（农业机械化工程专业论文）汽车动力传动系统一体化智能控制技术研究.pdf

摘要 汽车动力传动系统是对发动机和变速器的统称。动力传动一体化控制系统是采 用高性能微控制器对动力传动系统实施一体化控制的产物。随着汽车电子技术的发 展和人们生活水平的提高，人们对汽车性能的要求也越来越高，依靠微控制器对汽 车动力传动系统进行整体控制己成为国内外竞相发展的一项技术。同时智能控制技 术在汽车控制领域被同益广泛应用，使得智能控制技术也成为汽车整体控制的重要 发展方向之一。本文从这一方向出发，采用模糊控制的方法，对汽车动力传动系统 的整体控制技术进行了研究，全文共分七章。 概述了汽车动力传动系统一体化控制的概念，分析了一体化控制的必要性和可 行性，总结了国内外关于车辆整体控制的研究现状和智能控制技术在车辆动力传动 系统中的应用。本章最后概括了本文研究的主要内容。 阐述了动力传动一体化控制系统的基本功能和基本构成，分析了离合器接合的 详细过程。对系统换档规律和换档类型进行了总结。最后提出了控制系统换档品质 好坏的评价指标。 对m c u 进行了选型介绍了本控制系统所需的传感器和执行元件针对8 位 微控制器8 0 c 5 5 2 ，完成了信号调理电路和驱动控制电路的设计。 针对动力传动一体化控制系统是一个嵌入式实时系统的特点，应用模块化程序 设计的思想对软件结构进行了细化，完成了监控界面和控制软件子程序的设计、模 糊规则的制定，并且设计了三级递阶智能控制器，实现了系统的综合智能控制。 对控制系统综合实验进行了探索，并将智能控制结果与传统控制结果进行比 较，证实了智能控制的优越性。 利用m a t l a b s i 眦i l i n k 对控制系统连续升档和连续降档过程进行了仿真研究并 提出了仿真方法和建立了仿真模型，对仿真结果进行了分析说明。 最后一章作为全文的总结，并提出了本课题进一步研究的意见和建议。 关键词：动力传动系统，智能控制，电路。仿真 v a b s t r a c t p o w e r t r a i ns y s t e mo fa u t o m o b i l ei sag e n e r a id e s i g n a t i o no fe n g i n ea n d t r a n s m i s s i o n i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fp o w e r t r a i ni st h ep r o d u c to fi n t e g r a t e dc o n t r o l t oe n g i n ea n dt r a n s m i s s i o nw i t hh i 曲p e r f o r m a n c em c u ( m i c mc o n t r o lu n i t ) w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe i e c t r o nc a rt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p i e ss t a n d a r do f l i v i n g ，p e o p j e sr e q u e s tt oa u t o m o b i l ep e r f b n n a r i c eb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e li n l e g r a t e d c o n t m lo fp o w e r t r a i nw i l hm c uh a sb e e nak i n do ft e c h n o l o g yt h a ti s d e v e l o p e d u n i v e r s a h yi n s i d ea n do u t s i d eo fn a t i o n a tl h es a m et i m e ，i n t e l l j g e n tc o n t r o l t e c h n o l o g y h a sa l s ob e c o m eoneo fi m p o r t a n td i r e c t i o ni na u t o m o b i l ei n t e g r a t e dc o n t r o l ，a n di ti s a p p l j e di n c r e a s i n g l ya n dw i d e l yi nc o n t r o ln e l do fa u t o m o b i j e f r o mt h i sp o i n t ，t h et h e s i s s t u d i e s i n t e g r a t e d c o n t r o io f a u t o m o b i i e p o w e r t r a i ns y s t e ma d o p t i n gt h em e a n s c o m b i n i n ga p i