电子油门和自动变速器动力传动系统的综合控制

1、电子油门和自动变速器动力传动系统的综合控制摘要本文提出了一个控制策略对于一个车辆与电子油门控制系统(etc)和自动变速器的设计方法。司机的油门踏板位置被阐述为功率的请求，这是要满足发送换挡和油门开度的以最佳方式协调合作。动态编程（dp）的技术被用来获得最佳的换档和油门开口满足功率需求的同时，最大限度地提高燃油经济性。这个优化结果在不同功率水平将会结合形成一个齿轮图和油门图，负责操作集成动力总成。提出了一种油门踏板位置和功率需求水平可以根据喜好调整车辆性能目标之间关系的控制架构概念。仿真、车辆测试和测功器试验结果表明该集成动力总成控制方案与传统动力总成控制方案生成功率一致并且提高了燃油效率。关键

2、词自动变速器，动态编程(dp)，电子油门控制，换挡图，动力一体化控制。i. 引言在传统的由汽油发动机驱动的车辆中，油门踏板由驾驶员驱动的机械链接到的发动机油门调节的气流进气歧管。当驾驶员保持油门踏板不变，由发动机产生的功率和扭矩将改变发动机的转速，因此，驱动程序需要改变踏板的位置，从发动机获得恒定的转矩（加速）或动力。由于每个动力总成有其自己的扭矩/功率特性，所以司机有责任去适应动力总成，而不是周围的其他方法。油门踏板的油门之间的机械联动取而代之的是电子连接，在现代车辆中通常称为电子油门控制系统（etc）1，2。etc提供了节流映射到油门踏板之间的灵活性，因此，是一个新的设计程度的自由度。例如

3、，它可以用来实现和整合功能，如怠速控制，巡航控制系统，自适应巡航控制系统，牵引力控制系统，等等。在本文中，我们探讨了协调控制变速器（齿轮转移）和发动机（油门）的动力传动系统的综合控制功能。设计目标是为了满足驾驶员的功率需求，同时优化了燃油经济性。 对于现代的动力总成系统配备etc，许多研究探讨了换档时油门开度角可能的优势控制。在3,ge et al，提出的控制算法，以尽量减少由于突然变化的齿轮比而使车辆的性能和换档质量的恶化。使用闭环控制方案中，在转向期间调整节气门开度以减少在变速箱中同步齿轮的转速差和驱动与离合器从动板之间的速度差。minowa et al， 4被解释为驱动轴的转矩要求的加速

4、踏板位置。油门开度可以控制最低燃油消耗以补偿由于换档定时的选择而引起的转矩降低。该方法被认为是有希望提高燃油经济性和加速的感觉。yasuoka et al.， 5提出了一种综合控制算法etc系统的动力传动系和无级变速器（cvt）。发动机扭矩目标和cvt目标的比是为了获得所要求的驱动转矩的最佳燃油经济，这个要求是基于齿轮比图和驱动扭矩需求。此外，为了改善转矩的瞬态响应，发动机的扭矩用于补偿惯性转矩和变速比变化的响应滞后。sakaguchi et al. 6 称提高整个动力总成的燃油效率，发动机和变速器都需要被考虑，而不是仅仅集中在发动机上。对于配备了cvt的车辆，用一个算法来计算发动机转矩和cv

5、t比组合，以达到最高的动力总成开发的整体效率。当配备有先进的电子油门的动力传动系统时，加速器踏板不再与发动机节流板相连。因此，所检测到的踏板运动需要被作为一个驱动器的需求，通常是作为转矩命令或功率的需求。在本文中，在加速器踏板位置被解释为请求功率的原因有两个。首先，“理想的动力总成”的定义一方面是一种以可靠方式产生动力的电源。另一方面是根据由vahabzadeh et al. 7的研究认为发动机的功率是表示驱动程序需求的最好的物理测量参数。在本文中，我们将开发满足驾驶员的功率需求的油门或齿轮图，并在此期间，达到最佳的燃油经济性。首先，要创建一个足够准确的车辆模型去模拟目标车辆。该模型包括发动机

