汽車動力傳動系統(tǒng)一體化智能控制技術(shù)研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的要求越來越高。為了追求汽車的經(jīng)濟(jì)性、動力性、安全性和舒適性，世界各國不斷運用先進(jìn)科技、開發(fā)先進(jìn)裝置，以使汽車的一些性能得到前所未有的改善。80年代中期，傳統(tǒng)控制的及時應(yīng)用，使汽車系統(tǒng)機(jī)器總成的性能有了較大的提高，但相應(yīng)也暴露出一些不足。人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)控制向智能控制發(fā)展。90年代初起，許多專家學(xué)者己經(jīng)開始重視智能控制技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，目前應(yīng)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 汽車動力傳動系統(tǒng)一體化智能控制的概念

1.1 一體化控制思想

汽車動力傳動系統(tǒng)一體化控制是指應(yīng)用電子技術(shù)和自動變速理論，以電子控制單元（ECU）為核心，通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制離合器的分離和接合、選換檔操作，并通過電子裝置控制發(fā)動機(jī)的供油實現(xiàn)起步、換檔的自動操縱。其基本的控制思想是：根據(jù)駕駛員的意圖（加速踏板、制動踏板、操縱手柄等）和車輛的狀態(tài)（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、輸人軸轉(zhuǎn)速、車速、檔位），依據(jù)適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律（換檔規(guī)律、離合器接合規(guī)律等），借助于相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、選換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)）和電子裝置（發(fā)動機(jī)供油控制電子裝置）對車輛的動力傳動系（發(fā)動機(jī)、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

動力傳動系統(tǒng)一體化控制方式一般分為3類：

（1）采用兩機(jī)或多機(jī)通訊的方式。在發(fā)動機(jī)ECU和變速器ECU之間實現(xiàn)信息共享。這種控制方式充分利用了成熟的發(fā)動機(jī)和變速器控制技術(shù)，對原系統(tǒng)改動較少，易于實現(xiàn)，開發(fā)成本較低，但由于布線較多，集成度不高。

（2）采用單一的ECU對發(fā)動機(jī)和變速器實現(xiàn)整體控制。其優(yōu)點是集成度高，外圍接線減少，可靠性提高，但對ECU要求較高，開發(fā)成本高。豐田雷克薩斯Ls400型轎車上的動力控制系統(tǒng)、四檔帶智能控制系統(tǒng)的自動變速器A341 E和發(fā)動機(jī)使用同一ECU，裝有微電腦的ECU通過控制自動變速器的換檔、閉鎖時刻、行星齒輪系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)（離合器、制動器）的油壓以及換檔時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，使換檔品質(zhì)達(dá)到最佳。

（3）采用CAN總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體控制。目前在汽車上采用較多的是CAN總線，發(fā)動機(jī)與變速器兩個控制子系統(tǒng)通過CAN總線進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過CAN總線，兩個系統(tǒng)之間不僅能傳輸命令、請求和汽車的一些基本狀態(tài)（如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、冷卻水溫度等），還能對一些實時性要求強(qiáng)的數(shù)據(jù)如油量、轉(zhuǎn)速信號等設(shè)定較高的優(yōu)先級。

2 汽車動力傳動系統(tǒng)一體化控制系統(tǒng)的基本組成

控制系統(tǒng)的功能是依據(jù)駕駛員的意圖和車輛行駛環(huán)境的變化，自動調(diào)節(jié)基礎(chǔ)傳動部件的傳動比和工作狀態(tài)，以實現(xiàn)傳動系效率的最佳和車輛整體性能的最優(yōu)。一般來說，車輛控制系統(tǒng)主要由車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（傳感器部分）、電子控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。

（1）車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（傳感器部分）的組成。

在整個控制系統(tǒng)中，傳感器的部分作用等于人工操作換檔車輛情況下駕駛員的視覺、聽覺和觸覺系統(tǒng)，將各種換檔所需的參數(shù)信號采集并傳送到電子控制單元。

車輛按照駕駛員的意圖行駛和工作，車輛控制系統(tǒng)必須能夠正確識別和實現(xiàn)駕駛員的操縱。駕駛員意圖的識別是通過傳感器對車輛控制機(jī)構(gòu)（例如加速踏板、制動踏板、方向盤轉(zhuǎn)角等）的變化進(jìn)行測試，并經(jīng)過分析獲得。