s hi n t e l l i g e n tc o n t r o la n df u z z yc o n t m l t h et h e s i sc o n s i s t so fs e v e n c h a p t e r s t h ec o n c e p t i o no fj n t e g r a t e dc o n t m io f 虬i t o m o b i l ep o 、v e r t r a i ns y s t e mi si n t m d u c e d ， a l s ot h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i i ya b o u ti n t e g r a t e dc o n t m li s a n a j y z e d ， a n di ti s s u m m a r i z e da b o u tr e s e a r c hc o n d i t i o no fi n t e g r a t e dc o n t r o ja n da p p l i c a t i o no fi n t e i l j g e n t c o n t r o li na u t o m o b i l ep o w e r t r a i ns y s t e m a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r t h er e s e a r c hc o n t e n t o fi h i st h e s j si sp r e s e n t e d t h eb a s i cf h n c t i o na n dc o m p o n e n to fp o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mi se x p o u n d e d t h e d e t a i l e dc o u r s eo fc l u t c hc o n i u n c t i o ni sa n a l y z e d t h er u l e sa n df y p e so fg e a rs h i n t i n gi s s u m m a r i z e d i nt h ee n d ，t h ee v a l u a t i o nc r i t e “o no fs y s t e ms h i nq u a l i t yi sp r o v i d e d t h et y p eo fm c ui ss e i e c t e d ，a n dt h en e c e s s a r ys e n s o r sa n do u t p u ti m p i e m e n to f c o n t r o ls y s t e mi si n t m d u c e d t h es i g n a ls w i t c hc i r c u i ta n do u t p u tc o n t r o lc i r c u i ti s a c c o m p j i s h e da c c o r d i n gt 08b i l sm j c r oc o n t r o ju n i t8 0 c 5 5 2 a si n t e g r a t e d p o w e r t r a i nc o m r o ls y s t e mi sa ne m b e d d e dr e a lt i m es y s t e m ，t h e s o n w a r es t r u c t u r ei sr c f i n e da c c o r d i n gt op r o g r a m m i n gt h i n k i n go fm o d u l e s u b m u t i n e o fs u r v e i i j a n c ea n dc o n t r o l i i n gi sf i n i s h e d ，a n dn l z z ys y s t e mm l e si s c o m p i i e d a ti a s t ，a t h r e e - s t a g e h i e r a r c h i c a lc o n t r o l i e ri s d e s i g n e d a n dr e a j i z e dt h e c o m p r e h e n s i v e i n t e l 】i g e n c ec o n t m l l i n go f t h es y s t e 札 a n e rs t u d y i n gt h ee x t e n s i v ee x p e r i m e n to fl h es y s t e m ，t h ee f 艳c to fi n t e 川g e n c e c o n t r o i l i n gi sc o m p