汽车电控理论_变速器_换挡策略

1、现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,第三章,智能电控自动变速器换档策略研究,一,.,简介,国内外的研究现状,在国外，自动变速器的研究始于汽车。,1985,年，日本五十铃公司率先研制成功,NAVI-5,型全自动机械,式变速器，并装于飞鸟,(ASKA),轿车，投放市场获得成功。此后，美国的福特,(FORD),公司、法国雷诺,(RENAULT),公司、意大利的菲亚特,(FIAT),公司都相继开发了这种变速器，全自动,AMT,已进入产品化和实用,化阶段。由于自动换挡和起步时都受到环境、驾驶员驾驶水平和车况等因素的影响，日本的五十铃,(ISUZU),、尼桑,(NISSAN),等开始采用模糊推理

2、的智能化方法进行此方面的研究，包括模糊换挡策略和离,合器接合速度的模糊控制。三菱公司新的自动变速车“,Fuzzy,Shift,4AT,”,在自动变速系统中加入了“模,糊控制”的概念。在工程机械领域，日本川崎重工公司开发的轮式装载机,KLD97ZIII,匹配,15ZIII,自动换,挡变,速器,。意大利萨,姆,(,SAME),公司,Rubin,系列拖拉机采,用了全,自动换挡变速箱,，美,国卡特彼,勒,(CATERPILLAR),公司的,Challenger35/45/55,橡胶履带拖拉机从第,10,挡至第,16,挡可以实现自动换挡。,在国内，吉林大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业公司等多家单位均

3、在自动变速器的研究方面,取得了科研成果。其中，吉林大学率先将智能控制理论应用到工程机械中，对工程机械模糊神经网络档,位控制进行了试验研究，研制出推土机的模糊换挡系统并进行了室内试验；对轮式装载机的模糊换挡策,略也进行了研究。,1998,年,8,月吉林大学自主研制桑塔纳,2000AMT,样车通过了国家鉴定，目前正进一步加强,系统可靠性等方面的研究。神龙公司也向市场投放了装备进口,AL4,智能型自动变速器的富康,988,“领导者”,以及富康,1.6L,轿车，它们采用了模糊控制理论和动力传动系统综合控制技术，实现了智能化控制，电子,控制单元有,10,种换挡规律，按需分别调用几种换挡规律或同时或交替工

4、作，共同控制变速器的状态。,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,1,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,自动换挡规律研究展望,随着自动变速器换挡规律在使用中出现的问题和智能控制理论的迅速发展以及人们对车辆性能要求,的提高，各种最新的监测、控制技术将不断引入车辆领域，以改善自动变速器的性能，使档位决策、换,挡控制与车辆、环境和驾驶员意图相适应。在已有智能控制理论与车辆工程相结合的基础上，运用最新,的智能控制理论修正传统的二参数、三参数换挡规律，使车辆换挡更加经济、可靠；将模糊控制、神经,网络、专家系统及混沌理论等新学

5、科单独或者结合使用，以扩大处理信息的范围和能力，进行综合控制，,形成综合智能控制换挡规律。所有这些都将大大提高自动换挡的稳定性和智能化水平，将成为未来研究,的热点,二自动变速器的基本组成与工作原理,基本组成,电子控制自动变速器一般由液力变矩器、行星轮变速器、电子控制系统,3,部分组成。,液力变矩器通,常由与发动机飞轮连接的泵轮、与变速器输入轴连接的涡轮及与单向离合器连接的导轮组成，其主要作,用是通过油液的运动传递动力并在一定范围内实现降速增扭、无级变速。行星轮变速器是由一系列的行,星齿轮系、液压离合器与制动器组成的有级式的变速器，该变速器易于通过控制系统实现自动换档，并,且与液力变矩器配合可在

6、更大范围内实现无级变速,。电子控制系统由反应汽车工况的传感器、自动变,速器控制电脑、变速电磁阀及换档离合器等执行机构组成，其主要功用是由自动变速器控制电脑根据传,感器反应的车况信息进行自动运算和判断，发出科学的换档指令到换档执行机构以实现自动换档变速。,工作原理,如图,3.1,所示，电子控制式自动变速器是通过传感器装置将汽车的运行工况转化为电信号，并通,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,2,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,过自动变速器电脑对电信号处理，然后输出控制指令给相应的电磁阀，来实现变速器的换档操作。,

7、液力变矩器,发动机,节气门位置传感器,车速传感器,冷却水温传感器,行星齿轮变速器,自动变速阀体,变速器油温传感器,电磁阀,发动机转速传感器,发动机电脑,自动变速器电脑,档次开关,制动灯开关,模式选择开关,图,3.1,电子控制式自动变速器的工作原理,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,3,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,（）功率流传递路线,汽车发动机发出的功率流通过液力变矩器的一次放大（可达到,2-4,倍）后，传给行星轮变速器进行,有级变速，然后通过输出轴传到驱动桥；其中液力变矩器可在一定范围内实现无级变速，根据

