基于模糊控制的发动机排气缓速制动控制方法的研究

范 李 ，宾 军 ，罗章华

（1.空军空降兵学院，桂林 541003；2.武汉理工大学，武汉 430070）

随着汽车技术的迅速发展，现代汽车发动机的功率越来越大，设计的行驶速度越来越高。同时，由于车辆功率的增加汽车载重量相应增加，而车辆内部的摩擦和外部的风阻越来越小，使得其自身的减速能力降低。另一方面由于汽车保有量的快速增长，道路上汽车行驶密度上升，交通安全压力加大。汽车自身的行车制动（主制动）已经不能满足车辆高速重载下的制动需求。为了确保车辆的行驶安全性能，增加缓速制动等辅助制动系统成为必然趋势，我国于2012年9月1日起全面实施的新国标《机动车运行安全技术条件》（GB7258-2012），规定“车长大于9米的客车、总质量大于12吨的货车和所有危险货物运输车应装备缓速器或其他辅助制动装置”［1］。

1 缓速制动

为避免长期使用行车制动系统造成制动失效或制动片磨损过快等问题，很多汽车上都装有辅助制动装置。目前在汽车上运用比较成熟的辅助制动装置一般为缓速制动器（简称缓速器）。常见的缓速器有电涡流缓速器、永磁缓速器、液力缓速器及发动机缓速器等。从其安装位置和作用机理来看，大部分都是通过对中间传动系统施加反向的制动力矩来达到缓速制动的效果，制动功率较大的缓速器（如电涡流缓速器、液力缓速器等）往往体积较大，使传动系统质量增加。有些缓速器（如电涡流缓速器）工作时间较长时由于温升较大，制动效果会大幅降低，甚至会降到冷态工作能力的30%左右。发动机缓速制动具有体积小、质量轻、结构紧凑、响应时间短、造价低、制动功率大、性能稳定不受温升影响等优点。并且可通过改变倒拖时发动机的工作状态来调节发动机的制动功率。

2 发动机排气缓速器的工作原理

发动机缓速制动在制动工作过程中由车辆倒拖发动机运转，利用此时发动机的泵气损失、摩擦损失以及通过调整发动机工作过程得到压缩功损失等实现缓速制动的效果。虽然各类型的发动机缓速装置结构不同，具体的工作过程也有所差异，但其主要的工作原理是相同的。四行程发动机的工作过程如图1所示，分为进气-压缩-作功-排气四个行程，如果在汽车行驶过程中切断发动机的供油，而离合器依然结合时，依靠车轮反向带动发动机运转，此时发动机被动运转所产生的功率消耗对车辆所产生的减速效果，即为发动机拖动作用。由于发动机拖动的制动能力非常有限，因此人们不断的对发动机被拖动时的工作过程进行研究，并采用多种方法来影响或改变这一工作过程，以期提高发动机作为制动装置的工作效率［2］。其中改进方法之一就是通过开闭排气管道来增加发动机的排气背压，从而增强制动效果，这种类型的发动机缓速制动装置即为发动机排气缓速器。基本结构如图2所示，在汽车制动过程中通过推杆来控制阀门的开闭程度，调节发动机的排气阻力，从而得到不同的发动机制动功率。排气缓速制动的制动功率通常可以达到发动机功率的60%以上，约为正常情况下发动机拖动功率的2倍。这种排气缓速器具有结构简单、操纵方便、安全可靠等优点，同时作为辅助制动装置可以提高主制动系统的使用寿命。目前大部分的重型载货汽车和大型客车上都可以方便地加装发动机排气缓速器。而在排气缓速器的制动力矩控制方面，一般采用两种形式。一种是排气缓速器的蝶形阀全开或者全闭，即制动力矩不可调节。另一种是排气缓速器的蝶形阀由全开到全闭之间各个位置都可以固定，形成不同的开度，从而产生大小不同的制动力矩，这种方式的控制比较复杂。因此目前排气缓速器的控制一般采用第一种形式，即制动力矩大小不可调节。针对该控制问题，本文提出基于模糊控制的发动机排气缓速器控制方法，从而使得排气缓速控制变得较为方便。

3 基于模糊控制的发动机排气缓速制动控制器设计

3.1 模糊控制技术的特点

模糊控制的概念是由美国著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出来的［3］。模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。模糊控制系统的基本组成如图3所示。

