close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY8007

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8007
(13) C1
(19)
(46) 2006.04.30
(12)
7
(51) B 60K 41/06,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ АВТОТРАНСПОРТНОГО
СРЕДСТВА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
(21) Номер заявки: a 20030086
(22) 2003.02.04
(43) 2004.09.30
(71) Заявитель: Государственное учреждение высшего профессионального
образования "Белорусско-Российский университет" (BY)
(72) Автор: Рынкевич Сергей Анатольевич (BY)
BY 8007 C1 2006.04.30
F 16H 61/02
(73) Патентообладатель: Государственное
учреждение высшего профессионального образования "Белорусско-Российский университет" (BY)
(56) EP 0588417 B1, 1995.
RU 2104883 C1, 1998.
US 5557521 A, 1996.
US 5475591 A, 1995.
JP 06331014 A, 1994.
JP 08318765 A, 1996.
(57)
1. Способ интеллектуального управления энергетическими режимами автотранспортного средства, заключающийся в сборе информации, измерении, обработке и анализе характеристик информационных параметров и ситуаций, характеризующих состояние
механизмов автотранспортного средства, внешней среды и управляющего воздействия
водителя, формировании базовой программы управления в виде управляющих сигналов
переключения передач, блокировки гидротрансформатора, режимов двигателя и тормозной
системы, отработке программы управления исполнительными механизмами автотранспортного средства, отличающийся тем, что осуществляют имитационное моделирование
движения автотранспортного средства посредством модели, оптимизацию параметров характеристик управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора, режимами двигателя и тормозной системой, а также трансформацию модели и базовой
программы управления, адаптацию базовой программы управления к реальным условиям
посредством выполнения одной или нескольких операций нечеткого управления, причем
формируют управляющие сигналы путем формализации характеристик информационных
Фиг. 1
BY 8007 C1 2006.04.30
параметров и характеристик ситуаций функциями принадлежности, описания процессов
посредством продукционных правил, приведения параметров в нечеткий вид и их обратного преобразования в четкие выходные сигналы, при этом управляющие сигналы формируют в виде вектора или массива значений переключений передач, блокировки гидротрансформатора, управления скоростным режимом двигателя и тормозной системой, при
этом операции моделирования и оптимизации используют для формирования базовой
программы управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора, скоростным режимом двигателя и тормозной системой, а после формирования базовой программы осуществляют ее адаптацию к реальным условиям движения автотранспортного
средства.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операцию моделирования осуществляют в
режиме реального времени.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают выходные управляющие сигналы
путем осуществления нескольких процедур нечеткого управления, выполняемых последовательно.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают выходные управляющие сигналы
путем осуществления нескольких процедур нечеткого управления, выполняемых параллельно.
5. Интеллектуальная система управления энергетическими режимами автотранспортного средства, содержащая двигатель с подсистемой управления его режимами и выходным валом, гидротрансформатор с турбинным колесом и муфтой блокировки, трансмиссию, включающую коробку передач с входным и выходным валами и фрикционными
муфтами переключения передач, тормозную систему, колеса, взаимодействующие с опорной поверхностью дороги, педаль акселератора с датчиком положения педали, педаль
тормоза с датчиком положения педали, датчики состояния фрикционных муфт и муфты
блокировки гидротрансформатора соответственно, датчики угловых скоростей вала двигателя, турбинного колеса гидротрансформатора и выходного вала коробки передач соответственно, датчик уклона дороги, датчик состояния микропрофиля поверхности дороги,
датчик скорости транспортного средства, исполнительные устройства переключения передач, блокировки гидротрансформатора, управления режимами двигателя и тормозной
системой, отличающаяся тем, что содержит блок моделирования, оптимизации, трансформации и адаптации, представляющий собой центральный процессор, выполненный в
виде интеллектуального контроллера на основе нечеткой логики, включающий блок ввода
и интерпретации информационных сигналов, блок базы данных и правил, логический
блок, блок вывода решений и блок формирования управляющих сигналов, при этом блок
ввода и интерпретации информационных сигналов входами соединен с датчиками положения педалей акселератора и тормоза, угловых скоростей валов, с датчиком скорости
транспортного средства, уклона дороги, состояния микропрофиля поверхности дороги,
состояния фрикционных муфт и муфты блокировки гидротрансформатора, а выходом соединен с логическим блоком, блок вывода решений входом соединен с выходом логического блока, а выходом - с входом блока формирования управляющих сигналов, выходы
которого соединены с исполнительными устройствами переключения передач, блокировки гидротрансформатора, управления режимами двигателя и тормозной системы, а блок
базы данных выполнен с возможностью взаимодействия с логическим блоком.
Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при проектировании перспективных систем автоматического управления различными
транспортными средствами, обеспечивая им высокие технико-экономические показатели,
безопасность и надежность для всех режимов движения.