a r e dw i t ht h a to fc l a s s i c a lc o n t r o i l j n g t h es u p e “o r i t yo ft h es y s t e mi s c o n f i r m e di nt h ee n d c o n t i n u a ls h m - u pa n ds h i n - d o w no ft h e s y s t e m i ss i m u j a t e db ys o r w a r e vj l l m a t i a b s i m u i i n k as i m u l a t i n gl n e t h o di sg i v e na n das j m u l a t i n gm o d e li se s t a b l i s h e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni se x p l a i n e d l a s tc h a p t e ri st h es u m m a r yo fw h o l et h e s i s ，a n ds o m eo p i n i o n sa n ds u g g e s t i o n sa r e g i v e nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ，p o w e r t r a i ns y s t e m ，i n t e 儿i g e n tc o n t r o i ，s i m u i a t i o n 独创性声明 y 6 0 7 3 2 2 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生躲盗塑帆口年年。胪同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：遂逸 导师签名：二翟 知多 时间：o 仁年易月0 汩 时间：加口年二月2 ，硝 第一章绪论 世界汽车电子控制的发展大致可分为三个阶段：第一阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 ) ，出现和 开发了一些简易电予装置，如发动机电子点火等：第二阶段( 1 9 7 5 1 9 8 0 ) ，开发了一 些独立的控制系统，如发动机电控系统、制动防抱死系统等；第三阶段( 1 9 8 5 年以 后) 丌发了各种车辆整体控制的电子控制系统，如整合发动机和传动系统的动力传动 整体控制系统、整合动力和制动系统的牵引控制系统、车内环境综合控制系统等。 随着科学技术的发展，人们对汽车的要求也越来越高。为了追求汽车的经济性、 动力性、安全性和舒适性，世界各国不断运用先进的科技，开发先进装置，以使汽车 的一些性能得到前所未有的改善。8 0 年代中期，传统控制及时的应用，使汽车系统 机器总成的性能有了较火的提高相应地出暴露出一些不足。人工智能的出现和发展， 促进了传统控制向智能控制的发展，9 0 年代初，许多专家学者已经丌始重视智能控 制技术在汽车领域中的应用。目前应用最为广泛的智能控制主要有模糊控制和神经网 络控制。 1 1 汽车动力传动系统一体化控制的概念 1 1 1 一体化控制思想 汽车动力传动系统一体化控制是指应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单 元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 为核心，通过液压执行机构控制离合器的分离 和接合、选换档操作和通过电子装置控制发动机的供油，束实现起步、换档的自动操 纵。其基本的控制思想为：根据驾驶员的意图( 加速踏板、制动踏板、操纵手柄等) 和车辆的状念( 发动机转速、输入轴转速、车速、档位) 依据适当的控制规律( 换 档规律、离台器接合规律等) ，借助于相应的执行机构( 离合器执行机构、选换档执 行机构) 和电子装置( 发动机供油控制电子装置) 对车辆的动力传动系( 发动机、离 合器、变速器) 进行联合操纵。如图l - l 所示： u 竹j 机髓一力f f ! 图卜l 汽下动，j 传z 曲系统一仆化拎制思想 d i o g r a ni lc o n c e p t i o n0 fi j e g ia t e dc 0 t io ls 、s ie n l0 fi ) 0 w e li la 1 1 1 2 一体化控制方式 动力传动系统一体化控制的方式大致分以f3 类： ( 1 ) 采用两机或多机通讯的方式 在发动机e c u 和变速器e c u 之间实现信息共享。这种控制方式充分利用了成熟的 发动机和变速器控制技术，对原系统改动较少，易于实现，开发成本较低，但由于布 线较多，集成度不高。 ( 2 ) 采用单一的e c u 对发动机和变速器实现整体控制 其优点是集成度高，外围接线减少，可靠性提高，但对e c u 要求较高，丌发成本 高。图卜2 为丰用公司在其新研制的l e x u s ( 凌志) 。