基于客觀評(píng)價(jià)模型的AMT汽車(chē)起步品質(zhì)優(yōu)化方法*

張建國(guó)，雷雨龍，王加雪，劉洪波

(1．裝甲兵技術(shù)學(xué)院車(chē)輛工程系，長(zhǎng)春 130117;2．吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

前言

目前，針對(duì)電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)的起步控制品質(zhì)，研究者并沒(méi)有判斷優(yōu)劣的明確標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外通常采用主觀評(píng)價(jià)方法對(duì)起步品質(zhì)進(jìn)行粗略的評(píng)估［1］。研發(fā)人員需要通過(guò)大量的在線(xiàn)標(biāo)定使車(chē)輛的起步品質(zhì)達(dá)到自己認(rèn)為較好的程度，但有時(shí)甚至通過(guò)標(biāo)定無(wú)法解決只能重新修改控制策略，工作量很大。原因在于目前對(duì)自動(dòng)變速器的起步控制目標(biāo)尚不具體。因此，確定具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)和明確的控制目標(biāo)是研究者須解決的第一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

有了控制目標(biāo)和評(píng)價(jià)指標(biāo)后，優(yōu)選起步品質(zhì)的控制策略和算法則是擺在研究者面前的第二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

本文中針對(duì)某AMT樣車(chē)提出一種基于客觀評(píng)價(jià)的起步品質(zhì)優(yōu)化方法，一方面通過(guò)評(píng)價(jià)為AMT系統(tǒng)的起步控制確定控制目標(biāo)，為起步控制與標(biāo)定提供參考和指導(dǎo);另一方面根據(jù)確定的控制目標(biāo)對(duì)AMT系統(tǒng)的控制策略和控制算法進(jìn)行優(yōu)化，提高其起步品質(zhì)。

1 起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)分定義

起步品質(zhì)是指在保證汽車(chē)動(dòng)力性與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)壽命的前提下，起步迅速而平穩(wěn)，滿(mǎn)足舒適性要求。在車(chē)輛起步過(guò)程中，離合器接合速度過(guò)快，會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大波動(dòng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)顫振、熄火，破壞起步的平順性;離合器接合速度過(guò)慢時(shí)，則滑摩功迅速增加，離合器使用壽命降低，起步時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足快捷起步的要求。因此，本文中從控制的角度出發(fā)，定義了評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1和圖1所示。

表1 起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 整車(chē)模型與客觀評(píng)價(jià)模型

2．1 仿真模型總體方案

基于Matlab/Simulink搭建的整車(chē)系統(tǒng)仿真模型［2－3］包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器與操縱裝置、變速器與同步器、變速器電控單元(TCU)、駕駛員、負(fù)載和整車(chē)動(dòng)力學(xué)等子模型。仿真模型總體方案如圖2所示，主要功能和數(shù)據(jù)流說(shuō)明如下。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)模型根據(jù)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度α和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te。

(2)離合器及其操縱裝置模型根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te、阻力矩Tl、離合器從動(dòng)盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)的角速度差dωc和控制器給出的離合器控制速度vc。計(jì)算離合器傳遞轉(zhuǎn)矩Tc。

(3)變速器與同步器模型根據(jù)控制器給出的目標(biāo)擋位計(jì)算同步轉(zhuǎn)矩Ts、同步時(shí)間ts和傳動(dòng)比ig。

(4)負(fù)載模型根據(jù)整車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tout、車(chē)輪旋轉(zhuǎn)角速度ωw等信號(hào)計(jì)算整車(chē)阻力矩Tl。

(5)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型根據(jù) Te、Tc、Tl，計(jì)算 Tout、ωw、縱向加速度a和離合器的從動(dòng)盤(pán)角速度ωc等參數(shù)。

(6)控制器模型根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)給出vc和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)量Δα，對(duì)離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

(7)駕駛員模型給出能夠反映駕駛員意圖的手柄位置信號(hào)L_pos、加速踏板位置信號(hào)Acc_p、制動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)B_on和駕駛模式(運(yùn)動(dòng)型 /經(jīng)濟(jì)型)Mode。

2．2 AMT起步的數(shù)學(xué)模型

AMT動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型如圖3所示。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可知:

起步時(shí)各個(gè)參數(shù)之間滿(mǎn)足:

圖2、圖3和式(1)～式(4)中:Te和TOT分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m;Tc為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，N·m;Tl為車(chē)輛的行駛阻力矩，N·m;Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和離合器主動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;Ic為離合器從動(dòng)盤(pán)和連接部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;Iw表示車(chē)輛驅(qū)動(dòng)軸和平移質(zhì)量換算到驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;ωe、ωc、ωOT和 ωw分別為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、離合器從動(dòng)盤(pán)、變速器輸出軸和車(chē)輪的角速度，rad/s;be、bc和bw分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器從動(dòng)盤(pán)和驅(qū)動(dòng)軸的阻尼系數(shù)，N·m·rad·s－1;i1為總傳動(dòng)比;δ為傳動(dòng)系旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);M為汽車(chē)質(zhì)量，kg;ua為車(chē)速，km/h;rw為車(chē)輪半徑，m。

仿真模型設(shè)置的主要參數(shù):整車(chē)質(zhì)量1 490kg，滾動(dòng)阻力系數(shù)0．012，車(chē)輪滾動(dòng)半徑0．287m，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率102kW(5 750r/min)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩182N·m(4 500r/min)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)慣量 0．34kg·m2，離合器從動(dòng)盤(pán)瞬時(shí)慣量0．1kg·m2。

2．3 客觀評(píng)價(jià)模型

仿真模型的總體方案中集成了起步品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)模型，其輸入為 Acc_p、B_on、Lc、Gear、Geartar、α、ua、a、ωe、ωc，用于起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的提取和評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算。起步品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)由輸入的數(shù)據(jù)和信號(hào)，通過(guò)評(píng)價(jià)模型中的系統(tǒng)辨識(shí)算法判斷起步工況的類(lèi)型，并提取各種起步工況下的評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而可以給出相應(yīng)的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果。客觀評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定為1 ～10個(gè)級(jí)別［4］。

圖4為評(píng)價(jià)系統(tǒng)中客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算步驟。由于各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，需要在計(jì)算評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果時(shí)先進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)均為0～1的值。然后根據(jù)不同的權(quán)值分配計(jì)算出客觀評(píng)價(jià)等級(jí)，此時(shí)得到的結(jié)果仍在0～1的范圍內(nèi)。最后通過(guò)反歸一化處理得到相應(yīng)工況下起步品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)結(jié)果(1～10)。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值分配問(wèn)題上，由于評(píng)價(jià)者關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同，權(quán)值亦有所不同。因此，本文中應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)原理針對(duì)評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，最終確定評(píng)價(jià)模型中各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重［5］。在對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，將以上6個(gè)起步品質(zhì)影響因素和相應(yīng)的主觀評(píng)定等級(jí)分別作為輸入和目標(biāo)向量。訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值分配算法的正確性，為下一步確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)提供了理論依據(jù)。

2．4 評(píng)價(jià)給出的控制目標(biāo)

基于AMT整車(chē)模型和評(píng)價(jià)模型的聯(lián)合仿真平臺(tái)，得出起步品質(zhì)達(dá)優(yōu)時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制期望區(qū)間，如表2所示。表中給出的結(jié)果就是進(jìn)行AMT起步品質(zhì)優(yōu)化的控制目標(biāo)，在保證各個(gè)指標(biāo)落在控制期望區(qū)間的前提下，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行折中即可獲得良好的起步品質(zhì)。值得一提的是，表中是仿真得出的結(jié)果，其數(shù)值須結(jié)合不同車(chē)型進(jìn)行調(diào)整。

表2 起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制期望區(qū)間

3 起步品質(zhì)優(yōu)化

3．1 AMT起步模糊控制

在離合器起步控制中，對(duì)離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)分別制定起步模糊控制規(guī)則［6］。對(duì)于離合器，起步時(shí)設(shè)定控制輸入為離合器主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)的角速度差Δω及其變化率Δω·，控制輸出為離合器接合速度的調(diào)節(jié)量 Δv。模糊控制規(guī)則的輸入為 E(Δω)和EC(Δω·)，輸出為 U(Δv);同理，發(fā)動(dòng)機(jī)的模糊控制規(guī)則的輸入為 E(Δω)和 EC(Δω·)，輸出為 U(節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)量Δα)。