2
BY 8007 C1 2006.04.30
Известен способ автоматического управления переключением передач автотранспортного средства, основанный на измерении, обработке и анализе сигналов, характеризующих различные параметры автомобиля и его механизмов: положение педали акселератора
и рейки топливного насоса двигателя, угловые скорости двигателя и ведущих колес автомобиля, скорость и ускорение автомобиля, формировании характеристик переключения
передач и реализации программы [1].
К недостаткам указанного способа следует отнести однозначность реализуемых алгоритмов и программы управления. Это не позволяет отразить динамического состояния
транспортного средства в режиме реального времени. Поэтому в постоянно изменяющихся дорожных условиях и ситуациях управление трансмиссией по однозначным характеристикам снижает эффективность данного способа. Другим недостатком способа является
то, что в нем не учтено изменение характеристик управляющих воздействий водителя
(темпа, скорости, силы нажатия на педали акселератора, тормоза и рычаг переключения
передач); психофизиологического и эмоционального состояния водителя, его навыков и
квалификации, характеристик различных ситуаций и дорожных условий. Недостатком
способа является также то, что его реализация в системе управления не позволяет учесть
большое количество параметров, несущих информацию об изменении дорожных условий,
характеристик внешней среды, управляющих воздействий водителя, внезапных и опасных
ситуациях. Это заметно ухудшает адаптивность системы, реализующей упомянутый способ управления. Кроме того, управление автомобилем в соответствии с данным способом
снижает безопасность движения и потенциальные возможности транспортного средства в
реальных условиях эксплуатации. В целом все отмеченные недостатки упомянутого способа приводят к снижению безопасности, надежности управления и ухудшению показателей эффективности.
Известна система автоматического управления скоростными и нагрузочными режимами, которая реализует способ управления энергетическими режимами автотранспортного средства, заключающийся в измерении и обработке информационных сигналов
датчиков скорости и нагрузки, формировании на их основе управляющих воздействий в
виде характеристик управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора и двигателем и отработке сформированных управляющих сигналов соответствующими исполнительными механизмами [2].
Недостатком данного способа является невысокая надежность управления из-за сложности и громоздкости построения системы на логических элементах дискретной автоматики. Системы, построенные на таких элементах, имеют также недостаточное быстродействие в процессе управления автомобилем в сложных условиях, изобилующих опасными
и нештатными ситуациями.
Недостатком является и то, что программа управления энергетическими режимами,
закладываемая в подобную систему для управления трансмиссией и двигателем, реализуемая исполнительными механизмами, является неадаптивной и не может быть изменена
при реализации алгоритма управления в процессе эксплуатации транспортного средства.
Известна система автоматического управления трансмиссией автомобиля, использующая такой метод интеллектуальных технологий, как нечеткая логика [3].
Недостатком реализованного в данной системе способа управления энергетическими
режимами является невозможность учета и анализа особенностей управления автотранспортным средством, обусловленных стилем и навыками вождения, квалификацией водителя, его степенью усталости и т.д.; уровня загрузки автотранспортного средства;
изменения всего многообразия параметров и характеристик внешней среды и дорожных
условий; внезапных препятствий движению, обусловленных внешней средой и объектами
транспортного потока; нештатных и опасных дорожных ситуаций, требующих достаточно
точных и быстрых решений по управлению. Данный недостаток снижает эффективность
автоматического управления и безопасность движения.
3
BY 8007 C1 2006.04.30
Недостатком реализованного в данной системе способа и алгоритма управления является то, что он не является адаптивным и не предусматривает коррекцию управляющих
сигналов в зависимости от изменения скоростных и нагрузочных режимов двигателя, характеристик трансмиссии, тормозной системы и других механизмов при различной степени загрузки машины, при изменении дорожных условий, маршрутов движения,
продольного профиля дороги и других факторов. В результате, в случае изменения названных факторов, переключения передач в трансмиссии будут осуществляться не по оптимальным для текущих эксплуатационных условий характеристикам. Отмеченный
недостаток снижает тягово-экономические показатели автомобиля.
Недостатком данного и отмеченных выше способов является то, что сформированные
на его основе управляющие сигналы являются однозначными ("жесткими") и не способны
изменять свои значения в процессе движения автомобиля в реальных условиях, которые
изобилуют многообразными ситуациями и всевозможными ограничениями. В результате
программа управления не имеет возможности оперативно трансформироваться. Между
тем, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, при реализации
способа адаптивного управления должны сформировываться управляющие сигналы, корректирующие (смещающие) базовые характеристики управления в ту или иную сторону
по отношению к программным значениям. В противном случае - как и во всех вышеупомянутых системах - значения управляющих сигналов не изменятся и будут равны исходным запрограммированным базовым значениям. Преждевременное переключение
передачи в автомобиле в таком случае будет необоснованным и недопустимым. Такие переключения передач приводят к увеличению динамических нагрузок в элементах трансмиссии и двигателя, а в некоторых случаях и выходу из строя деталей и механизмов.
Отмеченный недостаток снижает надежность управления, уменьшает ресурс и эффективность транспортного средства, снижает безопасность движения.
