汽車動力傳動系統一體化智能控制技術研究

　隨著科學技術的發展，人們對汽車的要求越來越高。為了追求汽車的經濟性、動力性、安全性和舒適性，世界各國不斷運用先進科技、開發先進裝置，以使汽車的一些性能得到前所未有的改善。80年代中期，傳統控制的及時應用，使汽車系統機器總成的性能有了較大的提高，但相應也暴露出一些不足。人工智能的出現和發展，促進了傳統控制向智能控制發展。90年代初起，許多專家學者己經開始重視智能控制技術在汽車領域中的應用，目前應用最為廣泛的智能控制主要有模糊控制和神經網絡控制。

1 汽車動力傳動系統一體化智能控制的概念

1.1 一體化控制思想

　　汽車動力傳動系統一體化控制是指應用電子技術和自動變速理論，以電子控制單元（ ECU）為核心，通過液壓執行機構控制離合器的分離和接合、選換檔操作，并通過電子裝置控制發動機的供油實現起步、換檔的自動操縱。其基本的控制思想是：根據駕駛員的意圖（加速踏板、制動踏板、操縱手柄等）和車輛的狀態（發動機轉速、輸人軸轉速、車速、檔位），依據適當的控制規律（換檔規律、離合器接合規律等），借助于相應的執行機構（離合器執行機構、選換檔執行機構）和電子裝置（發動機供油控制電子裝置）對車輛的動力傳動系（發動機、離合器、變速器）進行聯合操縱。如圖1所示。 

1.2 一體化控制方式

　　動力傳動系統一體化控制方式一般分為3類：

　　（1）采用兩機或多機通訊的方式。在發動機ECU和變速器ECU之間實現信息共享。這種控制方式充分利用了成熟的發動機和變速器控制技術，對原系統改動較少，易于實現，開發成本較低，但由于布線較多，集成度不高。

　　（2）采用單一的ECU對發動機和變速器實現整體控制。其優點是集成度高，外圍接線減少，可靠性提高，但對ECU要求較高，開發成本高。豐田雷克薩斯Ls400型轎車上的動力控制系統、四檔帶智能控制系統的自動變速器A341 E和發動機使用同一ECU，裝有微電腦的ECU通過控制自動變速器的換檔、閉鎖時刻、行星齒輪系統中執行機構（離合器、制動器）的油壓以及換檔時發動機轉矩，使換檔品質達到最佳。

　　（3）采用 CAN總線結構進行總體控制。目前在汽車上采用較多的是CAN總線，發動機與變速器兩個控制子系統通過CAN總線進行連接的結構如圖2所示。通過CAN總線，兩個系統之間不僅能傳輸命令、請求和汽車的一些基本狀態（如發動機轉速、車速、冷卻水溫度等），還能對一些實時性要求強的數據如油量、轉速信號等設定較高的優先級。

2 汽車動力傳動系統一體化控制系統的基本組成
 
       控制系統的功能是依據駕駛員的意圖和車輛行駛環境的變化，自動調節基礎傳動部件的傳動比和工作狀態，以實現傳動系效率的最佳和車輛整體性能的最優。一般來說，車輛控制系統主要由車輛數據采集系統（傳感器部分）、電子控制單元和執行機構三大部分組成。

　　（1）車輛數據采集系統（傳感器部分）的組成。

　　在整個控制系統中，傳感器的部分作用等于人工操作換檔車輛情況下駕駛員的視覺、聽覺和觸覺系統，將各種換檔所需的參數信號采集并傳送到電子控制單元。
 
       車輛按照駕駛員的意圖行駛和工作，車輛控制系統必須能夠正確識別和實現駕駛員的操縱。駕駛員意圖的識別是通過傳感器對車輛控制機構（例如加速踏板、制動踏板、方向盤轉角等）的變化進行測試，并經過分析獲得。

　　 在汽車上使用的傳感器主要有以下幾種：磁電式傳感器、磁阻式傳感器、光電式傳感器、霍爾式傳感器、熱敏式傳感器、變阻式傳感器、壓電晶體式傳感器等。在動力傳動系統中變速器部分使用的傳感器主要有：發動機轉速傳感器、車速傳感器、節氣門開度傳感器、離合器位移傳感器等。其中發動機轉速傳感器、車速傳感器使用磁電式傳感器和霍爾傳感器等利用磁電信號原理的傳感器，節氣門開度傳感器和離合器位移傳感器均使用變阻式傳感器。

