汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統一體化智能控制技術(shù)研究

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車(chē)的要求越來(lái)越高。為了追求汽車(chē)的經(jīng)濟性、動(dòng)力性、安全性和舒適性，世界各國不斷運用先進(jìn)科技、開(kāi)發(fā)先進(jìn)裝置，以使汽車(chē)的一些性能得到前所未有的改善。80年代中期，傳統控制的及時(shí)應用，使汽車(chē)系統機器總成的性能有了較大的提高，但相應也暴露出一些不足。人工智能的出現和發(fā)展，促進(jìn)了傳統控制向智能控制發(fā)展。90年代初起，許多專(zhuān)家學(xué)者己經(jīng)開(kāi)始重視智能控制技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域中的應用，目前應用最為廣泛的智能控制主要有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制。

1 汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統一體化智能控制的概念

1.1 一體化控制思想

汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統一體化控制是指應用電子技術(shù)和自動(dòng)變速理論，以電子控制單元（ECU）為核心，通過(guò)液壓執行機構控制離合器的分離和接合、選換檔操作，并通過(guò)電子裝置控制發(fā)動(dòng)機的供油實(shí)現起步、換檔的自動(dòng)操縱。其基本的控制思想是：根據駕駛員的意圖（加速踏板、制動(dòng)踏板、操縱手柄等）和車(chē)輛的狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機轉速、輸人軸轉速、車(chē)速、檔位），依據適當的控制規律（換檔規律、離合器接合規律等），借助于相應的執行機構（離合器執行機構、選換檔執行機構）和電子裝置（發(fā)動(dòng)機供油控制電子裝置）對車(chē)輛的動(dòng)力傳動(dòng)系（發(fā)動(dòng)機、離合器、變速器）進(jìn)行聯(lián)合操縱。如圖1所示。

1.2 一體化控制方式

動(dòng)力傳動(dòng)系統一體化控制方式一般分為3類(lèi)：

（1）采用兩機或多機通訊的方式。在發(fā)動(dòng)機ECU和變速器ECU之間實(shí)現信息共享。這種控制方式充分利用了成熟的發(fā)動(dòng)機和變速器控制技術(shù)，對原系統改動(dòng)較少，易于實(shí)現，開(kāi)發(fā)成本較低，但由于布線(xiàn)較多，集成度不高。

（2）采用單一的ECU對發(fā)動(dòng)機和變速器實(shí)現整體控制。其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，外圍接線(xiàn)減少，可靠性提高，但對ECU要求較高，開(kāi)發(fā)成本高。豐田雷克薩斯Ls400型轎車(chē)上的動(dòng)力控制系統、四檔帶智能控制系統的自動(dòng)變速器A341 E和發(fā)動(dòng)機使用同一ECU，裝有微電腦的ECU通過(guò)控制自動(dòng)變速器的換檔、閉鎖時(shí)刻、行星齒輪系統中執行機構（離合器、制動(dòng)器）的油壓以及換檔時(shí)發(fā)動(dòng)機轉矩，使換檔品質(zhì)達到最佳。

（3）采用CAN總線(xiàn)結構進(jìn)行總體控制。目前在汽車(chē)上采用較多的是CAN總線(xiàn)，發(fā)動(dòng)機與變速器兩個(gè)控制子系統通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行連接的結構如圖2所示。通過(guò)CAN總線(xiàn)，兩個(gè)系統之間不僅能傳輸命令、請求和汽車(chē)的一些基本狀態(tài)（如發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速、冷卻水溫度等），還能對一些實(shí)時(shí)性要求強的數據如油量、轉速信號等設定較高的優(yōu)先級。

2 汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統一體化控制系統的基本組成

控制系統的功能是依據駕駛員的意圖和車(chē)輛行駛環(huán)境的變化，自動(dòng)調節基礎傳動(dòng)部件的傳動(dòng)比和工作狀態(tài)，以實(shí)現傳動(dòng)系效率的最佳和車(chē)輛整體性能的最優(yōu)。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛控制系統主要由車(chē)輛數據采集系統（傳感器部分）、電子控制單元和執行機構三大部分組成。

