汽車動(dòng)力傳動(dòng)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(duì)汽車的要求越來越高。為了追求汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、安全性和舒適性，世界各國(guó)不斷運(yùn)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(shí)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(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)一體化控制是指應(yīng)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(dòng)機(jī)的供油實(shí)現(xiàn)起步、換檔的自動(dòng)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(dòng)踏板、操縱手柄等）和車輛的狀態(tài)（發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)供油控制電子裝置）對(duì)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系（發(fā)動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)機(jī)ECU和變速器ECU之間實(shí)現(xiàn)信息共享。這種控制方式充分利用了成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器控制技術(shù)，對(duì)原系統(tǒng)改動(dòng)較少，易于實(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器實(shí)現(xiàn)整體控制。其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，外圍接線減少，可靠性提高，但對(duì)ECU要求較高，開發(fā)成本高。豐田雷克薩斯Ls400型轎車上的動(dòng)力控制系統(tǒng)、四檔帶智能控制系統(tǒng)的自動(dòng)變速器A341 E和發(fā)動(dòng)機(jī)使用同一ECU，裝有微電腦的ECU通過控制自動(dòng)變速器的換檔、閉鎖時(shí)刻、行星齒輪系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)（離合器、制動(dòng)器）的油壓以及換檔時(shí)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)與變速器兩個(gè)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(gè)系統(tǒng)之間不僅能傳輸命令、請(qǐng)求和汽車的一些基本狀態(tài)（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、冷卻水溫度等），還能對(duì)一些實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的數(shù)據(jù)如油量、轉(zhuǎn)速信號(hào)等設(shè)定較高的優(yōu)先級(jí)。

2 汽車動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)傳動(dòng)部件的傳動(dòng)比和工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)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(gè)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(hào)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(shí)別和實(shí)現(xiàn)駕駛員的操縱。駕駛員意圖的識(shí)別是通過傳感器對(duì)車輛控制機(jī)構(gòu)（例如加速踏板、制動(dòng)踏板、方向盤轉(zhuǎn)角等）的變化進(jìn)行測(cè)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中變速器部分使用的傳感器主要有：發(fā)動(dòng)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(dòng)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(hào)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(hào)通過開關(guān)和控制器或其他方式進(jìn)行信號(hào)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(hào)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(tǒng)的核心。其功能是依據(jù)駕駛員意圖和車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)與提供的信號(hào)，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(hào)采集和預(yù)處理、駕駛員操縱意圖識(shí)別、車輛狀態(tài)識(shí)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(jiǎn)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(guó)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(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(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(shí)時(shí)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(hào)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(hào)將通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變，保證對(duì)車輛性能的控制。同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)保證換檔品質(zhì)的控制。實(shí)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(dòng)力傳動(dòng)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(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)較好的控制；可以實(shí)現(xiàn)非線性控制任務(wù)，而常規(guī)控制器對(duì)非線性特性通常難以實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)為基礎(chǔ)，適用于被控對(duì)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(yùn)行環(huán)境和工況發(fā)生不可預(yù)測(cè)的變化等場(chǎng)合。一個(gè)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(shí)進(jìn)行推理和學(xué)習(xí)，能適應(yīng)對(duì)象特性和運(yùn)行條件的變化，具有較好的魯棒性、適應(yīng)性、容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)性和多樣性。

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

汽車是一個(gè)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(dòng)態(tài)特性會(huì)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(dòng)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(gè)方面，如汽車的運(yùn)動(dòng)控制、駕駛員模型、輪胎模型以及制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的控制等。

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制

發(fā)動(dòng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和新的燃油排放標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(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(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)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(jì)劃。90年代中期，Martinez和Jamshidi將模糊控制運(yùn)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中，控制發(fā)動(dòng)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(yùn)算得出一個(gè)合適油門開度值u。不久，Ma-jors等人成功地運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)燃料空氣比的控制。

3.2.2 傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)系的變速規(guī)律和防抱死制動(dòng)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(dòng)時(shí)間和當(dāng)前變速情況為輸入，經(jīng)模糊運(yùn)算后得出合適的換檔值。

4 結(jié)語

汽車動(dòng)力傳動(dòng)一體化控制系統(tǒng)是采用高性能微控制器對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)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(duì)汽車性能的要求也越來越高，依靠微控制器對(duì)汽車動(dòng)
力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制已成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)相發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)。同時(shí)，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。