s 4 0 0 型轿车上所装备的动力控 制系统，四档带智能控制系统的自动变速器a 3 4 1 e 和发动机用同一电子控制单元 ( e c u ) ，装有微电脑的e c u 通过控制自动变速器的换档时刻、闭锁时刻行星齿轮系 统中执行机构( 离合器、制动器) 的油压以及换档日_ 发动机转矩，换档品质达到最佳 峨 l 模式选择开关卜一 一 n 0 1i u 磁阚 l 黝机感卜 窄档启动开关 一n o2i u 磁阀 节溅胃卜 发动机 一篇燃 传德 ： 巡航挣制e c u 变速器 一“黑攀脓 n ol 下速传感器卜 i n o 2 午速传感器卜一 e c u f 姚篙转速卜 发动机点火装置 k _ d 。开关 i 敞障“町灯 水溢传感器卜一 ( 故障代码娃_ ) i 停币灯佑q 卜 | 璺il - 2 发动剖【一奠速稍智能挣制系统 d i a g l a ml 一2i n t e l l ig e n tc o n t l o ls y s t e mo fe n g j n e - t r a n s m i s s i o n ( 3 ) 采用c a n 总线结构进行总体控制 目前在汽车上采用较多的是c a n 总线，发动机与变速器两个控制子系统通过c a n 总线进行连接的结构图如图l 一3 所示。通过c a n 总线，两个系统之问不仅能传输命令、 请求和传输汽车的一些基本状态( 如发动机转速、车速、冷却水温度等) ，还能对一 些实时性要求强的数据如油量、转速信号等设定较高的优先级“4 1 。 发动机 发动机 e c u 执行 机构 f 奇息jj f 卉息 c a n 处理器 数掘 执仃 机构 数据 变速器 了 骶 扫l 构 幽卜3 采用c a n 总线的数据流动| 茔| d i a 9 1 日m 卜3d a t at ia n s m l s s l o no nc a nl 】i l s 1 2 一体化控制的必要性和可行性分析 1 2 1 必要性分析 车辆动力传动系统的综合控制，是电子控制技术的发展方向。车辆的动力传动系 统是一个有机的整体换档过程控制必须与发动机控制相协调配合。为了提高动力传 动系统的效率和品质，所以动力传动系统的一体化控制是非常必要的。其优点具体体 现在以下几个方面： 、 ( 1 ) 实现动力传动系统的最佳匹配控制 车辆动力传动系统中关键部分包括发动机、离合器和变速器，其中发动机的特性 是制定合理的经济性、动力性换档规律的依据，也是实现最佳起步、换档控制的保证： 离合器的转矩传递特性是离合器最佳接合规律的基础。离台器的一些其它特性如磨损 特性又将影响离合器的控制过程；变速箱的特性主要是各档位的传动比和同步器的同 步摩擦转矩。所以只有把它们组成一个有机的整体爿。可以实现动力传动系统的最佳 匹配控制。 ( 2 ) 改善发动机排放 在对发动机控制时同时考虑控制变速器，还可以降低废气污染。发动机的废气排 放与其工作条件特别是转速有关。如果在控制发动机时选择合适的换档规律就可在一 定程度上降低排放。如发动机在接近怠速的低速时，c o 的排放浓度极高，h c 的排放 浓度也随转速降低而升高。若在节气门丌度小、车速较高时就换入低档，就可减轻发 动机在低转速时的废气污染。 l似厂，惦7洲i= ( 3 ) 提高起步和换档品质 在车辆换档过程中，儿能引起变速器输出轴转矩突变的因素均会引起换档冲击， 主要有以下原因：换档过程中摩擦元件的摩擦力矩发生剧变，在离合器或制动器的 接合过程中，由于摩擦系数发生剧变以及系统油压出现波动，会在传动系中引起较大 的冲击：换档过程中，惯性能量引起传动系的冲击，在换档过程中，车速基本保持 不变，而由于速比的变化，发动机的转速发生急速变化，从发动机到变速器之问的全 部旋转零件都将有很大的惯性能量释放出来，这种惯性能量将转换成巨大的转矩扰动 传递给车辆引起巨大的换档冲击。从上可以看出，如果在换档期间不对发动机实施 有效的控制，调节好系统油压随发动机转矩变化的关系，并使发动机的惯性能量在离 合器前尽量释放出来，将会引起很大的换档冲击。 正因为发动机、离合器和变速器相互之间存在着这种复杂的耦合关系。例如离合 器传递的转矩既是发动机的负载转矩，又是变速器驱动转矩。所以车辆动力传动系统 一体化控制对提高换档品质而言也是必要的。 ( 4 ) 改善动力传动系统动力性、经济性的需要 为了满足不同条件下动力、经济、排放的要求，如今的一台发动机往往有几种工 作模式，可以有多种输出特性。而一台自动变速器也有几种换档模式，以满足车辆行 使和驾驶者的不同需要。如果此时不对发动机和变速器实行整体控制，就会造成发动 机输出特性和变速器换档规律的不匹配，从而严重影响整车的各项性能。 如果发动机输出特性控制和变速控制各自独立进行，则会造成发动机与变速器动 力不匹配并且相互影响，使整车不能获得一个可控稳定的工况。更为严重的是，如果 发动机输出特性在改变的同时，换档也正在进行，便会造成所谓“换档振荡”，使得 燃油经济性和排放极为恶化。n i s s a r i 公司为解决以上问题，对发动机和变速器实现了 整体控制。输出控制决策模块通过检测转速和所需要的驱动力，根据内设的工作图来 协调和决定发动机输出特性和档位的变换，从而避免以上问题的出现1 7 i 。 