close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7330

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7330
(13) C1
(19)
(46) 2005.09.30
(12)
7
(51) B 60K 41/06
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ
РЕЖИМАМИ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
(21) Номер заявки: a 20020656
(22) 2002.07.24
(43) 2004.03.30
(71) Заявитель: Государственное учреждение высшего профессионального
образования "Белорусско-Российский
университет" (BY)
(72) Авторы: Тарасик Владимир Петрович;
Рынкевич Сергей Анатольевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
учреждение высшего профессионального образования "Белорусско-Российский
университет" (BY)
(56) Ксеневич И.П. и др. Теория и проектирование автоматических систем. - М.:
Машиностроение, 1996. - С. 451-455.
US 5557521 A, 1996.
EP 0626527 A1, 1994.
BY 7330 C1 2005.09.30
(57)
1. Способ адаптивного управления энергетическими режимами автотранспортного
средства, заключающийся в сборе, измерении, обработке и анализе информационных сигналов, формировании на их основе сигналов управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора и режимами двигателя путем выбора программных значений
сигналов из хранящихся в памяти процессора или ЭВМ данных в соответствии с заложенным алгоритмом управления, отработке этих сигналов исполнительными механизмами
автотранспортного средства, отличающийся тем, что сигналы управления формируют с
помощью базовой программы, созданной предварительно посредством имитации движения
Фиг. 1
BY 7330 C1 2005.09.30
автотранспортного средства на основе зависимостей, характеризующих влияние параметров
внешней среды и управляющих воздействий водителя на режимы движения, и определяющей оптимальные характеристики переключения ступеней и блокировки гидротрансформатора, а при отработке сигналов управления исполнительными механизмами
переключения передач, блокировки гидротрансформатора и режимами двигателя дополнительно используют корректирующую программу, которая формирует корректирующую
величину управляющего сигнала посредством обработки продукционных правил и функций принадлежности, оперирующих с информационными переменными, описывающими
характеристики внешней среды, управляющих воздействий водителя и механизмов автотранспортного средства с учетом всевозможных ситуаций при движении автотранспортного средства по реальному маршруту, причем учет корректирующей величины сигнала
управления, передаваемой для обработки исполнительным механизмам, осуществляют
путем перемножения текущего значения управляющего сигнала на значение соответствующей корректирующей величины сигнала.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигналы управления формируют с помощью базовой программы, а для отработки сигналов управления исполнительными механизмами переключения передач, блокировки гидротрансформатора и режимами двигателя
используют дополнительные программы, сформированные с учетом внешних условий,
различных ситуаций и управляющих воздействий водителя после базовой программы в
реальных условиях движения с возможностью пополнять базу данных и воздействовать на
управляющий сигнал в режиме реального времени, при этом осуществляют операцию селекции программ.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют операцию обучения системы управления путем описания характеристик различных ситуаций и всевозможных факторов с помощью функций принадлежности и продукционных правил таким образом, что
предписывают системе осуществлять коррективы в управлении энергетическими режимами при возникновении нештатных и опасных ситуаций путем их запоминания и идентификации.
Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к системам автоматического управления транспортными средствами.
Известны система автоматического управления скоростными и нагрузочными режимами по патенту РФ 2010734, 1994 и система автоматического управления трансмиссией
автомобиля, использующая нечеткую логику, по патенту США 5389050, 1995.
Упомянутые системы реализуют способ управления энергетическими режимами автотранспортного средства (АТС), заключающийся в обработке информационных сигналов
датчиков скорости и нагрузки, формировании на их основе сигналов управления переключением передач и блокировкой гидротрансформатора с последующей отработкой исполнительными механизмами.
