考慮油門開度快速變化的工程車輛四參數換擋策略研究

張永明，徐 杰，田晉躍

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江212013)

0 引言

工程車輛以作業工況為主，且作業條件惡劣、復雜多變，為了保證工程車輛作業時具有足夠的動力性，其采用最佳動力性換擋規律。目前，按照控制參數的個數以及應用的普遍情況來看，工程車輛的換擋規律主要包括:雙參數、三參數的換擋規律［1-2］。兩參數控制以車速和油門開度或以車速和發動機轉速為輸入參數，車輛在正常路面穩態行駛，兩參數控制準確，能夠反映駕駛員的駕駛意圖，進行正確的換擋操作。以車速、油門開度和加速度三參數的控制與兩參數(車速和油門開度)控制相比［3］，工程車輛三參數最佳動力性換擋規律具有較小換擋沖擊度，充分反映外界環境對車輛換擋的影響，更加符合工程車輛的實際工作狀態。

然而車輛在油門開度變化率較大的情況下容易出現頻繁換擋的現象，降低了車輛的舒適性［4-5］。所以本研究在研究工程車輛三參數最佳動力性換擋規律的基礎上，提出了基于油門開度快速變化的四參數換擋規律，達到消除或者減少由于油門開度變化率較大的情況下引起的頻繁換擋的目的。

1 油門開度快速變化導致頻繁換擋的原因

工程車輛發生油門開度快速變化的工況有作業工況和起步加速工況等。在作業工況中，由于工程車輛需要很大的驅動力來完成作業，例如挖掘、推土等，需要在短時間內加大油門以獲得發動機較大轉矩;在作業工況完成后需要將工程車輛快速轉移時或是在起步加速工況時，需要快速升到高速檔以提高車速快速行駛，此時駕駛員會快速加大油門開度。在油門開度變化較大情況下，工程車輛慣性很大，所以導致工程車輛行駛速度很難快速響應油門開度的這種突變，即車輛行駛車速的改變較油門開度有較大的滯后，這種滯后性在車輛行駛檔位越高、油門開度變化越快、車輛慣性越大等情況下越嚴重。在三參數最佳動力性換擋規律下，由于缺少油門開度變化率這一參數，三參數換擋規律不能準確、全面地反映工程車輛在此等工況下的信息，導致工程車輛換擋頻繁，增大了車輛換擋沖擊度，嚴重影響工程車輛平順性與舒適性。

動力性分析

從動力性的角度看發動機非穩態工況，發動機的熱狀況、負荷(油門開度)和角速度一般同時改變，或者有兩者發生同時改變，這種改變都將改變發動機充量系數與氣缸內混合氣充分，而且發動機的機械損失變大，這將導致發動機非穩定工況下動力性指標比穩態下低，這時發動機動態轉矩由轉速變化率dωe/dt 與油門開度變化率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，即發動機動態轉矩與發動機穩態轉矩的差值就越大，所以導致所設計的三參數換擋規律與車輛實際工況不完全匹配，所以在發動機油門開度變化率較大時，車輛發生頻繁換擋現象。

2 基于Mamdani 型推理的四參數模糊控制系統設計

本研究在三參數最佳動力性換擋規律的基礎上提出了基于油門開度快速變化的四參數換擋規律，以模糊控制理論為換擋規律控制方法，最終達到消除或減小因為油門開度變化率較大而導致的工程車輛的不合理的頻繁換擋操作，使得新換擋規律能夠準確、及時地反映駕駛員意圖。

2.1 模糊控制原理

四參數模糊控制較三參數模糊控制，其輸入參數多了一個，相應的所產生的模糊控制規則就會增加很多，這會大大增加計算機計算量［7-9］。本章研究四參數換擋規律的控制方法是將四參數換擋規律分為兩個模糊控制，一個是三參數模糊控制，另一個是兩參數模糊控制。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據的處理難度，提高了系統響應速度，而且使得工程車輛換擋精度得到了提高，更加符合駕駛員的駕駛意圖。

圖1 四參數模糊控制原理

圖1 中，三參數模糊控制器的作用是輸出對應的工程車輛換擋策略，兩參數模糊控制器輸出油門開度變化率的換擋策略，其是對三參數模糊控制器輸出的換擋策略進行修正，判斷是否進行檔位變換。

