AMT电动换档控制策略设计毕业论文.doc

哈尔滨工业大学本科生毕业论文（设计）AMT电动换档控制策略设计毕业论文目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的意义11.2 电控机械式自动变速系统原理及结构型式11.3 AMT换档决策控制国内外研究现状21.4 混合动力AMT31.5 课题的研究对象和研究内容41.5.1 课题的研究对象41.5.2 本文主要研究内容4第2章 发动机性能的研究62.1 车辆基本参数62.2 发动机性能研究62.2.1 发动机的速度特性62.2.2 非稳态工况下发动机性能的修正82.2.3 发动机油耗模型92.3 本章小结10第3章 AMT基本换档规律113.1 动力性升档规律113.2 动力性降档规律143.3 最佳经济性换档规律153.3.1 发动机负荷特性153.3.2 汽车的燃油消耗方程163.3.3 最佳燃油经济性理论分析163.3.4 最佳燃油经济性换档规律的制定163.4 本章小结19第4章 驾驶意图及行驶环境的识别204.1 驾驶员汽车行驶环境闭环系统204.2 驾驶操纵行为特性识别214.3 驾驶意图的识别224.4 行驶环境的识别224.4.1 道路条件与坡道识别234.4.2 弯道识别244.4.3 基于模糊逻辑的路面状况识别254.5 本章小结25第5章 AMT系统综合换档控制策略265.1 换档控制策略设计原则265.1.1 行驶工况的划分265.1.2 换档策略制定总体原则265.2 基于不同道路条件下的综合换档控制策略275.2.1 良好路段275.2.2 复杂路段275.2.3 颠簸路段275.2.4 陡坡（上坡）路段285.2.5 陡坡（下坡）路段285.2.6 转弯路段295.3 基于不同驾驶意图的综合换档控制策略295.3.1 超车295.3.2 加速295.3.3 减速305.3.4 滑行305.3.5 停车305.4 传动系统建模和特殊工况仿真305.4.1 传动系统仿真模型305.4.2 特殊工况仿真315.5 智能化综合换档控制355.5.1 最佳档位决策系统355.5.2 综合智能档位决策365.6 本章小结38第6章 AMT电控系统开发396.1 电控系统硬件总体结构396.2 电控系统软件设计396.2.1 AMT系统的主程序设计406.2.2 AMT系统的子程序设计406.3 本章小结47结论48致谢49参考文献50- III -第1章 绪论1.1 课题研究的意义电控机械式自动变速器(AMT)采用固定轴齿轮传动方式，具有效率高、体积小、机构简单、生产和维修成本低等优点，容易推广使用，在发展混合动力汽车方面具有很大优势。但只有具有高换档品质才具有竞争力，因此研究AMT控制策略，提高AMT换档品质非常重要。AMT的换档控制过程复杂，要通过协调发动机、离合器及变速器等一系列动作来实现平稳换档，同时还要考虑离合器的滑摩和发动机运行的波动情况，所以换档控制是AMT的核心内容也是难点12。换档规律是指选择什么样的换档控制参数，在何时进行换档。换档规律的好坏直接影响车辆的燃油经济性和动力性的优劣，是AMT控制策略的关键问题之一。智能化的自动变速系统中换档规律的制定，尤其是特殊条件下的换档规律研究，作为智能化系统的核心内容，无论从理论还是实际的角度出发，都具有很高的研究和应用价值。本论文正是基于上述原因，针对TJ7101轿车的电控机械式自动变速系统中的换档规律和控制策略进行研究，主要研究内容集中在换档规律的制定和其在特殊条件下的修正以及综合换档控制。1.2 电控机械式自动变速系统原理及结构型式AMT是在传统固定轴式手动变速器和干式离合器的基础上，以发动机电子控制单元(ECU)和变速器电子控制单元(TCU)为核心，通过电动、液压或气动执行机构控制离合器的分离与结合、选档和换档操作以及发动机节气门的调节，取消了离合器踏板和档位操纵杆，实现车辆起步和换档的自动操作。AMT系统组成及控制原理如图1-1所示3，变速器电控单元TCU根据传感器实时采集的驾驶员的操纵参数信息（油门踏板、制动踏板、转向盘、选档器的操纵）和车辆的运行状态参数信息（车速、发动机转速、变速器输入轴转速），进行综合判断和处理，按照控制器中存储的控制规律，发出控制指令，借助于相应的执行机构，对车辆的动力传动系统（发动机、离合器、发动机等）进行联合自动操纵。发动机离合器变速器车轮发动机转速传感器节气门位置传感器离合器位置传感器车速传感器 中间轴转速传感器离合器执行机构节气门控制执行机构选换档执行机构TCU选换档、加速踏板、制动踏板、方向盘图1-1 AMT系统组成及控制原理1.3 AMT换档决策控制国内外研究现状智能化操纵是车辆发展的重要方向，而智能化换档是车辆智能化的关键。随着智能控制理论的发展，出现了综合利用道路环境，驾驶员特点和车辆运行状况等信息的智能化档位决策。智能化的档位决策主要有两种方法，一种是基于神经网络理论，另一种是基于模糊逻辑的综合能力。神经网络理论是智能控制理论的重要组成部分。它可直接用驾驶员换档时所获得的数据对神经网络进行离线训练或在线的最佳换档点学习，从而得到最佳换档规律。模糊逻辑综合智能档位决策方法是基于档位决策必须综合考虑车辆行驶的状态、道路环境和驾驶员操作意图等方面的信息，使车辆换档具有能模仿优秀驾驶员档位决策能力的思想。国外的研究机构在智能化的档位决策研究方面近年来取得多方面的进展。两参数换档规律是以稳定行驶为前提的，它没有很好地解决在坡道等道路环境下的意外换档问题，日本学者Sasaki等采用模糊换档策略，增加了模糊的坡道信息，修正了两参数换档规律，成功解决了AMT车辆在坡道不能正确执行驾驶员意图的问题。Hiroshi Yamaguchi4，迟田博，平子敦史等在一些文章中提出了利用环境信息和驾驶员意图估计值对一般换档规律判断结果进行修正，以提前或推迟换档的方法。其给出的实验结果表明在一些特定路面上体现出比一般传统换档规律更好的特性。最典型的优点是减少了多余的换档次数。SSakaguchi等人56在分析人的思维特点基础上，提出了模拟驾驶员潜在意识作用与知识的利用同时存在的过程，充分利用车辆行驶状态及环境信息，实现自动变速器档位决策的思路。这是一个利用模糊逻辑实现档位决策专家系统的方法。文中给出的实验表明其比一般传统换档规律有更好的总体经济性。HGWeil在文献7中提出了一个自动变速器档位决策的模糊专家系统模型，并进行了仿真研究。Bastian在文献8中对弯道情况自动变速器档位选择问题进行了研究。提出判断是否进入弯道的模糊估计器。分析了两种类型驾驶员（运动型，一般型）在弯道运行时换档的操作特征。提出了自动变速器电控系统与GPS（全球定位系统）共享信息，提高自动变速系统有关环境的信息量的思想。酒井伊知郎在其论文中提出了一种使用模糊推理的，模拟驾驶员的档位选择策略，并提出利用环境信息提高档位决策品质的思路。我国在八十年代中期开始AMT的研究工作，主要集中在吉林工业大学等单位进行这方面的技术开发和理论研究工作。开始阶段，吉林工业大学主要从事理论研究，以后逐渐向产品化方向发展，目前已经成功的开发多种样车，并实现了产品化。在这期间，先后进行了动态三参数换档规律，离合器结合规律，离合器、变速器控制，动力传动系统动态闭环控制，测试方法，电磁兼容，路面、驾驶员意图识别，控制系统故障诊断技术等方面的研究，这些工作使这项技术处于领先水平。1.4 混合动力AMT为了人类能更好的生活，实现可持续发展，各国政府都积极寻找新技术以改善由传统汽车使用带来的能源短缺和环境污染等问题。混合动力汽车(HEV)是当前解决以上问题最佳的途径，我国政府在2004年颁布的汽车产业发展政策中指出，国家采取措施重点发展混合动力汽车技术，促进混合动力汽车的生产和使用。混合动力汽车是高度集成，多系统协调工作的集成控制系统。为适应混合动力汽车多能源牵动的自动耦合，满足混合动力汽车适应不同工况的行驶要求，进而提高整车的经济性、动力性，改善排放品质，采用由电控单元ECU控制的自动变速器就成为必然。基于开发周期、开发成本和整车布置的考虑，在原来手动变速器的基础上开发完成的AMT的方案无疑是最佳的方案。1.5 课题的研究对象和研究内容1.5.1 课题的研究对象本文的研究对象为基于TJ7101两厢车改装的混合动力汽车，其驱动形式采用双轴驱动，即发动机单独驱动前轮，电动机单独驱动后轮，而且二者之间还可以通过整车控制器(VCU)控制，同时驱动汽车前后轮，形成一个全新的随选四驱混合动力车9，如图1-2所示。- 、6 + 前轮3 45782后轮1 图1-2 双轴驱动混合动力轿车系统结构简图1变速器 2发电机 3电网 4内外两用充电器，可接电网充电5电动机 6减速器 7镍氢电池 8发动机1.5.2 本文主要研究内容针对夏利TJ7101混合动力汽车变速器应用特点，设计电动操纵AMT的控制策略和控制器，以便实现对AMT的自动控制。具体内容如下：(1) 利用发动机台架试验数据，采用曲线拟合的方法构造出发动机的数值模型；(2) 通过对影响车辆动力性和燃油经济性的因素进行分析，推导了最佳动力性和最佳燃油经济性换档规律的制定方法；(3) 以动力性换档规律为基础，分别制定了多种特殊道路条件下和特殊驾驶员意图条件下的多个修正原则和参数修正后的动力性换档控制规律；(4) 对人车路闭环条件下AMT系统智能换档控制进行研究，建立基于不同驾驶意图和道路条件下的智能换档控制策略，以保证在各种道路和不同操纵意图下，车辆始终处于最佳档位运行；(5) 进行了电子控制单元的软硬件设计，选用PIC16F877A单片机，按照AMT控制系统的要求，进行了软件流程的设计。