1 2 2 可行- 生分析 ( 1 ) 就电子技术的发展水平而言，实施一体化控制是可行的 随着电子技术的发展，7 0 年代术期以来，电子技术在车辆上得到了广泛的应用， 先是实现了对车辆单个总成的电子控制。后来，随着微电子技术的进一步发展，大规 模集成电路的出现，微处理器性能的进一步提高，在车辆上的应用也从单个总成扩展 到多个总成甚至整个系统。从国外车辆电子控制技术的发展来看，实施动力传动一体 化控制不但在技术上成为可能，而且在实践上已经得到了广泛的应用。 ( 2 ) 控制理论的应用而言，动力传动系统可作为一个整体来进行控制 动力传动系统是一个非线性、时变性的复杂大系统，存在严重的不确定性，不过， 目前对其各分系统已有广泛的研究。另外，由于模糊控制理论、神经网络和其他的仿 人智能控制理论的深入研究应用，使得系统作为一个整体控制成为可能，而且可以综 合考虑各方面的因素，可得到更好的控制效果。 ( 3 ) 国内研究的技术现状来看，发展动力传动一体化控制已具备颦实的技术基础。 北京理工大学和吉林工业大学等单位长期以来对汽车动力传动一体化控制进行了广 泛深入的研究，使得我国在“动态三参数最佳换档规律”、“动态闭环控制技术”、“自 适应控制技术”、“模糊控制技术”等自动变速理论方面处于世界领先地位。为我国进 一步丌展汽车总成的控制提供了技术基础i 1 3 动力传动一体化控制的研究现状 1 3 1 国内研究现状1 0 1 【1 2 i ( 1 ) 汽油机电控技术 汽油机电子控制技术在国内起步较早在8 0 年代术，吉林工业大学、北京理工 大学、清华大学、上海交通大学等单位陆续丌展了汽车电子控制的研究，也取得了一 定的成果。北京理工大学车辆工程学院发动机电控教研组长期进行汽油机电控方面的 工作，先后完成了长安微车电控改造项目，与澳大利亚比托公司合作开发了2 冲程电 控系统。 ( 2 ) 自动变速控制技术 在机械式自动变速器的研制上，吉林工业大学汽车工程学院的研究在国内处于领 先地位。清华大学和北京理工大学也分别进行了一些理论研究和台架试验，其中北京 理工大学还在国内最先研制了样机并进行了装车试验。9 0 年代以来，国内的自动变速 控制技术同趋成熟，一些公司也加入产品化工作。深圳市欣源晟实业公司开发的e a s y a m t 系统已经在两辆桑塔纳轿车上分别安全行使1 6 万公旱和7 万公罩。烟台一家公司 研制了电机驱动的a m t 系统，安装在轿车上也进行了实车试验。 在国内，液力变速箱电子控制的工作丌展较少，在9 0 年代初期，吉林工业大学汽 车工程学院液力机械研究所为带锁止离合器的g y b 1 0 0 型城市公共汽车液力机械变 速器设计了基于i n t e l8 0 3 l 单片机的电子控制系统。 1 3 2 国外研究现状 ( 1 ) 弯道换档控制 在国外，经过近2 0 年的发展，进入9 0 年代米期，随着导航技术在高档轿车上开 始使用，导航系统的加入使控制系统可以获得更多的路面信息，以往在没有导航系 统时，道路条件的辨识成为解决弯道换档问题的一大障碍，导航系统与变速箱控制系 统通过控制器局域网共享信息，使变速箱控制系统仅需做较少的改动，便可以实现弯 道换档的最优控制。1 9 9 9 年，r 本a s i n 公司的m a s a ok a w a i 等人与丰用公司的 k 吼h i m1 w a t 祁u k i 等人合作，将导航系统融入控制器局域网中，成功解决了弯道的多 次换档问题| l “。 ( 2 ) 巡航控制技术 由于社会的发展，高速公路罩程不断增加，使得长时白j 在良好路面行使的情况增 加，为了适应这种情况，车速巡航控制应运而生。巡航控制的功能是通过对电控节气 门的使用来保持汽车按设定的车速稳定行使使得在稳定行使时司机驾驶只需控制方 向盘。一般在车速超过3 0 公罩，j 、时才起作用。1 9 9 8 年，r 本h o n d a 公司的k a z u t o m o s a w a m u r a 等人采用电控节气门，成功实现车速巡航控制，并在换档品质控制方面取 得良好的效果| l 。 ( 3 ) 控制软件的丌发 随着e c u 控制程序规模的不断增加和控制功能的同趋发展，导致了丌发周期的延 长，调试难度增加，同时控制软件质量的保证也更加困难。c 语言引入e c u 控制程序 虽然减少了丌发时问，提高了软件的质量，但不能解决e c u 复杂的时序控制和任务调 度。为解决这一1 司题，丌发者门丌发出实时操作系统r t 0 s 。在欧洲汽车丌发商已经 组织成立实时操作系统标准化组织o s e k ，并致力于实现控制程序界面的标准化l l 。 在美国，实时操作系统已经逐渐被引入控制系统的丌发。1 9 9 9 年，r 本丰罔公司的 t a k a s h is h i g e m a t s u 等人在新丌发的一款v 6 发动机的控制系统中使用了实时操作系 统。由于7 0 的代码是标准化的，缩短了玎发时闯，提高了软件质量【i “。 1 4 一体化控制的发展方向 汽车的发展经历了三大革命：动力革命、传动革命与控制革命。先进国家目前正 处于控制革命阶段，即自动控制阶段。从各总成的单独控制向动力传动系统一体化综 合控制；从一般控制向智能化、网络化控制发展。