8、汽车的行,驶阻力及车速自动调整负荷。,（）传感器监测的主要信息,1,）节气门位置传感器反应节气门的开度大小的比例，该信息与发动机转速汽车行驶速度等参数配,合提供电脑换档的决策依据；,2,）车速传感器反应汽车的行驶速度；,3,）发动机转速传感器反应发动机实际运转速度；,4,）冷却水温传感器反应发动机热平衡状况信息，水温较低时不适宜加档，应在低负荷下继续预热；,5,）变速器油温传感器反应变速器润滑油热平衡状况，其是控制散热器的散热强度的依据；,6,）档位开关反应驾驶人员的意图并间接反应出道路情况，自动变速器仍然需要将变速手柄置于某,一确定的位置（至少分为前进、倒退、空位等）；,7,）模式选择开关决

9、定汽车行驶的基本模式：是以经济车速行驶还是以高动力性行驶；,8,）制动灯开关，反应汽车是否处于制动状态，决定发动机工况及各传动部件的工况；,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,4,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,（）自动变速系统的控制内容,1,）档位控制：当变速手柄在前进档时，自动变速器电脑根据汽车行驶情况选择最佳的时刻换到最,合适的档位，以使汽车充分发挥动力性和经济性；,2,）变速液压系统的油压控制：自动变速器电脑根据汽车的工况需要调整液压系统的压力，以达到,既减少能耗，又满足传递功率流的需要，同时保证换档平

10、稳无冲击；,3,）发动机控制：自动换档过程中，自动变速器电脑通知发动机电脑适当减小喷油量，保证换档平,稳；特殊路况下需发动机制动汽车运行时，自动变速器电脑发出信号使发动机与变速器强制连接（通过,强制离合器），以实现发动机的制动效果。,节气门开度,100%,低档,50%,高档,车速,加速时的升档规律,加速时的降档规律,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,图,3.2,自动换档图,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,5,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,（）自动变速的控制原理,1,）自动换档的决策模型：如图,3.2,所示，汽车换档的主要决定因素是节气门开

11、度和汽车行驶速度，,当汽车在某一节气门开度下，车速上升达到升档规律线时，则自动变速器电脑发出升档指令使自动变速,器实现升档操作；反之，车速下降达到降档规律线时，则自动变速器电脑发出降档指令使自动变速器实,现降档操作，该模型也称为自动换档图。,2,）自动换档的控制过程：如图,3.3,所示，自动变速电脑根据汽车档位开关及换档模式开关的信息决,定选择相应的自动换档图，然后按节气门位置传感器及车速传感器检测到的信息进行判断得出结果，最,后向换档电磁阀发出换档指令。,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,6,页,现代汽车控制理论研究,研究生

12、汽车电子技术教程,档位开关和换档模式选择开关,选择自动换档图,节,气,门,位,置,传,感,器,车速判断,节气门位置传感器,换档电池阀,车速传感器,图,3.3,自动换档控制过程,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,7,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,三,.,当前档位决策方法及其局限性,1,传统换档规律,（）单参数换档规律,汽车用单参数换档规律一般选择相对稳定的车速作为控制参数。国外大功率拖拉机以发动机速,n,来,V,1,V,2,之间是两档均,限定。如图,3.4,所示,当车速达到,V,2,时升入,2,挡；反之，当车

13、速降至时换回到,1,挡。,和,可能出现的工作区,这种在控制参数相同的情况下，升挡和降挡的时刻不同，降挡时刻较升挡时刻晚的,现象称为降挡重叠或降挡延迟。其作用是,:,1,）换入新挡后,不会因油门的振动或车速引起的轻度变化,而重新换回原来挡位,保证换挡过程的稳,定性。,2,）有利于减小换挡循环,防止控制系统元件的加速磨损,并防止乘坐舒适性的降低。,a,降档,升档,1,2,1,a,n,2,V,v,油门开度,发动机转速,车速,V,1,V,2,图,3.4,单参数换档规律,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,8,页,现代汽车控制理论研究,研

14、究生汽车电子技术教程,单参数换挡规律结构简单,但无论油门开度如何变化,换挡点、换挡延迟大小都不变,不能实现驾驶,员干预换挡。为了保证动力性，一般把升档点设计在发动机的最高转速,n,0,max,，而不考虑车辆的功率需求,状况。这将造成车辆在小油门开度行驶时，也需要达到最高转速,n,0,max,才能换档，故换档过程中不仅噪声,较大，机件的磨损也较大，因此这种换档规律是不合理的。此外，这种单参数的系统也难以兼顾车辆动,力性和经济性的要求,故目前已很少采用。,（）二参数换挡规律,二参数换挡规律克服了单参数换挡规律的缺点,其控制参数类型有车速与油门开度、液力变矩器泵,轮转速与涡轮转速、车速与发动机转矩等