為了提高模糊控制器的精度，將E、EC和U分為7個(gè)語(yǔ)言變量等級(jí):{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}，相應(yīng)的論域?yàn)?3個(gè)等級(jí):{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}。建立離合器模糊控制規(guī)則和發(fā)動(dòng)機(jī)模糊控制規(guī)則。對(duì)于離合器，輸出U:［－6，6］對(duì)應(yīng)離合器接合速度的調(diào)節(jié)量Δv［－ 20%v0，20%v0］，其中 v0為離合器速度的初始設(shè)定值;對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，U:［－6，6］對(duì)應(yīng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)量Δα［－12%，12%］。

3．2 基于多目標(biāo)遺傳算法的優(yōu)化方案

由起步品質(zhì)的控制目標(biāo)，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)GLQ(x)(即適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù))如下:

式中w1～w6分別表示每個(gè)控制目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)確定。表1中定義的6個(gè)起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)定義為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中的6個(gè)設(shè)計(jì)變量。

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，在分析計(jì)算中須進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)處理為區(qū)間［0，1］內(nèi)的數(shù)據(jù)。歸一化方法有很多種形式，本文中采用如下公式:

各個(gè)控制目標(biāo)的最大值和最小值可由相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的控制期望區(qū)間獲得。因此，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為由于評(píng)價(jià)等級(jí)越高越好(1～10)，因此構(gòu)造評(píng)價(jià)等級(jí)函數(shù)ULQ'如下:

采用多目標(biāo)遺傳算法求解這一優(yōu)化問(wèn)題［7－8］。在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將個(gè)體的基因定為離合器接合速度的調(diào)節(jié)量Δv和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)量Δα。這兩個(gè)參數(shù)共同組成一條染色體，代表問(wèn)題的一個(gè)解，即

這樣，求解離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)模糊控制規(guī)則可歸結(jié)為在某Δω和Δω·下，使起步品質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)ULQ'最大的優(yōu)化問(wèn)題。使控制向量x=(Δv，Δα)，在求解空間X內(nèi)，通過(guò)動(dòng)態(tài)模型的運(yùn)算，針對(duì)每一個(gè)確定的染色體進(jìn)行一次整車(chē)模型的仿真運(yùn)算，求得其相應(yīng)的適應(yīng)度 GLQ'、ULQ'，確定出當(dāng)輸出滿(mǎn)足時(shí)的模糊控制最優(yōu)解。最后將ULQ'進(jìn)行反歸一化處理得到評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果ULQ。

3．3 優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法分別得到離合器接合速度調(diào)節(jié)量Δv的模糊控制規(guī)律和發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)調(diào)節(jié)量Δα的模糊控制規(guī)律的最優(yōu)解集，如圖5和圖6所示。在圖5和圖6中模糊控制規(guī)則的輸入E和EC分別代表離合器主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)的角速度差Δω及其變化率Δω·;圖5的輸出U代表Δv，圖6的輸出U代表Δα。

4 仿真結(jié)果對(duì)比分析

圖7為AMT整車(chē)模型1擋全油門(mén)(100%)起步時(shí)優(yōu)化前后的仿真曲線(xiàn)。圖中虛線(xiàn)為優(yōu)化前的仿真曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為優(yōu)化后的仿真曲線(xiàn)。優(yōu)化前后起步品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)等級(jí)的對(duì)比見(jiàn)表3。可以看出，優(yōu)化前雖然起步時(shí)間tL較短(0．42s)，比滑摩功較小(70kJ/m2)，但是由于離合器接合過(guò)快，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化量Δne較大(345r/min)，最低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ne－min較小(715r/min)，這可能會(huì)導(dǎo)致起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火;在起步過(guò)程中，最大加速度ap達(dá)到6．6m/s2，正向最大沖擊度 jp－p為11 m/s3，負(fù)向最大沖擊度 jp－n為 －23m/s3，均超出評(píng)價(jià)仿真給出的控制目標(biāo)的期望區(qū)間，仿真結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)等級(jí)為5．62。

