自动变速汽车智能换档控制系统研究

自动变速汽车智能换档控制系统研究
自动变速汽车智能换档控制系统研究
（一）引言
换档控制策略是汽车自动变速控制的关键技术。

传统的基本换档规律按照换档控制参数的不同，有单参数换档规律、两参数换档规律和三参数换档规律。

然而不论是基于稳定行驶工况的两参数换档规律，还是基于动态过程的三参数换档规律，都只能反映汽车的行驶状态，而没有充分考虑驾驶员操纵意愿以及汽车行驶环境对换档时刻的影响。

因此，近年来智能控制理论不断地被引人到汽车换档控制研究中来。

目前，基于智能换档控制策略的研究主要有两条路径：第一，应用智能控制理论等一些方法自动识别出当前行驶中的驾驶员意图和汽车行驶环境，以此调整或选择合适的换档规律进行换档控制；第二，利用驾驶员的驾驶经验及相关专家的知识形成模糊推理规则，根据当前汽车行驶参数，直接推理输出档位的基于专家系统的换档控制策略。

本文将根据第一条路径，详细阐述不同驾驶员意图和行驶环境的识别方法及相应的换档控制策略，并以此建立汽车智能换档控制系统。

（二）基本换档规律的弊端
汽车基本换档规律包括最佳动力性和最佳经济性换档规律。

最佳动力性换档规律是在汽车行驶加速度曲线上，取同一油门开度下相邻两档加速度曲线的交点，然后将不同油门下相邻两档加速度的交点连成曲线而获得的。

最佳经济性换档规律则是保持油门不变，以原地起步连续换档加速至某一车速时，总油耗最小为目标函数而求得的。

因此，当汽车的实际行驶环境和汽车行驶状态与求解最优换档规律的实验条件相近时，传统的换档规律给出的是使某一指标最优的档位，如最佳经济性、最佳动力性。

但是当汽车实际行驶条件与最优规律求解过程设定的条件有较大差别时，显然给出的档位不是最优的或在某些区域不是最佳的。

此外，当汽车行驶中某一段时间内追求的操作目标与优化目标不一致时，最优规律给出的档位或确定的换档点就可能是无法接受的。

例如，在坡道行驶时的换档循环问题，低附着路面下的打滑问题，以及在拥挤市区行驶时的频繁换档问题等。

由此我们发现，自动变速系统必须识别出行驶中的驾驶员意图和当前的行驶环境，然后据此调整或选择相适应的换档规律。

以下我们将用汽车上通用传感器信号来获知汽车行驶状态参数和驾驶员操纵特征参数，以此来推知驾驶员意图和汽车行驶环境。

（三）驾驶员意图的识别
一般来说，驾驶员驾驶汽车采用大油门开度或急踩油门加速时，表明他需要很强的加速性能，则此时自动变速应选择最佳动力性换档规律；当油门开度不大，汽车在平直公路上高速行驶时，表明他需要较高的燃油经济性，所以此时应选择最佳经济性换档规律；然而驾驶员意图不只是这两种情况，更多的时候，驾驶员希望的是能够兼顾动力性和经济性的中间规律。

因此本文提出用[0,1]中的一个实数来描述这种驾驶员的意图，称之为“经济性权数”，相应地动力性权数二1-经济性权数（1）
显然，最佳动力性换档规律的经济性权数为0，最佳经济性换档规律的经济性权数为1。

图1是驾驶员意图识别算法的框图。

我们把驾驶员意图识别分为两种情况：行驶工况和制动工况，以是否踩制动踏板来判别。

对于行驶工况，以油门开度和油门开度变化率，这两个驾驶员操纵特征参数为输人，以经济性权数为输出，建立驾驶员意图识别模糊推理系统。

图2为模糊推理识别结果。

对于制动工况，对制动减速度进行归一化处理，使最大制动减速度对应动力性权数1，制动减速度零对应动力性权数0，这样就建立了制动减速度与动力性权数的一一对应。

识别了当前的驾驶员意图，获得相应的经济性、动力性权数之后，以此计算。

相应的换档规律，即可较好地体现驾驶员的意图。

（四）汽车行驶环境识别及相应换档策略
1.上坡的识别及换档策略
汽车行驶在上坡路面上，行驶阻力明显增加，同时驾驶员对油门踏板的操作也显着：区别于平直路面上行驶，图3为一段时间内油门和油门开度变化率出现时间统计分布图。