15、,但当前采用最多的形式仍为车速与油门开度。,如下图,3.5,所示，根据降挡延迟的不同可划分为以下几种：,1,）等延迟型,其降挡延迟的大小不随油门开度变化，但可实现驾驶员的干预，在小油门时可提前,换入高档，即减小发动机噪声，又可延迟换回低档，改善了燃油经济性。,2,）发散型,其降挡延迟的大小随油门开度增大而增大，特点是：大油门升档时发动机转速高，接,近最大功率点，动力性好，换档延迟大，减少了换档次数，提高了舒适性。但大油门升档时，发动机转,速要降的很低，降低时大，功率利用差，故该型使用于功率大的轿车上。,3,）收敛型,其降挡延迟随油门开度增大而减小，呈收敛状分布，特点是：在大油门换档延迟最小，,

16、小，所以升档时有较好的功率利用，动力性好。减小油门时，增大，避免了过多换档，且发动机可在较,低转速下工作，燃料经济性好，噪声低，行驶平稳舒适，常用于货车上。,4,）组合型,它由两段或多段不同类型的变化规律组合而成,优点是便于在不同油门下获得不同的车,辆性能，小油门时舒适、稳定、污染少；中油门时经济性好；大油门时动力性好。实际车辆一般用组,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,9,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,合型。,a/%,a/%,V,km,?,h,?,1,(a),等延迟型,V,km,?,h,?,1,(b),收

17、敛型,a/%,a/%,?,1,V,km,?,h,?,1,V,km,?,h,(c),发散型,(d),组合型,图,3.4,两参数换档规律,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,10,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,两参数换档规律的特点是：当油门开度较小、发动机负荷较小时，换档点的车速较低；而油门开度,增大、发动机负荷较大时，换档点的车速也较大。这种换档规律提供了驾驶员干预换档的可能性，可提,前实现升档和换档，以此来反映驾驶员的意图。在车辆稳定行驶的前提下，能够按照预先设定的动力型,或经济型换档规律进行换档，能够满足对

18、车辆最佳动力性或最佳经济性的要求。二参数换挡规律已被广,泛应用于轿车、货车等车辆上。,（）动态三参数换挡规律,根据优化计算时所选取得目标函数的不同分为最佳动力性动态三参数换挡规律和最佳燃油经济性动,态三参数换挡规律两种基本类型,:,最佳动力性换档规律,。由汽车理论知，汽车的行驶方程式为,F,t,?,F,i,?,F,r,?,F,w,?,F,j,或,T,e,i,g,i,0,?,T,r,?,M,g,sin,(,a,i,),?,M,g,fcos,(,a,i,),?,C,D,A,D,2,dV,V,?,?,M,21,.,15,dt,（,3.1,）,由汽车理论知，发动机扭矩,T,e,?,f,(,n,e,),

19、，可用二次曲线拟合，则,T,e,i,g,i,0,?,T,r,?,C,n,?,B,n,V,?,A,n,V,2,另外，滚动阻力系数为：,f=f(V),因此，由汽车行驶方程（,3.1,）式得：,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,11,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,dV,1,(C,n,?,B,n,V,?,A,n,V,2,),?,(,C,f,?,B,f,V,?,A,f,V,2,),?,dt,(,n,),?,(,n,),M,dV,1,?,(,C,(,n,?,1,),?,B,(n,?,1),V,?,A,(n,?,1),V

20、,2,),?,(,C,f,?,B,f,V,?,A,f,V,2,),dt,(,n,?,1,),?,(,n,?,1,),M,（,3.2,）,（,3.3,）,最佳动力性换档应该是在同一油门开度下相邻两档加速曲线的交点处换档，即,dV,dV,?,dt,n,dt,(,n,?,1,),（,3.4,）,根据（,3.2,）、（,3.3,）以及（,3.4,）的三式，可得,?,(,n,?,1,),(,C,n,?,B,n,V,?,A,n,V,2,),?,?,(,n,?,1,),?,?,(,n,),(,C,f,?,B,f,V,?,A,f,V,2,),?,?,(,n,),C,(n,?,1),?,B,(n,?,1),V,

21、?,A,(n,?,1),V,2,上式的解中,V,n,为正值，且,V,n,?,V,n,max,之根即为最佳换档时刻所对应的车速。,最佳燃油经济性换档规律,它的目标函数是在某一油门开度下，汽车从原地起步连续换,I,档加速至某一要求车速,T,时，总的油耗,Q,应最小。,由汽车理论知：,Q,?,?,?,(,n,?,1,0,i,V,n,Q,t,),n,dt,3,.,6,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,12,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,F,j,?,F,t,-,(F,i,?,F,r,?,F,w,),考虑到,F,j,?

22、,?,M,于是,Q,?,?,?,n,?,1,i,V,n,0,Q,t,(,n,?,1,),?,(,n,?,1,),M,Q,m,?,n,M,dV,?,?,dV,F,m,?,(,F,i,?,F,f,?,F,w,),F,t(n,?,1),-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),dV,dt,根据汽车理论知，发动机的动态小时油耗是发动机转速的函数，一般可拟合为三次多项式，即：,2,2,3,Q,t,?,D,e,?,C,0,n,0,?,B,0,n,0,?,A,0,n,3,0,?,D,q,?,C,q,V,?,B,q,V,?,A,q,V,欲使加速油耗,Q,为最小，这是一个求极值的问题。令,dQ,/,dV,?,0

23、,，则,Q,t(n,?,1),?,(,n,?,1,),M,V,n,?,1,Q,m,?,n,M,d,V,n,dV,?,?,dV,V,n,dV,?,V,n,-,1,F,t(n),-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),F,t(n,?,1),-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),Q,t(n,?,1),?,(,n,?,1,),M,V,n,Q,m,?,n,M,d,V,n,?,dV,?,?,dV,?,0,V,n,?,1,F,dV,?,V,n,?,1,F,t(n),-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),-,(F,?,F,?,F,),t(n,?,1),i,f,w,Q,t(n),?,n,F,t(n,?