第2章 发动机性能的研究2.1 车辆基本参数本文研究的对象系TJ7101轿车，其变速箱共设四个前进档。各档的变速比如表2-1所示。表2-1 各档速比表档位一档二档三档四档速比3.0901.8421.2300.864车辆的其它结构和性能参数：总质量=1090，主减速比为=4.5，迎风面积=1.7，空气阻力系数=0.32，轮胎半径=0.274，发动机最小转速为1000，最大转速为6000。2.2 发动机性能研究本文采用TJ376QE汽油发动机，对其基本性能进行研究。2.2.1 发动机的速度特性发动机的速度特性表示的是发动机的动力性能与经济性能随转速的变化关系（以动力性能为主）。它包括全负荷时的速度特性（外特性）和部分负荷时的速度特性（部分特性）两大类。前者为发动机在节气门全开时的最大作功能力以及对应的经济性能，后者为节气门处于部分开启状况时发动机所表现的各项性能指标10。将发动机节气门全开时，扭矩Te、功率Pe以及燃油消耗率与发动机转速之间的函数关系以曲线表示，此特性曲线称为发动机外特性曲线。图2-1为TJ376QE发动机的外特性曲线。发动机的最小稳定工作转速=1000rpm。由图可见，随着发动机转速增加，发动机发出的扭矩和功率都在增加，最大扭矩时的发动机转速为=3600rpm。再增加发动机转速时Te开始下降；而功率继续增加，一直到最大功率=39，此时发动机转速为rpm。图2-1 TJ376QE发动机的外特性若扭矩的单位以表示，功率的单位以表示，转速的单位以rpm表示，则功率与扭矩有如下关系10：(2-1)发动机节气门部分开启时，Te、Pe以及b与ne之间的函数关系曲线称为发动机部分负荷特性曲线。图2-2为TJ376QE发动机外特性及部分特性的扭矩与功率曲线。各条曲线代表不同的节气门开度。给定发动机节气门开度和转速即可确定在稳态工况下的输出扭矩如图2-3所示。由图2-3中明显可以看出，在发动机油门开度比较大的情况下，油门开度的变化对发动机的输出转矩的影响不明显；而在油门开度相对较小的情况下，发动机转矩的变化受油门开度变化的影响比较明显。图2-2 TJ376QE发动机的外特性和部分特性图2-3 TJ376QE发动机的稳态输出扭矩2.2.2 非稳态工况下发动机性能的修正发动机大部分时间处于非稳态工况。研究表明，非稳态工况下发动机的特性与稳态工况下发动机特性是不同的。当汽车加速时，由于混合气浓度逐渐变稀，致使发动机扭矩比稳态工况下的扭矩低，发动机扭矩下降量与曲轴角加速度近似成线性关系，并且下降量不超过发动机最大扭矩的4%5%。同理，当汽车减速时，由于混合气浓度逐渐变浓，使发动机扭矩比稳态工况下的扭矩高，扭矩上升量与曲轴减速度也近似成线性关系。因此，可以采用修正系数的方法来对发动机稳态工况下的输出扭矩进行修正并作为非稳态工况下的输出扭矩。即发动机的动态输出扭矩为11：(2-2)式中 发动机动态输出扭矩，Nm；发动机稳态输出扭矩，Nm；发动机曲轴角加速度，；非稳态工况下发动机输出扭矩下降系数，对不同的发动机而言，是不同的。2.2.3 发动机油耗模型发动机负荷特性曲线给出了在不同发动机转速下负荷与有效燃油消耗率的关系。根据每个发动机转速下的负荷特性曲线获得不同转速下发动机转矩与比油耗的关系：，绘制发动机负荷特性图，如图2-4所示。图2-4 TJ376QE发动机负荷特性图由于发动机动态特性对发动机的燃油消耗率影响不大，因此，可以用发动机稳态下的油耗量近似代替其动态的燃油消耗量。利用插值拟合12出如图2-5所示的关于发动机有效燃油消耗率与发动机转速及扭矩的关系曲面，即发动机油耗的数值模型。图2-5 TJ376QE发动机燃油消耗模型2.3 本章小结本章根据发动机性能试验数据，分析了发动机的速度特性和负荷特性，同时构造了发动机转矩模型和燃油消耗模型，为下章最佳动力性和经济性换档规律的制定提供了条件。第3章 AMT基本换档规律自动换档就是根据车辆控制参数的变化，按照预先制定的换档规律实现档位的自动控制。本文的研究对象是双轴驱动混合动力轿车，发动机为主动力源，电动机提供辅助动力，由整车控制策略（本组同学李焕的论文）知：汽车在大部分时间内都运行在发动机单独驱动状态下，只是在一些特殊的工况下（起步、爬坡、超车、制动）由电动机或混合动力驱动，并且持续的时间很短，因此本文只针对发动机单独驱动设计最佳换档规律。而纯电动和混合驱动状态下动力性和经济性，由整车的能量管理策略控制。换档规律根据控制参数的不同有三种类型。单参数，多为车速；两参数，多为车速与节气门开度；动态三参数，多为车速、节气门开度和加速度。单参数和两参数换档控制都是以车辆稳定行驶条件为前提的，实际上换档过程车辆处于非稳定状态，按稳定状态得到的换档规律会产生较大的误差。