6、，变矩器，变速器齿轮箱，轮胎/汽车动态的子模型。除了一个敞开油门现场测试数据对模型进行了验证此外还有epa燃油经济性循环测试也进行了验证。该仿真模型可简化为获得动态规划（dp）控制设计模型的过程中，随着所有的情形和输入变量离散成可管理的数字网格点。汽车启动在选定的恒定踏板位置（即，恒功率要求）作为我们的优化过程。一个dp是把燃油经济性和动力制造误差作为成本函数，然后解决这些的手法。最佳输入（油门开度和排档杆）会得到了在恒功率的要求每个动作。结果似的所有的功率电平结合形成的油门图和齿轮图。所获得的油门图和齿轮的地图中实现车辆模拟模型和在运行的epa燃料的经济周期下测试燃料的燃油经济性。最后，该图

7、用来实现测试车辆和评估燃油经济性，性能和舒适度ii整车仿真模型在本节中，目标车辆系统的仿真模型被描述。此模式将被用于测试燃料经济性和动力总成控制策略的驾驶性能。它也将作为dp优化模型的基础。该模型需要是足够精确的目标车辆的模拟行为还具有最小的复杂性。模型是由两个主要部分组成：动力总成和轮胎/车体。动力总成进一步划分分为三个子组件：发动机，扭矩转换器，和变速器。动力总成被细分，在这用预期未来的方式修改这些各种不同的子组件的组件系统，如带有可变气缸激活技术的发动机，柴油发动机，六速的at，无极变速器，等。本研究建立的数学为基础的优化过程不仅限于有传统的子组件的系统的动力总成，而且是作为动力系统控制

8、设计的骨干。对于轮胎/车体，只有纵向动力学被考虑因为，在一般情况中，燃料经济性和被测试车辆的驾驶性能仅仅被当作车辆的纵向运动。在matlab / simulink的车辆模型结构的环境中，如图所示， 1，本研究的目标车辆是配备有etc和一个四速at的5.3-l v8发动机，两轮驱动的皮卡。叉车的参数由表i中所示的。图， 1。在simulink模块中的整车仿真模型。a. 发动机从发动机旋转动力学中计算发动机角速度。 表i车辆参数图。 2。 （一）发动机的扭矩图。 （b）发动机燃油消耗率图。其中和是发动机和液力变矩器泵的转动惯量，和tp是发动机转矩和液力变矩器的泵转矩，是泵旋损失，是的配件损耗扭矩。

9、从一个有油门开度和的稳定的状态图见图，图2（a） 中得到的发动机转矩，扭矩转换器泵转矩是从第ii-b（3）所示中计算出的。泵损失是根据发动机转速和节气门开度算出。配件损失转矩仅依赖于发动机转速。该车辆的燃料消耗率的计算是由稳定状态图中相同方式的发动机转矩得出的参照图。图2（b）。这些稳定状态的图，如图2所示，是对发动机的测试而得出来的。图。 3。液力变矩器的特点。b.液力变矩器扭矩转换器包括一个泵，这个泵被连接到发动机的输出轴上。涡轮机连接到所述轴要的传输齿轮组，和一个定子接地到单向离合器。在这项研究中，扭矩转换器是一个静态的，非线性的输入输出（i / o）模型。 其中，为泵扭矩，是容量因子，

10、是涡轮机的转矩，而是扭矩比。 k和tr有变速比得功能，sr（参照图3），它被定义为转矩转换器的输入转速和输出转速之间的比，即，由于发动机转速计算是从发动机模型和来自由轮胎半径，最终传动比，和齿轮比，已知的速度比计算出的涡轮机的速度得出的。容量因子和扭矩比可以用图3。方程（2）（3）所示的数据表计算出。然后，计算出泵扭矩和涡轮转矩。c.传动齿轮箱 由于本研究的主要目的是，在不考虑转向瞬态特性的情况下获得最佳的换档点相对于油门开口和车速。因此，详细的转移机制，如离合器，齿轮组，以及液压系统和在被忽略的中间移位现象。传动齿轮箱被建立为一个简单的带有齿轮比的仅考虑到每个齿轮效率的代数i / o关系。输

