本控制器上2個輸入變量分別用7個和5個語言值來表述，可以給出如下35條控制規則。

經整理后可列成模糊控制規則表，如表1所示。

表1 混合風門模糊控制規則表

4 結束語

汽車在下坡行駛過程中的車速如果全靠駕駛員的手工控制，必然要求駕駛員時刻判斷道路的坡度，再根據當前的車速、坡度及制動方法來不斷調整變速器檔位和制動力的大小對行車速度進行控制。而采用模糊控制理論對發動機排氣緩速器進行自動控制，可以使汽車在下坡過程中較為平緩地穩定在駕駛員所期望的安全車速附近行駛。而駕駛員只須在必要時進行適當干預即可。既提高了汽車下坡時行駛的安全性，又減少了行車制動系統的磨損，同時還能減少駕駛員在下坡過程中對車輛的操作動作和勞動強度，專注于路面情況的觀察與判斷以及轉向盤的操作。因此采用基于模糊控制理論的發動機排氣緩速制動控制方法，是保證汽車在連續長下坡行駛中以穩定車速安全行駛較為理想的控制方案。

［1］GB7258-2012，機動車運行安全技術條件［S］.2012.

［2］魯道夫編著，張蔚林，陳名智譯.汽車制動系統的分析與設計［M］.北京：機械工業出版社，1985.

［3］諸靜.模糊控制理論與系統原理［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［4］范李.汽車車內空氣環境及其控制技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2007.

［5］余強，陳萌三，等.發動機制動、排氣制動與緩行器聯合作用的模糊控制系統研究 ［J］.汽車工程，2004，（4）：476-480.

［6］董穎，何仁.發動機制動技術的研究與展望［J］.車用發動機，2006： 1-5.

［7］范李，周曉榮，等.基于模糊控制的汽車內空氣環境溫度控制［J］.公路與汽運，2010（ 3）：19-22.

［8］蔣顯斌.排氣制動裝置常見故障排除東風載貨汽車［J］.汽車科技，2001.（5）： 41-42.

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