??? 摘 要： 討論了AMT最佳換檔" title="換檔">換檔規(guī)律，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)己有數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練仿真，表明RBF網(wǎng)絡(luò)辨別方法可以解決檔位識(shí)別問(wèn)題,，并且給出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)換檔控制策略。
??? 關(guān)鍵詞： 自動(dòng)變速器? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)? 最佳換檔? 離合器接合

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??? 自動(dòng)變速器種類很多,，主要有液力自動(dòng)變速器(AT)、機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器(CVT)。其中,，AMT保持原有的機(jī)械變速器，離合器結(jié)構(gòu)不變,，既具有液力自動(dòng)變速器自動(dòng)變速的優(yōu)點(diǎn),，又保留了原手動(dòng)變速器齒輪傳動(dòng)效率高、成本低,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、易制造的長(zhǎng)處,，是非常適合我國(guó)國(guó)情的機(jī)電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品,。
??? 換檔控制是自動(dòng)變速器的核心問(wèn)題之一,，換檔控制性能直接影響車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性" title="經(jīng)濟(jì)性">經(jīng)濟(jì)性及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力,，是決定車輛在采用自動(dòng)變速傳動(dòng)方式后,，能否充分發(fā)揮其最佳工作性能的關(guān)鍵。AMT車輛對(duì)換檔控制的基本要求是能根據(jù)車輛的行駛狀況,、道路條件和駕駛員的操縱意圖等信息,，采用相應(yīng)的換檔規(guī)律，并通過(guò)選換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu),，使變速器及時(shí)準(zhǔn)確地切換到最佳檔位,，具有良好的換檔品質(zhì)。
??? 獲得最佳換檔規(guī)律的途徑一般有兩種：(1)通過(guò)學(xué)習(xí)熟練駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)獲得最佳換檔規(guī)律,；(2)依據(jù)汽車自動(dòng)變速理論,，提前設(shè)定一定約束條件，按照某種目標(biāo)函數(shù)通過(guò)優(yōu)化獲得最佳換檔規(guī)律,。但是無(wú)論采用哪種方法,，獲得的最佳換檔規(guī)律都是離散的數(shù)據(jù)，都必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理才能表示其中的規(guī)律,。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有在線學(xué)習(xí)和非線性函數(shù)逼近功能,，通過(guò)MATLAB訓(xùn)練一定數(shù)量的樣本并存入網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器就可以根據(jù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)聯(lián)想,、記憶,，給出最佳檔位，并且還可以把駕駛員駕駛時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,、存儲(chǔ),。
1 換檔規(guī)律的制定
??? 換檔規(guī)律是自動(dòng)變速系統(tǒng)的基本特性，是實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)力和最佳經(jīng)濟(jì)性換檔的理論基礎(chǔ),，也是自動(dòng)變速系統(tǒng)控制的核心,。換檔規(guī)律是指兩排檔間自動(dòng)換檔時(shí)刻隨控制參數(shù)" title="控制參數(shù)">控制參數(shù)變化的規(guī)律，按照控制參數(shù)不同有單參數(shù),、兩參數(shù)和三參數(shù)換檔規(guī)律,。單參數(shù)，多為車速,；兩參數(shù),，多為車速與油門(mén)開(kāi)度；三參數(shù),，多為車速,、油門(mén)開(kāi)度和加速度。雖然使用的控制參數(shù)越多,，達(dá)到的自動(dòng)換檔效果會(huì)越好,，但多控制參數(shù)會(huì)使換檔系統(tǒng)變復(fù)雜,，因而成本較高。
??? (1)最佳動(dòng)力性換檔
??? 最佳動(dòng)力性換檔規(guī)律是使汽車的牽引力得到最充分的利用,、發(fā)動(dòng)機(jī)功率獲得最大的發(fā)揮來(lái)進(jìn)行換檔的規(guī)律,。為了不損失動(dòng)力性，在換檔點(diǎn)應(yīng)該保證車速和加速度相同,。在不同油門(mén)開(kāi)度下各檔加速度與車速的關(guān)系曲線中,，某一油門(mén)開(kāi)度下相鄰檔的曲線交點(diǎn)就是確保最佳動(dòng)力性的換檔點(diǎn)。如果在高油門(mén)或較低油門(mén)時(shí)兩曲線沒(méi)有交點(diǎn),，這時(shí)采用低檔該油門(mén)下的最高車速為換檔點(diǎn),。把各油門(mén)開(kāi)度下的最佳換檔點(diǎn)連接起來(lái)，便得到最佳換檔動(dòng)力特性曲線,。圖1所示為汽車前進(jìn)檔牽引特性圖,，A點(diǎn)就是1檔和2檔某一油門(mén)開(kāi)度下的最佳動(dòng)力換檔點(diǎn)。

??? (2)最佳經(jīng)濟(jì)性換檔
??? 經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律力求滿足最低的百公里油耗要求,，保證汽車總是以發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最小的檔位行駛,。車輛的最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律通過(guò)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性曲線求得。假設(shè)換檔時(shí)間很短,，可認(rèn)為換檔時(shí)車速不變,。為保證汽車具有良好的動(dòng)力性和乘坐舒適性，要求換檔前后牽引力不變,，即等牽引力換檔條件,，換檔時(shí)油門(mén)開(kāi)度應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，并與此相適應(yīng),。設(shè)換檔時(shí)牽引力為某一常數(shù),，在牽引力特性上表示為一水平直線。根據(jù)它和相鄰兩檔不同油門(mén)開(kāi)度的牽引力特性曲線交點(diǎn),，求出對(duì)應(yīng)的某檔某油門(mén)開(kāi)度的車速,，由Q_t=f(V_a)曲線可得到該車速下相應(yīng)檔位和油門(mén)開(kāi)度的油耗。根據(jù)車速和油耗可得到相鄰兩檔的油耗曲線,，其交點(diǎn)就是最佳燃料消耗的換檔點(diǎn),。依此類推，可以求出給定不同牽引力常數(shù)的相鄰兩檔的換檔點(diǎn),，其換檔點(diǎn)的連線就是相鄰兩檔的最低燃料消耗量,。換檔曲線根據(jù)換檔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車速和牽引力，分析換檔規(guī)律對(duì)汽車牽引特性的影響,，根據(jù)對(duì)應(yīng)油門(mén)開(kāi)度和車速可得到經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律,。圖2表示相鄰兩個(gè)檔位的油耗特性曲線，A點(diǎn)為兩檔油耗特性曲線的交點(diǎn),。A點(diǎn)處兩檔的油耗相同,，為最佳經(jīng)濟(jì)性換檔點(diǎn),。

??? 最佳動(dòng)力性和最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律是兩種理想的換檔規(guī)律，本系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)兩種換檔規(guī)律進(jìn)行學(xué)習(xí),。車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中采用的換檔規(guī)律是綜合考慮車輛的動(dòng)力性,、經(jīng)濟(jì)性以及駕駛員操縱意圖,、道路環(huán)境條件等諸多因素,，再通過(guò)設(shè)定開(kāi)關(guān)選擇是經(jīng)濟(jì)性換檔還是動(dòng)力性換檔。
2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）的自動(dòng)變速器最佳檔位判定
??? 汽車是具有多輸入,、多輸出,、不確定性、多干擾源的復(fù)雜非線性系統(tǒng),。由于輸入和干擾因素與輸出的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜,，系統(tǒng)又是高階非線性系統(tǒng)，加之內(nèi)部和外部參數(shù)的不確定性,，致使為車輛系統(tǒng)進(jìn)行合適的建模十分困難,。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為非線性系統(tǒng)的建模和控制開(kāi)辟了新的途徑。
??? 反映發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛工作狀況的主要參數(shù)有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,、油門(mén)開(kāi)度和車速等,。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速盡管很容易被檢測(cè)，但在換檔過(guò)程,，其值處于變動(dòng)之中,，所以不適合作為換檔控制參數(shù)；而車速在換檔過(guò)程中由于車輛自身的慣性,，基本上保持不變,，所以可以作為反映車輛狀態(tài)的換檔控制參數(shù)；油門(mén)開(kāi)度反映了司機(jī)對(duì)車輛行駛功率的要求,。理論分析可以得出車速和油門(mén)開(kāi)度與最佳檔位間的關(guān)系是分段非線性函數(shù),。
??? (1)NN用于檔位辨識(shí)的控制原理
??? 車輛狀態(tài)的描述可以用一些參數(shù)表示，為了能更全面地反映車輛的運(yùn)行狀態(tài),，往往還要考慮車輛負(fù)載,、路面、駕駛員熟練程度,、輸入輸出軸轉(zhuǎn)速,、坡度、執(zhí)行機(jī)構(gòu)延時(shí)等因素,，因此最佳換檔規(guī)律是一個(gè)復(fù)雜的,、多變的非線性函數(shù)。但是描述車輛工作狀態(tài)的離散點(diǎn)在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)換檔網(wǎng)絡(luò)表中的一個(gè)最佳檔位,，應(yīng)用RBF函數(shù)算法可以對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行最佳擬合,，較好地實(shí)現(xiàn)最佳檔位的選擇,。
??? 應(yīng)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用對(duì)現(xiàn)有的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,，應(yīng)用MATLAB中的Neural Network Toolbox對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練,，把訓(xùn)練結(jié)果所包含的分類規(guī)律存儲(chǔ)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)由最佳換檔規(guī)律所選參數(shù)決定,，輸出結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)由變速器檔位個(gè)數(shù)決定,。圖3給出了j個(gè)輸入?yún)?shù)、i個(gè)檔位的AMT控制電路,，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分用于存儲(chǔ)換檔規(guī)律,。在使用前對(duì)實(shí)際輸入?yún)?shù)與最佳檔位對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)利用MATLAB進(jìn)行訓(xùn)練，存入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表中,；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)傳感器測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行處理,、A/D轉(zhuǎn)化，然后將歸一化處理結(jié)果輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器,，進(jìn)行運(yùn)算,、聯(lián)想、記憶,，給出最佳檔位,。換檔控制邏輯部分根據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出G₁、G₂,、G₃,、…、G_i值及司機(jī)命令和剎車信號(hào),，形成換檔處理,，給出換檔邏輯控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離,、功率放大后,，驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成換檔動(dòng)作。

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??? (2)NN用于檔位辨識(shí)的原始數(shù)據(jù)訓(xùn)練及驗(yàn)證
??? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)最佳換檔規(guī)律具有自學(xué)習(xí),、存儲(chǔ)的功能,，本文對(duì)兩參數(shù)、五檔位AMT換檔現(xiàn)有輸入,、輸出數(shù)據(jù)利用三層RBF算法在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行了訓(xùn)練,。表1列出了其中10個(gè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果。

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??? 本文中數(shù)據(jù)采用低檔時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,、驗(yàn)證,，采用高斯函數(shù)(radbas)作為RBF神經(jīng)元的激活函數(shù)。由高斯函數(shù)的傳輸特性可知，當(dāng)輸入矢量P與權(quán)值" title="權(quán)值">權(quán)值w重合時(shí),，網(wǎng)絡(luò)輸出值最大,，距離越遠(yuǎn)輸出值越小，分別對(duì)應(yīng)表1中的最佳檔位輸出值和其他檔位值,。在表1中,，輸入?yún)?shù)α、ν為歸一化后的車速和油門(mén)開(kāi)度值,；G₁,、∧、G₅為最佳檔位對(duì)應(yīng)的數(shù)值,，取0.9左右的值對(duì)應(yīng)當(dāng)前最佳檔位,，也就是輸入矢量P和權(quán)值矢量w距離最近時(shí)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值,。采用以上歸一化的數(shù)據(jù)樣本,，取徑向基函數(shù)分布密度SPREAD的值為2，在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行訓(xùn)練,，訓(xùn)練次數(shù)在3 000次左右時(shí)誤差降至所要求值以內(nèi),。訓(xùn)練后用數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明,，判斷檔位的作用顯著,，并將訓(xùn)練好的前、后檔網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,、閾值存入相應(yīng)的控制器,。
??? 圖4給出了一個(gè)最佳檔位判別及換檔控制邏輯圖。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分用于存儲(chǔ)換檔規(guī)律,，在使用前由輸入?yún)?shù)與最佳檔位對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練,；在線應(yīng)用時(shí)，輸入?yún)?shù)由傳感器測(cè)取,，歸一化后輸入網(wǎng)絡(luò)中,。輸出G₁中取值最大者對(duì)應(yīng)的檔位就是最佳檔位。如果G₂最大,，則最佳檔為2檔,，這時(shí)應(yīng)把變速箱置為此檔。換檔控制邏輯部分綜合網(wǎng)絡(luò)輸出G₁,、G₂,，…G₅值形成是否換檔及換哪一檔的處理，并給出完成換檔操作的控制時(shí)序信號(hào),。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后,，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成換檔過(guò)程。為了避免升檔時(shí)由于換檔動(dòng)力切斷等原因造成的循環(huán)換檔，換檔控制邏輯對(duì)來(lái)自G₁,、G₂,，…G₅指示的檔位變化有一個(gè)延遲；也就是一次換檔后,，一段時(shí)間內(nèi)不再響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)指示的檔位變化,。當(dāng)G₁、G₂,，…G₅中有一個(gè)以上有效時(shí),，只要有一個(gè)與當(dāng)前檔位相同就不換檔，否則取與當(dāng)前檔最接近的檔位,。

3 離合器接合" title="離合器接合">離合器接合的控制
??? 下面介紹換檔時(shí)離合器的結(jié)合與分離控制的要點(diǎn),。
??? (1)離合器的行程
??? 由離合器接合過(guò)程動(dòng)力傳動(dòng)所經(jīng)過(guò)的三個(gè)階段可知，接合應(yīng)滿足快－慢－快的過(guò)程,。
??? (2)加速踏板踏入量或油門(mén)開(kāi)度
??? 它是反映駕駛員意圖,、實(shí)現(xiàn)控制接合速度vc的主要途徑。試驗(yàn)表明,，離合器接合的前階段正比于加速踏板的行程,，即油門(mén)開(kāi)度α，它對(duì)v_c有前饋效應(yīng),。如發(fā)動(dòng)機(jī)接通開(kāi)關(guān)但不運(yùn)轉(zhuǎn),，則離合器仍不接合，即需α>α_min且發(fā)動(dòng)機(jī)需超過(guò)目標(biāo)轉(zhuǎn)速n_e0,。但在接合的最后階段,，因傳遞轉(zhuǎn)矩與同步已接近或已完成，故v_c受油門(mén)操作的控制較少,。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于油門(mén)開(kāi)度有較大的滯后,，不宜將油門(mén)開(kāi)度作為接合量主要的確定量；否則,，由于反應(yīng)滯后,，可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，所以將它作為一種輔助確定量,。
??? (3)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n_e
??? 試驗(yàn)表明：接合期間發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n_e隨時(shí)間的變化會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰點(diǎn)和谷點(diǎn),，并且接合愈快，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量越大,。v_c正比于發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度dw_e/dt,，當(dāng)(dw_e/dt)>0，則接合速度v_c快,；相反在B-C階段,，因負(fù)荷而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降,，(dw_e/dt)<0，則v_c降低,，甚至很低,。為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T_e小于離合器從動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T_c,使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n_e下降過(guò)低而引發(fā)爆震,造成車身振動(dòng)甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，需要先計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速n_e0,，若現(xiàn)在油門(mén)α下的n_ee0,，則離合器分離，停止接合,。
??? (4)檔位與車速
??? 由于變速器輸出軸上的轉(zhuǎn)矩T_T與檔位傳動(dòng)比成正比,，i_g越大則后備牽引力越大，從而使車身產(chǎn)生的縱向加速度也越大,，傳動(dòng)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的動(dòng)載荷也越大,。從提高接合平順性、乘坐舒適性以及減少傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊考慮,，應(yīng)放慢接合速度v_c,，故i_g大換檔時(shí)間長(zhǎng)。此外,，由于車速也間接反映了外界的負(fù)載狀態(tài),，在同一油門(mén)開(kāi)度下行駛,，車速越高說(shuō)明外部阻力越小,，所以v_c可以加快。
??? 離合器的接合過(guò)程受多個(gè)參數(shù)的影響,，在控制的過(guò)程中,，不可能將所有的參數(shù)都作為控制參數(shù)。從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度出發(fā),，選擇油門(mén)開(kāi)度α,、檔位i_g、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n_e以及輸入軸的轉(zhuǎn)速ni作為控制參數(shù),。這些信號(hào)與離合器的接合速度之間的關(guān)系是非線性的,，難以用一個(gè)確定的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示或線性化近似。本系統(tǒng)采用三層RBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的的非線性映射關(guān)系,，如圖5所示,。

??? 本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于AMT自動(dòng)變速器中，簡(jiǎn)單介紹了最佳換檔規(guī)律,，重點(diǎn)介紹了RBF網(wǎng)絡(luò)在檔位變換和離合器接合過(guò)程中的應(yīng)用,。汽車換檔的依據(jù)是換檔規(guī)律，文章簡(jiǎn)單介紹了動(dòng)力性換檔和經(jīng)濟(jì)性換檔,，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中,，可以設(shè)置開(kāi)關(guān)量來(lái)選擇是希望汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有更好的動(dòng)力性還是更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于這兩種換檔規(guī)律有各自對(duì)應(yīng)的換檔規(guī)律經(jīng)驗(yàn)值，可以分別用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練,。非神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法是在控制器的ROM中存儲(chǔ)一個(gè)查找表,，當(dāng)檢測(cè)到車輛的信息，查找存儲(chǔ)表,，就可以知道檔位及離合器的接合速度,。但這需要存儲(chǔ)大量的信息。本系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)值離線訓(xùn)練RBF網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值,，最終使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到要求的精度,，然后只需要將訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值存儲(chǔ)于微處理器的ROM中，此后不斷檢測(cè)車輛的狀態(tài)參數(shù),，根據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,，計(jì)算出檔位和離合器的接合速度即可。本文只介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在最佳檔位決策方面的訓(xùn)練過(guò)程和結(jié)果分析,，對(duì)于離合器的控制,，給出了相應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出，可以根據(jù)與檔位決策同樣的方法,，由經(jīng)驗(yàn)值訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)得出符合要求的離合器接合速度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,。
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