Хотя в данном способе управления и применяется нечеткая логика, использующая нечеткие рассуждения, позволяющие сформировать логический вывод о включении "нужной" передачи на основе анализа информации от различных датчиков (положения педали
акселератора, скорости автомобиля, скорости вращения коленчатого вала двигателя, сигнализатора включенной передачи), ее использование неэффективно. С одной стороны,
реализуемый способ управления помогает системе распознавать намерения водителя в
процессе замедления или ускорения автомобиля для включения требуемой передачи. С
другой стороны, он имеет следующие недостатки. Недостатком является то, что нечеткая
логика помогает осуществлять управление только трансмиссией, хотя в процессе переключений передач необходимо комплексное управление трансмиссией, двигателем и тормозной системой, т.е. энергетическими режимами автомобиля в целом. Данный
недостаток не позволяет, во-первых, улучшить качество переходных процессов в трансмиссии и снизить динамические нагрузки, а во-вторых, снижает безопасность движения.
Другим недостатком является то, что реализуемый в данной системе способ управления
не предусматривает ряд защитных мероприятий. Например, при эксплуатация городского
автобуса или карьерного автосамосвала при преодолении подъемов или затяжных спусков
должны осуществляться запреты на включение высших передач, а также должны быть
предусмотрены ограничения скоростного режима (чего не предусмотрено в этой и подобных ей системах). При появлении внезапных препятствий и помех движению (например,
пешеходов, транспортных объектов, придорожных сооружений и т.д.) должны быть
выполнены своевременные мероприятия по экстренному торможению (чего подобные
системы не реализуют). Отмеченный недостаток снижает безопасность движения. Недостатком является также недостаточное количество используемых информационных переменных, учитывающих изменение характеристик трансмиссии, двигателя, управляющих
воздействий водителя, внешней среды и всевозможных ситуаций. В то же время, согласно
результатам научных исследований и практических данных, для обеспечения эффективно4
BY 8007 C1 2006.04.30
го адаптивного управления их число должно быть не менее десяти. В упомянутой же системе малое количество переменных необоснованно, что снижает эффективность управления.
Известна система, основанная на использовании нечеткой логики, для осуществления
планирования переключения передач автоматической трансмиссии [4].
Недостатком данной системы является малое количество используемых продукционных правил - всего по пять для переключения на высшие и низшие передачи. Вместе с
тем, таких правил должно быть гораздо больше, чтобы как можно полнее охватить разнообразие условий, протекающих в процессе функционирования системы. Отмеченный недостаток снижает эффективность управления.
Недостатком системы является то, что в ней не обеспечивается повышение качества
переходных процессов при переключении передач путем управления режимами двигателя. Так, в процессе переключений на высшие передачи необходимо уменьшать скоростной
режим двигателя с целью снижения динамических нагрузок в трансмиссии.
Недостатком системы является то, что в ней учитывается недостаточное количество
информационных переменных. Например, для управления энергетическими режимами
необходимо дополнительно использовать положение педали тормоза, степень загрузки
автомобиля грузом и величину уклона продольного профиля дороги, что очень важно при
автоматизации управления большегрузными автомобилями-самосвалами или городскими
автобусами для более полного учета различных режимов и ситуаций. Данный недостаток
снижает эффективность управления.
Недостатком является также невысокая степень адаптивности системы, невозможность управления автомобилем и диагностирования его механизмов в режиме реального
времени.
Недостатком всех упомянутых способов и систем является то, что в них не осуществляется оптимизация характеристик и параметров. Например, при изменении маршрута
эксплуатации машины (смена трассы движения по карьеру или городского маршрута) оптимальные характеристики управления энергетическими режимами будут совсем другими
по сравнению с оптимальными характеристиками, ранее определенными для предыдущего маршрута. Обычно для определения оптимальных характеристик управления проводят
имитационное моделирование и оптимизацию в лабораторных условиях. Это занимает
слишком много времени и требует проведения большого объема вычислительных процедур. На современных автомобилях устанавливают бортовые ЭВМ и процессоры с огромными возможностями управления, диагностирования и контроля (наличие достаточной
памяти и требуемого быстродействия компьютера), поэтому задача оптимизации непосредственно на автомобиле в реальных условиях становится достижимой. Рассмотренные
же выше системы управления и реализуемые в них способы управления не позволяют
осуществлять процедуры оптимизации характеристик в реальных условиях эксплуатации
автомобиля. Отмеченный недостаток снижает эффективность интеллектуального управления и не позволяет реализовать потенциальные возможности в связи с появлением современных методов получения, обработки, представления и передачи информации.
Задачами настоящего изобретения являются повышение надежности управления, расширение функциональных возможностей систем автоматического управления энергетическими режимами автотранспортных средств, улучшение показателей эффективности автотранспортных средств и качества переходных процессов, а также повышение безопасности
движения.
