楊正 任憲豐 孫曉鵬 于鵬飛 徐靜

（濰柴動(dòng)力股份有限公司電控研究院 山東省濰坊市 261040）

1 發(fā)動(dòng)機(jī)和AMT控制原理

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工況特性建立原理

發(fā)動(dòng)機(jī)工況特性是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的具象反映。評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)工況特性的指標(biāo)有很多，經(jīng)濟(jì)性油耗率是一個(gè)重要方面。發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率一般是通過(guò)開(kāi)展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于某一轉(zhuǎn)速和某一轉(zhuǎn)矩時(shí)，計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的燃油消耗量，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率，并進(jìn)一步計(jì)算得出的。記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的燃油消耗變化，形成的變化曲線也稱為發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線。為準(zhǔn)確建立發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性模型，需要進(jìn)行大量標(biāo)定試驗(yàn)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，而這些數(shù)據(jù)都將存入發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU 中以開(kāi)展工況控制；另外，用據(jù)此得到的特性軌跡建立發(fā)動(dòng)機(jī)工況模型，并分析比對(duì)出發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率最低的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間，即為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作區(qū)域，實(shí)際控制時(shí)應(yīng)將工況落在最優(yōu)工作區(qū)域作為最高優(yōu)先級(jí)。某款發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線示意圖如圖1 所示。

圖1：某款發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線示意圖

1.2 AMT最佳擋位決策原理

車輛運(yùn)行時(shí)，通過(guò)變速箱控制單元TCU 得出當(dāng)前車速和變速箱輸入軸、輸出軸轉(zhuǎn)速信息，并通過(guò)計(jì)算不同擋位、不同傳動(dòng)比下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，公式如下。

公式（1）中，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)矩Tin(N*M)在經(jīng)對(duì)應(yīng)檔位速比kx、機(jī)械傳遞效率η 轉(zhuǎn)化后得到輸出軸轉(zhuǎn)矩Tout(N*M)，在通常情況下輸入軸轉(zhuǎn)矩Tin即反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；公式（2）中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)主傳動(dòng)比k0、擋位對(duì)應(yīng)速比kx和機(jī)械傳遞系數(shù)轉(zhuǎn)化后得到車速。

TCU 中計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息實(shí)時(shí)比對(duì)，得到不同擋位下的燃油消耗率，經(jīng)過(guò)比較最優(yōu)確定最佳目標(biāo)擋位。同時(shí)，通過(guò)TCU 和ECU 的信息交互可以實(shí)時(shí)地知道發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，在發(fā)出換擋指令時(shí)盡量尋找合理的目標(biāo)擋位，以防止檔位切換導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化過(guò)大，從而更加順暢地實(shí)現(xiàn)換擋。如圖2 所示。

圖2：ECU 和TCU 信息交互決策最佳擋位原理圖

2 AMT調(diào)節(jié)失準(zhǔn)的產(chǎn)生機(jī)理

在車輛運(yùn)行過(guò)程中，隨環(huán)境變化如果遇到一些極端工況，會(huì)因?yàn)槁窙r、溫度、濕度、氣壓等信息變化過(guò)大的原因，造成發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速與油耗率的對(duì)應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)偏差；發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的內(nèi)部損耗、性能變化也會(huì)導(dǎo)致該問(wèn)題。另外，變速箱中器件的磨損會(huì)影響機(jī)械傳遞效率的變化。這就導(dǎo)致了按照出廠時(shí)的控制信息決策，在很多情況下會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前擋位下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速已不再對(duì)應(yīng)最佳油耗率的情況；或者按照原機(jī)械傳遞效率計(jì)算的同擋位下車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、軸轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化，使得原先信息的決策結(jié)果已不能滿足最佳性能要求，長(zhǎng)期以往勢(shì)必會(huì)使AMT 的換擋經(jīng)濟(jì)性、舒適性優(yōu)勢(shì)大打折扣。

3 協(xié)同自適應(yīng)最佳擋位尋優(yōu)控制方法

3.1 協(xié)同自適應(yīng)實(shí)時(shí)校驗(yàn)

為解決這一問(wèn)題，需加強(qiáng)ECU 和TCU 的信息密切交互，如換擋決策部分需要實(shí)時(shí)收集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息，收集變速箱車速、擋位、軸轉(zhuǎn)速等信息，實(shí)時(shí)決策目標(biāo)擋位。為滿足這一部分功能引入的ECU-TCU 快速交互可促成“目標(biāo)擋位-油耗率”的直接對(duì)應(yīng)，快速得出當(dāng)前擋位對(duì)應(yīng)的油耗率實(shí)際值。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)和AMT 可以實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交互，協(xié)同為一個(gè)整體互相校對(duì)，在工況的變化中進(jìn)行自適應(yīng)控制。

