1、電子油門和自動變速器動力傳動系統(tǒng)的綜合控制摘要本文提出了一個控制策略對于一個車輛與電子油門控制系統(tǒng)(ETC)和自動變速器的設計方法。司機的油門踏板位置被闡述為功率的請求，這是要滿足發(fā)送換擋和油門開度的以最佳方式協(xié)調合作。動態(tài)編程（DP）的技術被用來獲得最佳的換檔和油門開口滿足功率需求的同時，最大限度地提高燃油經(jīng)濟性。這個優(yōu)化結果在不同功率水平將會結合形成一個齒輪圖和油門圖，負責操作集成動力總成。提出了一種油門踏板位置和功率需求水平可以根據(jù)喜好調整車輛性能目標之間關系的控制架構概念。仿真、車輛測試和測功器試驗結果表明該集成動力總成控制方案與傳統(tǒng)動力總成控制方案生成功率一致并且提高了燃油效率。關鍵

2、詞自動變速器，動態(tài)編程(DP)，電子油門控制，換擋圖，動力一體化控制。I. 引言在傳統(tǒng)的由汽油發(fā)動機驅動的車輛中，油門踏板由駕駛員驅動的機械鏈接到的發(fā)動機油門調節(jié)的氣流進氣歧管。當駕駛員保持油門踏板不變，由發(fā)動機產(chǎn)生的功率和扭矩將改變發(fā)動機的轉速，因此，驅動程序需要改變踏板的位置，從發(fā)動機獲得恒定的轉矩（加速）或動力。由于每個動力總成有其自己的扭矩/功率特性，所以司機有責任去適應動力總成，而不是周圍的其他方法。油門踏板的油門之間的機械聯(lián)動取而代之的是電子連接，在現(xiàn)代車輛中通常稱為電子油門控制系統(tǒng)（ETC）1，2。ETC提供了節(jié)流映射到油門踏板之間的靈活性，因此，是一個新的設計程度的自由度。例如

3、，它可以用來實現(xiàn)和整合功能，如怠速控制，巡航控制系統(tǒng)，自適應巡航控制系統(tǒng)，牽引力控制系統(tǒng)，等等。在本文中，我們探討了協(xié)調控制變速器（齒輪轉移）和發(fā)動機（油門）的動力傳動系統(tǒng)的綜合控制功能。設計目標是為了滿足駕駛員的功率需求，同時優(yōu)化了燃油經(jīng)濟性。 對于現(xiàn)代的動力總成系統(tǒng)配備ETC，許多研究探討了換檔時油門開度角可能的優(yōu)勢控制。在3,Ge et al，提出的控制算法，以盡量減少由于突然變化的齒輪比而使車輛的性能和換檔質量的惡化。使用閉環(huán)控制方案中，在轉向期間調整節(jié)氣門開度以減少在變速箱中同步齒輪的轉速差和驅動與離合器從動板之間的速度差。Minowa et al， 4被解釋為驅動軸的轉矩要求的加速

4、踏板位置。油門開度可以控制最低燃油消耗以補償由于換檔定時的選擇而引起的轉矩降低。該方法被認為是有希望提高燃油經(jīng)濟性和加速的感覺。Yasuoka et al.， 5提出了一種綜合控制算法ETC系統(tǒng)的動力傳動系和無級變速器（CVT）。發(fā)動機扭矩目標和CVT目標的比是為了獲得所要求的驅動轉矩的最佳燃油經(jīng)濟，這個要求是基于齒輪比圖和驅動扭矩需求。此外，為了改善轉矩的瞬態(tài)響應，發(fā)動機的扭矩用于補償慣性轉矩和變速比變化的響應滯后。Sakaguchi et al. 6 稱提高整個動力總成的燃油效率，發(fā)動機和變速器都需要被考慮，而不是僅僅集中在發(fā)動機上。對于配備了CVT的車輛，用一個算法來計算發(fā)動機轉矩和CV