而动态三参数控制可较好的反映真实的动态过程，使车辆真正发挥最佳性能，因此本文采用动态三参数换档控制。3.1 动力性升档规律动力性换档要求车辆的牵引特性得到最好的利用，充分发挥发动机的功率潜力，以便获得优异的加速性、爬坡能力，提高平均行驶车速。因此，汽车应尽可能在较低档位行驶。已知的动力性换档升档点的选择通常有两种方法13：动态驱动力曲线法是以同一车速下各档驱动力的大小作为换档依据的方法；另一种是以同一车速下各档加速度大小作为换档依据。由于各档转动惯量不同，驱动力大时加速度不一定大，因此，本文采用加速度法来求解动力性换档规律。动力性换档规律按档位升降分可分为升档规律和降档规律，升档规律是降档规律获取的前提，两者相结合成完整的动力性换档规律。首先确定动力性升档规律，然后在此基础上获取相应的降档规律。动力性升档规律的确定采用以下的策略：(1) 在同一油门开度下，若相邻档的加速度特性曲线相交，且交点不为负，则取各档交点为换档点。(2) 在同一油门开度下，若相邻档的加速度特性曲线不相交，则取各档的最高车速为换档点(边界点)。在边界点升档后，驱动力将变小，加速度将降低，会导致车速下降，造成换档循环或发动机熄火。因此，必须满足以下边界换档点升档规则14：若升档后，车辆加速度，则升档。若升档后，车辆加速度，则保持原档。根据汽车动力学方程10：(3-1)式中 ig、变速箱和主减速器速比；变速箱机械传动效率；发动机的输出转矩，Nm；轮胎半径，；汽车旋转质量换算系数，n1；空气阻力，N；Ff 滚动阻力，N；坡度阻力，N；各阻力表示如下10：(3-2)式中 空气阻力系数；迎风面积，；汽车的行驶速度，。(3-3)式中 汽车质量，；车辆低速行驶且无侧向力时，从动状态车轮的滚动阻力系数。(3-4)式中 道路坡度。汽车质量换算系数主要与飞轮的转动惯量If、车轮的转动惯量以及传动系统的传动比有关，其计算式为(3-5)当不知道准确的飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量值时，可按经验公式7(3-6)估算。其中，本文取。则车辆加速度计算如下：(3-7)对于动力性换挡规律可以用如下方程求得最佳换挡点，即(3-8)式中 换挡前挡速度，；换挡后+1挡速度，。将式(3-7)代入上式，并假设坡度很小，换挡前后车速、滚动阻力系数和道路坡度均不发生变化，可得：(3-9)其中是随发动机油门开度和转速变化而变化的，如图2-3，。对于水平路面，取=0.9，=0.018。根据上述的升档策略及公式推导，由Matlab编制程序可获得各个档位下的换档点，去除因测试数据引起的不合理结果，得到升档控制规律如图3-1中所示。图3-1升档规律曲线3.2 动力性降档规律动力性降档规律是在动力性升档规律的基础上选择合适的收敛程度来进行计算，动力性降档规律的确定采用以下的控制策略：(1) 为了避免循环换档，降档车速要比对应的升档车速低28km/h14。(2) 为了避免发动机熄火，档的降档车速必须大于、等于档的最小车速。本文采用收敛型换档规律。收敛型的概念是换档延迟随油门开度增大而减小，呈收敛状分布。这种换档规律在大油门时降档速差最小，升降档都有较好的功率利用，动力性好，减小油门时，延迟增大，避免过多的换档，且发动机可以在较低的转速下工作，燃料经济性好，噪声低，行驶平稳舒适。换档规律的收敛程度用进行评价13(3-10)式中 全开油门时，挡换入()挡时的车速，；全开油门时，()挡降到挡时的车速，。通常的取值应该小于0.40.45，由式(3-10)得(3-11)在已知各油门开度下升挡车速的基础上，由式(3-11)即可求得相应的降档线（如图3-2）。图3-2 降档规律曲线本文在小油门开度（油门开度小于10%）时取K=0.4，在10%34%油门开度时取K=0.35，在大油门开度（油门开度大于37%）油门开度时取K=0.3。其中，在小油门开度下的降档曲线都应大于各档的最小速度，避免发动机熄火。为了更符合动力性换档的要求，在油门开度大于55%时，应该提供超车和加速的强制低档的控制规则。因此，设置55%油门和大于55%油门的情况K取0.1，换档规则有强制低档控制线来使车辆有更好的动力性。所得的降档规律如图3-2所示。3.3 最佳经济性换档规律最佳燃油经济性换档规律就是使自动变速器能够以最经济的换档点进行换档操作，以达到降低燃油消耗的目的。目前，自动变速器上应用的最佳燃油经济性换档规律，包括两参数最佳燃油经济性换档规律和动态三参数最佳燃油经济性换档规律。其中，后者考虑了发动机的动态特性，试验表明15，这种换档规律可获得明显优于前者的汽车性能。但是文献15所介绍的动态三参数最佳燃油经济性换档规律制定方法较为复杂，不易实现，本文通过对发动机燃油消耗特性的研究，提出了一种较为简单的动态三参数最佳燃油经济性换档规律制定方法。