范 李 ，賓 軍 ，羅章華

（1.空軍空降兵學(xué)院，桂林 541003；2.武漢理工大學(xué)，武漢 430070）

隨著汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越來越大，設(shè)計(jì)的行駛速度越來越高。同時(shí)，由于車輛功率的增加汽車載重量相應(yīng)增加，而車輛內(nèi)部的摩擦和外部的風(fēng)阻越來越小，使得其自身的減速能力降低。另一方面由于汽車保有量的快速增長(zhǎng)，道路上汽車行駛密度上升，交通安全壓力加大。汽車自身的行車制動(dòng)（主制動(dòng)）已經(jīng)不能滿足車輛高速重載下的制動(dòng)需求。為了確保車輛的行駛安全性能，增加緩速制動(dòng)等輔助制動(dòng)系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)，我國(guó)于2012年9月1日起全面實(shí)施的新國(guó)標(biāo)《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7258-2012），規(guī)定“車長(zhǎng)大于9米的客車、總質(zhì)量大于12噸的貨車和所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置”［1］。

1 緩速制動(dòng)

為避免長(zhǎng)期使用行車制動(dòng)系統(tǒng)造成制動(dòng)失效或制動(dòng)片磨損過快等問題，很多汽車上都裝有輔助制動(dòng)裝置。目前在汽車上運(yùn)用比較成熟的輔助制動(dòng)裝置一般為緩速制動(dòng)器（簡(jiǎn)稱緩速器）。常見的緩速器有電渦流緩速器、永磁緩速器、液力緩速器及發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器等。從其安裝位置和作用機(jī)理來看，大部分都是通過對(duì)中間傳動(dòng)系統(tǒng)施加反向的制動(dòng)力矩來達(dá)到緩速制動(dòng)的效果，制動(dòng)功率較大的緩速器（如電渦流緩速器、液力緩速器等）往往體積較大，使傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量增加。有些緩速器（如電渦流緩速器）工作時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)由于溫升較大，制動(dòng)效果會(huì)大幅降低，甚至?xí)档嚼鋺B(tài)工作能力的30%左右。發(fā)動(dòng)機(jī)緩速制動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)時(shí)間短、造價(jià)低、制動(dòng)功率大、性能穩(wěn)定不受溫升影響等優(yōu)點(diǎn)。并且可通過改變倒拖時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功率。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速器的工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)緩速制動(dòng)在制動(dòng)工作過程中由車輛倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失、摩擦損失以及通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程得到壓縮功損失等實(shí)現(xiàn)緩速制動(dòng)的效果。雖然各類型的發(fā)動(dòng)機(jī)緩速裝置結(jié)構(gòu)不同，具體的工作過程也有所差異，但其主要的工作原理是相同的。四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程如圖1所示，分為進(jìn)氣-壓縮-作功-排氣四個(gè)行程，如果在汽車行駛過程中切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的供油，而離合器依然結(jié)合時(shí)，依靠車輪反向帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)被動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的功率消耗對(duì)車輛所產(chǎn)生的減速效果，即為發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)作用。由于發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的制動(dòng)能力非常有限，因此人們不斷的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)被拖動(dòng)時(shí)的工作過程進(jìn)行研究，并采用多種方法來影響或改變這一工作過程，以期提高發(fā)動(dòng)機(jī)作為制動(dòng)裝置的工作效率［2］。其中改進(jìn)方法之一就是通過開閉排氣管道來增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓，從而增強(qiáng)制動(dòng)效果，這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)緩速制動(dòng)裝置即為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速器?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示，在汽車制動(dòng)過程中通過推桿來控制閥門的開閉程度，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣阻力，從而得到不同的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率。排氣緩速制動(dòng)的制動(dòng)功率通常可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)功率的60%以上，約為正常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)功率的2倍。這種排氣緩速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)作為輔助制動(dòng)裝置可以提高主制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。目前大部分的重型載貨汽車和大型客車上都可以方便地加裝發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速器。而在排氣緩速器的制動(dòng)力矩控制方面，一般采用兩種形式。一種是排氣緩速器的蝶形閥全開或者全閉，即制動(dòng)力矩不可調(diào)節(jié)。另一種是排氣緩速器的蝶形閥由全開到全閉之間各個(gè)位置都可以固定，形成不同的開度，從而產(chǎn)生大小不同的制動(dòng)力矩，這種方式的控制比較復(fù)雜。因此目前排氣緩速器的控制一般采用第一種形式，即制動(dòng)力矩大小不可調(diào)節(jié)。針對(duì)該控制問題，本文提出基于模糊控制的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速器控制方法，從而使得排氣緩速控制變得較為方便。

3 基于模糊控制的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速制動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制技術(shù)的特點(diǎn)

模糊控制的概念是由美國(guó)著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出來的［3］。模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)；采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的基本組成如圖3所示。