5、T比組合，以達到最高的動力總成開發(fā)的整體效率。當配備有先進的電子油門的動力傳動系統(tǒng)時，加速器踏板不再與發(fā)動機節(jié)流板相連。因此，所檢測到的踏板運動需要被作為一個驅動器的需求，通常是作為轉矩命令或功率的需求。在本文中，在加速器踏板位置被解釋為請求功率的原因有兩個。首先，“理想的動力總成”的定義一方面是一種以可靠方式產(chǎn)生動力的電源。另一方面是根據(jù)由Vahabzadeh et al. 7的研究認為發(fā)動機的功率是表示驅動程序需求的最好的物理測量參數(shù)。在本文中，我們將開發(fā)滿足駕駛員的功率需求的油門或齒輪圖，并在此期間，達到最佳的燃油經(jīng)濟性。首先，要創(chuàng)建一個足夠準確的車輛模型去模擬目標車輛。該模型包括發(fā)動機

6、，變矩器，變速器齒輪箱，輪胎/汽車動態(tài)的子模型。除了一個敞開油門現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對模型進行了驗證此外還有EPA燃油經(jīng)濟性循環(huán)測試也進行了驗證。該仿真模型可簡化為獲得動態(tài)規(guī)劃（DP）控制設計模型的過程中，隨著所有的情形和輸入變量離散成可管理的數(shù)字網(wǎng)格點。汽車啟動在選定的恒定踏板位置（即，恒功率要求）作為我們的優(yōu)化過程。一個DP是把燃油經(jīng)濟性和動力制造誤差作為成本函數(shù)，然后解決這些的手法。最佳輸入（油門開度和排檔桿）會得到了在恒功率的要求每個動作。結果似的所有的功率電平結合形成的油門圖和齒輪圖。所獲得的油門圖和齒輪的地圖中實現(xiàn)車輛模擬模型和在運行的EPA燃料的經(jīng)濟周期下測試燃料的燃油經(jīng)濟性。最后，該圖

7、用來實現(xiàn)測試車輛和評估燃油經(jīng)濟性，性能和舒適度II整車仿真模型在本節(jié)中，目標車輛系統(tǒng)的仿真模型被描述。此模式將被用于測試燃料經(jīng)濟性和動力總成控制策略的駕駛性能。它也將作為DP優(yōu)化模型的基礎。該模型需要是足夠精確的目標車輛的模擬行為還具有最小的復雜性。模型是由兩個主要部分組成：動力總成和輪胎/車體。動力總成進一步劃分分為三個子組件：發(fā)動機，扭矩轉換器，和變速器。動力總成被細分，在這用預期未來的方式修改這些各種不同的子組件的組件系統(tǒng)，如帶有可變氣缸激活技術的發(fā)動機，柴油發(fā)動機，六速的AT，無極變速器，等。本研究建立的數(shù)學為基礎的優(yōu)化過程不僅限于有傳統(tǒng)的子組件的系統(tǒng)的動力總成，而且是作為動力系統(tǒng)控制

8、設計的骨干。對于輪胎/車體，只有縱向動力學被考慮因為，在一般情況中，燃料經(jīng)濟性和被測試車輛的駕駛性能僅僅被當作車輛的縱向運動。在MATLAB / SIMULINK的車輛模型結構的環(huán)境中，如圖所示， 1，本研究的目標車輛是配備有ETC和一個四速AT的5.3-L V8發(fā)動機，兩輪驅動的皮卡。叉車的參數(shù)由表I中所示的。圖， 1。在Simulink模塊中的整車仿真模型。A. 發(fā)動機從發(fā)動機旋轉動力學中計算發(fā)動機角速度。 表I車輛參數(shù)圖。 2。 （一）發(fā)動機的扭矩圖。 （B）發(fā)動機燃油消耗率圖。其中和是發(fā)動機和液力變矩器泵的轉動慣量，和Tp是發(fā)動機轉矩和液力變矩器的泵轉矩，是泵旋損失，是的配件損耗扭矩。