圖3：協(xié)同自適應(yīng)最佳擋位自尋優(yōu)控制原理圖

在出廠前的標(biāo)定試驗(yàn)中，建立發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線，變速箱當(dāng)前車速不同擋位下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。如果外部環(huán)境和內(nèi)部條件不發(fā)生過(guò)大變化，原有的控制參數(shù)理論上可以在當(dāng)前車速下尋找合適擋位，使得對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗最優(yōu)。而為了應(yīng)對(duì)工況變化，在此基礎(chǔ)庫(kù)之外，建立一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速-油耗對(duì)應(yīng)關(guān)系，及同一車速在各擋位下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系等。車輛運(yùn)行中，按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算當(dāng)前車速在實(shí)際擋位下的理論燃油消耗值，并使動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄實(shí)際的油耗值，如果二者的差值超過(guò)一定閾值，則判定原有的控制參數(shù)已不再準(zhǔn)確、即出現(xiàn)了“控制差異”情況，報(bào)出此種錯(cuò)誤狀態(tài)。錯(cuò)誤狀態(tài)報(bào)出后，可選擇進(jìn)行重新學(xué)習(xí)相關(guān)參數(shù)，重新決策最佳擋位，以適應(yīng)新的工況。協(xié)同自適應(yīng)最佳擋位自尋優(yōu)控制原理圖如圖3 所示。

3.2 最佳擋位尋優(yōu)方法

“控制差異”錯(cuò)誤觸發(fā)后，說(shuō)明原有的“轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩-油耗率”，或“車速-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速”、“軸轉(zhuǎn)矩-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩”關(guān)系已發(fā)生變化，可使車輛進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，使用最小二乘法采用曲線擬合的方式重新計(jì)算實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、變速箱參數(shù)，得到實(shí)際的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與油耗率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及當(dāng)前車速在不同檔位下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，從而得到當(dāng)前車速下各擋位實(shí)際對(duì)應(yīng)的油耗率。

式中，y 為擬合輸出結(jié)果，x 為擬合計(jì)算輸入，bi為擬合參數(shù)，n 為擬合階數(shù)

（3）式為最小二乘法曲線擬合的公式，以發(fā)動(dòng)機(jī)特性關(guān)系來(lái)講，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門固定時(shí)，外特性曲線可以看作轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率關(guān)于轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)，所以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線可以采用曲線擬合的方法得到,將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速賦給 x，將擬合結(jié)果y 設(shè)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩或發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，在實(shí)車運(yùn)行中實(shí)時(shí)收集兩方數(shù)據(jù)，不斷進(jìn)行曲線擬合，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部控制參數(shù)不斷更新，更加貼近實(shí)際工況。為保證擬合效果準(zhǔn)確，需進(jìn)行線性回歸模型評(píng)估，盡量提高最小二乘法的R-Square（決定系數(shù)，在0~1 之間）、減小RMSE(擬合標(biāo)準(zhǔn)差)，增強(qiáng)曲線模型的解釋能力，計(jì)算公式如下。

式中，ωi為計(jì)算系數(shù)， 為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)值，為原始數(shù)據(jù)均值。

式中，ωi為計(jì)算系數(shù)，yi為原始數(shù)據(jù)值，為原始數(shù)據(jù)均值。

式中，ωi為計(jì)算系數(shù)，yi為原始數(shù)據(jù)值，為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)值。

式中，R-Square 為決定系數(shù)，RMSE 為擬合標(biāo)準(zhǔn)差。

自適應(yīng)計(jì)算完成后，按照新的參數(shù)計(jì)算不同擋位的燃油消耗量，判斷當(dāng)前車速下的默認(rèn)決策擋位是否仍然對(duì)應(yīng)最佳油耗率，如果已經(jīng)不能滿足，則進(jìn)行目標(biāo)擋位的變更，按照擋位實(shí)際油耗率關(guān)系尋找更優(yōu)擋位。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的控制參數(shù)、不同車速下決策的最佳擋位可通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算得出。如果控制參數(shù)可以在規(guī)定的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，則對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，按照新的控制參數(shù)決策最佳擋位，可以使車輛在內(nèi)部性能變化后也能始終處于最佳工況。

4 結(jié)果驗(yàn)證

在某款12 擋AMT 重卡實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了此種自適應(yīng)控制的調(diào)節(jié)效果。未進(jìn)行重新自學(xué)習(xí)的實(shí)車測(cè)試油耗率與期望的理論值已有一定差距，因此為改善這種情況，對(duì)AMT 和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了協(xié)同自適應(yīng)控制，在重新標(biāo)定、數(shù)據(jù)庫(kù)更新完成后，在同一工作環(huán)境下又開(kāi)展了新一輪油耗試驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示，可以看到油耗率有顯著下降。

圖4：燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本項(xiàng)研究成果可以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)，進(jìn)一步提高了AMT 自動(dòng)決策最佳性能的準(zhǔn)確性。

（1）實(shí)時(shí)得到發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工況和對(duì)應(yīng)的變速箱最佳擋位，保證最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性能。

（2）對(duì)信息交互頻繁的部分開(kāi)展協(xié)同控制，可以更及時(shí)地把握發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱工況信息，提高信息傳遞和計(jì)算速度，提升控制性能。

（3）對(duì)因外部條件和內(nèi)部條件變化導(dǎo)致的工況變化設(shè)置最佳擋位尋優(yōu)控制，比較靈活的修正調(diào)節(jié)參數(shù)，使性能始終自動(dòng)調(diào)節(jié)處于最優(yōu)。