　　除傳感器以外，其他信號通過開關和控制器或其他方式進行信號傳遞。常用的開關有多功能開關、強制低檔開關等。開關也是很重要的信號輸入手段。

　　（2）電子控制單元。

　　電子控制單元（ECU）是整個控制系統的核心。其功能是依據駕駛員意圖和車輛的運動狀態參數檢測與提供的信號，進行檔位轉換或工作狀態改變。電子控制單元的主要功能有：信號采集和預處理、駕駛員操縱意圖識別、車輛狀態識別、換檔決策（換檔規律）、換檔品質控制、故障診斷功能、輸出和顯示等功能。典型的電子控制單元如圖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位微處理器，有些甚至使用了定制的微處理器，包含了控制需要的大部分功能，簡化了控制電路而且增強了電路的功能和可靠性。比如日本的JATC Q公司的產品均使用NEC和摩托羅拉16位和32位微處理器；德國的ZF公司使用摩托羅拉32位POWERPC微處理器開發了5檔自動變速器——SHP19的換檔控制器。由于控制器的微處理器更新換代，使換檔控制比較復雜，而且由于處理器的外圍電路擴展，使輸入輸出功能更加強勁。為了使控制性能獲得更大的提高，在這些控制器中不僅使用了控制程序，還使用了嵌入式實時操作系統。

　　（3）執行機構。

　　控制系統在采樣獲得輸人信號以后，送到控制器進行數據處理，數據處理結束以后，電子控制單元的控制信一號將通過執行機構實現對動力傳動系統工作狀態的改變，保證對車輛性能的控制。同時執行機構保證換檔品質的控制。實現檔位切換的執行機構一般都使用電磁閥。

3 智能控制技術及其在動力傳動系統中的應用

3.1 智能控制技術

　　智能控制的產生來源于被控制系統的高度復雜性、不確定性及人們對控制性能越來越高的要求。這種被控系統難以用精確的數學模型（微分方程和差分方程）來描述。而作為智能控制方法之一的模糊控制與傳統控制相比，具有3個優點：可以從行為上模擬人的模糊推理和決策過程；不需要建立數學模型即可實現較好的控制；可以實現非線性控制任務，而常規控制器對非線性特性通常難以實現控制要求。

　　智能控制技術作為自動控制技術的前沿，以智能控制理論、計算機技術、人工智能  、運籌學為基礎，適用于被控對象和環境具有未知或不確定因素、數學模型難以建立、運行環境和工況發生不可預測的變化等場合。一個好的智能控制系統應能滿足多目標與多性能指標要求，能利用知識進行推理和學習，能適應對象特性和運行條件的變化，具有較好的魯棒性、適應性、容錯性、實時性和多樣性。

3.2 智能控制技術在汽車動力傳動系統中的應用

　　汽車是一個復雜的多自由度系統，在外界不確定因素的作用下，其動態特性會發生很大變化甚至失穩。許多專家都在尋求一種有效方法控制汽車的動態特性，使之滿足要求。由于智能控制的性能優于傳統控制，因而在汽車領域得到廣泛的應用。

　　目前，智能控制技術已經滲透到汽車的各個方面，如汽車的運動控制、駕駛員模型、輪胎模型以及制動系統、懸架系統、轉向系統、傳動系統和發動機的控制等。

3.2.1 發動機控制

 發動機技術決定和影響著整車基本技術的發展。由于激烈的市場競爭和新的燃油排放標準的制定和實施，發動機技術己從單純追求功率和可靠性轉移到追求良好的燃油經濟性和降低廢氣排放。發動機的控制包括：燃油噴射控制、點火時刻控制、爆震控制、怠速轉速控制、廢氣再循環控制和空燃比閉環控制等。

　　90年代初，菲亞特公司成功地實現了發動機怠速的模糊控制。隨后，三菱公司也不甘落后，提出了相關計劃。90年代中期，Martinez和Jamshidi將模糊控制運用到發動機中，控制發動機怠速轉速和空燃比，其結構原理如圖4所示。

      該模糊控制器輸人速度和加速度的誤差，經模糊運算得出一個合適油門開度值u。不久，Ma-jors等人成功地運用神經網絡理論實現了發動機燃料空氣比的控制。

3.2.2 傳動系統控制

　　90年代初，福特公司和宏達公司已經就神經網絡和模糊邏輯系統在汽車的動態特性與控制中的應用進行了許多研究，日產公司率先用模糊控制器控制汽車傳動系的變速規律和防抱死制動系統的壓力調制器。90年代中期，Sakai等人考慮汽車上下坡行駛條件，研究開發了變速規律模糊控制器。其原理如圖5所示。該模糊控制器以汽車速度、加速度、油門開度、道路阻力、制動時間和當前變速情況為輸入，經模糊運算后得出合適的換檔值。

4 結語

　　汽車動力傳動一體化控制系統是采用高性能微控制器對動力傳動系統賣施一體化控制的產物。隨著汽車電子技術的發展和生活水平的提高，人們對汽車性能的要求也越來越高，依靠微控制器對汽車動力傳動系統進行整體控制已成為國內外競相發展的一項技術。同時，智能控制技術在汽車控制領域被日益廣泛應用，使得智能控制技術也成為汽車整體控制的重要發展方向之一。