（1）車(chē)輛數據采集系統（傳感器部分）的組成。

在整個(gè)控制系統中，傳感器的部分作用等于人工操作換檔車(chē)輛情況下駕駛員的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)系統，將各種換檔所需的參數信號采集并傳送到電子控制單元。

車(chē)輛按照駕駛員的意圖行駛和工作，車(chē)輛控制系統必須能夠正確識別和實(shí)現駕駛員的操縱。駕駛員意圖的識別是通過(guò)傳感器對車(chē)輛控制機構（例如加速踏板、制動(dòng)踏板、方向盤(pán)轉角等）的變化進(jìn)行測試，并經(jīng)過(guò)分析獲得。

在汽車(chē)上使用的傳感器主要有以下幾種：磁電式傳感器、磁阻式傳感器、光電式傳感器、霍爾式傳感器、熱敏式傳感器、變阻式傳感器、壓電晶體式傳感器等。在動(dòng)力傳動(dòng)系統中變速器部分使用的傳感器主要有：發(fā)動(dòng)機轉速傳感器、車(chē)速傳感器、節氣門(mén)開(kāi)度傳感器、離合器位移傳感器等。其中發(fā)動(dòng)機轉速傳感器、車(chē)速傳感器使用磁電式傳感器和霍爾傳感器等利用磁電信號原理的傳感器，節氣門(mén)開(kāi)度傳感器和離合器位移傳感器均使用變阻式傳感器。

除傳感器以外，其他信號通過(guò)開(kāi)關(guān)和控制器或其他方式進(jìn)行信號傳遞。常用的開(kāi)關(guān)有多功能開(kāi)關(guān)、強制低檔開(kāi)關(guān)等。開(kāi)關(guān)也是很重要的信號輸入手段。

（2）電子控制單元。

電子控制單元（ECU）是整個(gè)控制系統的核心。其功能是依據駕駛員意圖和車(chē)輛的運動(dòng)狀態(tài)參數檢測與提供的信號，進(jìn)行檔位轉換或工作狀態(tài)改變。電子控制單元的主要功能有：信號采集和預處理、駕駛員操縱意圖識別、車(chē)輛狀態(tài)識別、換檔決策（換檔規律）、換檔品質(zhì)控制、故障診斷功能、輸出和顯示等功能。典型的電子控制單元如圖3所示。

新一代的控制器功能很全面，控制性能也非常好，使用了高性能的16位或32位微處理器，有些甚至使用了定制的微處理器，包含了控制需要的大部分功能，簡(jiǎn)化了控制電路而且增強了電路的功能和可靠性。比如日本的JATC Q公司的產(chǎn)品均使用NEC和摩托羅拉16位和32位微處理器；德國的ZF公司使用摩托羅拉32位POWERPC微處理器開(kāi)發(fā)了5檔自動(dòng)變速器—
#8212;SHP19的換檔控制器。由于控制器的微處理器更新?lián)Q代，使換檔控制比較復雜，而且由于處理器的外圍電路擴展，使輸入輸出功能更加強勁。為了使控制性能獲得更大的提高，在這些控制器中不僅使用了控制程序，還使用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。

（3）執行機構。

控制系統在采樣獲得輸人信號以后，送到控制器進(jìn)行數據處理，數據處理結束以后，電子控制單元的控制信一號將通過(guò)執行機構實(shí)現對動(dòng)力傳動(dòng)系統工作狀態(tài)的改變，保證對車(chē)輛性能的控制。同時(shí)執行機構保證換檔品質(zhì)的控制。實(shí)現檔位切換的執行機構一般都使用電磁閥。

3 智能控制技術(shù)及其在動(dòng)力傳動(dòng)系統中的應用

3.1 智能控制技術(shù)

智能控制的產(chǎn)生來(lái)源于被控制系統的高度復雜性、不確定性及人們對控制性能越來(lái)越高的要求。這種被控系統難以用精確的數學(xué)模型（微分方程和差分方程）來(lái)描述。而作為智能控制方法之一的模糊控制與傳統控制相比，具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以從行為上模擬人的模糊推理和決策過(guò)程；不需要建立數學(xué)模型即可實(shí)現較好的控制；可以實(shí)現非線(xiàn)性控制任務(wù)，而常規控制器對非線(xiàn)性特性通常難以實(shí)現控制要求。