1 9 8 3 年，闩本丰田公司采用了新的 发动机电控系统t c c s ，浚系统可与电控机械式变速器e c 丁的电控系统进行信息交换， 从而实现动力一传动系统整体控制。1 9 9 4 年，丰阡 公司在其新研制的l e x u s ( 凌志) l s 4 0 0 型轿车上装备了带智能控制系统的一体化控制装置，实现了动力传动系统的智 能化控制。随着电子控制技术在汽车各个总成上的应用，车上的线束越来越多。至今， 一辆汽车所用信号线已达9 0 0 多根，预计将进一步发展到2 0 0 0 根左右。信号连接导线 已成为汽车轻量化的一个重大障碍。为此，目前世界上一些高档名牌汽车如b e n z 奔 驰、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、j a g u a r ( 美洲豹) 等都已丌始采用c a n 总线。利用c a n 总线，可以很容易实现发动机电控系统和变速器之间的数据传输，实 现资源共享f l 1 。 1 5 智能控制技术及其在动力传动系统中的应用现状 1 5 1 传统控制与智能控制 传统控制是基于模型的控制，为了控制必须建模，因为整个控制系统置于模型框 架下，丽利用传统的方法建模的精确度有限，加之又是采用固定的控制算法，缺乏灵 活性、应变性，因此在复杂对象的控制问题面前，传统控制显得力不从心，为此，把 人工智能的方法用于控制系统。将控制理论的分析和理论的洞察力与人工智能灵活的 框架结合起来，形成了智能控制。智能控制技术的主要内容包括模糊控制技术、基于 知识的专家控制、人工神经网络、遗传算法等相应的理论与技术。 智能控制的产生来源于被控制系统的高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来 越高的控制性能。被控系统的这种“三高三性”难以用精确的数学模型( 微分方程和 差分方程) 来描述。而作为智能控制方法之一的模糊控制与传统控制方法相比较，它 具有三个优点，一是可以从行为上模拟入的模糊推理和决策过程；二是不需要对象的 数学模型即可实现较好的控制；三是可以实现非线性控制任务，而常规控制器对非线 性特性通常难以实现控制要求。这三条优点赋予模糊控制强大的生命力。使的它从上 世纪7 0 年代投入实际应用以来，就受到人们的重视，几十年来在诸多领域获得了 成功的应用是理论研究与实际应用结合得较好的一门新兴的控制技术。 智能控制技术作为自动控制技术的前沿，以智能控制理论、计算机技术、人工智 能、运筹学为基础，适用于被控对象和环境具有未知或不确定因素，或者其数学模型 难以建立，或者其运行环境、工况发生不可预测的变化等场合。个好的智能控制系 统应能满足多目标与多性能指标要求，能利用知识进行推理和学习，能适应对象特性 和运行条件的变化，具有较好的鲁棒性、适应性、容错性、实时性和多样性。 1 5 2 智能控制理论的发展方向 目前，智能控制理论向着两个方向发展，一是就一个理论或方法本身的深入研究； 二是将不同的方法适当地结合在一起，相互取长补短，发挥各自的优势，形成新的综 合控制技术，获得单一方法所难以达到的效果。例如基于神经网络的自适应模糊控制、 基于遗传算法的模糊神经网络智能控制等智能控制中的混合算法1 2 0 1 | 2 l 。 1 5 。3 智能控制技术在汽车中的应用”2 | 汽车是一个复杂的多自出度系统。在外界不确定因素的作用下，其动念特性会发 生很大变化甚至失稳。许多专家学者都在寻求一种有效方法控制汽车的动念特性。使 之满足要求。由于智能控制的性能优于传统控制，因而在汽车领域得到广泛的应用。 目前，智能控制技术已经渗透到汽车的各个方面：如汽车的运动控制、驾驶员模 型、轮胎模型以及制动系统、悬架系统、转向系统、传动系统和发动机的控制等。 ( 1 ) 发动机控制 发动机技术决定和影响着整车基本技术的发展。出于激烈的市场竞争和新的燃油 排放标准的制定和实施，发动机技术已从单纯追求功率和可靠性转移到追求良好的燃 油经济性和降低公害方面。发动机的控制包括：燃油喷射控制、点火时刻控制、爆震 控制、怠速转速控制、废气再循环控制和空燃比闭环控制等。 9 0 年代初，菲亚特公司成功地实现了发动机怠速的模糊控制，三菱公司也不甘 落后，提出了相关计划进行大胆尝试。1 9 9 3 年，m a r t j n e z 和j 啪s h i d i 将模糊控制运 用到发动机中控制发动机怠速转速和空燃比。其结构原理如图l 4 所示。 ” a 幽i 4 模糊挣制发动甘l 的绪干 j 腺理幽 d i a g r a ml 一4s t i i i c t u l - eo ff u z z yc o n t i - o le n g i n e 该模糊控制器以输出的速度和加速度的误差为输入，经模糊运算得出一个合适油 门丌度值u 。 1 9 9 4 年，m a i o r s 等人成功地运用神经网络理论上实现了发动机燃料空气比的控 制。 ( 2 ) 传动系统控制 传动系是发动机与汽车车轮负载之间的动力传动装雹。该系统的任务是将动力 经济有效地传给驱动轮，满足使用要求。9 0 年代初，福特公司和宏达公司已就神经 网络和模糊逻辑系统在汽车的动态特性与控制中的应用进行了许多研究，同产公司 率先用模糊控制器控制汽车传动系的变速规律和防孢死制动系统的压力调制器。 