CN102717800B - 基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，经济性巡航是以汽车的经济性为控制目标。该控制方法结构框图包括安全车距判断模块、行驶阻力计算单元、发动机万有特性曲面辨识模型、发动机燃油消耗率寻优模型、执行控制模块、发动机、汽车ECU以及传感器测量信号。该方法是一种在保证汽车行驶安全性的基础上，根据汽车行驶时所受道路阻力的变化，控制发动机始终在其万有特性的经济区域内运转的闭环控制系统，即通过实时控制节气门开度来调节车速以适应汽车行驶阻力的变化，使汽车始终以经济车速巡航行驶。因此，本发明能够有效的提高发动机的燃油经济性，从而有效的降低汽车百公里燃油消耗量，较好地实现节能减排的目的。

Description

基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法

技术领域

本发明是一种基于发动机万有特性的神经网络模糊控制车速的控制策略。它能够根据汽车行驶阻力的变化，不断地寻找此行驶阻力工况下的经济车速，并控制汽车始终按经济车速巡航行驶。

背景技术

“十一五”期间国家提出了节能减排战略，“十二五”我国继续贯彻执行节能减排，接着提出了具体的“节能和新能源汽车”战略，这说明国家对汽车的燃油经济性和排放性能不断提出新的要求。

现有巡航技术主要是以保持两车的安全车距为控制目标的自适应巡航控制，主要针对提高驾驶舒适性和行驶安全性，而尚无以燃油经济性为控制目标的巡航控制系统。本发明提出了基于发动机万有特性的经济性巡航控制方法，这种巡航控制方法能最大限度地降低汽车的燃油消耗量，较好地实现节能减排的目的。

发明内容

本发明所述的一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制系统的控制方法，旨在为汽车的经济性巡航模式提供一种可靠的控制方法。使汽车在该模式下巡航时始终以经济车速行驶，最大限度地降低汽车的燃油消耗量，较好地实现节能减排的目的。

本发明的上述目的可通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

办发明所述的一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制系统的控制方法，包括以下具体步骤：

1)设计一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制的闭环控制系统，该系统由安全车距判断模块1、行驶阻力计算单元2、发动机万有特性曲面辨识模型3、发动机燃油消耗率寻优模型4、执行控制模块5、发动机6、汽车ECU7和传感器测量信号8组成；

2)根据各个传感器测量信号8，由行驶阻力计算单元2计算发动机6输出的瞬时扭矩；由安全车距判断模块1判断车辆行驶状态是否满足行驶安全性，若满足行驶安全性则执行步骤3)和4)，否则执行步骤5)；

3)通过发动机万有特性曲面辨识模型3和发动机的燃油消耗率寻优模型4确定出发动机的转速和扭矩的变化量；

4)由执行控制模块5调节节气门的开度，使汽车以发动机6的目标经济转速对应的经济车速巡航行驶，并返回步骤2)；

5)由执行控制模块5控制汽车的制动系统或调节节气门的开度，使汽车减速至车距大于安全车距，保证汽车行驶的安全性，并返回步骤2)。

所述闭环控制系统在保证汽车行驶安全性的基础上，根据汽车行驶时所受道路阻力的变化，通过发动机的万有特性曲面辨识模型3、燃油消耗率寻优模型4及执行控制模块5，控制发动机始终在其万有特性的经济区域内运转的闭环控制系统，即通过实时控制节气门开度来调节车速以适应汽车行驶阻力的变化，使汽车始终以经济车速巡航行驶。

本发明通过基于Levenberg-Marquart算法的两层前向神经网络，建立了发动机万有特性曲面辨识模型3，并能够基于训练的万有特性曲面辨识模型，对任意输入量(转速和扭矩)，输出发动机的燃油消耗率。

本发明通过基于梯度法的优化算法，建立了发动机的燃油消耗率寻优模型4，该模型以发动机的n、T和b三者之间的函数映射关系b＝f(n，T)为目标函数，其中：设n为发动机转速(r/min)，T为发动机扭矩(N·m)，b为发动机燃油消耗率(g/kw·h)，运用梯度优化算法，计算出满足不同行驶道路阻力工况下的最低发动机燃油消耗率。