2.2 模糊控制系統的輸入量與輸出量

選定車輛速度v 模糊化值用7 個模糊狀態量來描述:{極小車速、非常小車速、小車速、中車速、大車速、非常大車速、極大車速};選定發動機的油門開度α 模糊化值用7 個模糊狀態量來描述:{極小、非常小、小、中、大、非常大、極大};選定車輛行駛加速度dv/dt 劃分為4 個模糊集合，分別為{小、較小、中、大};選定油門開度變化率dα/dt 模糊化值用7 個模糊化狀態量來描述:{極負大、負大、負小、零、小、中、大};三參數模糊控制器用來判斷車輛的升檔、降檔以及保持在原來檔位，兩參數模糊控制器輸出狀態值是{保持當前檔位、變換當前檔位}。

本研究將兩個糊控制器的輸出結果進行邏輯與操作，將升檔和降擋統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 換擋輸出結果真值表

在發動機油門開度變化不大時，兩參數模糊控制輸出值為換擋，此時系統輸出值為正常變換檔位;在油門開度變化率較大時，兩參數模糊控制輸出值為保持在當前檔位，此時系統輸出值是保持在原來的檔位，不進行檔位變換。

2.3 兩參數模糊控制系統的模糊規則與推理

兩參數模糊控制器實質是油門開度快速變化下的模糊控制器，模糊隸屬度函數均用高斯函數來描述，高斯函數能夠合理的反映輸入參數的變化特性。兩參數模糊控制規則是在車輛系統辨識以及總結了優秀駕駛員經驗的基礎上建立的，其具體規則如下所示:

式中:Eup，Edown—當油門開度變化率為正/負時，油門開度正/負變化率設置進行換擋的閥值;dα/dt—油門開度變化率;Ac—加速度。

3 基于Matlab/SIMULINK/Stateflow 的仿真

3.1 換擋的Stateflow 模型搭建

筆者對所研究的工程車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 事件觸發器，該觸發器的作用是;若control = =0，則表示四參數模糊控制器的輸出符合發動機油門開度正常變化，變速器可以正常的進行升檔與降檔;若control = =1，則表示四參數模糊控制器的輸出不符合發動機油門開度正常變化，變速器不可以進行正常的升檔和降檔。

3.2 四參數模糊控制仿真模型搭建

本研究分別建立工程車輛傳動系統各子模型，包括發動機模型、液力變矩器模型、變速器模型與整車模型等，將上述模型與雙模糊控制系統與Stateflow 換擋模型組合在一起構成四參數模糊控制仿真模型，四參數模糊控制仿真模型如圖3所示。

圖3 四參數模糊控制仿真模型

4 仿真分析

慮油門開度快速變化的四參數換的規律仿真僅以工程車輛轉移工況(或起步加速工況)為例進行分析。仿真時間設置為40 s。

考慮油門開度快速變化的四參數模糊控制系統仿真結果如圖5、圖7 和圖9所示，沒有考慮油門開度快速變化的三參數模糊控制系統仿真結果如圖4、圖6、圖8所示。

圖5 四參數仿真檔位

圖6 三參仿真擋車速

圖7 四參數仿真車速

圖8 三參數仿真沖擊度

圖9 四參數仿真沖擊度

通過四參數仿真與三參數仿真結果的對比可知，沒有考慮油門開度快速變化的三參數模糊控制系統在仿真時間約為26 s 時發生5 檔與4 檔之間的頻繁換擋現象，對應著的工程車輛行駛車速在該時刻下降，沖擊度迅速增大，如圖6、圖8所示。相反，考慮了油門開度快速變化的四參數模糊控制系統在仿真過程中沒有出現循環換擋現象，車速與沖擊度沒有什么突變現象，如圖7、圖9所示。

5 結束語

本研究通過對發動機非穩態工況進行動力性分析和對工程車輛自動變速器雙參數、三參數的換擋規律進行研究，得出以下結論:

(1)通過仿真曲線的對比可知，考慮油門開度快速變化的四參數模糊控制能夠有效的降低車輛換擋次數，不僅降低了換擋沖擊度，減少了工程車輛動力傳動系統各個部件的磨損，提高了車輛舒適性與平順性，而且四參數換擋規律更加符合駕駛員的駕駛意圖。

(2)四參數模糊控制是較多輸入參數的控制，本研究采取將四參數分開的雙模糊控制的方式，有效的減少了模糊控制規則的數量，提高了處理器的運行效率。

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