11、入/输出关系是由以下公式组成来自液力变矩器的常用来计算变速器的输出转矩，然后，用这个数值乘以最终传动比和最后的驱动器效率，得到驱动转矩。是变速器输出轴的旋转速度并且用和车轮转动速度计算，由（13）得到的。然后，用来得到的。不能够直接从转矩转换器中计算出的涡轮机的旋转速度，因为涡轮机轴的惯量是忽略不计。用反向计算方式的方式可以得到涡轮机的转速。图。 4。车轮转动d.轮胎/汽车车身动态一点质量模型被用来表示车体，这是所描述地点是车辆的前进速度。（9）中的三个阻力，气动阻力，滚动阻力，和路面阻力。这些力是由车辆迎风面积，气动阻力系数，空气质量系数，整车质量，滚动阻力系数，重力常数，路面阻力系数.车轮

12、转速，的计算用的驱动转矩，制动扭矩，车轮半径，轮毂与轴的惯性，传动系统转动惯量，和牵引力（参照图4）。得到的轮胎牵引力与轮胎的滑移率作为输入，从查找表中表ii wot结果（车辆试验对仿真）表iii epa燃油经济性循环的结果（车试验对仿真）e.模型验证开发的部分模型中，我对目标车辆的试验结果在两种情况：启动广开油门（wot）和epa燃油经济性测试周期进行了验证比较。 wot测试提供了广泛使用性能指标，如在四分之一英里的速度，四分之一英里的时间，和从0到60米/小时的时间。 epa循环的结果是很重要的，因为他们的标准尺度是车辆的燃油经济性。为了顺应的epa周期，一个驾驶模型构造了一个基于比例加前

13、馈控制器。获得的前馈信号和比例信号被设计为迭代，以确保速度误差在epa跟踪精度的要求范围内没有过多的振荡控制行动。模型验证结果显示在表ii和iii。仿真结果比测试数据高，主要是因为在现实中发生的损失在车辆模型中不算。然而，模拟结果在所有的测试数据的6以内。从这些结果中，我们得出仿真模型对于动力传动系统的综合控制设计和评估。是足够准确的结论。iii。最佳的油门/档位控制策略与etc系统目前行业中使用的齿轮变速时刻表的格式是把油门开度和车速作为独立变量的一个2-d图。这种形式的换挡图覆盖节气门开度从0到100和车速从0 m / h到该车辆可以达到的最大速度wot。由于燃油效率是为了评价在一个指定的

14、驾驶周期内的燃油经济性，所以评估换挡规律可以用这种方法。这将是沿着这条驾驶周期的理想的优化换挡。然而，在许多情况下车辆只需要最多至约40油门去遵循的驾驶周期。此外在美国使用的测试周期的最大速度是60米/小时（96.6公里/小时），这意味着如果换挡规律沿驱动周期进行了优化获得的数据将少于齿轮换档图谱的半数。另外，由于燃油经济性试驾周期不包括任何性能规格，换挡规律基于驾驶周期不可能在现实生活中的驾驶。为了克服优化换挡规律在一个驾驶周期的缺点，固定踏板（功率）启动“演习是在本文中被用于优化。这些“发动”演习对是非常重要的因为它们对车辆的燃油经济性发挥着显著地影响。此外，我们认为这些开展机动提供的恒功