Недостатком способа, используемого упомянутыми системами, является то, что реализуемый на его основе алгоритм управления является неадаптивным, т.е. он не имеет
возможности приспосабливаться к постоянно изменяющимся характеристикам внешней
среды, режимам движения АТС, управляющим воздействиям водителя и всевозможным
ситуациям. Характеристики управления энергетическими режимами АТС, реализуемые
исполнительными механизмами таких систем, являются однозначными, детерминированными лишь к отдельным эксплуатационным условиям и не могут оперативно изменяться
при реализации алгоритма в процессе эксплуатации АТС без демонтажа и перепрограммирования соответствующих элементов и устройств. В то же время условия эксплуатации
даже одного и того же АТС (например, городского автобуса или большегрузного автомобиля) чрезвычайно разнообразны, изобилуют различными режимами и ситуациями, что
2
BY 7330 C1 2005.09.30
требует дополнительного одновременного учета множества факторов. Причем характеристики управления, оптимальные для одного маршрута движения, не будут оптимальными
для другого, в результате чего эффективность и потенциальные возможности автотранспортного средства снижаются.
Система автоматического управления трансмиссией автомобиля по второму упомянутому патенту, использующая нечеткую логику, позволяя обрабатывать несколько больший объем информации, частично устраняет упомянутые выше недостатки, однако не
лишена собственных. Главным недостатком остается неадаптивность реализуемого данной системой алгоритма, т.к. сформированные управляющие сигналы не способны изменять свои значения в процессе движения транспортного средства в реальных условиях.
При этом использующийся в системе алгоритм не учитывает изменения характеристик
внешней среды, механизмов ATC, режимов движения и оттенков управляющих воздействий водителя, а программа управления не способна адекватно реагировать на возникающие в связи с этими изменениями ситуации. Например, при появлении препятствия в
процессе движения водитель быстро отпускает педаль акселератора и резко нажимает педаль тормоза, осуществляя экстренное торможение. В результате должны сформироваться
такие управляющие сигналы, которые бы корректировали (смещали) базовые характеристики управления в ту или иную сторону по отношению к программным значениям. В
упомянутой же системе значения управляющих сигналов не изменятся и будут равны исходным базовым значениям. В результате в трансмиссии может произойти необоснованное преждевременное переключение ступеней (например, включение низшей передачи), а
частота вращения двигателя оказаться в недопустимых пределах. Это может привести, вопервых, к значительным динамическим нагрузкам в элементах трансмиссии и двигателя,
а, во-вторых, к выходу из строя деталей и механизмов. Отмеченный недостаток снижает
надежность работы системы, эффективность транспортного средства и безопасность движения.
Недостатком упомянутых систем является также отсутствие в них процедур обучения.
Отмеченный недостаток выражается в том, что данные системы, с одной стороны, не
имеют возможности обучения новым алгоритмам управления при изменении условий
эксплуатации АТС и рациональным приемам управления в нештатных (опасных и экстремальных) ситуациях. С другой стороны, упомянутые системы не приспособлены к тому,
чтобы реализовывать оптимальные алгоритмы управления энергетическими режимами
машины во всем многообразии дорожных условий, режимов движения и ситуаций.
Известен алгоритм управления системой автоматического переключения передач и
способ, реализующий данный алгоритм [1].
Недостатками способа, реализующего упомянутый алгоритм, являются следующие.
Во-первых, в нем не учтено изменение характеристик управляющих воздействий водителя: темпа, скорости, силы воздействия на педали акселератора и тормоза и др. Во-вторых,
данный алгоритм управления неуниверсален, предполагает много различных вариантов
реализации и лишен гибкости, т.е. в одних условиях эксплуатации для достижения высоких потенциальных возможностей и показателей эффективности транспортного средства
алгоритм должен быть одним, в других условиях - совершенно другим и т.д. В-третьих,
упомянутый способ управления достаточно громоздок, алгоритм является сложным, причем для его аппаратной реализации в системе управления в режиме реального времени
потребуется специальное программное обеспечение и дополнительные технические средства. В-четвертых, корректировка алгоритма и программы управления в реальных условиях эксплуатации АТС сложна и потребует перепрограммирования отдельных элементов
системы. В-пятых, упомянутый способ управления не обладает функциями обучения.