Указанные задачи достигаются тем, что в способе интеллектуального управления
энергетическими режимами, заключающемся в сборе информации, измерении, обработке
и анализе характеристик информационных параметров и ситуаций, характеризующих состояние механизмов автотранспортного средства, внешней среды и управляющего воздействия водителя, формировании базовой программы управления в виде управляющих сиг5
BY 8007 C1 2006.04.30
налов переключения передач, блокировки гидротрансформатора, режимов двигателя и
тормозной системы, отработке программы управления исполнительными механизмами
автотранспортного средства, согласно изобретению, осуществляется имитационное моделирование движения автотранспортного средства посредством модели, оптимизация параметров характеристик управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора, режимами двигателя и тормозной системой, а также трансформация модели и
базовой программы управления, адаптация базовой программы управления к реальным
условиям посредством выполнения одной или нескольких операций нечеткого управления; при формировании управляющих сигналов осуществляется формализация характеристик информационных параметров и характеристик ситуаций функциями принадлежности, описание процессов посредством продукционных правил, приведение параметров в
нечеткий вид и их обратное преобразование в четкие выходные сигналы; при этом управляющие сигналы формируются в виде вектора или массива значений переключений передач, блокировки гидротрансформатора, управления скоростным режимом двигателя и
тормозной системой, а операции моделирования и оптимизации используются для формирования базовой программы управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора, режимами двигателя и тормозной системой; кроме того, после формирования базовой программы осуществляется ее адаптация к реальным условиям движения
автотранспортного средства. Также в способе интеллектуального управления операция
моделирования осуществляется в режиме реального времени, а при получении управляющего сигнала может использоваться несколько процедур нечеткого управления, выполняемых последовательно или параллельно. Интеллектуальная система, реализующая
данный способ, имеющая двигатель с подсистемой управления его режимами и выходным
валом, гидротрансформатор с турбинным колесом и муфтой блокировки, трансмиссию,
включающую коробку передач с входным и выходным валами и фрикционными муфтами
переключения передач, тормозную систему, колеса, взаимодействующие с опорной поверхностью дороги, педаль акселератора с датчиком положения педали, педаль тормоза с
датчиком положения педали, датчики состояния фрикционных муфт и муфты блокировки
гидротрансформатора, датчики угловых скоростей вала двигателя, турбинного колеса
гидротрансформатора и выходного вала коробки передач, датчики уклона дороги и состояния микропрофиля поверхности дороги, датчик скорости транспортного средства, исполнительные устройства переключения передач, блокировки гидротрансформатора,
управления режимами двигателя и тормозной системы, согласно изобретению, содержит
блок моделирования, оптимизации, трансформации и адаптации, представляющий собой
центральный процессор, выполненный в виде интеллектуального контроллера на основе
нечеткой логики, включающий блок ввода и интерпретации информационных сигналов,
блок базы данных и правил, логический блок, блок вывода решений и блок формирования
управляющих сигналов, при этом блок ввода и интерпретации информационных сигналов
входами соединен с датчиками положения педалей акселератора и тормоза, угловых скоростей валов, с датчиком скорости транспортного средства, уклона дороги, состояния
микропрофиля поверхности дороги, состояния фрикционных муфт переключения передач
и блокировки гидротрансформатора, а выходом соединен с логическим блоком, блок вывода решений входом соединен с выходом логического блока, а выходом - с входом блока
формирования управляющих сигналов, выходы которого соединены с исполнительными
устройствами переключения передач, блокировки гидротрансформатора и управления режимами двигателя и тормозной системы, а блок базы данных выполнен с возможностью
взаимодействия с логическим блоком.
Достижение поставленных задач обеспечивается использованием в способе интеллектуального управления энергетическими режимами моделирования транспортного средства
(например, автомобиля), оптимизации параметров характеристик управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора, режимами двигателя и тормозной сис6
BY 8007 C1 2006.04.30
темой, которая может выполняться по различным критериям (динамичности, экономичности, среднеэксплуатационным), трансформации модели и базовой программы, адаптации
базовой программы к реальным условиям, одной или нескольких операций нечеткого
управления, а также использованием при формировании управляющих сигналов формализации характеристик информационных параметров и ситуаций функциями принадлежности, описания процессов посредством продукционных правил, преобразования параметров
в нечеткий вид (фаззификацию) и четкие управляющие сигналы (дефаззификацию) с применением методов теории нечетких множеств. При этом моделирование и оптимизацию
используют для формирования оптимальной (в смысле получения наилучшего сочетания
технико-экономических показателей) базовой программы управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора, скоростным режимом двигателя и тормозной
системой, а после формирования базовой программы осуществляют ее адаптацию к реальным непрерывно меняющимся условиям. Данный способ может быть реализован в
системе, включающей центральный процессор или бортовой компьютер с блоками моделирования, оптимизации, трансформации и адаптации, который выполняется в виде интеллектуального контроллера на основе нечеткой логики или с использованием других
технологий искусственного интеллекта. Контроллер имеет блок ввода и интерпретации
информационных сигналов, блок базы данных и правил, логический блок, блок вывода
решений и блок формирования управляющих сигналов, при этом входы блока ввода и интерпретации информационных сигналов связаны с датчиками положения педалей акселератора и тормоза, угловых скоростей валов, скорости транспортного средства, уклона и
состояния микропрофиля, выход - с логическим блоком, а блок базы данных и правил выполнен с возможностью взаимодействия с логическим блоком, причем блок формирования управляющих сигналов связан с исполнительными устройствами переключения
передач, блокировки гидротрансформатора, управления режимами двигателя и тормозной
системы. Такая структура системы позволяет наилучшим образом принимать, представлять, обрабатывать и передавать информацию, формировать оптимальные управляющие
сигналы в режиме реального времени и адаптировать алгоритмы управления энергетическими режимами автомобиля с учетом изменения всевозможных факторов и ситуаций.