在汽車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。在動力傳動系統(tǒng)中變速器部分使用的傳感器主要有：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、離合器位移傳感器等。其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、車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(jié)氣門開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，其他信號通過開關(guān)和控制器或其他方式進(jìn)行信號傳遞。常用的開關(guān)有多功能開關(guān)、強(qiáng)制低檔開關(guān)等。開關(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）是整個控制系統(tǒng)的核心。其功能是依據(jù)駕駛員意圖和車輛的運動狀態(tài)參數(shù)檢測與提供的信號，進(jìn)行檔位轉(zhuǎn)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(yù)處理、駕駛員操縱意圖識別、車輛狀態(tài)識別、換檔決策（換檔規(guī)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，簡化了控制電路而且增強(qiáng)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微處理器開發(fā)了5檔自動變速器—
#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(fù)雜，而且由于處理器的外圍電路擴(kuò)展，使輸入輸出功能更加強(qiáng)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，還使用了嵌入式實時操作系統(tǒng)。

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

控制系統(tǒng)在采樣獲得輸人信號以后，送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)束以后，電子控制單元的控制信一號將通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對動力傳動系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變，保證對車輛性能的控制。同時執(zhí)行機(jī)構(gòu)保證換檔品質(zhì)的控制。實現(xiàn)檔位切換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般都使用電磁閥。

3 智能控制技術(shù)及其在動力傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 智能控制技術(shù)

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

智能控制技術(shù)作為自動控制技術(shù)的前沿，以智能控制理論、計算機(jī)技術(shù)、人工智能、運籌學(xué)為基礎(chǔ)，適用于被控對象和環(huán)境具有未知或不確定因素、數(shù)學(xué)模型難以建立、運行環(huán)境和工況發(fā)生不可預(yù)測的變化等場合。一個好的智能控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足多目標(biāo)與多性能指標(biāo)要求，能利用知識進(jìn)行推理和學(xué)習(xí)，能適應(yīng)對象特性和運行條件的變化，具有較好的魯棒性、適應(yīng)性、容錯性、實時性和多樣性。

3.2 智能控制技術(shù)在汽車動力傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車是一個復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)，在外界不確定因素的作用下，其動態(tài)特性會發(fā)生很大變化甚至失穩(wěn)。許多專家都在尋求一種有效方法控制汽車的動態(tài)特性，使之滿足要求。由于智能控制的性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制，因而在汽車領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

目前，智能控制技術(shù)已經(jīng)滲透到汽車的各個方面，如汽車的運動控制、駕駛員模型、輪胎模型以及制動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)的控制等。

3.2.1 發(fā)動機(jī)控制

發(fā)動機(jī)技術(shù)決定和影響著整車基本技術(shù)的發(fā)展。由于激烈的市場競爭和新的燃油排放標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施，發(fā)動機(jī)技術(shù)己從單純追求功率和可靠性轉(zhuǎn)移到追求良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低廢氣排放。發(fā)動機(jī)的控制包括：燃油噴射控制、點火時刻控制、爆震控制、怠速轉(zhuǎn)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現(xiàn)了發(fā)動機(jī)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)動機(jī)中，控制發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速和空燃比，其結(jié)構(gòu)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)模糊運算得出一個合適油門開度值u。不久，Ma-jors等人成功地運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)燃料空氣比的控制。

3.2.2 傳動系統(tǒng)控制

90年代初，福特公司和宏達(dá)公司已經(jīng)就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯系統(tǒng)在汽車的動態(tài)特性與控制中的應(yīng)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傳動系的變速規(guī)律和防抱死制動系統(tǒng)的壓力調(diào)制器。90年代中期，Sakai等人考慮汽車上下坡行駛條件，研究開發(fā)了變速規(guī)律模糊控制器。其原理如圖5所示。該模糊控制器以汽車速度、加速度、油門開度、道路阻力、制動時間和當(dāng)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(jié)語

汽車動力傳動一體化控制系統(tǒng)是采用高性能微控制器對動力傳動系統(tǒng)賣施一體化控制的產(chǎn)物。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對汽車性能的要求也越來越高，依靠微控制器對汽車動
力傳動系統(tǒng)進(jìn)行整體控制已成為國內(nèi)外競相發(fā)展的一項技術(shù)。同時，智能控制技術(shù)在汽車控制領(lǐng)域被日益廣泛應(yīng)用，使得智能控制技術(shù)也成為汽車整體控制的重要發(fā)展方向之一。