Задачами настоящего изобретения являются повышение надежности работы и расширение функциональных возможностей систем автоматического управления энергетическими режимами автотранспортных средств, повышение показателей эффективности,
3
BY 7330 C1 2005.09.30
улучшение качества переходных процессов и снижение динамических нагрузок, улучшение управляемости автотранспортных средств и повышение безопасности движения.
Указанные задачи достигаются тем, что в способе адаптивного управления энергетическими режимами автотранспортного средства, заключающемся в сборе, измерении,
обработке и анализе информационных сигналов, формировании на их основе сигналов
управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора и режимами двигателя путем выбора программных значений из базы данных, хранящихся в памяти процессора
в соответствии с заложенным алгоритмом управления, отработке их исполнительными
механизмами, согласно изобретению, сигналы управления формируют с помощью базовой
программы, созданной предварительно посредством имитации движения автотранспортного средства с учетом характеристик внешней среды, режимов движения, управляющих
воздействий водителя и механизмов автотранспортного средства и определяющей оптимальные характеристики переключения ступеней и блокировки гидротрансформатора, а
при отработке сигналов управления исполнительными механизмами переключения передач, блокировки гидротрансформатора и режимами двигателя дополнительно используют
корректирующую программу, которая формирует корректирующую величину управляющего сигнала посредством обработки продукционных правил и функций принадлежности,
оперирующих с информационными переменными, описывающими характеристики внешней
среды, управляющих воздействий водителя и механизмов автотранспортного средства.
Кроме того, в способе адаптивного управления энергетическими режимами автотранспортного средства алгоритм управления может включать несколько программ, одна из которых
является базовой, а другие являются дополнительными, причем последние формируются с
учетом внешних условий, различных ситуаций и управляющих воздействий водителя и
сформированы с возможностью пополнять базу данных и воздействовать на управляющий
сигнал в режиме реального времени, при этом способ наделяется операцией селекции программ. Также в способе адаптивного управления энергетическими режимами осуществляют
операцию обучения путем описания и идентификации характеристик различных ситуаций
и всевозможных факторов таким образом, что предписывают системе осуществлять коррективы в управлении при возникновении нештатных и опасных ситуаций.
В результате повышается надежность систем автоматического управления энергетическими режимами автотранспортных средств, построенных с реализацией данного способа
адаптивного управления, и расширяются их функциональные возможности, в результате
чего повышаются показатели эффективности, улучшается качество переходных процессов
и снижаются динамические нагрузки, улучшаются показатели управляемости автотранспортных средств и повышается безопасность движения.
Для реализации настоящего способа целесообразно использовать технологии искусственного интеллекта и современные средства приема, передачи, обработки и анализа информации, такие как теория нечетких множеств (нечеткая логика), искусственные
нейронные сети, генетические алгоритмы, технологии ассоциативной памяти и др.
Сущность изобретения поясняется рисунками. На фиг. 1 показана функциональная
схема, отражающая способ адаптивного управления энергетическими режимами автотранспортного средства, на фиг. 2 представлены некоторые этапы адаптивного алгоритма
управления энергетическими режимами, основанного на данном способе.