Сущность изобретения поясняется рисунками. На фиг. 1 приведена общая схема автотранспортного средства в реальных условиях движения. На фиг. 2 представлен способ интеллектуального управления энергетическими режимами автомобиля. На фиг. 3 показаны
процедуры нечеткого управления, основанные на теории нечетких множеств. На фиг. 4
показана общая схема адаптивного алгоритма управления энергетическими режимами. На
фиг. 5, 6 показан алгоритм управления переключением передач, блокировкой гидротрансформатора, режимами двигателя и тормозной системой. На фиг. 7 представлена система
интеллектуального управления энергетическими режимами автотранспортного средства.
Способ интеллектуального управления энергетическими режимами автотранспортного
средства реализуется на схемах фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 условно показано автотранспортное средство, снабженное двигателем 1, трансмиссией 2, включающей гидротрансформатор
с коробкой передач (не показаны), и тормозной системой 3, которое эксплуатируется в условиях внешней среды 4. Для измерения информационных параметров характеристик
управляющих воздействий водителя, энергетических режимов автотранспортного средства и внешней среды установлены датчики угловой скорости двигателя 5, трансмиссионных элементов (турбинного колеса гидротрансформатора и выходного вала коробки
передач) 6, скорости 7 автомобиля, характеристик макро- и микропрофиля поверхности
дороги 8 (уклона, коэффициента сопротивления и т.д.). Управляющие воздействия водителя фиксируются датчиками положения педалей акселератора и тормоза (на схеме условно не показаны). Собираемая датчиками информация поступает в блок обработки информации 9 и блок управления 10, формирующий управляющие сигналы соответствующим
исполнительным механизмам 11 управления трансмиссией 2, двигателем 1 и тормозной
системой 3.
7
BY 8007 C1 2006.04.30
Все информационные параметры (информационные переменные) в блоке 12 представляются функциями принадлежности методами теории нечетких множеств и далее по каналу 13 поступают в нечеткий контроллер 14. На основании хранящейся в нем базы данных и правил с учетом текущей информации контроллер 14 вырабатывает корректирующие управляющие сигналы, которые по каналу 15 поступают в блок управления 10.
Блок управления 10 с учетом заложенной в нем базовой программы и корректирующих
сигналов нечеткого контроллера 14 формирует окончательную программу управления
(управляющие сигналы), которая отрабатывается исполнительными механизмами 11.
Нечеткий контроллер 14 выполнен с возможностью реализации одной или нескольких
операций нечеткого управления, которые могут осуществляться различными комбинациями в зависимости от реализуемых алгоритмов.
На основе модели автотранспортного средства (АТС), учитывающей характеристики
механизмов и подсистем машины - двигателя (Д), коробки передач (КП), тормозной системы (ТС), внешней среды и управляющих воздействий водителя с помощью процедур
оптимизации осуществляется формирование базовой программы управления (фиг. 2). Базовая программа представляет собой характеристики управления переключением передач
и блокировкой гидротрансформатора, которые могут быть построены в поле информационных переменных "положение педали акселератора - угловая скорость вращения турбинного колеса гидротрансформатора" (γа - ωт), а также характеристики управления
скоростными режимами двигателя в переходных процессах (характеристика изменения
величины топливоподачи ∆γ со своим знаком) и тормозными режимами.
Далее сформированная базовая программа адаптируется к реальным условиям движения автотранспортного средства.
Для того, чтобы повысить потенциальные возможности интеллектуального управления и показатели эффективности автотранспортного средства, способ предусматривает
осуществление операций трансформации программы и модели. Операция трансформации
программы заключается в дополнительной коррекции программы, что необходимо в случае возникновения новых обстоятельств, ситуаций и факторов, не учтенных ранее. Данные обстоятельства могут заноситься в базу данных системы водителем, оператором и
т.д., а могут формироваться и накапливаться в процессе обучения. Операция трансформации модели заключается в изменении структуры модели при изменении условий эксплуатации (смена маршрута и т.д.) или характеристик механизмов автомобиля (изменение
характеристик двигателя, износ фрикционных элементов и т.д.).