3.3.1 发动机负荷特性发动机的负荷特性如图2-5所示，可知燃油消耗率是发动机转矩和转速的函数，即：(3-12)发动机的转矩特性如图2-3所示，可知发动机转矩是发动机转速和油门开度的函数，即：(3-13)同时发动机转速与汽车行驶速度有如下关系式：(3-14)利用式(3-12)(3-14)可以得到燃油消耗率与行驶速度及油门开度的对应关系，即(3-15)由式(3-15)可以得到在定油门开度下燃油消耗率随行驶速度变化的函数。3.3.2 汽车的燃油消耗方程根据发动机原理及汽车动力学10，可以得到燃油消耗量与发动机经济性、汽车结构参数及环境条件间的关系式为(3-16)式中 动态小时燃油消耗量，kg/h。根据文献10中的计算式可知，式(3-16)即为汽车的燃油消耗量方程式，它基本包括了影响汽车燃油消耗量的所有因素。3.3.3 最佳燃油经济性理论分析通过对发动机燃油特性的分析可见，汽车的燃油消耗量不仅与发动机负荷特性有关，还受到道路阻力、空气阻力以及加速阻力的影响，因此为了制定最佳的燃油消耗换挡规律，应全面考察这些因素。发动机小时燃油消耗量与汽车燃油消耗量(kg)的关系为(3-17)当加速度取定值时，设，则可以得到燃油消耗量的计算式：(3-18)从上式可以看出，要使燃油消耗量最小就是要使式(3-18)的积分结果最小，即要使图3-3中同一油门下小时燃油消耗曲线与横轴所围的面积最小16。3.3.4 最佳燃油经济性换档规律的制定从理论分析可知，为保证汽车的最佳燃油经济性，在小时燃油消耗曲线图上，同一油门下相邻两档小时燃油消耗曲线的交点即为汽车在该行驶条件下燃油经济性最佳的换档点，即满足(3-19)式中 、档和+1档的小时燃油消耗，kg/h。BC A2档 3档 1档 4档 图3-3 小时燃油消耗与速度的关系曲线示意图将式(3-16)代入式(3-19)，可得(3-20)式中 、档和+1档的燃油消耗率(g/kWh)及旋转质量换算系数。在坡度较大的道路行驶时，通常不考虑经济性而以动力性为主，只有在较小的坡度下才应用最佳燃油经济性换挡规律，这由ECU(electronic control unit)根据采集的坡度信息进行换挡规律的选择控制。故制定最佳燃油经济性换挡规律时可以不考虑坡度的影响，即取坡度=0，从而式(3-20)得到简化。又根据式(3-15)，在一定油门下各档的燃油消耗率是行驶速度的函数，通常将其取为二次函数，即(3-21)式中，、均为档燃油消耗率函数的系数。同时，根据汽车动力学知识10，滚动阻力系数与行驶速度有如下关系，即(3-22)考虑式(3-21)、式(3-22)及坡度=0，则通过对式(3-20)进行整理可以得到如下的四次方程：(3-23)式中，A、B、C、D、E为方程的系数，均为汽车结构参数、行驶环境参数以及车辆加速度的函数。解方程(3-23)，若求得的根小于该档的最大行驶车速且大于下一档的最小行驶车速，则此根即为最佳燃油经济性换档车速，如图3-3中C点。若不满足上述条件，如果求得的根为图3-3中2档与3档间的状态，则B点速度值为最佳燃油经济性换档车速；如果求得的根为图3-3中1档与2档间的状态，则A点速度值为最佳燃油经济性换挡车速。根据上述的最佳经济性换档策略及公式推导，由Matlab编制程序可获得各个档位下的换档点。对于经济性换档规律可以采用等延迟型降档控制策略，即对于档位较低的情况下，延迟的幅度要相对较小，可选取-3km/h。对于相对高的档位则选取比较大的延迟幅度，以避免换档频繁出现，选取-5km/h，从而可得到最佳经济性换档规律的换档曲线。如图3-4所示（=0）图3-4 最佳经济性换档规律3.4 本章小结本章制定了发动机单独工作时AMT的最佳动力性和经济性换档规律。根据加速度法制定了最佳动力性换档规律；根据发动机的燃油消耗特性制定了一种较为简易的最佳经济性换档规律。第4章 驾驶意图及行驶环境的识别行驶的车辆是一个由驾驶员车辆道路环境构成的闭环系统，车辆的行驶状态受到驾驶员、车辆状况和行驶环境的共同影响17。智能化自动变速系统18应能根据驾驶员意图、车辆运行状况和复杂多变的行驶环境，通过对各种传感器采集到的信息进行综合分析判断，确定最佳控制方式，通过执行机构对发动机、离合器和变速器进行相应的操纵，保证车辆以综合最佳的性能运行。为使AMT车辆能自动适应多变环境条件、车辆状况和不同的驾驶意图，必须获得能够正确反映环境条件、车辆状况和驾驶意图的信息，作为控制系统的输入量，控制系统对这些输入量还要进行处理、识别和综合判断，得到能够准确表达行驶环境、车辆状况和驾驶意图的量化数据，才能进行相应的控制。由于AMT中取消了离合器踏板，驾驶员只能通过操纵加速踏板来表达驾驶意图，有限的输入对控制系统获取驾驶员真正的操纵意图带来了困难。