本发明的技术效果：

1、现有巡航技术主要是以保持两车的安全车距为控制目标的定速巡航控制，其主要针对提高驾驶舒适性和行驶安全性，本发明在保证汽车汽车驾驶舒适性和行驶安全性的基础上，提出以燃油经济性为控制目标的巡航控制方法，旨在降低汽车的百公里燃油消耗量。

2、本发明控制发动机始终在其万有特性的经济区域内运转，提高发动机的燃油经济性，从而有效的降低汽车百公里燃油消耗量。

3、本发明建立的发动机万有特性曲面辨识模型，具有自学习速度快及识别精度高的优点，适应因发动机磨损对其万有特性的影响。

4、基于汽车的多传感器信息融合技术、电子技术、微电子控制技术，使得本发明的控制方法易于实现其功能，即在不同行驶道路阻力工况下，始终控制汽车以经济车速巡航行驶，从而最大限度地降低汽车的燃油消耗量，较好的实现节能减排的目的。

附图说明

图1为汽车经济性巡航控制方法的结构框图。

图2为汽车经济性巡航控制方法的控制流程图。

图1中：1.安全车距判断模块、2.行驶阻力计算单元、3.发动机万有特性曲面辨识模型、4.发动机燃油消耗率寻优模型、5.执行控制模块、6.发动机、7.汽车ECU、8.传感器测量信号设v为汽车瞬时速度(km/h)、n₀为发动机瞬时转速(r/min)、T₀为发动机瞬时扭矩(N·m)、b为发动机燃油消耗率(g/kw·h)、Δn为发动机转速调整量(r/min)、ΔT为发动机扭矩调整量(N·m)、n₁为发动机目标经济转速(r/min)、T₁为发动机目标扭矩(N·m)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

汽车在某一路况下巡航，必然存在某一经济车速或某种速度调控规则使燃油消耗量最低。本发明提供了一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，该方法根据行驶车辆所受的道路阻力，能够快速调整发动机在其万有特性的经济区域内运转，使汽车按经济车速巡航行驶，降低了发动机油耗，进而提高了整车的燃油经济性。

本发明方法的实施包括以下几个具体步骤：

1)设计了一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制的闭环控制系统，它包括安全车距判断模块1、行驶阻力计算单元2、发动机万有特性曲面辨识模型3、发动机燃油消耗率寻优模型4、执行控制模块5、发动机6、汽车ECU7以及传感器测量信号8；

2)根据各传感器测量信号8，由行驶阻力计算单元2计算发动机6输出的瞬时扭矩；由安全车距判断模块1判断车辆行驶状态是否满足行驶安全性，若满足行驶安全性则执行步骤3)和4)，否则执行步骤5)；

3)通过发动机万有特性曲面辨识模型3和发动机的燃油消耗率寻优模型4确定出发动机的转速和扭矩的变化量；

4)由执行控制模块5调节节气门的开度，使汽车以发动机6的目标经济转速对应的经济车速巡航行驶，并返回步骤2)；

5)由执行控制模块5控制汽车的制动系统或调节节气门的开度，使汽车减速至车距大于安全车距，保证汽车行驶的安全性，并返回步骤2)。

参阅图1及图2所示，步骤1)和步骤2)中的各传感器测量信号8，能够将发动机6和汽车ECU7中的各传感器(如车速传感器、雷达测距传感器、坡度传感器、加速度传感器、发动机转速传感器、方向盘位置传感器、节气门位置传感器等)的测量信号提取出来，分别作为安全车距判断模块1和行驶阻力计算单元2的输入。