1 9 9 0 年，s a k a i 等人考虑汽车上下坡行使条件，研究开发了变速规律模糊控制器。 其原理框图如图1 5 所示。该模糊控制器以汽车速度和加速度、油门丌度、道路阻 力、制动时问和当前变速情况为输入，经模糊运算后得出合适的换档值。 幽i - 5 传动系统梗猢挂制腺理| 堇i d i a g r a ml - 5p r l n c i p l eo r f u z z yc o n t o io r i r a n s m i s s i o ns y s t c m 1 6 本文研究的主要内容 本文根据汽车动力传动一体化控制过程中，实际存在的高度复杂性、高度不确定 性以及人们对汽车控制性能越来越高的要求，着重做了以下几方面的工作： ( 1 )围绕汽车动力传动系统一体化智能控制这一主题广泛收集了圜内外有关 的文献和资料，进行了系统的整理和概括总结，阐述了汽车动力传动一体化控制的概 念、发展方向以及其实现控制的必要性和可行性。总结了智能控制理论的发展方向以 及在汽车中的应用现状。 ( 2 ) 分析了汽车动力传动系统一体化控制的基本功能和基本构成，并对控制系 9 统换档过程进行了探索，提出了以换档时间、换档冲击度、换档时离合器的滑磨功以 及发动机转数波动量作为判断换档品质好坏的评价指标。 ( 3 ) 对各个厂家的、各种型号的m c u 进行了分析比较，并结合动力传动控制 系统具有的控制对象多且复杂和控制实时性要求高的特点，对m c u 进行了严格的选 型。对控制系统的硬件部分调理电路进行了详细的分析和设计。 ( 4 )分析了实时监控软件的作用。并设计了实时监控界面，完成数据的实时采 集、处理、显示和保存等功能。在进行控制软件设计时，提出了模块化的程序设计思 想，并完成了子程序。 ( 5 ) 详细的分析研究了发动机恢复供油规律、离合器结合规律和控制系统的换 档规律。并根据现代智能控制理论中的多级递阶控制理论，设计了三级递阶智能控制 器，实现了汽车动力传动一体化的智能控制。 ( 6 )以信号发生器输出波形来模拟转速传感器的输入信号，以开关式电磁阀的 丌关组合来模拟档位信号以电位计的滑片移动来模拟油门丌度和离合器的行程搭 建控制系统的试验台架，对控制系统的各项控制功能进行验证。 ( 7 ) 对控制系统的换档过程进行了s i m u j i n k 仿真，提出了仿真方法，建立了仿 真模型。 o 第二章汽车动力传动一体化控制系统分析 2 1 控制系统的基本功能 要完成控制任务。首先要明确控制系统的功能要求。在汽车动力传动一体化控制 系统中，要求完成的控制功能有以下几项： ( 1 ) 采集各种控制系统需要的参数信号 汽车动力传动一体化控制系统是一个十分复杂的系统，具有很强实时性、非线性 和不确定性，所以要满足对其复杂的运行工况的控制，需要采集很多的参数信号，一 般最主要的是需要车速信号、发动机转速信号、油门丌度信号、离合器行程信号和当 前所处档位信号等等。具体的情况在信号采集部分分析说明。 ( 2 ) 对输入参数进行分析处理 分析处理的过程即根据输入的参数信号进行分析判断，决定对发动机、离合器和 变速器的控制。将传感器采集到的信号经调理电路传送到电子控制单元e c u 中，由 e c u 对输入的参数信号进行处理，再把对各种参数的处理结果和事先在控制器中设 定好的控制算法进行比较，最终向执行机构输出相应的控制信号。本系统的控制算法 采用的是模糊控制的方法，该方法是利用熟练驾驶员的经验和模糊语言对可能的各种 情况进行定性的描述，并利用计算机语言写入模糊控制器，形成一套模糊控制规则， 然后根据此对目前的系统运行工况进行模糊推理，从而分别对发动机、离合器和换档 执行机构输出正确的控制信号。 ( 3 ) 驱动相应的执行机构动作 由控制器输出的控制信号必须经过驱动控制电路爿请2 有效地驱动执行机构动作。 执行机构还可以把此次执行的效果反馈给控制器，出控制器去总结处理。 2 2 控制系统的基本构成 控制系统的功能是依据驾驶员的意图和车辆行使环境的变化，自动调节基础传动 部件的传动比和工作状态，以实现传动系效率的最佳和车辆整体性能的最优。一般来 说，车辆控制系统主要由车辆数据采集系统( 传感器部分) 、电子控制单元、执行机 构三大部分组成。 ( 1 ) 车辆数据采集系统( 传感器部分) 的组成 在整个控制系统中，传感器部分的作用等于人工操作换档车辆情况下的驾驶员的 视觉、听觉和触觉系统，将各种换档所需的参数信号采集并传送到电子控制单元。 车辆是按照驾驶员的意图行使和工作的，车辆控制系统必须能够斧确识别和实现 驾驶员的操纵，不能改变驾驶员对车辆原有的操纵意图。驾驶员意图的识别是通过传 感器对车辆控制机构( 例如加速踏板、制动踏板、方向盘转角等) 的变化的测试，经 过分析获得的。 在汽车上使用的传感器主要有以下几种：磁电式传感器，磁阻式传感器，光电式 传感器。霍尔式传感器，热敏式传感器，变阻式传感器，压电晶体式传感器等等。在 动力传动系统中变速箱部分使用的传感器主要有：发动机转速传感器、车速传感器、 节气门开度传感器、离合器位移传感器等。其中发动机转速传感器、车速传感器使用 磁电式传感器和霍尔传感器等利用磁电信号原理的传感器，节气门开度传感器和离合 器位移传感器均使用变阻式传感器。 