Обработка, представление информации и получение управляющих решений на стадии
трансформации программы осуществляется с помощью одной из операций нечеткого
управления (нечеткое управление 1), а на стадии трансформации модели - с помощью другой операции нечеткого управления (нечеткое управление 2) (фиг. 2).
Способ может содержать вспомогательные операции и процедуры нечеткого управления. Например, для выполнения операции трансформации программы может быть задействована операция третьего нечеткого управления (нечеткое управление 3), для
выполнения операции адаптации программы - четвертого нечеткого управления (нечеткое
управление 4), а для выполнения операции формирования базовой программы - пятого
нечеткого управления (нечеткое управление 5).
Процедуры нечеткого контроллера, основанные на теории нечетких множеств и реализующие нечеткую логику управления (фиг. 3), включают в себя фаззификацию (приведение к нечеткости), базу продукционных правил и дефаззификацию (преобразование в
r
четкое решение). В результате выполнения данных процедур вектор входных сигналов X
r
преобразуется в вектор выходных сигналов Z . База продукционных правил содержит
продукционные правила, которые регламентируют процесс получения выходного решения (функций принадлежности заключений) в зависимости от различных сочетаний
информационных параметров (функций принадлежности предпосылок). Количество про8
BY 8007 C1 2006.04.30
дукционных правил целесообразно принимать 15-30. Число правил может быть увеличено
либо уменьшено в зависимости от назначения системы и типа решаемых задач.
Адаптивный алгоритм управления энергетическими режимами включает несколько
основных этапов (фиг. 4). На первом этапе на основе имитационного моделирования движения автотранспортного средства получают ядро алгоритма, т.е. базовые характеристики
управления для типового режима функционирования автотранспортного средства. Они
составляют основную (базовую) программу управления энергетическими режимами и
представляют собой характеристики, оптимальные по тем или иным критериям, например
по критериям динамичности или экономичности. 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 с использованием корреляционного анализа и применения процедур оптимизации получают характеристики
управления, т.е. ядро базовой программы.
На втором этапе базовую программу управления трансформируют, наполнив ее адаптивными свойствами и наделив способностью принимать логически обоснованные решения по управлению, контролю и диагностированию. При этом в процессе эксплуатации
автотранспортного средства учитывается 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),
и другие факторы. Учет различных ситуаций и обстоятельств, характеристик внешней
среды, механизмов автотранспортного средства и управляющих воздействий водителя ведется соответствующими информационными переменными, которые описываются функциями принадлежности. После составления и формализации продукционных правил
осуществляются процедуры дефаззификации и получения окончательного алгоритма
r
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
интеллектуального управления энергетическими режимами.
Алгоритм управления энергетическими режимами представляет собой совокупность
предписаний, определяющих характер воздействий на основные механизмы автомобиля двигатель, трансмиссию и тормозную систему (фиг. 5, 6). Данный алгоритм зависит от алгоритма функционирования объекта управления и его динамических свойств. Он может
быть представлен разными режимами управления: оптимальным переключением передач
и управлением блокировкой гидротрансформатора (ГДТ), режимом управления процессами включения фрикционов (плавностью переключений) и др. При выборе режима движения водитель по своему усмотрению может выбрать динамичную или экономичную
программу. Следует отметить, что режим управления фрикционами при переключении
передач может входить в общий алгоритм управления. В этом случае управление процессами плавного включения фрикционов будет осуществляться автоматически в соответствии с заложенными в исполнительный блок системы характеристик.
С алгоритмом управления может быть совмещен и алгоритм диагностирования механизмов транспортного средства, также использующий интеллектуальные технологии.
9
BY 8007 C1 2006.04.30
При необходимости проводится оптимизация параметров характеристик управления с
целью получения наилучших тягово-скоростных свойств и топливной экономичности. Заданные характеристики и характеристики управления механизмами и подсистемами автомобиля составляют базовую программу управления энергетическими режимами.
Рассмотрим приведенный на фиг. 5, 6 алгоритм. Датчики измеряют информационные
переменные, характеризующие состояние механизмов автомобиля (угловые скорости и
моменты двигателя, валов гидротрансформатора и коробки передач, скорость и ускорение
автомобиля), характеристики внешней среды (величина уклона и т.д.) и управляющего
воздействия водителя (время и темп нажатия и т.д.) на органы управления: γа, γт, ωт, ωд,
ωвых,ν, ν& , αу, γ& a , γ& т , tнаж, Мд, Мт, Мвых и т.д. При этом определяется состояние фрикционов переключения передач (Фпп) блокировки гидротрансформатора (Фбл) и регистрируется
номер включенной передачи Nп.
Поступающее в процессор множество информационных переменных идентифицируется и обрабатывается, при этом каждая информационная переменная нормируется и сравнивается с заложенными в базу данных значениями функций принадлежности.
Всевозможные ситуации, требования, ограничения и предписания, которыми должна
руководствоваться система управления и диагностирования при движении автомобиля,
описаны посредством продукционных правил, хранящихся в базе знаний. В соответствии
с рассмотренным выше алгоритмом производится вывод четкого логического решения u.