15、率将提供可以接受的（或改善）感知驾驶性能。 dp技术用于为恒功率需求的10，20，100优化的齿轮变速时间表。每个功率级的结果被组合以形成节气门/齿轮图。dp 8 - 12是一个动态系统的多阶段决策过程，该过程保证了全局最优解的网格精度。此外，它可以灵活的适应等式和不等式约束。由于dp13 - 15技术在动力总成控制领域的许多研究中的这些优点。而使动态编程有若干限制。最具影响力的一个的计算量是非常高的，这是众所周知的叫做“维数灾难”。随着状态变量和控制变量数量的增加计算问题存储数据的时间和它需要执行的计算成倍增加。因此，动态规划仅在的系统数量较少的状态和网格点的数目少的情况下是可行的。另外它在

16、可用的量化和累计的目标方面是有局限性的。 在本文中，离散确定性动态规划版本的应用。它是确定的而不是随机的，因为它是假定控制决策的结果是唯一确定。它是离散的，因为它一般是比较容易解决多级决策数字上的问题。此外，因为是在本研究中它是不容易的获得当动力系统是高度非线性的和在系统建模中使用的查找表情况下的一个分析结论。 a. dp车辆模型为了尽量减少dp优化过程中所涉及的计算负载，关键是要捕获目标优化过程的状态。自发动演习的优化选择以来，选择的整车仿真模型进一步简化，在不牺牲发射演习的准确性的可能性进行了探讨。图5表明广开油门（wot）的仿真产生了使用车辆仿真模型和无轮胎滑移模型仿真模型。它表明简化模

17、型（不包括轮胎打滑）的发射行为和原始模型（轮胎打滑）的非常相似。这个简化的模型减少了状态变量有三到四个变为一个，这使得dp的计算负荷降低了。因此被用于dp车辆模型。 图 5。wot模拟结果（dp车辆的整车仿真模型）。基于这个模型，状态变量和控制信号都离散为dp的实施。这些元素的网格尺寸是很重要的，因为它们是直接关系到仿真精度和计算时间。尺寸小的格计算时间更长，优化结果更精确。，采样时间步长大小同样是重要的，足够大的状态变量可能演变到邻近的电网点。所选的网格点如下。驱动器需求：功率 控制输入： 换档; 油门。 状态：发动机转速r / min的;齿轮的位置;车辆速度m / h。b.成本函数和约束条

18、件 在这项研究中的dp问题的目标是在燃油经济性最大的情况下找到目标车辆的最佳的齿轮控制和节气门开度，同时满足驾驶者的需求。由于在交流累积的方式dp的成本函数需要被表达，所以我们不能直接表达的燃油经济性，在成本函数中行驶距离在燃油消耗之上。因此，用于dp阶段参数被选择为固定的距离和设置为最小化燃料消耗的成本函数。问题设置如下。选择以最小的成本函数 此处 在这里，是在阶段的状态向量，是的控制向量，是表示系统模型（dp车辆模型）的转换函数，是在阶段的瞬时过渡成本（燃料消耗），并且是在最后阶段.的成本（燃料消耗）踏板位置（0至100）和所需的发动机功率（0至100）之间的映射关系可以被设计为实现不同的

19、感知驾驶品质。然而，在这项研究中，我们简单地假设，在一定的功率需求（不指定相应的踏板位置）。优化问题在达到规定的功率以一个最佳的水平的方式被解决。另一个要考虑的因素是，因为dp优化过程中所有的控制变量是离散的，将没有可能找到一个提供了完美恒功率的最优解。因此，驱动器的功率的需求被转换成一个可以接受的功率带和dp优化过程中实现不等式约束。相应的罚函数示于图.的约束。图 6。有害的功率带。 图。 7。程序的综合油门/换档控制。图。 8。 dp优化结果为70的功率需求。所要求的功率作为功率带的上限（图的实线所示）并且功率值在该界限以上将给于无限处罚因此不可能接受更多的功率要求。较低的功率带（如图6中