24、,1),-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),?,Q,t(n,?,1),?,(,n,?,1,),F,t(n),-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),再由式（,3.2,）和（,3.3,）可知：,F,t,-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),?,?,n,M,dV,dt,n,?,(,C,n,?,B,n,V,?,A,n,V,2,),?,(,C,f,?,B,f,V,?,A,f,V,2,),2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,13,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,dV,dt,(n,?,1),F,t(n,?,1)

25、,-,(F,i,?,F,f,?,F,w,),?,?,(,n,?,1,),M,?,(,C,(n,?,1),?,B,(n,?,1),V,?,A,(n,?,1),V,2,),?,(,C,f,?,B,f,V,?,A,f,V,2,),可得,a,q,V,5,?,b,q,V,4,?,c,q,V,3,?,d,q,V,2,?,e,q,V,?,f,q,?,0,式中,a,q,、,b,q,、,c,q,、,d,q,、,e,q,、,f,q,为转换系数，由移项、并项后求得。解出上式的根,V,n,，即为加速时,保证车辆最佳燃料经济性的相邻两档,n,与（,n+1,）之间的最佳换档点车速。同理，可求出其它油门开度,及换档点车速。

26、,2.,基于模糊逻辑和专家知识的档位决策方法,随着智能控制理论的发展,出现了综合利用道路环境、驾驶员的操作特点、车辆的运行状况等信息,的模糊逻辑档位决策方法,其结构原理如图,3.5,所示。,其工作原理是采集系统采集车辆运行状况和驾驶员的操作信息,由模糊推理判断出驾驶员的操作,意图，如加速、超车、制动减速等。模糊推理判断出路面状况,如坡道、弯道等。模糊推理根据上,述的推理结论和专家经验知识输出一个相应档位，是否换档由约束条件来决定。三菱公司研制的模糊换,档系统，可以模仿优秀驾驶员的驾驶经验，在下坡或弯道行驶时，谨慎降速换档，并且在弯道上或当驾,驶员踩加速踏板时，还避免了汽车不恰当的加速换档。采用

27、这种技术后可以节省燃油,12%-17%,。在特定,的路面上,(,如弯道、坡道等,),模糊逻辑的档位决策方法能够充分体现出驾驶员的意图，符合在同一路面,条件下驾驶员的实际操作过程，有效解决了频繁和意外换档问题。但在良好路面上,其给出的档位就不,是最佳的。再有,这种档位决策方法是基于统计和分析意义上的，模糊换档规则库和知识库的建立要咨,询大量有经验的驾驶员和专家，所形成的换档规律不可能覆盖车辆使用过程中的所有工况。因此，这种,方法在解决传统换档规律存在的问题时也丧失了传统换档规律的一些优势。,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,14

28、,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,驾驶员意图,车,辆,采,集,系,统,车速,档位,油门,制动器,方向盘,模糊推理,I,专家知识,约束条件,模糊推理,档位,模糊推理,II,图,3.4,模糊逻辑档位决策系统结构原理示意图,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,15,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,四,.,智能化档位决策方法综述,智能档位决策主要有两种：一是基于神经网络理论，二是基于模糊逻辑的综合能力。,1.,神经网络智能档位决策方法,神经网络具有自适应性，它可以被训练，网络在训练过程中学习并记住经验

29、。神经网络结构本身就,决定了它是大规模并行机制，以数据作为驱动，擅长通过大量复杂的数据进行分类和发现模式或规律。,因此，从神经网络的角度看，车辆的最佳换档问题，是一个非线性映射分类问题。可以直接用驾驶员换,档时所获得的数据对神经网络进行离线训练，也可以如图,3.5,所示，让网络在线学习驾驶员的最佳换档,点，使自动变速系统具有自学习的能力。,车速,油门开度,制动程度,转向角度,驾,驶,员,误差,档,位,神,经,网,络,1 2 3 4,1 0 0 0,0 1 0 0,0 0 1 0,0 0 0 1,图,3.5,神经网络档位决策原理图,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈

30、尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,16,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,在实际工程应用方面，三菱汽车公司率先应用神经网络逻辑电路成功开发了能最优选择变速档位的,型软件系统,.,该系统增加了坡道、弯道以及制动器操作等信息，可以对上坡、下坡、弯,曲路段进行检测，以适应各种路况的变化。例如，当车辆下坡时，神经网络控制系统能使车辆自动从,4,档降到,3,档、,2,档，逐渐向发动机制动状态过渡；而在上坡或弯曲道路行驶时，避免了高、低档间的循环,换档，提高了最佳变速操作和行驶的舒适性,.,在该系统基础上，又开发了最优控制和学习控制两大功能,(,如图,3.6,所示,),。最优控制是以多