表3 優(yōu)化前后起步品質(zhì)對(duì)比結(jié)果

優(yōu)化后起步品質(zhì)得到了改善，雖然起步時(shí)間和滑摩功在可接受的范圍內(nèi)略有提高，但各項(xiàng)指標(biāo)都能控制在評(píng)價(jià)給出的相應(yīng)控制目標(biāo)之內(nèi)。同理，對(duì)中、小油門(mén)開(kāi)度下的起步過(guò)程也進(jìn)行了仿真，仿真曲線(xiàn)和評(píng)價(jià)結(jié)果此處略。

AMT整車(chē)模型在3種不同油門(mén)開(kāi)度下的起步仿真結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化后的模糊控制規(guī)律，可以使起步品質(zhì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)優(yōu)，評(píng)價(jià)等級(jí)得到顯著提高。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某AMT樣車(chē)上進(jìn)行起步品質(zhì)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)路況為平坦干瀝青路面。在試驗(yàn)中將優(yōu)化后的起步控制策略形成C代碼并下載到樣車(chē)TCU中，使用CANoe進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

圖8為1擋大、中、小油門(mén)開(kāi)度下的起步曲線(xiàn)。其中線(xiàn)1、線(xiàn)2和線(xiàn)3分別為AMT樣車(chē)大、中、小油門(mén)開(kāi)度下1擋起步的試驗(yàn)曲線(xiàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(實(shí)線(xiàn))和輸入軸轉(zhuǎn)速(虛線(xiàn))隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)中，ALg、AMd、ALt分別代表大、中、小油門(mén)開(kāi)度下完成起步的時(shí)刻(即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速相等時(shí))，可以看出起步時(shí)間符合起步意圖的變化規(guī)律。樣車(chē)起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表4。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:采用優(yōu)化后的控制策略和控制算法后，起步品質(zhì)符合評(píng)價(jià)確定的控制目標(biāo)要求，起步品質(zhì)較好。

表4 樣車(chē)起步品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

6 結(jié)論

針對(duì)AMT系統(tǒng)展開(kāi)起步品質(zhì)評(píng)價(jià)與優(yōu)化的研究，一方面通過(guò)客觀評(píng)價(jià)為AMT系統(tǒng)的控制確定控制目標(biāo)和控制方法，為控制和標(biāo)定提供指導(dǎo)與參考;另一方面根據(jù)確定的控制目標(biāo)對(duì)AMT系統(tǒng)的控制策略和控制算法進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高起步品質(zhì)。通過(guò)客觀評(píng)價(jià)來(lái)指導(dǎo)控制品質(zhì)優(yōu)化，是進(jìn)行AMT和其它類(lèi)型自動(dòng)變速器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的新思路。本文中提及的起步品質(zhì)評(píng)價(jià)和優(yōu)化方法同樣適用于DCT等其它自動(dòng)變速器車(chē)型。

［1］ Zhang Jianguo，Lei Yulong，Hua Xin，et al．Proposed Shift Quality Metrics and Experimentation on AMT Shift Quality Evaluation［C］．Third International Conference on Natural Computation(ICNC＇07)．Haikou．August，2007:24 － 27．

［2］ Wang Yuhai，Song Jian，Li Xingkun．Simulation of AMT Autoshift Process Based on Matlab Simulink/Stateflow［C］．SAE Paper 2004－01－2055．

［3］ Gianluca Lucente，Marcello Montanari，Carlo Rossi．Modeling of an Automated Manual Transmission System［J］．Mechatronics，2007，17(3):73－91．

［4］ Schoeggl P，Koegeler H M，Gschweitl K，et al．Automated EMS Calibration Using Objective Driveability Assessment and Computer Aided Optimization Methods［C］．SAE Paper 2002－01－0849．

［5］ 張建國(guó)，雷雨龍，王健，等．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的換檔品質(zhì)評(píng)價(jià)方法［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2007(9):1019 －1022．

［6］ 任亞明．AMT汽車(chē)起步模糊控制及其優(yōu)化策略的研究［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009．

［7］ 張昕，宋建峰，田毅，等．基于多目標(biāo)遺傳算法的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)控制策略?xún)?yōu)化［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009(2):36－40．

［8］ Morteza M G，Amir P．Application of Genetic Algorithm for Optimization of Control Strategy in Parallel Hybrid Electric Vehicles［J］．Journal of the Franklin Institute，2006:420 －435．