20、的虚线所示），将是需要功率的90。换言之，只要将所产生的功率是在所要求的功率的90和100之间，不会被执行处罚。一个有限的处罚将在该功率带的下界和在一个二次方式处罚累计增加。功率带的下界用被定义为一个有余地的dp过程，其中最佳的解决方案不能被发现在所要求的功率的和100之内。图。 9。 （左）节气门图。 （右）齿轮的图。c.控制策略生成对于一个给定的功率要求，功率需求被转换成功率带约束。然后，dp问题就解决了以获得最佳的换档控制策略和最大限度地提高了燃油经济性的油门开度，同时满足功率带约束。该过程被描述在图 7。优化结果在功率需求的30和70，在图。7和8中可以分别看出。在第一块数据中，实线表

21、示发动机所产生的实际功率并且点划线表示功率带。被操纵节气门开度有一个非常显着的特点是，使发动机的功率在换挡是保持在指定的功率带。这个恒定的功率要求的优化过程被重复全功率的10，20···100的功率需求。然后，齿轮图通过组合换档所转变的功率水平的所有速度点构成并且油门图和齿轮图有相同的方式构成，在这个阶段油门概况就代表了有关的速度情况。图。 10。 etc油门/齿轮图。图。 11。恒功率的发动机扭矩图将所得节气门图和齿轮的图示于图。 9。这两张图重叠更清晰，如图所示。 10。在低功率的需求水平（高达20），etc和传统的机械式节气门控制系统不存在显着差异。换言之，

22、油门几乎是恒定的并且换挡时也不会波动。正是由于低的节流阀水平这样的实事，恒定油门线符合于近似恒定功率线在图11所示。在中高功率水平，独特的油门反应能被观察到。首先，在低车速下，节气门几乎是在全开的位置以尽快达到的驾驶者所要求的功率水平。二，在换档点油门突然大增并慢慢地衰减到一个稳定的水平。如果在换挡之后节气门开度保持不变，将减少发动机转速并且发动机扭矩增加。然而，发动机转矩的增加量不足以维持发动机功率。因此，需要油门的喘振增加发动机转矩去补偿的换挡过程中的功率损耗。油门杆随着发动机转速的增加而衰变。图12。修正节气门图。d.评价新的控制策略所获得的油门和换档图中实现在第二节的整车仿真模型，以评

23、估在车辆的性能。表iv表明了通过一起控制油门/齿轮图，etc系统实现了比目前城市循环4生产图的更高的燃料效率。尽管这样的比较是不公平的（ etc达到几乎恒定的功率，而非达到了波动的功率），燃油经济性的提高表明施加恒定的功率要求不会导致燃油经济性不利。在etc图还用来对测试车辆的实际驾驶感觉的评价。经驾驶者初步测试以后，有两个问题被确定。首先，在中等功率下的高油门在低速时发现是被干扰，尽管它有助于更迅速达到所要求的功率。这个问题通过修改驾驶员需求的优化的设置被解决了。而不是用一个限速器设置一个驾驶员的需求阶跃函数。第二个问题是独立的转换操作图和油门图。在高功率需求的区域不存在换档延迟油门喘振的行

24、为将匹配的换档点因为它们是同时命令的。然而，在试验车辆上，由于换档延迟节气门在换挡之前上升。因此，额外的两个控制行动之间的协调是必要的。协调是通过分割节气门映射到4个图，对于每个齿轮和功率要求的独立变量的图和发动机速度（并不是功率需求和车速）。修改过的节气门如图12所示。实线是节气门水平为10，20，100。的轮廓线。图。 13。油门/齿轮图实现动力传动系统的综合控制方案图。 14。修正节气门图。虚线表示的上移和降档。在这种格式下，齿轮上移后的发动机转速下降，将触发油门命令使之激增。图13表示达到节流器和齿轮控制为一体的总体装置。车辆测试表明etc的油门/齿轮图提供几乎恒定的功率（见图14）。比较得，非etc车辆恒定的油门水平的试验结果也被显示。底部的两个图显示由发动机产生的实际功率由发动机转速和发动机扭矩计算出。产生的功率用在etc的油门/齿轮图（左）除了在转变的时候几乎是平的。这提高了整体平移的感觉，因为相比非e