汽车动力传动系统一体化智能控制技术研究

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随着科学技术的发展，人们对汽车的要求越来越高。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。80年代中期，传统控制的及时应用，使汽车系统机器总成的性能有了较大的提高，但相应也暴露出一些不足。人工智能的出现和发展，促进了传统控制向智能控制发展。90年代初起，许多专家学者己经开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 汽车动力传动系统一体化智能控制的概念

　　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（ECU）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，并通过电子装置控制发动机的供油实现起步、换档的自动操纵。其基本的控制思想是：根据驾驶员的意图（加速踏板、制动踏板、操纵手柄等）和车辆的状态（发动机转速、输人轴转速、车速、档位），依据适当的控制规律（换档规律、离合器接合规律等），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1所示。


　　1.2 一体化控制方式

　　动力传动系统一体化控制方式一般分为3类：

　　（1）采用两机或多机通讯的方式。在发动机ECU和变速器ECU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ECU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ECU要求较高，开发成本高。丰田雷克萨斯Ls400型轿车上的动力控制系统、四档带智能控制系统的自动变速器A341 E和发动机使用同一ECU，装有微电脑的ECU通过控制自动变速器的换档、闭锁时刻、行星齿轮系统中执行机构（离合器、制动器）的油压以及换档时发动机转矩，使换档品质达到最佳。

　　（3）采用CAN总线结构进行总体控制。目前在汽车上采用较多的是CAN总线，发动机与变速器两个控制子系统通过CAN总线进行连接的结构如图2所示。通过CAN总线，两个系统之间不仅能传输命令、请求和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。

　　
2 汽车动力传动系统一体化控制系统的基本组成

　　控制系统的功能是依据驾驶员的意图和车辆行驶环境的变化，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）、电子控制单元和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，传感器的部分作用等于人工操作换档车辆情况下驾驶员的视觉、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。

　　车辆按照驾驶员的意图行驶和工作，车辆控制系统必须能够正确识别和实现驾驶员的操纵。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）的变化进行测试，并经过分析获得。

　　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。在动力传动系统中变速器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，其他信号通过开关和控制器或其他方式进行信号传递。常用的开关有多功能开关、强制低档开关等。开关也是很重要的信号输入手段。

　　（2）电子控制单元。电子控制单元（ECU）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态参数检测与提供的信号，进行档位转换或工作状态改变。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如图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位微处理器，有些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，简化了控制电路而且增强了电路的功能和可靠性。比如日本的JATC Q公司的产品均使用NEC和摩托罗拉16位和32位微处理器；德国的ZF公司使用摩托罗拉32位POWERPC微处理器开发了5档自动变速器——SHP19的换档控制器。由于控制器的微处理器更新换代，使换档控制比较复杂，而且由于处理器的外围电路扩展，使输入输出功能更加强劲。为了使控制性能获得更大的提高，在这些控制器中不仅使用了控制程序，还使用了嵌入式实时操作系统。

　　（3）执行机构。控制系统在采样获得输人信号以后，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一号将通过执行机构实现对动力传动系统工作状态的改变，保证对车辆性能的控制。同时执行机构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。

　　
3 智能控制技术及其在动力传动系统中的应用

　　3.1 智能控制技术

　　智能控制的产生来源于被控制系统的高度复杂性、不确定性及人们对控制性能越来越高的要求。这种被控系统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相比，具有3个优点：可以从行为上模拟人的模糊推理和决策过程；不需要建立数学模型即可实现较好的控制；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。

　　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、数学模型难以建立、运行环境和工况发生不可预测的变化等场合。一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。

　　3.2 智能控制技术在汽车动力传动系统中的应用

　　汽车是一个复杂的多自由度系统，在外界不确定因素的作用下，其动态特性会发生很大变化甚至失稳。许多专家都在寻求一种有效方法控制汽车的动态特性，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。

　　3.2.1 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。由于激烈的市场竞争和新的燃油排放标准的制定和实施，发动机技术己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废气排放。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。

　　90年代初，菲亚特公司成功地实现了发动机怠速的模糊控制。随后，三菱公司也不甘落后，提出了相关计划。90年代中期，Martinez和Jamshidi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4所示。

  
　　该模糊控制器输人速度和加速度的误差，经模糊运算得出一个合适油门开度值u。不久，Ma-jors等人成功地运用神经网络理论实现了发动机燃料空气比的控制。

　　3.2.2 传动系统控制

　　90年代初，福特公司和宏达公司已经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，日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抱死制动系统的压力调制器。90年代中期，Sakai等人考虑汽车上下坡行驶条件，研究开发了变速规律模糊控制器。其原理如图5所示。该模糊控制器以汽车速度、加速度、油门开度、道路阻力、制动时间和当前变速情况为输入，经模糊运算后得出合适的换档值。

　　
  
4 结语

　　汽车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卖施一体化控制的产物。随着汽车电子技术的发展和生活水平的提高，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已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日益广泛应用，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。