除传感器以外，其他信号通过开关或其他方式和控制器进行信号传递。常用的丌 关有多功能开关、强制低档丌关等等。丌关也是很重要的信号输入手段。 ( 2 ) 电子控制单元介绍 电子控制单元( e 1 e c t m n i cc o n t r o lu n i t ，e c u ) 是整个控制系统的核心。其功能是 依据驾驶员意图和车辆的运动状念参数检测与提供的信号，作出档位转换或工作状态 改变的决策。电子控制单元的主要功能有：信号采集和预处理、驾驶员操纵意图识别、 车辆状态识别、换档决策( 换档规律) 、换档品质控制、故障诊断功能、输出和显示 等功能。 典型的电子控制单元框图如图2 1 所示| 2 = ；| ： 幽2 l 赡型f | 勺i ur 斡制单“ d i a g m m2 l i i p i c a ie l e c 盯o nc o n l r 0 iu n “ 控制器的硬件系统从丌始到现在有了很大的发展。最初的控制器是查表式的只 是简单的根据输入信号查找数据表找到合适的档位。这种控制器的任务很简单，对硬 件的要求不高，一般使用8 位单片机，甚至使用了4 位单片机，比如早期7 0 年代的 换档控制器。随着控制理论和方法的进步，换档控制器需要实现的参数处理的要求也 1 2 大大增加了，比如使用模糊控制算法和神经网络算法的控制器，处理的参数比普通的 控制器需要处理的数据要多的多，处理的程序要复杂的多，模糊换档控制要求的c p u 至少是8 位的，而且对存储容量有较大的要求，在这种情况下，换档控制器的核心 m c u 开始更新换代。 新一代的控制器功能很全面、控制性能也非常好。在这些控制器中使用了高性能 的1 6 位微处理器或3 2 位微处理器，有些控制器甚至使用了定制的微处理器包含了 控制需要的大部分功能，简化了控制电路丽且增强了电路韵功能和可靠性。比如日本 的j a t c o 公司的产品都是使用n e c 和m 0 1 的r o l a l 6 位和3 2 位徽处理器的；德国 的z f 公司使用m o t o r o l a 的3 2 位p o w e r p c 微处理器开发了5 档自动变速箱一 5 h p l 9 的换档控制器。由于控制器的微处理器的更新换代，使换档控制的算法可以比 较复杂，而且由于处理器的外围电路的扩展，使得输入输出功能更加强劲。由于处理 能力的极大提高，为了使控制性能也可以获得更大的提高，在这些控制器中不仅仅只 有控制程序了，有的在控制器中使用了嵌入式实时操作系统。 ( 3 ) 执行机构介绍 控制系统在采样获得输入信号以后，送到控制器进行数据处理，数据处理结束以 后，电子控制单元的控制信号将通过执行机构实现对动力传动系统的工作状态的改 变，保证对车辆性能的控制。同时执行机构还要保证换档品质的控制。实现档位切换 的执行机构一般都使用电磁阀。 2 3 离合器简介 2 3 1 接合过程分析 汽车动力传动系统换档时，离合器的接合分为三个阶段：空行程阶段、滑磨阶段、 无滑磨阶段。其行程大小和传递转矩的关系如图2 2 所示： l ji n 8 。广儿 6 4 。已 i 三| 。i 。el 五】 圈2 2 离台罂转矩传递能力与行程关系圈 d i a g r 硼2 2r e l a t i o n s h i po ft o r q u et r a n m i s s i o n 舯dl o c a t i o no fc l u c t h 1 3 在空行程阶段，离合器不传递转矩，此阶段内不管离合器的接合速度如何都不会 在传动系中引起冲击，也不会增加滑磨功，因此应以最快的速度结束空行程阶段，以 减少换档时间。 在滑磨阶段，主从动片产生滑磨，开始产生转矩而且转矩将随着离合器行程的加 大而增加，直到克服最大的滚动阻力，使车辆丌始运动，在此阶段内离合器的接合情 况将对整个控制系统产生非常重要的影响。实际上，滑磨阶段又分为两个阶段：第一 阶段为从消除问隙后到摩擦力矩等于负载力矩的时刻，此时车辆处于将要运动的一瞬 | 1 | j ：第二阶段为从车辆丌始运动到离合器主从动轴同步为止。如果把车辆开始运动时 离合器的行程定为半接合点，那么离合器半接合点的值是随负载的不同而变化的。路 面阻力大时，半接合点的值相应较大：反之，路面阻力小，半接合点的值相应较小。 目前半接合点的精确钡4 量是个难点，现有的测量方式都在不同程度上造成离合器控 制的超调。计算半接合点如果采用传统算法是无法建立起它的数学模型的，针对这个 特点，用模糊控制的方法计算半接台点是比较理想的，因此，离合器的半接合点可以 定为模糊控制的输出之一。 到同步接合阶段，滑磨已经停止，转矩不再增长，离合器的接合对换档己无任何 影响，应尽快结束。 2 3 2 离合器的控制目标 车辆起步过程中离合器的模糊控制能够保证车辆自适应驾驶员的意图顺利起步。 具体表现在：当驾驶员油门踩得较大而且油门踩得较快时，意味着此时驾驶员想快速 起步或此时地面阻力较大，所以离合器的接合速度应较快：反之，当油门踩得较小而 且油门踩得较慢时，意味着驾驶员想平稳起步或者此时路面阻力较小故离合器的接 合速度应较慢。处于这两种条件之间的情况又可分为无数种，结论既非线性，种类也 非常繁多。因此，应用模糊控制的目的是为了实现在不同的驾驶员意图和不同的路面 环境下离