智能控制技術(shù)作為自動(dòng)控制技術(shù)的前沿，以智能控制理論、計算機技術(shù)、人工智能、運籌學(xué)為基礎，適用于被控對象和環(huán)境具有未知或不確定因素、數學(xué)模型難以建立、運行環(huán)境和工況發(fā)生不可預測的變化等場(chǎng)合。一個(gè)好的智能控制系統應能滿(mǎn)足多目標與多性能指標要求，能利用知識進(jìn)行推理和學(xué)習，能適應對象特性和運行條件的變化，具有較好的魯棒性、適應性、容錯性、實(shí)時(shí)性和多樣性。

3.2 智能控制技術(shù)在汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統中的應用

汽車(chē)是一個(gè)復雜的多自由度系統，在外界不確定因素的作用下，其動(dòng)態(tài)特性會(huì )發(fā)生很大變化甚至失穩。許多專(zhuān)家都在尋求一種有效方法控制汽車(chē)的動(dòng)態(tài)特性，使之滿(mǎn)足要求。由于智能控制的性能優(yōu)于傳統控制，因而在汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛的應用。

目前，智能控制技術(shù)已經(jīng)滲透到汽車(chē)的各個(gè)方面，如汽車(chē)的運動(dòng)控制、駕駛員模型、輪胎模型以及制動(dòng)系統、懸架系統、轉向系統、傳動(dòng)系統和發(fā)動(dòng)機的控制等。

3.2.1 發(fā)動(dòng)機控制

發(fā)動(dòng)機技術(shù)決定和影響著(zhù)整車(chē)基本技術(shù)的發(fā)展。由于激烈的市場(chǎng)競爭和新的燃油排放標準的制定和實(shí)施，發(fā)動(dòng)機技術(shù)己從單純追求功率和可靠性轉移到追求良好的燃油經(jīng)濟性和降低廢氣排放。發(fā)動(dòng)機的控制包括：燃油噴射控制、點(diǎn)火時(shí)刻控制、爆震控制、怠速轉速控制、廢氣再循環(huán)控制和空燃比閉環(huán)控制等。

90年代初，菲亞特公司成功地實(shí)現了發(fā)動(dòng)機怠速的模糊控制。隨后，三菱公司也不甘落后，提出了相關(guān)計劃。90年代中期，Martinez和Jamshidi將模糊控制運用到發(fā)動(dòng)機中，控制發(fā)動(dòng)機怠速轉速和空燃比，其結構原理如圖4所示。

該模糊控制器輸人速度和加速度的誤差，經(jīng)模糊運算得出一個(gè)合適油門(mén)開(kāi)度值u。不久，Ma-jors等人成功地運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論實(shí)現了發(fā)動(dòng)機燃料空氣比的控制。

3.2.2 傳動(dòng)系統控制

90年代初，福特公司和宏達公司已經(jīng)就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和模糊邏輯系統在汽車(chē)的動(dòng)態(tài)特性與控制中的應用進(jìn)行了許多研究，日產(chǎn)公司率先用模糊控制器控制汽車(chē)傳動(dòng)系的變速規律和防抱死制動(dòng)系統的壓力調制器。90年代中期，Sakai等人考慮汽車(chē)上下坡行駛條件，研究開(kāi)發(fā)了變速規律模糊控制器。其原理如圖5所示。該模糊控制器以汽車(chē)速度、加速度、油門(mén)開(kāi)度、道路阻力、制動(dòng)時(shí)間和當前變速情況為輸入，經(jīng)模糊運算后得出合適的換檔值。

4 結語(yǔ)

汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)一體化控制系統是采用高性能微控制器對動(dòng)力傳動(dòng)系統賣(mài)施一體化控制的產(chǎn)物。隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對汽車(chē)性能的要求也越來(lái)越高，依靠微控制器對汽車(chē)動(dòng)
力傳動(dòng)系統進(jìn)行整體控制已成為國內外競相發(fā)展的一項技術(shù)。同時(shí)，智能控制技術(shù)在汽車(chē)控制領(lǐng)域被日益廣泛應用，使得智能控制技術(shù)也成為汽車(chē)整體控制的重要發(fā)展方向之一。