9、從一個有油門開度和的穩(wěn)定的狀態(tài)圖見圖，圖2（a） 中得到的發(fā)動機轉矩，扭矩轉換器泵轉矩是從第II-B（3）所示中計算出的。泵損失是根據(jù)發(fā)動機轉速和節(jié)氣門開度算出。配件損失轉矩僅依賴于發(fā)動機轉速。該車輛的燃料消耗率的計算是由穩(wěn)定狀態(tài)圖中相同方式的發(fā)動機轉矩得出的參照圖。圖2（b）。這些穩(wěn)定狀態(tài)的圖，如圖2所示，是對發(fā)動機的測試而得出來的。圖。 3。液力變矩器的特點。B.液力變矩器扭矩轉換器包括一個泵，這個泵被連接到發(fā)動機的輸出軸上。渦輪機連接到所述軸要的傳輸齒輪組，和一個定子接地到單向離合器。在這項研究中，扭矩轉換器是一個靜態(tài)的，非線性的輸入輸出（I / O）模型。 其中，為泵扭矩，是容量因子，

10、是渦輪機的轉矩，而是扭矩比。 K和TR有變速比得功能，SR（參照圖3），它被定義為轉矩轉換器的輸入轉速和輸出轉速之間的比，即，由于發(fā)動機轉速計算是從發(fā)動機模型和來自由輪胎半徑，最終傳動比，和齒輪比，已知的速度比計算出的渦輪機的速度得出的。容量因子和扭矩比可以用圖3。方程（2）（3）所示的數(shù)據(jù)表計算出。然后，計算出泵扭矩和渦輪轉矩。C.傳動齒輪箱 由于本研究的主要目的是，在不考慮轉向瞬態(tài)特性的情況下獲得最佳的換檔點相對于油門開口和車速。因此，詳細的轉移機制，如離合器，齒輪組，以及液壓系統(tǒng)和在被忽略的中間移位現(xiàn)象。傳動齒輪箱被建立為一個簡單的帶有齒輪比的僅考慮到每個齒輪效率的代數(shù)I / O關系。輸

11、入/輸出關系是由以下公式組成來自液力變矩器的常用來計算變速器的輸出轉矩，然后，用這個數(shù)值乘以最終傳動比和最后的驅動器效率，得到驅動轉矩。是變速器輸出軸的旋轉速度并且用和車輪轉動速度計算，由（13）得到的。然后，用來得到的。不能夠直接從轉矩轉換器中計算出的渦輪機的旋轉速度，因為渦輪機軸的慣量是忽略不計。用反向計算方式的方式可以得到渦輪機的轉速。圖。 4。車輪轉動D.輪胎/汽車車身動態(tài)一點質量模型被用來表示車體，這是所描述地點是車輛的前進速度。（9）中的三個阻力，氣動阻力，滾動阻力，和路面阻力。這些力是由車輛迎風面積，氣動阻力系數(shù)，空氣質量系數(shù)，整車質量，滾動阻力系數(shù)，重力常數(shù)，路面阻力系數(shù).車輪

12、轉速，的計算用的驅動轉矩，制動扭矩，車輪半徑，輪轂與軸的慣性，傳動系統(tǒng)轉動慣量，和牽引力（參照圖4）。得到的輪胎牽引力與輪胎的滑移率作為輸入，從查找表中表II WOT結果（車輛試驗對仿真）表III EPA燃油經(jīng)濟性循環(huán)的結果（車試驗對仿真）E.模型驗證開發(fā)的部分模型中，我對目標車輛的試驗結果在兩種情況：啟動廣開油門（WOT）和EPA燃油經(jīng)濟性測試周期進行了驗證比較。 WOT測試提供了廣泛使用性能指標，如在四分之一英里的速度，四分之一英里的時間，和從0到60米/小時的時間。 EPA循環(huán)的結果是很重要的，因為他們的標準尺度是車輛的燃油經(jīng)濟性。為了順應的EPA周期，一個駕駛模型構造了一個基于比例加前