由图可见，由于行驶阻力的增加，上坡行驶时的油门开度和油门开度变化
率明显增加。

但是我们知道，在汽车起步或加速时，油门开度和油门开度变化率也有相同的变化，所以我们再引入两条推理规则来识别上坡道路：（1）车速较高；（2）油门开度较大，而加速度较小。

由此，我们建立了油门开度、油门开度变化率、车速、加速度4个参数为输入，上坡指数为输出的模糊推理系统，如图4所示。

上坡指数取4个输入参数推理的最小值作为系统的推理输出，当换档控制系统检测到上坡指数大于某一值时，即认为当前处于上坡路面。

上坡模式下，为克服行驶阻力，提供较大牵引力，一般较高车速时才升档。

同时可根据上坡指数相应增大换档延迟来避免换档循环。

2.下坡的识别及换档策略
汽车下坡时，一般油门开度为零，而行驶加速度为正值，换档控制系统则依此可识别汽车当前处于下坡路面。

汽车处于下坡路面时，往往先禁止升档；若驾驶员踩制动踏板，则降一档，以提高发动机制动效果；若降档后仍然加速，则再降一档，直到利用发动机制动可以使汽车平稳下坡。

当然在此过程中，还要监测发动机转速，以避免过快降档，造成发动机超速。

3.低附着路面的识别及换档策略
低附着路面主要是指湿滑路面和雪地路面，它的识别主要依靠ABS通过CAN;总线传送过来的4个轮速传感器的信号。

设前左、前右、后左、后右4个车轮角速度为ω-1、ω-2、ω-3、ω-4，则前轮驱动汽车的驱动轮滑转率可定义为
然而强烈制动和小半径曲线行驶时，滑转率也较高，所以必须排除这两种工况的干扰。

因此，为保证准确性，低附、着路面识别判据可概括为：当制动灯卜不亮，横向加速度小于一定值的情况下，若一段时间内的平均驱动轮滑转率大于规定值，则认为当前为低附着路面。

其中横向加速度的算法如图5所示（L为两轮间距，R为弯道半径，α-h为横向加速度）。

低附着路面下的换档控制策略主要是为了保证行驶稳定性，避免打滑现象，所以可概括为：加大换档延迟，减少换档次数，避免扭矩跳跃；提前升档、推迟降档，一以二档起步，限制过大驱动扭矩等。

4.拥挤市区的识别及换档策略
汽车在拥挤的市区行驶，其行驶状态参数和驾驶员操纵特征参数具有一定的统计分布特性，如图6所示。

由图可见，以轴矩系数（驱动轴转矩/转速）和汽车平均车速为识别参数，可较好的区分市区、郊区和高速公路。

其中轴矩系数可通过油门开度、发动机转速和当前档位的变速比计算得到。

同时，从图中还可以发现，在拥挤的市区和郊区两个统计区、域中有一小块重叠部分。

这是由市区和郊区行驶本身的模糊性所引起的，因此对这部分重叠区域采用保持上一次识别结果的处理方法。

由于在拥挤的市区内行驶，基本处于走走停停的状态，所以为提高乘坐舒适性，降低油耗，在识别出市区环境后，应禁用一档，以二档起步行驶。

（五）汽车智能换档控制系统
在驾驶员意图和行驶环境识别的基础上，我们建立了汽车智能换档控制系统，如图7所示。

该系统对不同行驶环境识别具有优先级，当系统识别出低附着路面时，直接调用控制器内存4条换档规律中的低附着换档规律，而忽略其他识别结果。

驾驶员意图识别优先级最低，以识别结果“经济性权数”来对最佳动力性、最佳经济性规律进行权重计算，得到符合驾驶员意图的换档规律。

坡道识别不自备换档规律，对相应的驾驶员意图规律做一定修正。

拥挤市区识别
优先级也较低，识别后即调用内存中的拥挤市区换档规律。

这样，系统根据不同的识别结果，选择、计算或修正不同的换档规律，实现了汽车自动换档控制。

（六）结论
本文分析了传统自动变速基本换档规律的弊端，引人了驾驶员意图识别和汽车行驶环境识别，建立了智能换档控制系统。

图8为上坡工况下两种换档控制的对比试验图。

由图可见，智能换档控制系统在识别了上坡工况，修正了换档规律后，车速和油门开度都相对稳定了，换档循环也消失了，说明该系统能较好地解决基本换档规律所出现的问题，使汽车具有更好的动力性、经济性和乘坐舒适性。