负载条件、道路条件、气候条件及车辆磨损状况是多变的，有时还存在非常复杂的耦合关系，因此如何通过输入信息对驾驶意图、行驶环境和车辆状况进行正确的识别和判断是实现基于人车路闭环系统自动变速智能化控制的前提和关键。4.1 驾驶员汽车行驶环境闭环系统行驶中的汽车是一个由驾驶员汽车行驶环境构成的闭环系统，它们三者间的关系见图4-1所示。在这个系统中，驾驶员的操纵方式和汽车的行驶环境决定了汽车的行驶状态。驾驶员通过对外界环境和汽车行驶状态的感知和判断，通过油门踏板、制动踏板和方向盘，来操纵车辆按其意图进行行驶。驾驶员的操纵反映了其对汽车的行驶状态和外界环境的感知和认定，因此可以通过对汽车行驶状态的检测和对驾驶员操纵行为的推理，来预测驾驶员的意图和外界环境。基于以上原理，通过对自动变速器上的通用传感器来获知汽车的行驶状态参数和驾驶员的操纵特征参数，如油门踏板开度及其变化率、制动踏板开度，以及车速和车辆加速度等参数，以此来推理驾驶员的操纵意图和外界环境19。驾驶员认知判断操纵汽车油门踏板制动踏板方向盘汽车动态响应 行驶环境图4-1 驾驶员汽车行驶环境闭环系统4.2 驾驶操纵行为特性识别驾驶员作为车辆操纵的主体，其行为特性直接影响到车辆的行驶状态，同时驾驶员的操作动作也是AMT智能控制系统所需的最重要的输入参数之一，与行驶环境条件、车辆状况的相互影响具有非常密切的关系。在AMT车辆上，驾驶操纵行为可通过对加速踏板和制动踏板的操作来体现。不同的驾驶员有不同的驾驶风格和意愿，有人喜欢强劲加速与减速，注重车辆的动力性；有人喜欢轻柔平稳加速与减速，注重行车过程的经济性。表现在控制系统中就需要针对不同的驾驶意愿和习惯采取不同的起步和换档控制策略来满足不同的驾驶要求。目前大多数自动变速系统为适应不同的驾驶意愿，设置了运动型和经济型转换开关，驾驶员通过操纵换挡手柄上的按钮可实现运动型、经济型换挡模式的切换。但转换开关的设置，不但增加了驾驶员的操纵负担，而且不同驾驶员的驾驶风格也不能仅仅分为这两种极端情况，因此不能满足车辆不同工况下的实际控制要求。为了适应不同类型驾驶员对车辆控制的要求，实现智能化控制，根据不同类型驾驶员加速踏板踩下的程度和加速踏板角度变化率，以及制动时汽车减速度的差异，通过模糊推理，可将驾驶操纵行为特性用一个量化的参数来表示。通过该量化参数可确定驾驶员属于哪种类型，然后对控制策略进行修正，获得理想的控制效果。驾驶操纵行为特性可采用模糊推理的方法获得17，模糊推理器如图3-2，推理器的输入为驾驶员的操纵特征参数加速踏板角度及其变化率和制动时汽车的减速度，推理器的输出为驾驶员类型的量化参数。图中，为加速踏板角度，为踏板角度变化率，为制动时的汽车减速度，drive为驾驶员类型参数。模糊推理器精确化处理 模糊化处理图 4-2驾驶操纵行为特性模糊推理4.3 驾驶意图的识别驾驶员意图可划分为：巡航、加速、减速、超车、停车、滑行、冲坡、进入弯道等。这些意图通过车辆运行参数以及驾驶员对加速踏板、制动踏板操作的不同来体现。因此可根据对驾驶员驾驶经验的总结，得到控制规则，通过模糊逻辑判断进行驾驶意图的识别。驾驶意图的模糊特征的划分见表4-111。表4-1 驾驶意图模糊特征特 征节气门开度 节气门开度变化率 车速加速度制动强度进入弯道负中正小超 车正大正大正大加 速 正小、正中巡 航 正中正小、零、负小减 速 负小、负中零、正小滑 行 负大、负中正大、正中 零冲 坡 正中、正大正中、正大 停 车 零正中、正大 4.4 行驶环境的识别车辆的行驶环境差别很大。不仅路面类型复杂多样，有上坡、下坡、转弯等，同样的路面类型条件下，因交通流状况(车辆和行人的多少)的不同，对车辆行驶有不同的要求。路面状况的差异，对车辆起步和换挡的要求产生较大差别。当路面状况良好，行人、车辆稀少时，车辆可处于高档高速状态行驶，而在同样的路面条件下，当人、车较多时车只能低档缓慢行驶。为了使自动变速控制系统能根据不同的行驶环境，采取不同的控制策略，实现基于环境条件下的智能控制，行驶环境的识别是先决条件，必须建立一种行驶环境识别体系。4.4.1 道路条件与坡道识别车辆在行驶中，道路坡度对换档控制策略有较大的影响，动态识别道路坡度的大小是电控机械自动变速车辆实现智能换挡控制的重要环节之一。也是目前的一大技术难题。基于车辆纵向动力学的间接识别方法不需要外加传感器，仅利用车辆运行参数，通过查表的方式获得当前的行驶坡度，是一种简单有效的坡度识别方法20。其基本原理是：根据车辆运动方程10(4-1)其中驱动力(4-2)空气阻力(4-3)滚动阻力(4-4)坡道阻力(4-5)加速阻力(4-6)与道路坡度相关的信息包括滚动阻力和坡道阻力，在车辆行驶过程中这两者往往难于区分，两者之和称为道路阻力，表示为：(4-7)定义综合阻力系数(4-8)因此对于不同路面条件可采用综合道路阻力系数来辨识。