由于模糊控制的理論基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯學(xué)，因而為模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可以根據(jù)專家知識(shí)和熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)造語(yǔ)言型規(guī)則，并將其轉(zhuǎn)換為控制策略的一種模糊推理方式。模糊控制語(yǔ)言是一種表示人類思維活動(dòng)以及復(fù)雜事物的有效手段，對(duì)于那些復(fù)雜而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的對(duì)象或系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)控制方法難以實(shí)現(xiàn)或奏效的控制問題，采用模糊控制技術(shù)往往能迎刃而解。與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比較，模糊控制具有如下的特點(diǎn)［3］。

（1）在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)無需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只需要提供專業(yè)知識(shí)和熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)據(jù)。因此，模糊控制器的基本出發(fā)點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)以及操作數(shù)據(jù)加以總結(jié)和歸納，形成一定的模糊規(guī)則來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的。

（2）模糊控制是一種反映人類智慧思維的智能控制，容易被人接受。易于處理具有復(fù)雜性、模糊性的受控對(duì)象或系統(tǒng)。由于控制規(guī)則是用人類語(yǔ)言形式表示的，很容易被一般人接受和理解。

（3）適應(yīng)性強(qiáng)。經(jīng)研究結(jié)果表明，對(duì)于確定的過程對(duì)象，用模糊控制與用PID控制的效果相當(dāng)；但是對(duì)于非線性和時(shí)變等一類不確定系統(tǒng)，模糊控制卻有較好的控制作用，同時(shí)對(duì)于非線性、噪聲和純滯后有較強(qiáng)的抑制能力，而在這方面?zhèn)鹘y(tǒng)控制往往顯得無能為力。

（4）系統(tǒng)的魯棒性好，對(duì)參數(shù)變化不靈敏。由于模糊控制采用的不是二值邏輯，而是一種連續(xù)多值邏輯，所以當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，能比較容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，尤其是適合于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。

（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)都比較方便，硬件結(jié)構(gòu)一般無特殊要求，在軟件方面其算法也比較簡(jiǎn)潔。容易被現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員和操作人員掌握。

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

通過研究表明［5］，汽車在不同的擋位下發(fā)動(dòng)機(jī)緩速的制動(dòng)力矩是不同的，但是如果要使車輛在各種不同的坡度以某一車速穩(wěn)定行駛，采用常規(guī)的控制方法是無法滿足要求的。這是由于制動(dòng)力在兩個(gè)擋位之間是非連續(xù)變化的，如果在某一坡度下需要的制動(dòng)力在兩擋之間時(shí)，汽車就無法穩(wěn)定在希望的車速上。但利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，就可通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速制動(dòng)器（如蝶形閥）進(jìn)行不斷調(diào)整，使車速穩(wěn)定在希望的速度附近或者在其上下不斷地調(diào)整。從理論上來看，各調(diào)節(jié)擋位之間的制動(dòng)力差別越?。凑{(diào)節(jié)擋位劃分得越細(xì)），得到的控制精度就會(huì)越高。而通過變速器的換擋操作可以使制動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)進(jìn)一步細(xì)分。但是，由于目前大部分客車和貨車采用的是手動(dòng)變速器，而自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)手動(dòng)變速器的換擋操作控制非常困難，所以本文在此僅考慮變速器擋位不變的條件下的自動(dòng)控制。將汽車作為一個(gè)被控制對(duì)象，控制系統(tǒng)由控制器和執(zhí)行元件組成。系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。模糊控制器采用雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu)模式，以汽車行駛速度作為被控量，將汽車實(shí)際行駛速度與設(shè)定值的偏差以及偏差變化率（偏差為設(shè)定值與本次采樣值之差，偏差變化率為本次偏差值和上次偏差值之差）作為模糊控制器的輸入。以理想的行駛速度作為設(shè)定值，將車速與加速度傳感器組實(shí)際測(cè)得的汽車行駛速度與加速度與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到其偏差以及偏差變化率，經(jīng)過模糊控制器進(jìn)行模糊運(yùn)算來控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速器（如蝶形閥片的開度），從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓，最終達(dá)到控制汽車行駛速度的目的，其控制過程如圖4所示。在此需要說明的是，系統(tǒng)在控制過程中是以正常行駛（無緊急制動(dòng)等意外情況發(fā)生）和變速器擋位不發(fā)生變化為前提，即變速器處于某一擋位時(shí)通過對(duì)排氣緩速器進(jìn)行調(diào)節(jié)而將汽車控制在某一車速附近。如果車速無法控制在設(shè)定車速附近（過高或過低），控制系統(tǒng)將會(huì)控制緩速器處于極限位置（全閉或全開），并通過聲光報(bào)警方式提醒駕駛員進(jìn)行人工干預(yù)。而此時(shí)當(dāng)駕駛員進(jìn)行人工干預(yù)（即變換變速器擋位或采用其它控制車速的方法）后，控制系統(tǒng)將根據(jù)輸入值進(jìn)行重新運(yùn)算和控制。

3.3 輸入變量的模糊化

前面已經(jīng)確定輸入變量為汽車的行駛速度V，即通過車速傳感器組測(cè)得的實(shí)際車速，與系統(tǒng)設(shè)定的理想車速 V0之間的偏差（或稱誤差）e（e=V-V0）及其變化率Δe，輸入語(yǔ)言變量選為偏差E和偏差變化率EC；輸出變量為控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速器蝶形閥開度的電信號(hào)u，輸出語(yǔ)言變量選為U。