На основании этого решения формируется программа управления f(γа, γт, ωт,…) и осуществляется ее адаптация к реальным условиям.
При наличии новой информации осуществляется пополнение базы знаний и производится трансформации модели. Например, может быть запомнен индивидуальный стиль
вождения, характеристики маршрута движения и т.д.
Далее оценивается, на каком режиме - тяговом или тормозном - движется автомобиль.
В случае нажатой педали тормоза (γт > 0) запрещается переключение на высшие передачи
и осуществляется переход на программу, учитывающую тормозной режим.
При движении на тяговом режиме оценивается текущее значение угловой скорости
турбинного вала гидротрансформатора ωт и сравнивается с пороговыми значениями ωт↑,
ωт↓, ωтб и ωтр, характеризующими моменты переключения на высшую и низшую передачи,
блокировку и разблокировку гидротрансформатора соответственно. В зависимости от значения ωт формируется команда исполнительным устройствам на соответствующее управление трансмиссией и двигателем. При переключении на высшие передачи скоростной
режим двигателя, как правило, уменьшается на величину ∆γ. Если ωт находится в оптимальной области, ограниченной пороговыми значениями, то управление трансмиссией не
производится, и номер передачи остается прежним.
Следует отметить, что алгоритм управления (диагностирования) не может быть однозначным. Существует множество вариантов для одной и той же системы, поэтому приведенный на фиг. 5, 6 алгоритм не следует считать единственно возможным и нужно
рассматривать как пример исполнения одного из вариантов.
Система, реализующая описанный способ и алгоритм управления энергетическими
режимами автомобиля (фиг. 7), содержит двигатель 1 с подсистемой управления его режимами и выходным валом 2, гидротрансформатор 3 с турбинным колесом и муфтой блокировки 4, трансмиссию, включающую коробку передач 5 с входным 6 и выходным 7
валами и фрикционными муфтами 8 переключения передач, тормозную систему 9, колеса
10, взаимодействующие с опорной поверхностью 11 дороги, педаль акселератора 12 с датчиком 13 положения педали, педаль тормоза 14 с датчиком 15 положения педали, датчики
16 и 17 состояния муфты блокировки 4 гидротрансформатора 3 и фрикционных муфт 8
коробки передач 5, датчики угловых скоростей 18, 19 и 20 вала 2 двигателя, входного вала
6 коробки передач, связанного с турбинным колесом гидротрансформатора 3, и выходного
10
BY 8007 C1 2006.04.30
вала 7 коробки передач, датчик скорости 21 транспортного средства, датчик 22 уклона дороги, датчик 23 состояния микропрофиля поверхности дороги, исполнительные устройства переключения передач 24 и блокировки 25 гидротрансформатора, устройство
управления 26 режимами двигателя, устройство управления тормозной системой 27. В состав системы входит также центральный процессор 28 с блоками моделирования, оптимизации, трансформации и адаптации (эти блоки условно не показаны). Процессор 28
выполнен в виде интеллектуального контроллера 29. Последний включает в себя блок 30
ввода и интерпретации информационных сигналов, блок базы данных и правил 31, логический блок 32, блок вывода решений 33 и блок формирования управляющих сигналов 34,
связанный с исполнительными устройствами 24-27. Вход блока 30 ввода и интерпретации
информационных сигналов связан с датчиками 13, 15-23, а выход - со входом логического
блока 32. Логический блок 32 взаимодействует с блоком базы данных и правил 31. В блоке 31 хранятся описание различных характеристик и ситуаций функциями принадлежности и библиотека продукционных правил, а также базовые программы управления
переключением передач и блокировкой гидротрансформатора. Выход блока формирования управляющих сигналов 34 связан посредством соответствующих каналов (например,
CAN-каналов) с электромагнитами исполнительных механизмов 24-27.