13、饋控制器。獲得的前饋信號和比例信號被設計為迭代，以確保速度誤差在EPA跟蹤精度的要求范圍內沒有過多的振蕩控制行動。模型驗證結果顯示在表II和III。仿真結果比測試數(shù)據(jù)高，主要是因為在現(xiàn)實中發(fā)生的損失在車輛模型中不算。然而，模擬結果在所有的測試數(shù)據(jù)的6以內。從這些結果中，我們得出仿真模型對于動力傳動系統(tǒng)的綜合控制設計和評估。是足夠準確的結論。III。最佳的油門/檔位控制策略與ETC系統(tǒng)目前行業(yè)中使用的齒輪變速時刻表的格式是把油門開度和車速作為獨立變量的一個2-D圖。這種形式的換擋圖覆蓋節(jié)氣門開度從0到100和車速從0 m / h到該車輛可以達到的最大速度WOT。由于燃油效率是為了評價在一個指定的

14、駕駛周期內的燃油經(jīng)濟性，所以評估換擋規(guī)律可以用這種方法。這將是沿著這條駕駛周期的理想的優(yōu)化換擋。然而，在許多情況下車輛只需要最多至約40油門去遵循的駕駛周期。此外在美國使用的測試周期的最大速度是60米/小時（96.6公里/小時），這意味著如果換擋規(guī)律沿驅動周期進行了優(yōu)化獲得的數(shù)據(jù)將少于齒輪換檔圖譜的半數(shù)。另外，由于燃油經(jīng)濟性試駕周期不包括任何性能規(guī)格，換擋規(guī)律基于駕駛周期不可能在現(xiàn)實生活中的駕駛。為了克服優(yōu)化換擋規(guī)律在一個駕駛周期的缺點，固定踏板（功率）啟動“演習是在本文中被用于優(yōu)化。這些“發(fā)動”演習對是非常重要的因為它們對車輛的燃油經(jīng)濟性發(fā)揮著顯著地影響。此外，我們認為這些開展機動提供的恒功

15、率將提供可以接受的（或改善）感知駕駛性能。 DP技術用于為恒功率需求的10，20，100優(yōu)化的齒輪變速時間表。每個功率級的結果被組合以形成節(jié)氣門/齒輪圖。DP 8 - 12是一個動態(tài)系統(tǒng)的多階段決策過程，該過程保證了全局最優(yōu)解的網(wǎng)格精度。此外，它可以靈活的適應等式和不等式約束。由于DP13 - 15技術在動力總成控制領域的許多研究中的這些優(yōu)點。而使動態(tài)編程有若干限制。最具影響力的一個的計算量是非常高的，這是眾所周知的叫做“維數(shù)災難”。隨著狀態(tài)變量和控制變量數(shù)量的增加計算問題存儲數(shù)據(jù)的時間和它需要執(zhí)行的計算成倍增加。因此，動態(tài)規(guī)劃僅在的系統(tǒng)數(shù)量較少的狀態(tài)和網(wǎng)格點的數(shù)目少的情況下是可行的。另外它在

16、可用的量化和累計的目標方面是有局限性的。 在本文中，離散確定性動態(tài)規(guī)劃版本的應用。它是確定的而不是隨機的，因為它是假定控制決策的結果是唯一確定。它是離散的，因為它一般是比較容易解決多級決策數(shù)字上的問題。此外，因為是在本研究中它是不容易的獲得當動力系統(tǒng)是高度非線性的和在系統(tǒng)建模中使用的查找表情況下的一個分析結論。 A. DP車輛模型為了盡量減少DP優(yōu)化過程中所涉及的計算負載，關鍵是要捕獲目標優(yōu)化過程的狀態(tài)。自發(fā)動演習的優(yōu)化選擇以來，選擇的整車仿真模型進一步簡化，在不犧牲發(fā)射演習的準確性的可能性進行了探討。圖5表明廣開油門（WOT）的仿真產(chǎn)生了使用車輛仿真模型和無輪胎滑移模型仿真模型。它表明簡化模

