張永明，徐 杰，田晉躍

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

0 引言

工程車輛以作業(yè)工況為主，且作業(yè)條件惡劣、復雜多變，為了保證工程車輛作業(yè)時具有足夠的動力性，其采用最佳動力性換擋規(guī)律。目前，按照控制參數(shù)的個數(shù)以及應用的普遍情況來看，工程車輛的換擋規(guī)律主要包括:雙參數(shù)、三參數(shù)的換擋規(guī)律［1-2］。兩參數(shù)控制以車速和油門開度或以車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速為輸入?yún)?shù)，車輛在正常路面穩(wěn)態(tài)行駛，兩參數(shù)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(shù)的控制與兩參數(shù)(車速和油門開度)控制相比［3］，工程車輛三參數(shù)最佳動力性換擋規(guī)律具有較小換擋沖擊度，充分反映外界環(huán)境對車輛換擋的影響，更加符合工程車輛的實際工作狀態(tài)。

然而車輛在油門開度變化率較大的情況下容易出現(xiàn)頻繁換擋的現(xiàn)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(shù)最佳動力性換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了基于油門開度快速變化的四參數(shù)換擋規(guī)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(fā)生油門開度快速變化的工況有作業(yè)工況和起步加速工況等。在作業(yè)工況中，由于工程車輛需要很大的驅(qū)動力來完成作業(yè)，例如挖掘、推土等，需要在短時間內(nèi)加大油門以獲得發(fā)動機較大轉(zhuǎn)矩;在作業(yè)工況完成后需要將工程車輛快速轉(zhuǎn)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(shù)最佳動力性換擋規(guī)律下，由于缺少油門開度變化率這一參數(shù)，三參數(shù)換擋規(guī)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(fā)動機非穩(wěn)態(tài)工況，發(fā)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(fā)生同時改變，這種改變都將改變發(fā)動機充量系數(shù)與氣缸內(nèi)混合氣充分，而且發(fā)動機的機械損失變大，這將導致發(fā)動機非穩(wěn)定工況下動力性指標比穩(wěn)態(tài)下低，這時發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)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(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的差值就越大，所以導致所設(shè)計的三參數(shù)換擋規(guī)律與車輛實際工況不完全匹配，所以在發(fā)動機油門開度變化率較大時，車輛發(fā)生頻繁換擋現(xiàn)象。

2 基于Mamdani 型推理的四參數(shù)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

本研究在三參數(shù)最佳動力性換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了基于油門開度快速變化的四參數(shù)換擋規(guī)律，以模糊控制理論為換擋規(guī)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?lián)Q擋規(guī)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(shù)模糊控制較三參數(shù)模糊控制，其輸入?yún)?shù)多了一個，相應的所產(chǎn)生的模糊控制規(guī)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(shù)換擋規(guī)律的控制方法是將四參數(shù)換擋規(guī)律分為兩個模糊控制，一個是三參數(shù)模糊控制，另一個是兩參數(shù)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(shù)據(jù)的處理難度，提高了系統(tǒng)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(shù)模糊控制原理

圖1 中，三參數(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)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(tài)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(fā)動機的油門開度α 模糊化值用7 個模糊狀態(tài)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(tài)量來描述:{極負大、負大、負小、零、小、中、大};三參數(shù)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(shù)模糊控制器輸出狀態(tài)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(jié)果進行邏輯與操作，將升檔和降擋統(tǒng)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(jié)果真值表

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

2.3 兩參數(shù)模糊控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則與推理

兩參數(shù)模糊控制器實質(zhì)是油門開度快速變化下的模糊控制器，模糊隸屬度函數(shù)均用高斯函數(shù)來描述，高斯函數(shù)能夠合理的反映輸入?yún)?shù)的變化特性。兩參數(shù)模糊控制規(guī)則是在車輛系統(tǒng)辨識以及總結(jié)了優(yōu)秀駕駛員經(jīng)驗的基礎(chǔ)上建立的，其具體規(guī)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(shè)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(fā)器，該觸發(fā)器的作用是;若control = =0，則表示四參數(shù)模糊控制器的輸出符合發(fā)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(shù)模糊控制器的輸出不符合發(fā)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(shù)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(tǒng)各子模型，包括發(fā)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(tǒng)與Stateflow 換擋模型組合在一起構(gòu)成四參數(shù)模糊控制仿真模型，四參數(shù)模糊控制仿真模型如圖3所示。

圖3 四參數(shù)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(shù)換的規(guī)律仿真僅以工程車輛轉(zhuǎn)移工況(或起步加速工況)為例進行分析。仿真時間設(shè)置為40 s。

考慮油門開度快速變化的四參數(shù)模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)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(shù)模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4、圖6、圖8所示。

圖5 四參數(shù)仿真檔位

圖6 三參仿真擋車速

圖7 四參數(shù)仿真車速

圖8 三參數(shù)仿真沖擊度

圖9 四參數(shù)仿真沖擊度

通過四參數(shù)仿真與三參數(shù)仿真結(jié)果的對比可知，沒有考慮油門開度快速變化的三參數(shù)模糊控制系統(tǒng)在仿真時間約為26 s 時發(fā)生5 檔與4 檔之間的頻繁換擋現(xiàn)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(shù)模糊控制系統(tǒng)在仿真過程中沒有出現(xiàn)循環(huán)換擋現(xiàn)象，車速與沖擊度沒有什么突變現(xiàn)象，如圖7、圖9所示。

5 結(jié)束語

本研究通過對發(fā)動機非穩(wěn)態(tài)工況進行動力性分析和對工程車輛自動變速器雙參數(shù)、三參數(shù)的換擋規(guī)律進行研究，得出以下結(jié)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(shù)模糊控制能夠有效的降低車輛換擋次數(shù)，不僅降低了換擋沖擊度，減少了工程車輛動力傳動系統(tǒng)各個部件的磨損，提高了車輛舒適性與平順性，而且四參數(shù)換擋規(guī)律更加符合駕駛員的駕駛意圖。

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

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