В процессе синтеза алгоритма управления энергетическими режимами обычно выполняют несколько этапов. Наиболее существенные этапы этого процесса: постановка задачи
синтеза; построение математической модели движения АТС в условиях внешней среды;
обоснование и выбор вида базовой программы управления и информационных переменных
(информационных параметров) этой программы; определение оптимальных параметров
характеристик базовой программы управления по выбранному критерию оптимальности
на расчетном режиме; моделирование движения автомобиля в различных дорожных условиях и выявление зависимостей параметров характеристик базовой программы управле4
BY 7330 C1 2005.09.30
ния от параметров автомобиля, внешней среды и управляющих воздействий водителя;
корреляционный анализ зависимостей параметров характеристик базовой программы от
параметров автомобиля, внешней среды и управляющих воздействий водителя и выбор
дополнительных информационных переменных, необходимых для адаптации базовой
программы; регрессионный анализ результатов математического моделирования движения автомобиля и получение регрессионных моделей, устанавливающих зависимости между принятыми информационными переменными и параметрами базовой программы;
введение лингвистических переменных и формирование функций принадлежности (формирование нечеткой логики); составление и формирование корректирующих сигналов
управления по правилам нечеткой логики (фаззификация); вывод решения по совокупности
правил нечеткой логики и получение четкого однозначного сигнала управления, обеспечивающего адаптацию алгоритма управления к условиям функционирования автомобиля
(дефаззификация); оценка эффективности адаптивного алгоритма на реальном объекте - АТС.
Процесс синтеза алгоритма управления, таким образом, включает два основных этапа:
получение базовой программы управления и получение адаптивной программы управления.
Постановка задачи синтеза определяется назначением системы управления и предъявляемыми к ней эксплуатационными требованиями. Например, автоматизированная система
управления гидромеханической передачей должна обеспечить высокие показатели эффективности использования АТС при выполнении конкретной транспортной работы, снижать
динамические нагрузки, обеспечить надежность функционирования всех механизмов системы и безопасность движения АТС.
Основные показатели эффективности АТС - средняя скорость движения на маршруте
и средний путевой расход топлива: νcp и Qs cp. Эти показатели обычно принимаются в качестве критериев оптимальности при оценке качества процесса функционирования системы.
На стадии получения базовой программы используется детерминированная математическая модель АТС, описывающая его физические свойства и обеспечивающая имитацию
движения в заданных дорожных условиях. Эта модель используется для оценки влияния
параметров внешней среды и управляющих воздействий водителя на режимы движения
автомобиля и определения оптимальных характеристик переключения ступеней и блокирования гидротрансформатора по соответствующим критериям.
Выбор критериев оптимальности базовых характеристик осуществляется исходя из
условия подчиненности цели проектирования на данном этапе конечной цели создания
системы. Например, для достижения максимальной средней скорости движения автомобиля на заданном маршруте необходимо, чтобы в каждый данный момент времени реализовывалось максимально возможное ускорение, а для получения минимального путевого
расхода топлива - достигался минимум отношения часового расхода топлива двигателя к
ускорению автомобиля. Первый критерий называется критерием динамичности разгона, а
второй - критерием экономичности. По этим критериям определяются оптимальные условия
переключения ступеней коробки передач и блокирования гидротрансформатора и находятся соответственно динамичная и экономичная программы управления. Любая из этих
программ может быть принята в качестве базовой.
Базовая программа управления представляет собой совокупность характеристик, устанавливающих зависимости между скоростями, при которых переключаются передачи и
блокируется гидротрансформатор, и положением педали акселератора. Основными информационными переменными при реализации базовой программы управления являются
скорость автомобиля и положение педали акселератора. Пороговые значения скоростей,
соответствующие оптимальным условиям формирования сигналов управления, представляют собой параметры базовых характеристик управления.
В процессе движения АТС характеристики базовой программы управления нуждаются
в адаптации. Адаптация может быть осуществлена в соответствии с предлагаемым способом.
5
BY 7330 C1 2005.09.30
Способ адаптивного управления энергетическими режимами (фиг. 1) содержит операции
сбора 1 информации, измерения 2, обработки 3 и анализа 4 информационных сигналов Х ,
поступающих от внешней среды 5, управляющих воздействий 6 водителя и механизмов
автотранспортного средства 7, а также операции формирования 8 и отработки 9 сигналов
управления Z U переключением передач в коробке передач 10, блокировкой гидротрансформатора 11 и режимами двигателя 12 соответствующими исполнительными механизмами 13-15.