车辆行驶过程中，道路阻力系数的变化可通过对加速踏板角度、档位、车载、车速、车辆加速度的监测结果来获得：(4-9)为了对道路条件进行判断，需要对道路阻力系数等级进行划分（表4-211）。对良好沥青或混凝土水平路面，当取滚动阻力系数为0.015时，由式(4-8)可得到对应的坡度角（表4-311）。表4-2 道路阻力系数等级划分等级负 大负 中负 小正 小正 中正 大数值-0.10-0.05-0.10-0.05-0.010.0100.0500.0500.1000.100表4-3 坡度角与道路阻力系数道路阻力系数0.0150.1020.1880.2730.3560.513坡度角（）05101520304.4.2 弯道识别弯道识别有两种方法，采用角位移传感器直接测量的方法和根据驾驶操作及车辆运行参数推理判断的间接方法。直接测量法需在转向系统中增加角位移传感器，对于电控电动助力转向系统(EPS)，可很方便的利用已有角位移传感器，直接获取弯道信号。间接方法则是根据车辆转弯时的节气门开度及其变化率、车速、制定踏板信号来推理驾驶员的减速意图，通常驾驶员的减速操作包括停车前减速和进入弯道减速，两者之间往往较难区分。停车减速的特征是加速踏板很快完全抬起，并有持续时间较长的制动信号，车速降低较快。进入弯道前的减速的操作特征为抬起加速踏板，短暂轻踩制动踏板，车速降低较小。根据停车减速和进入弯道减速驾驶员操作特征和车辆运行参数的变化，通过综合推理判断，既可对弯道进行识别。4.4.3 基于模糊逻辑的路面状况识别通过对不同路面状况下驾驶员操作经验的分析，得到根据驾驶员操作特征识别路面状况的模糊逻辑表4-411，按照驾驶员操纵特征的模糊逻辑判断，便可对路面状况进行识别。表4-4 路面情况与司机操作特征表节气门开度节气门开度变化率车速加速度刹车频率刹车累计时间良好路段正大、正中零正大零零零复杂路段正小正中、负中正小正中、负中正大正中颠簸路段正中、正小正小、负小正小正小、负小正大正中上 坡正大、正中零正小正小、零零零下 坡正小、零零正大、正中正中正中正大4.5 本章小结本章分析了人车路闭环系统的构成及其相互之间的关系，车辆的运行性能受到驾驶员、车辆运行状况和行驶环境的共同影响，并且分析了驾驶行为特征、驾驶意图和道路环境条件的识别方法。第5章 AMT系统综合换档控制策略制定符合实际行驶环境和驾驶员操纵意图的“似人”的档位决策2122，是自动变速技术今后的发展方向。这种智能化系统的研究和最终实现，不仅可以有效地减轻驾驶员的工作强度，而且对提高汽车的操纵性、安全性和减少废气排放等都具有重要的意义。5.1 换档控制策略设计原则5.1.1 行驶工况的划分在制定基于人车路闭环系统智能换档控制策略时，首先需要对不同的道路环境、不同的驾驶意图条件下的汽车行驶工况进行划分。根据第四章中驾驶意图和行驶环境识别的结果，将道路环境划分为：良好路段、复杂路段、颠簸路段、陡坡（上坡）路段、陡坡（下坡）路段、转弯路段；驾驶员意图划分为：加速、减速、超车、停车、滑行、冲坡。通过道路行驶状况和驾驶员意图分析，得到对当前路面情况和司机意图的一列估值，形成一个描述路面特征和司机意图的模糊集合，用以进行档位决策23。5.1.2 换档策略制定总体原则在对优秀驾驶员驾驶经验分析的基础上，归纳出以下设计思想：(1) 如果没有制动信号参与，为避免频繁换档，减小换档次数，在每个档位停留时间应大于一个设定值（档位停留时间随车速变化而变化，车速越快，时间越短；同时，当节气门变化率较大时，车辆有急加速的要求，档位停留时间为零）；若小于设定值除非动力不足，否则禁止换档。(2) 如果制动踏板轻踩，则不换档；如果制动器重踏（大于20%），则降档；(3) 如果是上坡工况，动力不足，则降档，同时增大低档使用范围，防止连续坡道的频繁换档；(4) 如果是下坡工况，坡度不大，道路良好，则不换档；如果坡度大，道路条件不好，有制动信号，则降档行驶；(5) 如果弯道不大，则不降档；如果弯道大，则降档运行；(6) 如果是城市道路，则低档运行；(7) 如果道路良好，则以经济档位、经济车速运行；(8) 如果低档运行或降档时，则以动力性为换档原则；(9) 如果高档运行，则以经济性为换档原则。在制定AMT换档控制策略时，各种工况下换档控制规则均以最佳动力性换档规律为基准，根据上述总体原则，通过对最佳动力性换档规律的修正（包括节气门开度和换档车速的修正）来适应不同的环境条件和驾驶意图。5.2 基于不同道路条件下的综合换档控制策略5.2.1 良好路段指路面较为平坦、车辆和行人较少的路段。其判断特征为车速较高、道路阻力系数较低且波动较小。良好路面在车辆行驶中所占比例最大，车辆的控制目标强调经济性，以节省燃油，因此采用标准最佳经济换档规律。5.2.2 复杂路段指路面条件较好、车辆和行人较多，需要经常起停的路段。其判断特征为车速较低、综合阻力系数较低且波动较小。