17、型（不包括輪胎打滑）的發(fā)射行為和原始模型（輪胎打滑）的非常相似。這個簡化的模型減少了狀態(tài)變量有三到四個變?yōu)橐粋€，這使得DP的計算負荷降低了。因此被用于DP車輛模型。 圖 5。WOT模擬結果（DP車輛的整車仿真模型）?；谶@個模型，狀態(tài)變量和控制信號都離散為DP的實施。這些元素的網(wǎng)格尺寸是很重要的，因為它們是直接關系到仿真精度和計算時間。尺寸小的格計算時間更長，優(yōu)化結果更精確。，采樣時間步長大小同樣是重要的，足夠大的狀態(tài)變量可能演變到鄰近的電網(wǎng)點。所選的網(wǎng)格點如下。驅動器需求：功率 控制輸入： 換檔; 油門。 狀態(tài)：發(fā)動機轉速r / min的;齒輪的位置;車輛速度M / H。B.成本函數(shù)和約束條

18、件 在這項研究中的DP問題的目標是在燃油經(jīng)濟性最大的情況下找到目標車輛的最佳的齒輪控制和節(jié)氣門開度，同時滿足駕駛者的需求。由于在交流累積的方式DP的成本函數(shù)需要被表達，所以我們不能直接表達的燃油經(jīng)濟性，在成本函數(shù)中行駛距離在燃油消耗之上。因此，用于DP階段參數(shù)被選擇為固定的距離和設置為最小化燃料消耗的成本函數(shù)。問題設置如下。選擇以最小的成本函數(shù) 此處 在這里，是在階段的狀態(tài)向量，是的控制向量，是表示系統(tǒng)模型（DP車輛模型）的轉換函數(shù)，是在階段的瞬時過渡成本（燃料消耗），并且是在最后階段.的成本（燃料消耗）踏板位置（0至100）和所需的發(fā)動機功率（0至100）之間的映射關系可以被設計為實現(xiàn)不同的

19、感知駕駛品質。然而，在這項研究中，我們簡單地假設，在一定的功率需求（不指定相應的踏板位置）。優(yōu)化問題在達到規(guī)定的功率以一個最佳的水平的方式被解決。另一個要考慮的因素是，因為DP優(yōu)化過程中所有的控制變量是離散的，將沒有可能找到一個提供了完美恒功率的最優(yōu)解。因此，驅動器的功率的需求被轉換成一個可以接受的功率帶和DP優(yōu)化過程中實現(xiàn)不等式約束。相應的罰函數(shù)示于圖.的約束。圖 6。有害的功率帶。 圖。 7。程序的綜合油門/換檔控制。圖。 8。 DP優(yōu)化結果為70的功率需求。所要求的功率作為功率帶的上限（圖的實線所示）并且功率值在該界限以上將給于無限處罰因此不可能接受更多的功率要求。較低的功率帶（如圖6中

20、的虛線所示），將是需要功率的90。換言之，只要將所產(chǎn)生的功率是在所要求的功率的90和100之間，不會被執(zhí)行處罰。一個有限的處罰將在該功率帶的下界和在一個二次方式處罰累計增加。功率帶的下界用被定義為一個有余地的DP過程，其中最佳的解決方案不能被發(fā)現(xiàn)在所要求的功率的和100之內。圖。 9。 （左）節(jié)氣門圖。 （右）齒輪的圖。C.控制策略生成對于一個給定的功率要求，功率需求被轉換成功率帶約束。然后，DP問題就解決了以獲得最佳的換檔控制策略和最大限度地提高了燃油經(jīng)濟性的油門開度，同時滿足功率帶約束。該過程被描述在圖 7。優(yōu)化結果在功率需求的30和70，在圖。7和8中可以分別看出。在第一塊數(shù)據(jù)中，實線表