参阅图1所示，步骤1)和步骤2)中的安全车距判断模块(1)，能够根据各传感器的传感器测量信号8计算出本车与前车的安全车距，其安全车距计算式如下：

$S=v(t_x+\frac{t_s}{2}+t_{\mathrm{hum}})+\frac{v^2}{2a}+s_0$

其中：设S为安全车距(m)、v为瞬时车速(km/h)、a为自车制动减速度(m/s²)、t_x为制动器协调时间(s)、t_s为制动器减速度增长时间(s)、t_hum为驾驶员反应时间(s)、s₀为预留的安全车距(m)。

所述的由安全车距判断模块(1)判断车辆行驶状态是否满足行驶安全性，是指该模块比较雷达测距传感器测得的实际车距与模块计算出的安全车距之间的大小关系，若实际车距大于安全车距，则由该模块输出此时的n₀，执行步骤3)和步骤4)，否则直接执行步骤5)，控制汽车减速至安全车距以外。

参阅图1所示，步骤2)中的行驶阻力计算单元2，能够根据各传感器测量信号8，计算出在不同行驶道路条件下的发动机输出的瞬时扭矩T₀。其推导步骤如下：

设汽车的驱动力为F_t，滚动阻力为F_f，空气阻力为F_w，坡道阻力为F_i，加速阻力为F_j

A.汽车的驱动力计算表达式： $F_t=\frac{T_0{i}_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}{r}$

B.汽车所受的行驶阻力计算表达式如下：

滚动阻力：F_f＝Gfcosα

空气阻力： $F_w=\frac{{C_D}^A{v}^2}{21.15}$

坡道阻力：F_i＝Gsin α

加速阻力： $F_j=\mathrm{\δm}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}$

C.由汽车行驶方程式：

$\frac{T_0{i}_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}{r}=\mathrm{Gf}\cos \mathrm{\α}+G\sin \mathrm{\α}+\frac{{C_D}^A{v}^2}{21.15}+\mathrm{\δm}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}$

得出发动机输出的瞬时扭矩计算公式如下：

$T_0=\frac{r}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}(\mathrm{Gf}\cos \mathrm{\α}+G\sin \mathrm{\α}+\frac{{C_D}^A{v}^2}{21.15}+\mathrm{\δm}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}})$

其中：设T₀为发动机输出的瞬时扭矩(N·m)；v为瞬时车速(km/h)；r为车轮半径(m)；i_g为变速器传动比；i₀为主减速器传动比；η_T为传动系机械效率；G为汽车重量(N)；f为滚动阻力系数；α为道路坡度角(°)；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积(m²)；m为汽车质量(kg)；δ为汽车旋转质量换算系数；为汽车加速度(m/s²)。

参阅图1及图2所示，步骤3)中所述的发动机万有特性曲面辨识模型(3)，是采用基于Levenberg-Marquart算法的前向神经网络对发动机万有特性曲面进行辩识。该模型选择的神经网络结构以发动机的n和T作为网络的输入，以发动机的b作为网络的输出。通过Matlab仿真确定网络结构选用的隐含层神经元个数及激活函数是无偏差的双曲正切型S型函数，输出层是没有偏差的线性激活函数。本发明首先对该神经网络进行训练，训练完毕后得到输入n、T与输出b之间的映射关系b＝f(n，T)，并且这种映射关系是连续的，即任意给定n₀(发动机转速)和T₀(发动机转矩)，都能通过已训练好的神经网络识别得到相应的b。

采用Levenberg-Marquart算法是因为该算法具有对前向神经网络的权值和阈值的修正收敛速度快的特点，可以加快网络的自学习速度，适应因发动机磨损对其万有特性的影响。

所述的发动机燃油消耗率寻优模型4，能够以基于发动机万有特性曲面辨识模型3的输出量b为初始值，以发动机的n、T和b对应的映射关系b＝f(n，T)为目标函数，运用梯度优化算法，计算满足不同行驶道路阻力工况下的最低发动机燃油消耗率。

参阅图1所示，步骤4)和5)中的执行控制模块5，该模块根据安全车距判断模块1或者是发动机6燃油消耗率寻优模型4给出的变化量，控制执行机构(节气门或者是制动系统)作出相应的动作。