控制目标强调车辆的跟随性和机动性，减少换档次数，采用标准最佳动力性换档规律。5.2.3 颠簸路段路面不平整、泥泞，车速较低、节气门开度有较大波动，其判断特征为车速较低、综合阻力系数较高且波动较大。控制目标是保证动力性，减少换档次数，提高车辆行驶的平顺性。为降低换档规律对节气门开度变化的灵敏度，采用节气门开度衰减动力换档规律，既将节气门开度实时检测结果乘以一大于1的衰减系数k1后的动力换档规律。k1随颠簸程度变化而变化（表5-1），颠簸程度越大，则衰减系数越大，换档规律对节气门开度的变化越不敏感。也就是说，根据不同的颠簸程度，将标准的最佳动力性换档规律的换档节气门开度相应提高。由于在大于55%油门开度以后，油门变化对发动机输出扭矩影响很小，因此，在55%以后维持原来的动力性换档规律不变。表5-1 颠簸路面衰减系数表颠簸程度系数1.0衰减系数k11.01.21.41.61.85.2.4 陡坡（上坡）路段陡上坡路段由于坡度阻力的存在，与滚动阻力系数共同作用下的综合阻力系数很大，因此其特征为综合阻力系数非常高。控制目标为保持充足的驱动力，并避免发动机熄火。由混合动力车整车控制策略知：此时电动机启动，车辆处于混合驱动模式。若发动机与电动机能够提供足够的驱动转距，则维持原档行驶，提高车辆的经济性。否则采用车速衰减动力性换档规律，即将车速实时检测结果乘以一小于1的衰减系数k2（k2随道路阻力系数的增大而减小，表5-2），因此得到的换档车速较原来的换档车速降低。换档规律曲线表现为换档曲线向车速高的区域偏移，在同样的车速下，保证车辆更多的运行在较低的档位；同时，在车速降低过程中，提前进入较低档位保证车辆的后备功率和动力性能。表5-2 陡坡（上坡）路段控制规则修正表道路阻力系数0.100衰减系数k21.000.900.800.700.505.2.5 陡坡（下坡）路段其特征为综合阻力系数非常低，节气门开度很小。控制目标强调车辆行驶安全性，避免车速过高，同时考虑发动机反拖制动。车辆下坡时驾驶员往往完全松开油门踏板利用发动机制动，但松开油门可能会导致升档，导致发动机制动效果减弱。因此在下坡时应禁止可能的升档，如果禁止升档后车辆仍然加速，迫使驾驶员踩制动踏板时，再降一个档位以提高发动机的制动效果，如果降档后车辆仍然加速，则驾驶员踩制动踏板再降一个档位，直至利用发动机制动能够使车辆作平稳的下坡行驶，当坡度很大时则将档位降至一档，为避免发动机超速，只有当发动机转速小于某一特定值时才能降档，利用发动机进行制动，使驾驶员操纵制动踏板的次数减少，从而增加了舒适性，也减轻了制动器的负荷，在处于下坡工况时，尽量在低档工作。5.2.6 转弯路段其特征为节气门开度减少，并伴有较弱的刹车，随后带有方向盘的转动。为减少不必要的换档循环，原档位保持不变。为了区分弯道前和减速工况，对控制策略采用延迟控制。5.3 基于不同驾驶意图的综合换档控制策略5.3.1 超车其特征为加速踏板开度增大且节气门开度变化率较大。控制目标为强调车辆的加速性，以尽量减少超车时间。此时电动机启动，车辆处于混合驱动状态。但为保证加速性，希望驾驶员急踩加速踏板时车辆能提前降档，使动力性增加。根据降档车速计算公式：(5-1)取节气门开度8%时换档规律的发散与收敛程度=0.4不变，节气门开度大于37%时选取=0.15，可得到各档降档车速。同时的取值还应随节气门开度变化率而改变（表5-3）。表5-3 随节气门开度变换率的修正表节气门开度变化率（%/s）1000.300.250.200.150.105.3.2 加速特征为加速踏板开度增加但节气门开度变化率较小。控制目标是强调车辆的跟随性，对加速度要求并不高，采用标准最佳动力性换档规律。5.3.3 减速特征与进入弯道前极为相似，为节气门开度减少，并伴有制动，但没有方向盘的转动。车辆缓慢制动减速时，电动机作为发电机提供制动力矩，车辆维持原档位不变。当驾驶员踩制动踏板要求强烈制动时，由于减速时油门开度及其变化率均为零，因此在这种情况下应根据制动减速度对最佳动力性和经济性换档模式进行加权平均。制动减速度较大时，最佳动力性换档模式的权重也大，使得在较高车速下也可以进行降档，这不仅提高了发动机的制动效果，而且还可以在接下来的加速过程中利用低档达到较高的加速度。为了区分减速工况和转弯行驶工况，对减速工况采用延迟处理，如果过了某一设定时间，仍没出现方向盘转动信号，则认为是减速工况；否则，则采用转弯路段换档规则。5.3.4 滑行发动机处于怠速工况，加速踏板松完、离合器分离。控制目标是保证滑行距离，减少发动机阻力和防止发动机转速过高，采用单独的滑行控制规则（表5-4），档位随车速变化而变化。表5-4 滑行控制规则车速（km/h）20406080档位12345.3.5 停车其特征为加速踏板完全放松，制动踏板开度较大且持续时间较长。为确保下