由于模糊控制的理论基础是模糊数学和模糊逻辑学，因而为模糊控制系统的设计提供了可以根据专家知识和熟练操作人员的经验来构造语言型规则，并将其转换为控制策略的一种模糊推理方式。模糊控制语言是一种表示人类思维活动以及复杂事物的有效手段，对于那些复杂而难以建立精确的数学模型的对象或系统，利用传统控制方法难以实现或奏效的控制问题，采用模糊控制技术往往能迎刃而解。与传统的控制技术相比较，模糊控制具有如下的特点［3］。

（1）在设计控制系统时无需知道被控对象的数学模型，只需要提供专业知识和熟练操作人员的经验或现场操作数据。因此，模糊控制器的基本出发点是对现场操作人员或者有关专家的经验、知识以及操作数据加以总结和归纳，形成一定的模糊规则来对系统进行控制的。

（2）模糊控制是一种反映人类智慧思维的智能控制，容易被人接受。易于处理具有复杂性、模糊性的受控对象或系统。由于控制规则是用人类语言形式表示的，很容易被一般人接受和理解。

（3）适应性强。经研究结果表明，对于确定的过程对象，用模糊控制与用PID控制的效果相当；但是对于非线性和时变等一类不确定系统，模糊控制却有较好的控制作用，同时对于非线性、噪声和纯滞后有较强的抑制能力，而在这方面传统控制往往显得无能为力。

（4）系统的鲁棒性好，对参数变化不灵敏。由于模糊控制采用的不是二值逻辑，而是一种连续多值逻辑，所以当系统参数变化时，能比较容易实现稳定的控制，尤其是适合于非线性、时变、滞后系统的控制。

（5）结构简单。系统的软硬件实现都比较方便，硬件结构一般无特殊要求，在软件方面其算法也比较简洁。容易被现场工程技术人员和操作人员掌握。

3.2 模糊控制器的设计

通过研究表明［5］，汽车在不同的挡位下发动机缓速的制动力矩是不同的，但是如果要使车辆在各种不同的坡度以某一车速稳定行驶，采用常规的控制方法是无法满足要求的。这是由于制动力在两个挡位之间是非连续变化的，如果在某一坡度下需要的制动力在两挡之间时，汽车就无法稳定在希望的车速上。但利用自动控制系统，就可通过对发动机排气缓速制动器（如蝶形阀）进行不断调整，使车速稳定在希望的速度附近或者在其上下不断地调整。从理论上来看，各调节挡位之间的制动力差别越小（即调节挡位划分得越细），得到的控制精度就会越高。而通过变速器的换挡操作可以使制动力矩的调节进一步细分。但是，由于目前大部分客车和货车采用的是手动变速器，而自动控制系统对手动变速器的换挡操作控制非常困难，所以本文在此仅考虑变速器挡位不变的条件下的自动控制。将汽车作为一个被控制对象，控制系统由控制器和执行元件组成。系统控制框图如图4所示。模糊控制器采用双输入单输出的结构模式，以汽车行驶速度作为被控量，将汽车实际行驶速度与设定值的偏差以及偏差变化率（偏差为设定值与本次采样值之差，偏差变化率为本次偏差值和上次偏差值之差）作为模糊控制器的输入。以理想的行驶速度作为设定值，将车速与加速度传感器组实际测得的汽车行驶速度与加速度与设定值进行比较，得到其偏差以及偏差变化率，经过模糊控制器进行模糊运算来控制发动机排气缓速器（如蝶形阀片的开度），从而改变发动机排气背压，最终达到控制汽车行驶速度的目的，其控制过程如图4所示。在此需要说明的是，系统在控制过程中是以正常行驶（无紧急制动等意外情况发生）和变速器挡位不发生变化为前提，即变速器处于某一挡位时通过对排气缓速器进行调节而将汽车控制在某一车速附近。如果车速无法控制在设定车速附近（过高或过低），控制系统将会控制缓速器处于极限位置（全闭或全开），并通过声光报警方式提醒驾驶员进行人工干预。而此时当驾驶员进行人工干预（即变换变速器挡位或采用其它控制车速的方法）后，控制系统将根据输入值进行重新运算和控制。