21、示發(fā)動機所產(chǎn)生的實際功率并且點劃線表示功率帶。被操縱節(jié)氣門開度有一個非常顯著的特點是，使發(fā)動機的功率在換擋是保持在指定的功率帶。這個恒定的功率要求的優(yōu)化過程被重復全功率的10，20100的功率需求。然后，齒輪圖通過組合換檔所轉變的功率水平的所有速度點構成并且油門圖和齒輪圖有相同的方式構成，在這個階段油門概況就代表了有關的速度情況。圖。 10。 ETC油門/齒輪圖。圖。 11。恒功率的發(fā)動機扭矩圖將所得節(jié)氣門圖和齒輪的圖示于圖。 9。這兩張圖重疊更清晰，如圖所示。 10。在低功率的需求水平（高達20），ETC和傳統(tǒng)的機械式節(jié)氣門控制系統(tǒng)不存在顯著差異。換言之，油門幾乎是恒定的并且換擋時也不會波動

22、。正是由于低的節(jié)流閥水平這樣的實事，恒定油門線符合于近似恒定功率線在圖11所示。在中高功率水平，獨特的油門反應能被觀察到。首先，在低車速下，節(jié)氣門幾乎是在全開的位置以盡快達到的駕駛者所要求的功率水平。二，在換檔點油門突然大增并慢慢地衰減到一個穩(wěn)定的水平。如果在換擋之后節(jié)氣門開度保持不變，將減少發(fā)動機轉速并且發(fā)動機扭矩增加。然而，發(fā)動機轉矩的增加量不足以維持發(fā)動機功率。因此，需要油門的喘振增加發(fā)動機轉矩去補償?shù)膿Q擋過程中的功率損耗。油門桿隨著發(fā)動機轉速的增加而衰變。圖12。修正節(jié)氣門圖。D.評價新的控制策略所獲得的油門和換檔圖中實現(xiàn)在第二節(jié)的整車仿真模型，以評估在車輛的性能。表IV表明了通過一起

23、控制油門/齒輪圖，ETC系統(tǒng)實現(xiàn)了比目前城市循環(huán)4生產(chǎn)圖的更高的燃料效率。盡管這樣的比較是不公平的（ ETC達到幾乎恒定的功率，而非達到了波動的功率），燃油經(jīng)濟性的提高表明施加恒定的功率要求不會導致燃油經(jīng)濟性不利。在ETC圖還用來對測試車輛的實際駕駛感覺的評價。經(jīng)駕駛者初步測試以后，有兩個問題被確定。首先，在中等功率下的高油門在低速時發(fā)現(xiàn)是被干擾，盡管它有助于更迅速達到所要求的功率。這個問題通過修改駕駛員需求的優(yōu)化的設置被解決了。而不是用一個限速器設置一個駕駛員的需求階躍函數(shù)。第二個問題是獨立的轉換操作圖和油門圖。在高功率需求的區(qū)域不存在換檔延遲油門喘振的行為將匹配的換檔點因為它們是同時命令的

24、。然而，在試驗車輛上，由于換檔延遲節(jié)氣門在換擋之前上升。因此，額外的兩個控制行動之間的協(xié)調是必要的。協(xié)調是通過分割節(jié)氣門映射到4個圖，對于每個齒輪和功率要求的獨立變量的圖和發(fā)動機速度（并不是功率需求和車速）。修改過的節(jié)氣門如圖12所示。實線是節(jié)氣門水平為10，20，100。的輪廓線。圖。 13。油門/齒輪圖實現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)的綜合控制方案圖。 14。修正節(jié)氣門圖。虛線表示的上移和降檔。在這種格式下，齒輪上移后的發(fā)動機轉速下降，將觸發(fā)油門命令使之激增。圖13表示達到節(jié)流器和齒輪控制為一體的總體裝置。車輛測試表明ETC的油門/齒輪圖提供幾乎恒定的功率（見圖14）。比較得，非ETC車輛恒定的油門水平的試驗結果也被顯示。底部的兩個圖顯示由發(fā)動機產(chǎn)生的實際功率由發(fā)動機轉速和發(fā)動機扭矩計算出。產(chǎn)生的功率用在ETC的油門/齒輪圖（左）除了在轉變的時候幾乎是平的。這提高了整體平移的感覺，因為相比非ETC