Отмеченные операции 1, 2, 3, 4 и 9 реализуются соответствующими устройствами сбора,
измерения, обработки и анализа информационных сигналов Х (на фиг. 1 условно не показаны) и исполнительными устройствами отработки управляющих сигналов Z U исполнительных механизмов 13-15 соответственно.
Операция формирования 8 управляющих сигналов Z U реализуются, например, в бортовой ЭВМ или процессоре 16, в базе данных которого хранятся эталонные (базовые) программные значения 17 (программа) управления переключением передач, блокировкой
гидротрансформатора и режимами двигателя Z B . Операция формирования 8 управляющих сигналов Z U осуществляется на основе определенных логических операций 18, заложенных в процессор 16.
Для выбора требуемой программы в случае многопрограммного управления способ
содержит операцию селекции программ 19. Для улучшения свойств адаптивности при
реализации способа системой автоматического управления присутствует операция обучения 20, реализуемая посредством соответствующего блока обучения 21.
Способ адаптивного управления реализуется следующим образом. Информационные
сигналы Х , характеризующие изменения внешней среды 5, управляющих воздействий
водителя 6 и механизмов автотранспортного средства 7, посредством операций сбора 1
информации, измерения 2, обработки 3 и анализа 4 поступают в ЭВМ или процессор 16.
Вектор сформированных управляющих сигналов Z U представляет собой совокупность векторов управляющих сигналов на переключение передач и блокировку гидротрансформатора Z U1 и управление режимами двигателя Z U 2 . Путем выбора эталонных
программных значений 17, хранящихся в памяти процессора, формируется вектор базовых управляющих сигналов Z B , являющийся основой (ядром) алгоритма. Это ядро в
дальнейшем подвергается коррекции, а сам алгоритм - адаптации к реальным условиям с
учетом характеристик внешней среды, режимов движения, управляющих воздействий водителя и механизмов автотранспортного средства. Для этого упомянутые характеристики
и информационные переменные, предварительно описанные функциями принадлежности,
используются в процессоре при формировании корректирующей величины k программы
путем обработки продукционных правил на основе специальных логических процедур
теории нечетких множеств. С помощью операции дефаззификации в каждый момент времени формируется четкое однозначное решение, являющееся корректирующей величиной
основного алгоритма. В итоге значение управляющего сигнала на тот или иной вид управления (переключение передач, блокировку гидротрансформатора или управление режимом двигателя) получается путем умножения значения корректирующей величины k на
значение базового управляющего сигнала: ZUi = k⋅ZBi, где i - номер соответствующего вида
управления. Данный способ смещает по отношению к эталонным характеристики управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора и режимами двигателя,
делая их гибкими и приспособленными к изменению характеристик внешней среды,
управляющих воздействий водителя и механизмов автотранспортного средства.
Формирование адаптивного комбинированного алгоритма управления энергетическими режимами, основанного на данном способе, включает несколько основных этапов. На
первом этапе (фиг. 2) на основе имитационного моделирования движения автотранспорт6
BY 7330 C1 2005.09.30
ного средства получают ядро алгоритма, т.е. базовые характеристики управления для типового режима функционирования АТС. Они составляют основную (базовую) программу
управления энергетическими режимами и представляют собой характеристики, оптимальные
по тем или иным критериям, например по критериям динамичности или экономичности.
Полученные базовые характеристики при создании адаптивного алгоритма подвергаются
корректировке.
Сложность теоретической математической модели, требующая затрат большого количества времени, не позволяет в приемлемые сроки получать оптимальные характеристики
управления и не годится для использования в качестве алгоритма работы системы управления. Поэтому для построения алгоритма функционирования системы, оценки показателей
качества и эффективности автотранспортного средства целесообразно использовать экспериментальные факторные модели, полученные в результате планируемого вычислительного эксперимента с помощью исходной математической модели. С помощью факторных
регрессионных моделей получают характеристики управления (ядро базовой программы).
