２００５年第４期（总第１７３期）农业装备与车辆工程 ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＮｏ．４ ２００５（Ｔｏｔａｌｌｙ １７３）自动变速器模糊换挡及其控制理论研究贾元华周立元２．黑龙江农业工程职业学院，巧００８８）（１．佳木斯大学机械工程学院，１５４００７；摘要：以结构简单、传动效率高的电控机械自动变速器（ＡＭＴ）为研究对象，引入模糊控制技术，将经验知识和数学过程结合起来，根据专家经验建立模糊控制规则，依据自动变速器的实际工况确定输入和输出参数，并对输入量进行模糊化和模糊推理，对输出量进行解模得到模糊控制表，以实现对自动变速器的换档决策等制。最后进行模糊控制仿真，仿真结果表明，基于模糊控制的机械自动变速器（ＡＭＴ）对于不同的驾驶条件和运行工况均具有较理想的换档品质和较强的适应能力。关键词：自动变速器；模糊控制；换档中图分类号：Ｕ４６３．２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－３１４２（２００５）０４－００３３－０４Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ Ｇｅａｒ－ｓｈｉｆｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ （１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， １５４００７， Ｃｈｉｎａ；２． Ｈｅｉｌｏｎ幻ｉａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， １５００８８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ （ＡＭＴ） ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｖｏｌｖｅｄ， ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｓｅｋｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ， ｓｅｔｓ ｕｐ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｕｌｅ ｖｉａ ｅｘｐｅｒｔ＇ｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ， ａｎｄｄｅｃｉｄｅｓ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｉｎｐｕｔ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｖｉａ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ＇ｓ ｒｅａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｉｔ ｆｕｚｚｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔｖａｌｕｅ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ａ ｆｕｚｚｙ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｍａｋｅｓ ａ ｆｕｚｚｉｎｅｓｓ－ｓｏｌｖｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｏ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎｓ ａ ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ ｔａｂｌｅ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｕｚｚｉｌｙ． Ｆｉｎａｌｌｙ ｉｔ ｍａｋｅｓ ａ ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ ｉｍｉｔａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ， ｔｈｅ ＡＭＴ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ｍｏｒｅ ｉｄｅａｌ ｇｅａｒ－ｓｈｉｆｔ ｑｕａｌｉｔｙａｎｄ ｍｏｒｅ ｓｔｒｏｎｇ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ； Ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｇｅａｒ－ｓｈｉｆｔｈａ Ｙｕａｎｈｕａ Ｚｈｏｕ Ｌｉｙｕａｎ０前言随着汽车技术的不断发展和车辆保有量的迅速 增加，人们对车辆的使用性能也不断提出更高、更新的要求，伴随着驾驶员尤其是非职业驾驶员数量越来越多。在实施换挡过程中，传统的手动换挡不仅需要驾驶员根据路面状况、交通状况、车辆实际运行状态选择合适的挡位和换挡时机，同时还需要驾驶员手、脚、眼并用，既要观察道路、车辆、行人状况，又要一手把握方向盘一手操纵变速杆，左脚操纵离合器，右脚操纵油门踏板，这些操作的同步进行对驾驶员提出了较高的要求。据不完全统计，在交通负荷大的市区中，如果使用传统的机械式手动变速器（Ｍ叨，汽车每行驶１００ｋｍ，驾驶员须换挡４００６００收稿日期：２００５－１０－２１次，踏离合器６００７００次，平均每分钟要连续完成１５２０次手脚协调动作。繁重的操作，不仅分散驾驶员对行驶环境的注意力，而且是老人、残疾人等驾驶者的障碍。据交通部门统计分析，１／４１／３的城市交通事故由此引起。此外，换挡时机的掌握需要一定的驾驶经验和技巧，不恰当的换挡还会产生换挡冲击、离合器（包括同步器）磨损增大、甚至起步熄火等问题，从而导致车辆损耗增加、故障率升高、油耗增大、排气污染加重和乘坐舒适性下降等问题的出现。汽车自动变速器因其具有良好的驾驶性能、 行驶性能、安全性能和乘坐舒适性能而受到人们的欢迎，装车率不断提高，但基于传统控制理论与技术的自动变速器在一些特殊运行工况下，其工作性能还有诸多不尽人意的地方，如换挡频繁、经济性差等。作者简介：贾元华（１９６５－），男，副教授，主要研究方向为内燃机排放控制。农业装备与车辆工程２００５年第４期开发具有模拟实践经验丰富的驾驶员驾驶技术的控制方式成为其技术发展的重要方向。本文以结构简单、传动效率高的机械自动变速器为研究对象，在现有控制系统的基础上，拟引人模糊控制方法，进一步改善其控制策略、完善换档控制手段，以期改善换挡效果。１自动变速器模糊换挡策略换挡过程实际上是一个很复杂的过程， 采用单一的换挡规律很难满足实际需要，为此本文提出了模糊决策＋模糊修正的模糊换挡策略，其原理如图１模糊换挡策略车速Ｖ 油门开度ａ匕二二习挡位转向盘传感器坡道辨识器制动累计时间图１模糊换档策略原理图所示。 模糊换挡系统以车速ｖ、油门踏板信号ａ二参数的换挡规律为依据，并根据坡道、弯道道路条件、制动信号，利用经验丰富驾驶员总结出的换挡规律进行模糊推理，最后经换挡可行性分析后，输出换挡指令。车辆模糊换挡问题实际上就是挡位的模糊决策 问题，其核心就是模糊控制器的设计。下面首先介绍基本模糊换挡控制器的设计，然后再介绍模糊修正模块的设计。２模糊换挡控制器的设计２．１输入输出变量及其隶属函数选取车速和油门开度作为基本模糊换挡策略的 输人量，换挡位置为输出量，本系统为二输人单输出结构。其输人、输出变量的语言集分别为：车速ｖ： ［ＶＳ，Ｓ，ＬＳ，Ｍ，ＬＢ，Ｂ，ＶＢ｝ 油门开度。：［ＶＳ，Ｓ，Ｍ，Ｂ，ＶＢ｝挡位ＧＲ： 取值分别为１，２，３，４，５，６挡。选取各变量的论域Ｘ如下： ＸＶ： ［０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４）Ｘ｝： ［０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０｝车速和油门开度的取值范围分别为： ［０，８０］，［０，１００］０２．２隶属函数的确定此处仍采用正态型隶属函数，其表达形式参见 式（（５）中参数，的大小直接影响隶属函数的形状，而隶属函数曲线的形状不同会导致不同的控制特性。隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度也较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特性也较平缓，系统稳定性好。对车速ｖ，各模 糊子集｛ＶＳ，Ｓ，ＬＳ，Ｍ，ＬＢ，Ｂ，ＶＢ｝的隶属函数如下：Ｏ－ｘＩａ，拼ｖｓ，＝ｅＸ亨‘卫－ｋ，－ｘ－ａ， ＼２」ｌＯ ， １） Ｉ ｘ＞ａ，（１）！ｌｕｓ，＝ｅｘｐＤｔ１一（竺ａ叮２ ． ）一拼Ｂ，＝ｅｘｐＤ胜』ｘ－ａ６ｅｘｐ｝＿ｌ－＿＿＿＿［＿， ｘ－０！ ｝拜ＶＢ，＝一Ｌ 住７１ Ｉ ２ Ｉ。」 Ｖ＜ｘ＜ａ，（４）ｘ：，：：， ａ， 如前所述，。值的大小影响分辨率和系统的稳定性。由于驾驶员对车速的敏感程度相差不大，所以各模糊子集的形状不应有太大差别，为便于运算，取 ＇Ｏ， ＝０－２ ＝Ｌ＝ｏ－６ ＝ｖ＇， （５）另外，各模糊子集之间也有相互影响，若用ｙ 值大小来描述两个模糊子集之间的影响程度，则当ｙ值较小时控制灵敏度较高，而当ｙ值较大时模糊控制器鲁棒性较好，即控制器具有较好的适应对象特性参数变化的能力，ｙ值取得过小或过大都是不利的，一般选取ｙ值为０．４－－０．８ ｏ ｙ值过大时造成两个模糊子集难于区分，使控制的灵敏度显著下降。为此，取ｙ＝０．５，即有 ｍａｘｕＬｖｓ，（ｘ） Ａｌ－ｔｓ，（ｘ）１＝０．５ （６）ｍａ ｘＬ，ｓ，（ｘ） ＡＡｓ，（ｘ）１＝０．５ （７）ｍａ ｘＬｕ，，， （ｘ） ＡＡｖａ， （ｘ）１－０．５ （８）设ａ， ＝０， ａ，＝１４，由以上各式可求得ｒｏ ， ＝ａ－２ ＝Ｌ＝ｏ－６ ＝Ｑ， ＝０．９９０９ａ２ ＝２．３３３，ａ，＝４．６６７， ａ，＝７， ａ，＝９．３３３， ａ６＝１１．６７ 由此可求得车速的各模糊子集的隶属函数曲线，如图２所示。应用相同的方法可以得到油门开度的隶属函数 曲线，如图３所示。２００５年１２月贾元华等：自动变速器模糊换挡及其控制理论研究３５Ｍ ＬＢ Ｂ０Ｒ ： ０‘Ｕ０４ ： ０２０ ２ ４ ６ ８ １０图２车速隶属函数曲线Ｓ Ｍ０只 ： ０‘Ｕ０４ ： ０，‘０ ２ ４图３油门开度隶属函数曲线２．３建立控制规则 模糊控制器的控制规则是基于驾驶员的手动控制策略，其建立过程实际上就是利用语言归纳手动控制策略。对于车辆的换挡过程，手动控制策略就是驾驶员操作经验的积累。根据这一经验并参照模糊换挡原则，可制定出如表１的挡位控制规则表。表１挡位控制规则表 表中的控制规则可以用以下３５条模糊条件语句来描述：ＩＦ ａ＝ＶＳ ａｎｄ Ｖ＝ＶＳ ｔｈｅｎ ＧＲ＝ＩＩ Ｆ ａ＝ Ｓ ａｎｄ Ｖ＝ＶＳ ｔｈｅｎ ＧＲ＝１Ｉ Ｆ ａ＝ＶＢ ａｎｄ Ｖ＝Ｂ ｔｈｅｎ ＧＲ＝６Ｉ Ｆ ａ＝ＶＢ ａｎｄ Ｖ＝ＶＢ ｔｈｅｎ ＧＲ＝６２．４模糊修正模块的建立由于车辆运行过程中影响换挡的因素较多， 仅仅依靠基本模糊换挡策略难以达到令人满意的控制效果，为此在基本模糊换挡策略的基础上增加模糊修正模块，用以处理在换挡过程中所遇到的其它信息。为简便起见，以在坡道上的油门开度变化率和制动踏板信息为例进行说明，因为此二者直接反映了驾驶员的驾驶意图。将上述变速器的六个挡位（（ＧＲ）两两分为一组，即低挡（１，２挡）用Ｌ表示、中挡（（３，４挡）用Ｍ表示、高挡（（５，６挡）用Ｈ表示。 在模糊控制中一般有两种修正模式，即对输人变量加权修正或对输出变量加权修正。为使修正过程简单，在这里采用对输出变量即挡位直接修正的模式。 用Ｑ表示修正强度，即表示模糊修正模块的输出，其取值可为负（Ｎ）、零（Ｚ）和正（Ｐ）三个，当取值为零时，则不改变由基本模糊换挡策略所得到的挡位（当前挡）；当取值为正时，在当前挡的基础上增加一挡；当取值为负时，则降低一挡。 为便于说明，设油门开度变化率（（Ｘ＆）与制动踏板累计制动时间（（ＢＴ）的隶属函数曲线如图４和图５所示。１０ ３０图４油门开度变化率隶属函数曲线ＮＢＮＳ Ｔ ＰＳ一１．５ －０．５ ０ ０．５ １．５图５累计制动时间隶属函数曲线根据在坡道上一般的操作原则，结合熟练驾驶员的工作经验，得到如下挡位修正规则：ＩＦ ａ＆＝ＰＢＧＲ＝ＨｔｈｅｎＱ＝ＺＩＦ ｏｆ＆＝ＰＢＧＲ＝ＭｔｈｅｎＱ＝Ｚ３农业装备与车辆工程２００５年第４期 ＩＦ ａ＆＝ＰＢ ａｎｄ ＧＲ＝Ｌ ｔｈｅｎ Ｑ＝ＺＩ Ｆ ａ＆＝ＰＳ ａｎｄ ＢＴ＝Ｓ ｔｈｅｎ Ｑ＝ＺＩ Ｆ ａ＆＝ＰＳ ａｎｄ ＢＴ＝Ｂ ｔｈｅｎ Ｑ＝Ｎ由于上坡时为克服坡道阻力一般要加大油门开 度，根据传统换挡规律挡位就要降低，这与驾驶员的操作经验有差别，而基本模糊换挡策略对此也不能很好地做出响应，若应用上述修正原则，就可以维持当前挡位不变；下坡时，为利用发动机制动一般要减小油门开度，根据传统换挡规律，挡位就要升高，但驾驶员的实际操作却是降挡，说明这与实际的操作正好相反，这样会导致坡道行驶产生危险，若采用上述修正规则，就可以收到和实际操作相同的结果。由此可见，加人模糊修正模块后，可以使模糊换挡控制器的性能得到较好的改善。３ ＡＭＴ模糊换挡仿真 为验证所建立的模糊换挡策略的有效性，可进行模糊换挡策略的仿真。图６为车辆模糊换挡仿真程序框图，图７是采用二参数和采用上文阐述的模糊换挡策略爬坡换挡情况，图８是分别采用二参数和模糊策略弯道情况，从中可以看出模糊换挡策略可以避免在一段弯道和坡道的意外换挡，同时又能继承二参数换挡的优点。从以上仿真结果可以看出， 机械自动变速器引入模糊控制后，在特殊工况（弯道、坡道等）下其换挡性能得到明显改善，减少了不必要的频繁换挡，使得车辆运行的动力性、经济性和安全性得到进一步提高，实践说明：模糊控制技术应用于机械自动变速器开始输人模型参数输人道路参数输人驾驶员驾驶意图输人当前车辆状态输入信息模糊化｝ Ａ ＭＭＮ ｑ １Ｅ卜腼钟卜 １＊ 输出换挡结果－ Ａ ＭＩｎ｝ Ｅ ｘ）＇；ａｑｊ ｌＥＩ结束｝ 图６车辆模糊换档仿真程序框图二参数换挡挡闷３挡Ｆｕｚｚｙ换挡－一挡图７坡道换档示意图二参数换挡月络内ｊ４从ｆ一 一一－Ｆｕｚｚｙ换挡４ ４－ 碑者图８弯道换档示意图是可行的。４结论 本文提出了模糊决策＋模糊修正的模糊换挡策略，即换挡系统以车速ｖ、油门踏板信号ａ二参数换挡规律为依据，并根据坡道、弯道等道路条件、制动信号，参照经验丰富驾驶员的换挡进行模糊推理，并经可行性分析后，输出换挡指令。经仿真分析可以得出，本文所设计的模糊控制 器使得车辆在弯道和坡道的频繁换挡问题得以解决。ＡＭＴ车辆引人模糊控制技术后，其换挡性能可以得出较好改善。参考文献Ｉｌｌ陈俐．离合器接合过程的动力学与控制研究．上海交通大学博士论文．１９９７［２］李义明．采用模糊逻辑与原理的换档特性研究．吉林工业大学硕士论文．１９９３：３５３８［３］ Ｙ． Ｄｏｔｅ ｅｔｃ． Ｎｅｕｒｏ Ｆｕｚｚｙ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＥＥＥ Ｒｏｕｎｄｔａｂｌｅ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ ａｎｄ Ｎｅｕｒａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄＶｅｈｉｃｌｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｔｏｋｙｏ ｉｎ Ｊａｐａｎ． １９９８：７９－９２（４１ Ｃｏｎｓｔａｎｔｉｎ Ｖｏｎ Ａｌｔｒｏｃｋ． Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｓ ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． ＷＥＳＣＯＮ １９９４：３３３７［５］熊光锣等．拉制系统仿真与模型处理．科技出版社，１９９３：８７９２（６１戎月莉．计算机模糊控制原理及应用．北京航空航天大学出版社，１９９５：１４３１５５［７］冯能莲．车辆综合传动换档动态特性仿真及模糊控制研究．北京理工大学博士学位论文．１９９５：５３６１