3.3 输入变量的模糊化

前面已经确定输入变量为汽车的行驶速度V，即通过车速传感器组测得的实际车速，与系统设定的理想车速 V0之间的偏差（或称误差）e（e=V-V0）及其变化率Δe，输入语言变量选为偏差E和偏差变化率EC；输出变量为控制发动机排气缓速器蝶形阀开度的电信号u，输出语言变量选为U。

3.3.1 输入语言变量偏差E

将输入语言变量偏差E离散为七个点，即论域X={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}， 相应的选取七个语言值：{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（Z0），负小（NS），负中（NM），负大（NB）}。 分别表示当前汽车行驶速度V相对于设定值V0为：“极高”、“很高”、“偏高”、“正好”、 “偏低”、“很低”和“极低”。

3.3.2 输入语言变量偏差变化率EC

基于偏差e语言变量E的选取原则，同样将偏差变化率Δe的语言变量EC离散为七个点，论域Y={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}， 相应的选取五个语言值：{正大（PB），正小（PS），零（0），负小（NS），负大（NB）}。分别表示当前汽车行驶速度变化为：“快速下降”、“下降”、“不变”、“上升”和“快速上升”。

3.3.3 输出语言变量U

将输出语言变量U离散为七个点，论域Z={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，相应的选取七个语言值：{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（Z0），负小（NS），负中（NM），负大（NB）}。 分别表示：“汽车行驶速度速度极低，并全开排气缓速器蝶形阀”、“排气缓速器蝶形阀开度增加量大”、“排气缓速器蝶形阀开度增加量小”、“排气缓速器蝶形阀开度增加量不变”、“排气缓速器蝶形阀开度关闭量小”、“排气缓速器蝶形阀开度关闭量大”、“汽车行驶速度速度极高，并全闭排气缓速器蝶形阀”。

3.4 确定语言变量的隶属度函数

语言变量的隶属度函数又称为语言值的语义规则，可以用连续函数的形式表示，也可以用离散的量化等级形式来表示。选择常用且运算较简便的三角形函数，这种隶属度函数的形状和分布可以由三个参数（如 a、b、c）来描述见式（1）。

对上述各语言值给定的模糊化隶属度函数见图5 a）、图 5 b）、图 5 c）所示。

3.5 建立模糊控制规则

模糊控制规则以逻辑推理的方式得出，本控制器上2个输入变量分别用7个和5个语言值来表述，可以给出如下35条控制规则。

经整理后可列成模糊控制规则表，如表1所示。

表1 混合风门模糊控制规则表

4 结束语

汽车在下坡行驶过程中的车速如果全靠驾驶员的手工控制，必然要求驾驶员时刻判断道路的坡度，再根据当前的车速、坡度及制动方法来不断调整变速器档位和制动力的大小对行车速度进行控制。而采用模糊控制理论对发动机排气缓速器进行自动控制，可以使汽车在下坡过程中较为平缓地稳定在驾驶员所期望的安全车速附近行驶。而驾驶员只须在必要时进行适当干预即可。既提高了汽车下坡时行驶的安全性，又减少了行车制动系统的磨损，同时还能减少驾驶员在下坡过程中对车辆的操作动作和劳动强度，专注于路面情况的观察与判断以及转向盘的操作。因此采用基于模糊控制理论的发动机排气缓速制动控制方法，是保证汽车在连续长下坡行驶中以稳定车速安全行驶较为理想的控制方案。

［1］GB7258-2012，机动车运行安全技术条件［S］.2012.

［2］鲁道夫编著，张蔚林，陈名智译.汽车制动系统的分析与设计［M］.北京：机械工业出版社，1985.

［3］诸静.模糊控制理论与系统原理［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］范李.汽车车内空气环境及其控制技术研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［5］余强，陈萌三，等.发动机制动、排气制动与缓行器联合作用的模糊控制系统研究 ［J］.汽车工程，2004，（4）：476-480.

［6］董颖，何仁.发动机制动技术的研究与展望［J］.车用发动机，2006： 1-5.

［7］范李，周晓荣，等.基于模糊控制的汽车内空气环境温度控制［J］.公路与汽运，2010（ 3）：19-22.

［8］蒋显斌.排气制动装置常见故障排除东风载货汽车［J］.汽车科技，2001.（5）： 41-42.

［9］孟秋红，郭京波.汽车节能新技术—再生制动技术［J］.汽车科技，2007.（5）： 7-9.