В основе базовой программы лежит вектор управляющих сигналов Z B .
На втором этапе базовую программу управления трансформируют, наполнив ее адаптивными свойствами и наделив способностью принимать логически обоснованные решения. При эксплуатации АТС в процессе функционирования системы управления должен
учитываться большой объем информации: параметры режимов движения и управляющих
воздействий водителя, определяющих стиль вождения, параметры внешней среды, характеристики различных ситуаций, на которые реагирует водитель (внезапные препятствия
движению, помехи, нештатные и опасные ситуации). Для учета всевозможных ситуаций,
характеристик внешней среды, механизмов и подсистем автотранспортного средства,
управляющих воздействий водителя соответствующие информационные переменные описываются функциями принадлежности. После составления и формализации продукционных
правил осуществляются процедуры дефазификации и получения окончательного алгоритма
формирования вектора управляющих сигналов Z U , служащего для корректировки базовой программы управления. Таким образом, осуществляется коррекция основного алгоритма. В результате этого в операцию отработки сигналов управления исполнительными
механизмами переключения передач, блокировки гидротрансформатора и режимами двигателя дополнительно вводится корректирующая величина управляющего сигнала, сформированная посредством соответствующей обработки продукционных правил и функций
принадлежности, которая и учитывается в общем алгоритме управления.
На последнем этапе полученный алгоритм реализуется в виде программы для системы
автоматического управления.
Алгоритм управления может включать несколько программ, одна из которых является
базовой, а другие - дополнительными, причем последние формируются с учетом внешних
условий, различных ситуаций и управляющих воздействий водителя и сформированы с
возможностью пополнять базу данных и воздействовать на управляющий сигнал в режиме
реального времени. Например, одна программа управления может быть динамичной,
обеспечивающей максимальные тягово-динамические свойства автотранспортного средства, а вторая - экономичной, обеспечивающей экономию топлива. Может быть использована и среднеэксплуатационная программа. Например, в случае, если водитель желает
осуществить разгон с максимальной скоростью, то он сильно, резко и полностью нажимает
педаль акселератора. В способе адаптивного управления (фиг. 1) для этих целей предусмотрена операция селекции программ 19. В зависимости от характера воздействия водителя на педаль акселератора (различная сила и темп нажатия, длительность, скорость и
степень воздействия и т.д.) операцией селекции 19 осуществляется выбор либо динамичной, либо экономичной, либо еще какой-либо из заложенных базовых программ, предварительно сформированных в соответствии с алгоритмом, приведенном на фиг. 2. Способ
управления энергетическими режимами автотранспортного средства при этом реализуется
аналогично описанному выше.
7
BY 7330 C1 2005.09.30
Дополнительные программы могут быть и другими, при этом они формируются с возможностью пополнять базу данных процессора и воздействовать на управляющий сигнал
в режиме реального времени.
Для повышения адаптивных свойств алгоритма управления способ наделяется функциями обучения, заключающимися в возможности запоминания различных ситуаций и
автоматического изменения характеристик управления в соответствии с изменением
внешней среды и других факторов. Для этих целей в способе адаптивного управления
присутствует операция обучения 20, реализуемая посредством соответствующего блока
обучения 21 (фиг. 1).
Для запоминания и идентификации (распознавания) различных ситуаций могут использоваться такие технологии искусственного интеллекта, как теория нечетких множеств, искусственные нейронные сети, генетические алгоритмы и т.д. Например, в случае
применения теории нечетких множеств характеристики различных ситуаций и всевозможные факторы (помехи движению, препятствия и т.д.) описываются функциями принадлежности и продукционными правилами, предписывающими системе осуществлять
коррективы в управлении энергетическими режимами при возникновении нештатных и
опасных ситуаций.
Источники информации:
1. Ксеневич И.П., Тарасик В.П. Теория и проектирование автоматических систем. - М.:
Машиностроение, 1996. - С. 480.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
131 Кб
Теги
by7330, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа