基于扭矩请求的预见性线控油门控制研究.pdf
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1、 第3 6卷 第2期2023年05月 青 岛 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J O U R N A LO FQ I N G D A OU N I V E R S I T Y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l.3 6N o.2M a y2023 文章编号:1 0 0 6 1 0 3 7(2 0 2 3)0 2 0 0 6 4 0 7d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 6 1 0 3 7.2 0 2 3.0 2.1 1基于扭矩请求的预见性线控油门控制研究胡春雨1,于梦阁1,郑旭光2,3,王国晖2(1.
2、青岛大学机电工程学院,青岛2 6 6 0 7 1;2.中寰卫星导航通信有限公司,北京1 0 0 0 9 4;3.吉林大学青岛汽车研究院,青岛2 6 6 0 0 0)摘要:针对不同车型的E C U(E n g i n eC o n t r o lU n i t)报文协议不同,预见性巡航控制系统(P r e d i c t i v eC r u i s eC o n t r o lS y s t e m,P C C)扭矩请求无法得到应答,不可实现车辆巡航控制的问题,提出了一种P C C请求扭矩油门电压实际扭矩的间接反馈控制方法。在P C C模块与发动机E C U之间设计信号处理单元线控油门控制单元
3、THC U(T h r o t t l eC o n t r o lU n i tb yW i r e),基于车联网高密数据和油门踏板电压与油门开度的线性关系,建立油门电压实车扭矩先验模型,将模糊自整定(F u z z yS e l f-T u n i n g,F S-T)P I D算法融合进P C C扭矩预测程序中,建立扭矩跟踪控制器。实验结果表明,通过THC U模块的信号转换,利用油门电压实车扭矩先验模型对控制量初步调节,P C C融合算法对扭矩精确跟踪,实现了在平均7 3.7k m/h的车辆巡航工况下,扭矩跟踪时间误差为0.4 9 5s,行程误差为1 0.1 3m的安全行车要求。关键词:
4、预见性巡航控制系统;扭矩请求;线控油门;先验模型;模糊自整定P I D中图分类号:U 4 6 9.7 文献标志码:A收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 3基金项目:国家自然科学基金(批准号:5 1 7 0 5 2 6 7)资助。通信作者:于梦阁,女,博士,副教授,主要研究方向为车辆多体系统动力学等。E-m a i l:y u m e n g g e 0 6 2 71 6 3.c o m 基于扭矩请求的动力控制策略广泛应用于车辆的动力性与燃油经济性的研究与实践中。在商用车辅助驾驶领域,预见性巡航控制系统根据高精度地图信息预测前方道路发动机需求扭矩,调整车辆行驶状态,以达到主动控制车辆巡航的目的
5、1-4。但是,由于标定发动机E C U参数的 2 L文件不尽相同,P C C扭矩请求无法得到应答,这给P C C的适配性提出了挑战。为了解决对发动机E C U扭矩控制的问题,在乘用车、商用车、轻轨列车和飞机等领域,基于速度控制或者扭矩控制方面做了大量研究,常见的有P I D(P r o p o r t i o nI n t e-g r a t i o nD i f f e r e n t i a t i o n)控制、模糊自适应控制、滑模鲁棒控制以及其他多种复合控制策略等5-1 2。在乘用车的扭矩控制研究中,利用模糊P I D扭矩识别系数识别混合动力汽车的扭矩5。基于搜索者优化算法(S e e
6、 k e rO p t i m i z a t i o nA l g o r i t h m,S O)、遗传算法(G)分别与P I D组合的控制方法,对电动四驱汽车轴间扭矩分配进行控制,均取得预期效果6,1 3。从商用车扭矩控制角度,结合比例积分控制器和S m i t h预估补偿器设计的 C C(A d a p t i v eC r u i s eC o n t r o l)下位控制算法实现了速度稳态跟踪误差和距离稳态跟踪误差均减小7。在轻轨车辆方面,一种分数阶P I D(F r a c t i o n a lO r d e rP I D,F O P I D)扭矩控制策略优化了车辆曲线通过性能
7、8。作为对可靠性要求极高的公共交通系统,1 0 0%低地板轻轨车也大多采用技术最成熟、应用最广泛的P I D控制方法1 4。即使在民机控制系统或履带车辆自动驾驶系统方面,均有使用模糊控制器在线整定P I D参数的方法控制速度9-1 0。车辆油门信号调节研究中,分别采用双闭环P I D模型和增量式P I D控制器研究油门控制策略,均间接实现了对车辆控制1 5-1 6。以上研究无论是对发动机扭矩的直接控制,还是通过车辆油门等对车辆的间接控制,都应用了与P I D相关的控制策略,且集中在P I D控制参数自整定方面,极少考虑从控制变量的大数据分析角度,总结变量间内在关系,进而协助P I D调节,提高
8、参数适应性的情况。以上研究 第2期 胡春雨等:基于扭矩请求的预见性线控油门控制研究大多基于车辆前装控制需求正向研发。鉴于此,本文提出一种P C C请求扭矩油门电压实际行驶扭矩的间接控制方法,分析车联网高密数据,构建了油门电压实车扭矩先验模型,采用融合模糊自整定P I D的P C C算法建立扭矩跟踪控制器,并由实车验证。1 基于扭矩请求的线控油门系统基于扭矩请求的线控油门系统主要有三部分:踏板位置传感器P P S(P e d a lP o s i t i o nS e n s o r),将踏板转动位移转化为对应电压值;THC U硬件,包含处理器、D C和常闭双开双闭继电器等硬件,以及在处理器中的
9、相关功能驱动程序;扭矩跟踪反馈控制算法,集成于P C C终端里,如图1所示。该系统具体实现过程为:(1)当THC U未检测到P C C控制信号时,继电器保持常闭状态,由油门踏板(驾驶员)接管车辆;(2)当THC U检测到P C C控制信号,并且无踏板信号时,继电器转为打开状态,由P C C巡航控制;(3)THC U一旦检测到踏板信号,无论P C C状态如何,继电器转为常闭状态,由油门踏板接管车辆;(4)重复步骤(1)到步骤(3),保证该系统合理、安全地把车辆控制权限分配给踏板或P C C。图1 基于扭矩请求的线控油门系统2 T H C U硬件设计THC U硬件核心采用S 9 S 1 2 G 4
10、 8,主要用来外接其他电路,决定继电器的开闭逻辑和实现 D模数转换。以T P S 7 B 6 9 5 0 D B V R为核心的降压电路将卡车电压由2 4V转换为5V,为THC U模块供电;以S N 6 5 HV D 2 5 1为核心的C N电路通过两路C N与T-B o x硬件终端内的P C C模块联系;以D C 1 0 4 S 0 8 5为核心的数模转换器将经过集成于P C C模块中的模糊P I D计算得到的控制量信号转换为对应的电压值,再通过两个电压跟随器输送到踏板E C U接口;常闭双开双闭继电器电路通过S 9 S 1 2 G 4 8处理器内的驱动程序决定继电器的开闭,实现踏板控制车辆
11、还是P C C控制车辆;还有一些调试接口电路,主要用来提供系统调试与下载功能;输入、输出电路,接收来自P P S与P C C的信号(电压或数字信号),然后输送给踏板E C U接口;最后增加4个电压跟随器,起到阻抗匹配的作用,当较弱的信号用来驱动相对较高的电流负载时,能使本身微弱的信号变得“强壮”,提高了电路负载能力,同时保障信号的波形和幅值不变。3 扭矩跟踪控制器设计3.1 油门电压实车扭矩先验模型在“解放行”车联网云服务平台上,下载1 3 67 2 9条关于油门开度、发动机扭矩T和发动机转速n的解放轻卡J 6 F的车辆状态高密数据,经过大数据分析,避免怠速、启停与下道低速工况数据的影响,剔除
12、3 91 5 5条=0的状态数据(占比2 8.6%)。考虑到数据采集器与数据上传等带来的延迟、错位,导致、T和n三者不一定完全对应,在剩余的7 1.4%的数据中等概率抽取1 37 9 0条数据组,对其进行二次多项式拟合,拟合效果如图2所示。可知,R2达到0.9 3,比较接近1,说明、T和n三者存在很强的二次多项式关系。56青 岛 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第3 6卷图2 发动机扭矩多项式拟合 T、及n的二次多项式拟合公式为T=p0 0+p1 0+p0 1n+p2 02+p1 1 n+p0 2n2(1)其中,p0 0=12 0 5,p1 0=4 5.7 7,p0 1=-1 6.3 6,
13、p2 0=-0.2 7,p1 1=0.3 7 03,p0 2=-0.2 9 64。只对和T关系进行讨论,得到确定的T与对应的的正态分布关系,如图3所示,以及对不同T在2(为均值,为标准差)范围下的变化范围,见表1。油门踏板控制发动机时,油门踏板的输出量是模拟电压,P C C请求的是扭矩值,从车联网数据总结出来的是Tn,不满足THC U的参数控制条件。对油门踏板线束实际测试得到表2(上2为E C U端油门接插件上排中间引脚,上3为右边引脚,以此类推),踏板电压U与存在线性关系,那么Tn三者关系可以转变成UTn三者关系,符合驾驶员通过踩踏油门踏板改变其电压输出,进而控制车辆速度与动力的实际情况。于
14、是,利用UT二者之间的大致线性关系,改善P C C扭矩跟踪控制器的模糊P I D初始调节的延时与稳定性。图3 不同T对应的分布图(a)T=1 0%;(b)T=3 0%;(c)T=5 0%;(d)T=7 0%3.2 模糊P I D控制器设计为了实现良好的P C C请求扭矩跟踪,考虑到工程实际要求(及时、稳定和可靠),使用P I D反馈调节实际66 第2期 胡春雨等:基于扭矩请求的预见性线控油门控制研究车辆扭矩值以求达到较好的巡航控制车辆的效果。于是,P I D的参数整定是核心内容,为解决典型P I D控制器利用固定参数进行控制时系统的动态性能和静态性能的矛盾,增加修正参数整定P I D初值以改善
15、系统的动态和静态性能。由于车辆动力控制过程中P C C的请求扭矩值是离散的,以目标扭矩Td与实际扭矩Ta的偏差e作为系统输入。表1 不同T在2范围下变化区间T(%)(%)在2范围内变化范围(9 5.5%概率)T(%)(%)在2范围内变化范围(9 5.5%概率)1 01 4.5 76.6 61.2 52 7.8 95 04 9.9 21.6 14 6.75 3.1 43 02 9.3 02.8 72 3.5 63 5.0 47 07 0.4 12.5 96 5.2 37 5.5 9表2 油门踏板电压与油门开度的关系引脚电压范围/V差值/V(%)对应关系信号线路上2上30.7 53.8 93.1
16、401 0 0线性信号线路1下2下30.3 61.9 51.5 901 0 0线性信号线路2 采用P I D控制算法的离散差分公式e(t)=Td(t)-Ta(t)un=Kpe+Kiet+Kd(e/t)(2)其中,Td(t)表示t时刻的目标扭矩,Ta(t)表示t时刻的实际扭矩,e(t)表示t时刻的扭矩差,Kp、Ki、Kd分别为P I D控制器的比例、积分和微分系数,un为P I D控制器输出控制量。图4 模糊自适应P I D控制图将模糊控制和P I D控制相融合,使系统兼具模糊控制的机动性、快速性和P I D控制精度高的特性1 7。图4所示为模糊自适应P I D控制图,其中r为系统输入量,y为系
17、统输出量。该控制系统不断检测输入量偏差e和偏差变化率ec,根据模糊推 理 规 则 对P I D控 制 器 的3个 参 数Kp、Ki、Kd进行实时修正,满足不同输入状态下控制系统对控制参数的要求,使系统保持良好的动、静态性能1 8-1 9。模糊自适应P I D参数调整为Kp=K p+(e,ec)Kp=K p+KpKi=K i+(e,ec)Ki=K i+KiKd=K d+(e,ec)Kd=K d+Kd(3)其中,Kp、Ki、Kd分别为模糊控制器保留上一次Kp、Ki、Kd对应的值,Kp、Ki和Kd分别为Kp、Ki、Kd的增量。因为这3个增量变化量较小,计算量较Kp、Ki、Kd也减少,可以提高系统的响
18、应速度。Td发生变化时,扭矩跟踪控制器首先根据油门电压实车扭矩先验模型输出Td对应的控制量,使Ta快速达到目标值附近,减少完全利用P I D调节的反应时间。扭矩跟踪变化见表1,大概率在目标值5%范围内(由于实测怠速扭矩为1 2%左右,P C C在实际巡航时,扭矩值小于2 0%的概率很小)。选定e和ec的基本论域均为-5,5,即最大扭矩偏差为5%,最大扭矩偏差每秒变化率为5%,e和ec的模糊论域E=-2,-1.5,-1,-0.5,0,0.5,1,1.5,2,偏差e和偏差变化率ec的模糊语言变量为:负大(N B)、负中(NM)、负小(N S)、零(Z O)、正小(P S)、正中(PM)、正大(P
19、B),所以e和ec的模糊子集为N B,NM,N S,Z O,P S,PM,76青 岛 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第3 6卷P B。针对3个参数的模糊推理规则见表3。表3 Kp、Ki、Kd的模糊推理规则eceN BNMN SZ OP SPMP BN BP B N B P SP B N B N SPM NM N BPM NM N BP S N S N BZ O Z O NMZ O Z O P SNMP B N B P SP B N B N SPM NM N BP S N S NMP S N S NMZ O Z O N SN S Z O Z ON SPM N B Z OPM NM N SP
20、M N S NMP S N S NMZ O Z O N SN S P S N SN S P S Z OZ OPM NM Z OPM NM N SP S N S N SZ O Z O N SN S P S N SNM PM N SNM PM Z OP SP S NM Z OP S N S Z OZ O Z O Z ON S P S Z ON S P S Z ONM PM Z ONM P B Z OPMP S Z O P BZ O Z O P SN S P S P SNM P S P SNM PM P SNM P B P SN B P B P BP BZ O Z O P BZ O Z O PMNM
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