31、数驾驶员在各种不同的道路条件下，手动变速操作信息,(,油门开度、车,速、制动程度、转向角,),作为输入，由微机和神经网络逻辑电路根据车辆的运行状况和道路条件输出最,佳档位，从而进行最优控制。,道路条件,多数驾驶员操纵特性,运行情况,单个驾驶员操纵特性,车,速,油门开度,制动程度,转向角度,神,经,网,络,最优控制,最佳档位,学习控制,适应个性的档位,图,3.6,神经网络智能换档系统结构原理示意图,不同的驾驶员具有不同驾驶风格，这就要求自动变速系统应对不同的驾驶员具有适应性，即根据不同,的驾驶风格选择不同的最佳换档点。神经网络的学习控制功能不但能完成上述任务，而且进一步扩大了,自动变速器的使用范

32、围。它能根据行驶过程中输入的信息，由微机和神经网络逻辑电路判断每个驾驶员,的驾驶风格和习惯，自动修正变速时间和换档点，所以不同类型的驾驶员都能对车辆进行良好的操纵。,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,17,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,2.,模糊逻辑综合智能档位决策方法,自动变速车辆的档位决策必须综合考虑车辆的行驶状况、道路环境以及驾驶员的操作意图等,3,方面,的信息，即车辆必须具有模仿优秀驾驶员的档位决策能力。图,3.7,所示为一种模糊综合智能化的档位决,策结构原理图。,油门开度,油门开度,变化率,车,车

33、,速,加速度,档,位,制动程度,转向角度,坡道辨识器,车重辨识器,弯道辨识器,模糊综合智能,道路辨识器,发动机性能,辨识器,换档可行性,换档,指令,规则库,速,换档系统,分析器,加示意图辨识器,驾驶风格辨识器,数据库,图,3.7,模糊综合智能化档位决策结构原理图,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,18,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,五,.,电控自动变速器换档策略研究,1.,电控机械式有级自动变速器智能换档策略,（,1,）,AMT,最佳换档自学习控制方法,换档规律指相邻两档间自动换档时刻随控制参数变化的规律，

34、而最佳动力性换档规律则是指相邻两,档在换档前后的加速度保持相等，车辆可获得最大平均加速度时，换档时刻与三个状态参数,加速度,a,，油门开度，车速,(,亦称换档点,),之间的变化关系。,最佳动力性换档规律的迭代自学习算法,：,迭代自学习控制算法是一种将前一次控制结果与控制目标之间的误差通过一定的学习率学习后修正,下一次控制信号并使控制误差趋向收敛的算法。这种算法的应用前提是控制过程必须具有重复性。汽车,变速器的换档具有重复性控制的特点，因此，适宜采用迭代自学习方法来改善换档控制的性能，以达到,逼近最佳换档规律的目的。,讨论汽车升档加速过程的自学习算法。当汽车以第档和第,+1,档行驶时，其参数,a

35、,，间动态关,系为非线性函数，可分别表示为,(3.5),a,i,?,f,i,(,?,v,),(3.6),对于五档变速器，式中,=1,，,2,，,3,，,4.,由于和又分别为时间的函数，所以加速度也可表示为,时间的一元函数。即,a,i,?,F,i,(,t,),a,i,?,1,?,f,i,?,1,(,?,v,),和,a,i,?,1,?,F,i,?,1,(,t,),2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,19,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,按照定义，最佳动力性换档点应为式,(3.5),和式,(3.6),所表示的两条曲线

36、的交点。该交点由,a,， ，,三个参数决定，且有,a,i,?,a,i,?,1,。凡是不在交点上的换档点均为存在动力损失的非最佳换档点，,有,?,a,?,a,i,?,1,?,a,i,?,0,，而自学习的目标是,?,a,?,0,。这样，每一次换档前后的加速度差与目标量之间的误差,为,e,a,?,?,a,?,a,i,?,1,?,a,i,。于是，根据迭代自学习控制思想，提出一种最佳动力性换档规律的自学习逼近算法。,其算法过程如下：,(0),(,0,),(0),?,?,(,初始换档点,),，并存入自学习控,a,?,v,i,i,预先给定一组从第,i,档换入第,i+1,档的初始状态参数,i,制器的记忆单元中

37、。当车辆以第,i,档行驶时，一旦检测到当前状态参数,a,i,?,i,和,v,i,满足条件,a,i,?,a,i,(,0,),?,?,ai,?,i,?,?,i,(,0,),?,?,?,i,a,i,?,0,v,i,?,v,i,(0),?,?,vi,?,ai,?,0,?,，,?,，,（其中，,3,个误差的许可值,为给定的小量,）换档控制器便发出指令，将变速器,?,i,?,0,vi,?,0,a,i,?,1,换入第,i+1,档，并及时测出换档后的加速度,。,?,a,?,0,为加速度变化量容许值,),，表明换档,比较换档前后加速度的变化，若,?,a,?,a,i,?,1,-,a,i,?,?,a,(,点并非最佳