所述的发动机燃油消耗率寻优模型4给出的变化量分别是指发动机的扭矩变化量ΔT和发动机的转速变化量Δn。然后，基于ΔT和Δn调整瞬时扭矩T₀和转速n₀，至发动机的目标经济转速n₁和目标扭矩T₁，并输入到执行控制模块5中。其数学表达式如下：

T₁＝ΔT+T₀

n₁＝Δn+n₀

最终由执行控制模块(5)调整节气门开度的大小，使发动机输出扭矩为T₁，发动机转速为n₁，使汽车实现以n₁对应的经济车速巡航行驶。

所述的控制执行机构做出相应的动作，是指若汽车满足行驶安全性，则由执行控制模块(5)控制节气门作出动作即调整节气门开度的大小，使汽车以发动机的目标经济转速对应的经济车速巡航行驶；若汽车不满足行驶安全性，则由执行模块控制制动系统作出动作，使汽车减速至车距大于安全车距，保证汽车的行驶安全性。

Claims (9)

1.一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)设计一种基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制的闭环控制系统，该系统由安全车距判断模块(1)、行驶阻力计算单元(2)、发动机万有特性曲面辨识模型(3)、发动机燃油消耗率寻优模型(4)、执行控制模块(5)、发动机(6)、汽车ECU(7)和传感器测量信号(8)组成；

所述发动机燃油消耗率寻优模型(4)，是一种基于梯度优化算法的发动机燃油消耗率寻优模型，设n为发动机转速r/min，T为发动机扭矩N·m，b为发动机燃油消耗率g/kw·h，该模型能够以基于发动机万有特性曲面辨识模型(3)的输出量b为初始值，以发动机的n、T及b三者之间函数映射关系b＝f(n,T)为目标函数，运用梯度优化算法，计算出满足不同行驶道路阻力工况下的最低发动机燃油消耗率；

2)根据各个传感器测量信号(8)，由行驶阻力计算单元(2)计算发动机(6)输出的瞬时扭矩；由安全车距判断模块(1)判断车辆行驶状态是否满足行驶安全性，若满足行驶安全性则执行步骤3)和4)，否则执行步骤5)；

3)通过发动机万有特性曲面辨识模型(3)和发动机的燃油消耗率寻优模型(4)确定出发动机的转速和扭矩的变化量；

4)由执行控制模块(5)调节节气门的开度，使汽车以发动机(6)的目标经济转速对应的经济车速巡航行驶，并返回步骤2)；

5)由执行控制模块(5)控制汽车的制动系统或调节节气门的开度，使汽车减速至车距大于安全车距，保证汽车行驶的安全性，并返回步骤2)。

2.根据权利要求1所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述闭环控制系统在保证汽车行驶安全性的基础上，根据汽车行驶时所受道路阻力的变化，通过发动机的万有特性曲面辨识模型(3)、燃油消耗率寻优模型(4)及执行控制模块(5)，控制发动机始终在其万有特性的经济区域内运转的闭环控制系统，即通过实时控制节气门开度来调节车速以适应汽车行驶阻力的变化，使汽车始终以经济车速巡航行驶。

3.根据权利要求1或2所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述发动机万有特性曲面辨识模型(3)，是通过基于Levenberg-Marquart算法的前向神经网络，以发动机的转速和扭矩为网络的输入，以发动机燃油消耗率为网络的输出，来辨识发动机的万有特性曲面，并基于训练的万有特性曲面辨识模型，对包括转速和扭矩的任意输入量，输出燃油消耗率。

4.根据权利要求1或2所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)中的各传感器测量信号(8)，能够将发动机(6)和汽车ECU(7)中的各传感器：车速传感器、雷达测距传感器、坡度传感器、加速度传感器、发动机转速传感器、方向盘位置传感器、节气门位置传感器的测量信号提取出来，分别作为安全车距判断模块(1)和行驶阻力计算单元(2)的输入。