3.3.1 輸入語(yǔ)言變量偏差E

將輸入語(yǔ)言變量偏差E離散為七個(gè)點(diǎn)，即論域X={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}， 相應(yīng)的選取七個(gè)語(yǔ)言值：{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（Z0），負(fù)?。∟S），負(fù)中（NM），負(fù)大（NB）}。 分別表示當(dāng)前汽車行駛速度V相對(duì)于設(shè)定值V0為：“極高”、“很高”、“偏高”、“正好”、 “偏低”、“很低”和“極低”。

3.3.2 輸入語(yǔ)言變量偏差變化率EC

基于偏差e語(yǔ)言變量E的選取原則，同樣將偏差變化率Δe的語(yǔ)言變量EC離散為七個(gè)點(diǎn)，論域Y={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}， 相應(yīng)的選取五個(gè)語(yǔ)言值：{正大（PB），正?。≒S），零（0），負(fù)小（NS），負(fù)大（NB）}。分別表示當(dāng)前汽車行駛速度變化為：“快速下降”、“下降”、“不變”、“上升”和“快速上升”。

3.3.3 輸出語(yǔ)言變量U

將輸出語(yǔ)言變量U離散為七個(gè)點(diǎn)，論域Z={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，相應(yīng)的選取七個(gè)語(yǔ)言值：{正大（PB），正中（PM），正?。≒S），零（Z0），負(fù)?。∟S），負(fù)中（NM），負(fù)大（NB）}。 分別表示：“汽車行駛速度速度極低，并全開排氣緩速器蝶形閥”、“排氣緩速器蝶形閥開度增加量大”、“排氣緩速器蝶形閥開度增加量小”、“排氣緩速器蝶形閥開度增加量不變”、“排氣緩速器蝶形閥開度關(guān)閉量小”、“排氣緩速器蝶形閥開度關(guān)閉量大”、“汽車行駛速度速度極高，并全閉排氣緩速器蝶形閥”。

3.4 確定語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)

語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)又稱為語(yǔ)言值的語(yǔ)義規(guī)則，可以用連續(xù)函數(shù)的形式表示，也可以用離散的量化等級(jí)形式來表示。選擇常用且運(yùn)算較簡(jiǎn)便的三角形函數(shù)，這種隸屬度函數(shù)的形狀和分布可以由三個(gè)參數(shù)（如 a、b、c）來描述見式（1）。

對(duì)上述各語(yǔ)言值給定的模糊化隸屬度函數(shù)見圖5 a）、圖 5 b）、圖 5 c）所示。

3.5 建立模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則以邏輯推理的方式得出，本控制器上2個(gè)輸入變量分別用7個(gè)和5個(gè)語(yǔ)言值來表述，可以給出如下35條控制規(guī)則。

經(jīng)整理后可列成模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 混合風(fēng)門模糊控制規(guī)則表

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車在下坡行駛過程中的車速如果全靠駕駛員的手工控制，必然要求駕駛員時(shí)刻判斷道路的坡度，再根據(jù)當(dāng)前的車速、坡度及制動(dòng)方法來不斷調(diào)整變速器檔位和制動(dòng)力的大小對(duì)行車速度進(jìn)行控制。而采用模糊控制理論對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速器進(jìn)行自動(dòng)控制，可以使汽車在下坡過程中較為平緩地穩(wěn)定在駕駛員所期望的安全車速附近行駛。而駕駛員只須在必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)即可。既提高了汽車下坡時(shí)行駛的安全性，又減少了行車制動(dòng)系統(tǒng)的磨損，同時(shí)還能減少駕駛員在下坡過程中對(duì)車輛的操作動(dòng)作和勞動(dòng)強(qiáng)度，專注于路面情況的觀察與判斷以及轉(zhuǎn)向盤的操作。因此采用基于模糊控制理論的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣緩速制動(dòng)控制方法，是保證汽車在連續(xù)長(zhǎng)下坡行駛中以穩(wěn)定車速安全行駛較為理想的控制方案。

［1］GB7258-2012，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件［S］.2012.

［2］魯?shù)婪蚓幹?，張蔚林，陳名智譯.汽車制動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［3］諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］范李.汽車車內(nèi)空氣環(huán)境及其控制技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［5］余強(qiáng)，陳萌三，等.發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)、排氣制動(dòng)與緩行器聯(lián)合作用的模糊控制系統(tǒng)研究 ［J］.汽車工程，2004，（4）：476-480.

［6］董穎，何仁.發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)的研究與展望［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2006： 1-5.

［7］范李，周曉榮，等.基于模糊控制的汽車內(nèi)空氣環(huán)境溫度控制［J］.公路與汽運(yùn)，2010（ 3）：19-22.

［8］蔣顯斌.排氣制動(dòng)裝置常見故障排除東風(fēng)載貨汽車［J］.汽車科技，2001.（5）： 41-42.

［9］孟秋紅，郭京波.汽車節(jié)能新技術(shù)—再生制動(dòng)技術(shù)［J］.汽車科技，2007.（5）： 7-9.