38、，需对其参数进行学习并更新。为此，令,a,i,v,i,(1),(1),?,a,i,(0),(0),?,L,a,?,a,i,?,1,?,a,i,?,?,L,a,?,a,i,?,1,-,a,i,?,a,i,?,?,?,a,i,?,1,-,a,i,?,?,v,i,?,da,i,/dt,?,i,(,1,),?,?,i,(,0,),式中：,L,a,?,0,，称为加速度学习速率；,?,?,0,，称为油门开度控制学习率。,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,20,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,分别以,a,i,v,i,?,i

39、,取代,a,i,v,i,?,i,存入记忆器中，作为第,1,次对第,i,档换档点参数的学习结果，,(k,),(,k,),(k,),也是下一次的换档参数。一般地，若在第,i,档下经过第次学习后得到的换档点参数值记为,a,i,?,i,v,i,，,而当前状态参数测量值表示为,a,i,?,i,v,i,，当条件,a,i,-,a,i,(k,),(1),(1),(,1,),(0),(0),(,0,),?,?,ai,?,?,vi,?,i,?,?,i,(,k,),?,?,?,i,a,i,?,0,v,i,-,v,i,(k,),得到满足时，便换入第,i+1,档，并测出,a,i,?,1,。,(k,),(,k,),(,k

40、,),a,i,?,i,v,i,?,，已是最佳动力性换档点。否则，令,当条件,e,a,?,a,i,?,1,-,a,i,?,?,a,成立时，表明,?,a,i,v,i,(k,?,1),（,k,?,1,）,?,a,i,(k,),(k,),?,L,a,?,a,i,?,1,-,a,i,?,da,i,/,dt,a,i,?,L,a,?,a,i,?,1,-,a,i,?,?,v,i,?,（,3.7,）,?,i,(,k,?,1,),?,?,i,(,k,),?,?,?,a,i,?,1,-,a,i,?,这就是对最佳动力换档点的第,+1,次学习值，加以记忆，作为下一次换档点参数的预测值，迭代初始,值为,?,a,i,(0)

41、,?,i,(,0,),v,i,(0),?,，,自学习的目标是使,a,i,?,1,-,a,i,?,0,。实际上，由于人体对水平方向加速度变化的敏感程度,da,/,dt,有限，满足条件,a,i,?,1,-,a,i,?,?,足矣。式,(3.7),中，比值,i,实际是曲线,a,i,?,f,i,?,?,v,?,在,?,为定值的条件下，过,a,da,i,/,dt,da,i,da,i,da,i,dv,i,da,i,?,?,a,?,f,?,v,(v,a,),?,曲线,i,i,上的点,i,i,的切线斜率的绝对量。事实上，有,?,?,?,?,a,i,，所以,dv,a,i,dt,dv,i,dt,dv,i,i,a,i

42、,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,21,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,da,i,/,dt,a,i,(k,),令,式（,5-3,）成为,式中，称为速度学习速率。,v,i,?,?,(k,?,1),?,L,a,?,v,i,-,?,?,a,i,?,1,-,a,i,?,如以上算法所示，通过不断对换档点参数的判佳和修正，达到逼近最佳换档规律和自学习目的。,AMT,最佳换档的自学习控制器结构可用下图,3.8,所示的控制原理框图表示。,自学习控制器,?,a,状态特,征识别,查询环节,换档决策,控制环节,AMT,车辆,V,

43、a,dV,a,/,dt,知识库,监督环节,学习环节,传感器,图,3.8 AMT,最佳换档自学习控制器,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,22,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,（,2,）车辆档位模糊,神经网络决策研究,车辆档位模糊,神经网络决策方法,车,速,v,油门开度,神经网络,档位模型,g,i,?,1,综,g,last,d,/,dt,驾驶员,意图推理,I,合,图,3.9,车辆档位模糊,神经网络决策方法,如上图,3.9,所示的模糊神经网络档位决策的方法，其特点是采用蕴藏了优秀驾驶员换档经验的神经,网络档位模型

44、和对驾驶意图进行模糊推理，综合选择最适合的车辆档位。它包括三个步骤：,1,）神经网络档位模型决定预选档位,获得换档规律有两种方法：一是依据车辆变速理论，它在一定约束条件下，按某个或某些目标函数通过,优化实验来获取换档规律；二是通过学习优秀驾驶员的换档数据，提取最佳换档规律。但无论采用这两,种方法中的哪一种，所获得的换档规律都是包含换档控制参数与对应最佳档位的一组组离散的数据，,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,23,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,x,2,，,，,x,n,至档位,g,的对应关系，因此可以看作由

45、输入参数空间（如车速、油门）到,即由换档参数,x,1,，,输出空间（档位）的非线性映射分类。,油门开度,车速,V,驾驶员,驾驶员选择档位,误差,输出档位,X,1,X,2,神经网络,X,3,X,4,X,5,图,3.10,驾驶员换档规律的神经网络学习过程,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,24,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,上图,3.10,为驾驶员换档规律的神经网络学习系统，神经网络档位模型的输出个数选择等于变速箱的,x,5,。驾驶员对车辆换档过程构成,x,4,，,x,1,，,x,2,，,x,3,，,档位数，对

