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基于“人—车—路”闭环的无级自动变速系统硬件在环仿真研究

邓涛  
【摘要】: 汽车自动变速传动系统硬件在环HIL(Hardware-in-the-loop)试验系统是近年来出现的先进汽车自动变速传动测试系统,其利用硬件(变速传动被测单元)与软件相结合的硬件在环实时仿真技术,将驾驶员、发动机、底盘以及行驶环境等模型化后嵌入到软件环境,模拟出自动变速汽车的实际运行状态,从而实现对自动控制车辆车载控制器、液压/电动控制系统以及动作执行器的工作性能加以试验测试与分析校验,为自动控制汽车的研制开发提供一个测试开发平台。 针对目前汽车自动变速系统硬件在环测试只能进行控制策略测试的局限性,本文结合重庆市科技攻关项目《汽车自动变速器硬件在环试验系统的研制开发》和985平台国家重点实验室开放基金《自动变速器硬件在环仿真平台研究》进行了基于人-车-路闭环的无级自动变速器硬件在环理论建模与仿真试验研究。具体工作内容如下: (1)针对当前驾驶员模型无法体现驾驶操纵熟练程度的缺点,遵循行驶误差最小与体力负担最小原则,采用遗传算法对模糊PID比例因子和量化因子进行离线优化设计,建立基于遗传算法优化的方向模糊PID与速度模糊综合控制的虚拟驾驶模拟模型,并在纵向速度单向变化、侧向双移线工况与大曲率试验道路典型工况下进行仿真分析,同时将遗传算法优化的模糊PID控制方法与传统PID以及模糊PID进行仿真比较,最后确定不同驾驶类型与不同驾驶意图的表现特征,采用模糊推理方法制定其相应的识别体系。 (2)基于15自由度车辆动力学模型,充分考虑横向坡度、纵向坡度以及合成坡度对车辆动力学与轮胎垂直载荷变化模型的影响,建立横向坡度、纵向坡度与合成坡度车辆动力学与轮胎垂直载荷变化模型,联立转向系、制动系、动力传动系、车轮与悬架模型,构建虚拟车辆动态仿真模型,并进行不同横向、纵向、合成坡度以及车速下进行仿真分析比较,最后联立虚拟驾驶模拟模型,构建人-车闭环系统仿真模型。 (3)从人-车-路闭环系统角度以及实时虚拟仿真系统需求出发,依据公路设计规范与道路设计原理,参考国内外汽车试验场的设计,开发一条符合道路设计标准、逼真度高、且能反映出不同行驶环境的封闭式三维虚拟道路,为进一步研究无级变速系统速比自适应智能综合控制提供前提;并确定包括良好路段、复杂路段、颠簸路段、上坡路段、下坡路段与转弯路段等行驶环境的表现特征,制定相应的行驶环境识别体系。 (4)根据无级变速传动动力学仿真模型,综合考虑后备功率、动力传动系损失以及CVT速比变化响应滞后的影响,制定τ算法、发动机转矩补偿以及发动机转速补偿三种无级变速传动系统综合控制方法,并进行动力性与经济性仿真分析比较;基于CVT最佳动力性与最佳经济性速比控制基础上,制定基于不同驾驶类型、不同驾驶意图、不同单一行驶环境的CVT速比控制策略以及多种行驶环境耦合的CVT速比加权控制策略,其中包括提出综合考虑节气门开度变化率、方向盘转角与转弯车速的转弯修正速比控制策略;综合考虑节气门开度和车速微小变化的颠簸路段离散化速比控制策略;综合考虑节气门开度与纵向坡度的上坡修正速比控制策略;综合考虑下坡初始车速、纵向坡度与下坡坡长的下坡修正速比控制策略;以及不同驾驶类型、驾驶意图与行驶环境耦合工况下的CVT速比自适应智能综合控制策略。 (5)根据人-车闭环系统仿真模型与无级变速系统自适应智能综合控制模型,以及在VRML环境下开发的虚拟道路模拟模型,利用VR工具箱开发虚拟试验场,构建基于Simulink与VR联合仿真平台的人-车-路闭环的无级变速系统自适应智能综合控制仿真模型,并针对不同驾驶类型、不同驾驶意图以及不同单一行驶环境工况下的CVT速比控制仿真分析,以及针对驾驶类型、驾驶意图与行驶环境耦合工况下的CVT速比自适应智能综合控制仿真分析,验证自适应智能综合控制策略可行性与准确性。 (6)基于Matlab/Simulink与dSPACE RTI联合实时仿真环境,自主研制开发无级自动变速器硬件在环仿真试验系统,包括总体方案设计、设备购买、零部件设计加工制造、信号采集与处理,软硬件设计等。基于此试验系统首先进行台架性能测试,根据台架性能测试分析结果,进一步进行基于不同驾驶意图、上坡、下坡、弯道、颠簸路段的CVT速比控制试验,以及耦合工况下的CVT速比自适应智能综合控制试验,从试验角度验证提出的CVT速比控制策略的有效性。


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