5.根据权利要求1或2所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)中的安全车距判断模块(1)，能够根据各传感器测量信号(8)计算出本车与前车的安全车距，其安全车距计算式如下：

$S=v(t_x+\frac{t_s}{2}+t_{\mathrm{hum}})+\frac{v^2}{2a}+S_0$

其中：设S为安全车距m、v为瞬时车速km/h、a为自车制动减速度m/s²、t_x为制动器协调时间s、t_s为制动器减速度增长时间s、t_hum为驾驶员反应时间s、S₀为预留的安全车距(m)；

所述的由安全车距判断模块(1)判断车辆行驶状态是否满足行驶安全性，是指该模块比较雷达测距传感器测得的实际车距与模块计算出的安全车距之间的大小关系，若实际车距大于安全车距，则由该模块输出此时的n₀，执行步骤3)和步骤4)，否则直接执行步骤5)，控制汽车减速至安全车距以外。

6.根据权利要求1或2所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述步骤2)中的行驶阻力计算单元(2)，能够根据各传感器测量信号(8)，计算出在不同行驶道路条件下的发动机输出的瞬时扭矩T₀，计算公式如下：

$T_0=\frac{r}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}(\mathrm{Gf}\cos \mathrm{\α}+G\sin \mathrm{\α}+\frac{C_{D}A{v}^2}{21.15}+\mathrm{\δm}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}})$

其中：设T₀为发动机输出的瞬时扭矩N·m；v为瞬时车速km/h；r为车轮半径m；i_g为变速器传动比；i₀为主减速器传动比；η_T为传动系机械效率；G为汽车重量N；f为滚动阻力系数；α为道路坡度角；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积m²；m为汽车质量kg；δ为汽车旋转质量换算系数；为汽车加速度m/s²。

7.根据权利要求1所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的发动机万有特性曲面辨识模型(3)，是采用基于Levenberg-Marquart算法的前向神经网络对发动机万有特性曲面进行辩识，该模型选择的神经网络结构以发动机的转速n和扭矩T作为网络的输入，以发动机燃油消耗率b作为网络的输出，通过Matlab仿真确定网络结构选用的隐含层神经元个数及激活函数是无偏差的双曲正切型S型函数，输出层是没有偏差的线性激活函数；

首先对该神经网络进行训练，训练完毕后得到输入发动机的转速n、扭矩T与输出发动机燃油消耗率b之间的映射关系b＝f(n,T)，并且这种映射关系是连续的，即任意给定发动机转速n₀和发动机转矩T₀，都能通过已训练好的神经网络识别得到相应的b。

8.根据权利要求1所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述步骤4)和步骤5)中的执行控制模块(5)，该模块根据安全车距判断模块(1)或者是发动机(6)燃油消耗率寻优模型(4)给出的变化量，控制执行机构：节气门或者是制动系统作出相应的动作；

所述发动机燃油消耗率寻优模型(4)给出的变化量分别是指发动机的扭矩变化量ΔT和发动机的转速变化量Δn，然后，基于ΔT和Δn调整瞬时扭矩T₀和转速n₀，至发动机的目标经济转速n₁和目标扭矩T₁，并输入到执行控制模块(5)中，其数学表达式如下：

T₁＝ΔT+T₀

n₁＝Δn+n₀

最终由执行控制模块(5)调整节气门开度的大小，使发动机输出扭矩为T₁，发动机转速为n₁，使汽车实现以n₁对应的经济车速巡航行驶。

9.根据权利要求8所述的基于发动机万有特性的汽车经济性巡航控制方法，其特征在于，所述控制执行机构做出相应的动作，是指若汽车满足行驶安全性，则由执行控制模块(5)控制节气门作出动作即调整节气门开度的大小，使汽车以发动机的目标经济转速对应的经济车速巡航行驶；若汽车不满足行驶安全性，则由执行模块控制制动系统作出动作，使汽车减速至车距大于安全车距，保证汽车的行驶安全性。