46、于,5,档的变速箱，模型具有输出,5,个信号：,了复杂的人机系统，神经网络的学习相当于对这一系统的正向逼近（或建模）。在网络训练前，先将驾,驶员的换档数据进行预处理：包括对车速、油门开度数据进行归一化，对驾驶员选择的档位信号按表,3.1,的转换；然后作为输入输出样本对网络进行训练。由于换档数据可视为输入参数空间（如车速、油,门开度）到输出空间（档位）的非线性映射分类，因此网络的训练中允许存在一定程度的误差，只要满,x,5,中最大值与样本中对应档位一致。经过学习后，神经网络档位模型,x,2,，,x,3,，,x,4,，,足网络输出值,x,1,，,完全继承了优秀驾驶员的换档规律，因此这种换档规律也是

47、符合目前车辆状况的最佳换档规律。只要选,择恰当的网络模型、学习算法和采用高速数字信号处理器，就有可能完成学习过程。,表,3.1,训练样本中档位信号转换关系,信号,/,档位,X1,X2,X3,X4,X5,1,1,0,0,0,0,2,0,1,0,0,0,3,0,0,1,0,0,4,0,0,0,1,0,5,0,0,0,0,1,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,25,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,通过学习后的神经网络档位模型就可以应用于自动换档过程中。网络的输入信号采用与训练是相同,x,2,，,x,3,，,x,4,

48、中最大值对应的档位最佳档位。设目前车辆运行档位为,g,i,(i,为,的归一化处理，网络输出值,x,1,，,1,，,2,，,3,，,4,，,5,等,),，,当采集到输入参数车速,v,、油门开度,?,后，神经网络档位模型将输出对应的最佳档位,g,i,?,1,，,g,i,?,1,将作为车辆换档的预选档位。,2,）推理驾驶意图,驾驶员对车辆运行环境的判断及驾驶员的意图都通过操纵油门踏板体现出来。将驾驶意图分为减速、,保持和加速运行三类。这些意图通过驾驶员油门踏板大小及其变化率体现出来。因此，根据对驾驶员驾,车过程总结出经验规则，构成对驾驶意图的模糊推理。,一般在良好路面下，驾驶员总是使油门踏板开度保持

49、在一定的大小，只在较小范围变化；只有当车,辆拐弯或运行在起伏路面时，驾驶员确定需要车辆减速、加速时，油门才有较剧烈的变化。定义,I,表示,驾驶员要求车辆加速强度的模糊变量。,Z,M,B,N,Z,P,Z,M,B,?,d,?,I,0,0.3,0.5,1.0,(a),油门踏板,?,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,-1,-0.5,0,0.5,1,0,0.5,1.0,(b),踏板变化率,d,?,(c),驾驶意图,I,隶属度,图,3.11,各模糊变量,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,26,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,对于图,3.11,所示的模糊变

50、量，根据这些驾驶经验的总结，制定以下九条推理规则：,if,if,if,if,if,if,if,if,=Z,=Z,=Z,=M,=M,=M,=B,=B,and,and,and,and,and,and,and,and,d=N,d=Z,d=P,d=N,d=Z,d=P,d=N,d=Z,then,I=M,then,I=M,then,I=B,then,I=Z,then,I=M,then,I=B,then,I=Z,then,I=M,if,=B,and,d=P,then,I=B,对于某一时刻采样获得的，d的数值，经过模糊推理后的,I,值表示了此时驾驶意图。设置阈值为,d1,，,d2,（,d1d2,）。,当,I=

51、d1,，表示驾驶员意图是使车辆加速；,d2Id1,，表示驾驶员无明显的加速和减速意图，称为保持；,I=d2,，,表示驾驶员意图是使车辆加速；,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,27,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,3,）综合得到最佳档位,G,last,如果,I,的推理结果为“保持”，说明驾驶员无明显的加速或减速意图，最佳档位由神经网络的输出,G,last,?,g,i,?,1,决定，即,。,g,i,?,g,i,?,1,如果,I,的推理结果为“加速”，当,G,，,last,?,g,i,?,1,G,last,?,g

52、,i,，换为新档；否则,G,last,?,g,i,，换为新档；否则,，保持原档位。,，保持原档位。,g,i,?,g,i,?,1,G,，,如果,I,的推理结果为“减速”，当,last,?,g,i,?,1,径向基函数的学习算法,径向基函数神经网络,RBFN,是一个只含一个隐层的三层前向网络，其输入层到隐层按径向基函数计算,隐层输出，从隐层到输出层按线性网络计算输出结点的输出；它不仅有全局逼近性质，而且具有最佳逼,近性能，同时训练方法快速，不存在局部最优问题。,对于图,3.12,所示,MIMO,网络，设,是,N,维输入向量，,C,i,?,?,c,i1,c,i2,?,c,in,?,，,i=1,，,2,

53、，,S,，,z,i,是隐层第,i,个径向基函数中心，是与,X,同维数的向量，网络有,M,个输出,.,隐层第,i,结点的输出,T,X,?,?,x,1,x,2,?,x,n,?,z,i,?,f,?,X,-,C,i,?,i=1,，,2,，,，,S,，,其中，,X,-,C,i,表示隐层中心与输入向量的,Euclidean,距离,;,当径向基取为,Gaussian,函数时，,2,?,N,?,2,?,z,i,?,f,?,X,-,C,i,?,?,exp,?,?,?,x,j,-,c,ij,?,/,?,ij,?,，,i=1,，,2,，,S,?,j,?,1,?,?,?,网络的输出是隐层输出与连接权值线性组合，第,j

54、,个输出为,:,y,j,?,?,w,ji,?,z,i,?,W,j,Z,T,?,ZW,j,，,j=1,，,2,，,M,T,i,?,1,s,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,28,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,?,?,，,z,1,Z,?,?,z,1,z,2,?,?,z,s,?,其中，,W,j,?,w,j1,w,j2,?,?,w,js,x,1,z,2,w,ji,w,j,1,y,1,y,j,x,N,z,S,1,w,jS,y,M,图,3.12 RBFN,网络模型,RBFN,的学习分为两个可相互独立两个阶段,:,隐层中

55、心的学习算法和隐层与输出层间连接权值的学习,算法。,RBF,网络的输出层和隐含层所完成的任务各不相同，因此它们的学习策略也不相同。隐含层是对,作用函数（径向基函数）的参数（中心,c,，宽度）进行调整，采用非线性化策略；输出层是对线性权,值,w,进行调整，采用线性化策略。通常采用直接计算法和自组织学习选取,RBF,中心法。,1,）直接计算法：,在此方法中，隐单元,RBF,的中心是随机地在输入样本数据中选取，且中心固定。当,RBF,的中心确定之后，隐单元的输出是已知的，网络的权值就可以通过求解线性方程组确定。但由于采,用了固定的,RBF,中心，隐单元数目要求很多（比如与训练样本数相同），同时也降低

56、了,RBF,网络的逼近能,力。,2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,29,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,2,）自组织学习选取,RBF,中心,：此时,RBF,的中心不固定，隐单元数目比训练样本数目少的多。整个训,练过程分为非监督学习和监督学习两个阶段。,考虑到需要在线完成换挡规律的学习，采用简单且很有效的,K-means,法调整隐层中心，采用递推最,小二乘算法,RLS,调节权值。,（一）,K-means,聚类算法是模式识别领域中非监督学习算法，其原理是首先初始化中心，然后将输入样,本按最临近规则分组，调整,RB

57、F,网络隐层中心的,K-means,算法如下：,（,1,）随机给出初始中心,?,c,i,?,0,?,:,1,?,i,?,S,?,和初始学习率,a(0,)(,0,，,1);,3,步骤：,对于全部样本,N,反复进行以下,2,、,（,2,）输入样本与隐层中心的距离，并找出与样本,k,距离最小的中心,l,：，,r,i,(,k,),?,X(k),-,C,i,(,k,?,1,),1,iS，,k=1,2,N,l,?,argm,in(r,i,(k),1,?,i,?,S,式中，,k,样本号,i,隐层中心号，,N,样本总数,S,隐层中心总数。,C,i,(k),?,C,i,(k,-,1),（,3,）调整中心及重新计

58、算第,l,结点的距离：,1iS，,当il,C,l,(k),?,C,l,(,k,?,1,),?,?,(,k,)(,X,(,k,),?,Cl(k,-,1),),r,l,(,k,),?,X(k),-,C,l,(k),2020,年,4,月,1,日星期三,1,时,0,分,51,秒,哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院,第,30,页,现代汽车控制理论研究,研究生汽车电子技术教程,?,(,k,),?,1,/,?,1,?,int,?,k,/,s,?,?,为学习率。,其中，,（二）,RBFN,网络权值的递推最小二乘算法,RLS,如下,:,对于多输入多输出的,RBF,网络，由上可知网络的输出为,y,j,?,W,j,

59、Z,T,?,ZW,j,T,j=1,，,2,，,M,在第,n,时刻，定义误差评价函数为,1,n,n,-,k,M,2,E,(,n,),?,?,?,?,?,j,(,k,),2,k,?,1,j,?,1,1,n,n,?,k,M,y,j,(,k,),?,y,j,(,k,),?,?,?,?,2,k,?,1,j,?,1,?,?,2,1,M,T,?,?,E,(,n,?,1,),?,?,y,j,(,n,),?,Z(n)W,j,(,n,),2,j,?,1,?,?,2,式中，称为遗忘因子，其作用是将过去样本对当前估计值的影响逐渐忘掉，使估计值尽量反映当,y,j,(,n,),分别表示输出节点,j,的误差、期望输出和实际输出。,?,j,(,n,),，,y,j,(,n,),，,前样本特性，,为了通过训练学习来调整权值,W,j,(,n),，对评价函数求导数,?,E,(,n,),?,W,(,n,),，并令其为零，可以得到调,j,整权值的递推最小二乘算法,RLS,如下：,2020,年,4,