Система работает следующим образом. При движении транспортного средства датчики 13, 15-23 вырабатывают соответствующие информационные сигналы, характеризующие скоростные и нагрузочные режимы машины, характеристики механизмов и
подсистем, состояние муфт фрикционов коробки передач и блокировки гидротрансформатора, дорожные условия и внешнюю среду (γа, γт, ωт, ωд, ωвых, ν, ν& , γ& a , γ& т , tнаж, Мд, Мт,
Мвых, αу и т.д.). Эти сигналы поступают в блок 30 ввода и интерпретации сигналов, где
они обрабатываются и преобразуются в цифровую форму. Далее эти сигналы поступают в
логический блок 32. В процессе взаимодействия с блоком базы данных и правил 31, а
также с блоками моделирования, оптимизации, трансформации и адаптации логический
блок 32 формирует необходимые программы переключения передач и блокировки гидротрансформатора с учетом нечеткой информации, обрабатываемой методами нечеткой логики, и адаптирует эти программы к реальным условиям движения. Характеристики
управления программ формируются в виде релейных функций (характеристик) переключения передач и блокировки гидротрансформатора в зависимости от сочетаний параметров скорости и нагрузки, определяемых угловой скоростью турбинного колеса
гидротрансформатора и степенью нажатия на педаль акселератора. Блок вывода решений
33, используя методы и процедуры нечеткой логики, принимает предварительное решение
по управлению исполнительными механизмами с учетом адаптации базовой программы к
реальным условиям, а блок формирования управляющих сигналов 34 формирует окончаr
тельный управляющий сигнал (вектор управляющих сигналов U ) на переключение передач, блокировку гидротрансформатора 3, изменение скоростного режима двигателя 1 или
управление тормозной системой 9. Последний адресуется соответствующим исполнительным устройством 24-27. При разгоне транспортного средства нагрузка на двигатель
снижается, и скорость турбинного колеса гидротрансформатора 3 увеличивается. Значение соответствующего информационного сигнала возрастает, и при достижении порогового значения, определяемого характеристиками переключения передач, формируется
релейный сигнал переключения на высшие передачи, который отрабатывается устройством 24. Управление блокировкой гидротрансформатора 3 система осуществляет аналогично. Если происходит увеличение скорости турбинного колеса гидротрансформатора,
например при разгоне машины (когда возникает необходимость блокировки гидротрансформатора), то при соответствующем уровне информационного сигнала в соответствии с
законами блокировки формируется релейный сигнал на блокировку гидротрансформатора, который отрабатывается исполнительным устройством 25.
11
BY 8007 C1 2006.04.30
В случае снижения скорости машины происходит автоматическое переключение на
низшие передачи, сопровождающееся разблокировкой гидротрансформатора.
Для улучшения качества переходных процессов целесообразно осуществлять изменение скоростного режима двигателя при переключениях передач. С этой целью программой предусмотрено управление режимами двигателя 1 посредством устройства 26.
В системах управления переключением передач без разрыва потока мощности положение органа управления подачей топлива в двигатель в процессе переключений остается
неизменным, и необходимость в устройствах 26 отпадает. Качество переходных процессов при переключениях передач в этом случае обеспечивается путем управления временными интервалами срабатывания исполнительных механизмов включаемого и
выключаемого фрикционов 8. При этом включение высших передач осуществляется с
временным перекрытием, а низших - с разрывом потока мощности.
Плавность движения автотранспортного средства (автомобиля) также существенно зависит от организации процесса включения фрикционных муфт 8 коробки передач при переключениях передач. Этот процесс определяется характеристикой нарастания давления в
исполнительном цилиндре фрикционной муфты 8, которая формируется на основе соответствующего алгоритма и реализуется логическими и исполнительными элементами интеллектуальной системы управления. Применяются два способа регулирования давления посредством клапанов плавного включения или с использованием механизмов пропорционального управления. Более эффективны последние. В механизмах пропорционального управления исполнительные элементы представляют собой электромагнитные клапаны
с пропорциональными электромагнитами. Управление этими клапанами осуществляется
посредством широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала. Усилие пропорционального электромагнита зависит от скважности сигнала управления, формирование
которого осуществляется посредством центрального процессора 28 по специальным алгоритмам.
Для получения интенсивного торможения (в случае появления опасной ситуации) водитель резко нажимает на педаль тормоза. В этом случае в соответствии с заложенными
правилами и алгоритмами система сформирует управляющий сигнал для отработки исполнительному устройству 27 управления тормозной системой 9. При необходимости
торможения двигателем (например, при движении машины с грузом на спуске) формируется управляющий сигнал для принудительного включения низшей передачи, который
будет отрабатываться устройством 24. В результате рационально используются тормозные свойства двигателя 1. При необходимости могут быть обеспечены антиблокировочные свойства (при наличии соответствующих механизмов и систем).
Одновременный анализ множества информационных переменных и применение методов нечеткой логики при управлении и диагностировании позволяет учесть различные
факторы и ситуации: особенности управления транспортным средством, обусловленные
навыками вождения и квалификацией водителя, его степенью усталости; уровень загрузки
машины; изменение характеристик внешней среды и дорожных условий; внезапные препятствия и помехи движению; нештатные и опасные ситуации. Согласно проведенным
теоретическим и экспериментальным исследованиям, в том числе в заводских условиях и
в процессе реальной эксплуатации конкретных автомобилей, интеллектуальное управление энергетическими режимами автотранспортного средства (автомобиля) значительно
улучшает его показатели эффективности и повышает безопасность движения. В частности, путевой расход топлива большегрузного автомобиля и городского автобуса снижается на 8-10 %, средняя скорость движения увеличивается на 7-9 %, а производительность
возрастает на 12-15 %, заметно повышается безопасность движения, обеспечивается непрерывный контроль диагностических параметров, соблюдаются абсолютно все рекомендации и предписания инструкции по эксплуатации используемых транспортных средств.
12
BY 8007 C1 2006.04.30
Источники информации:
1. Ксеневич И.П., Тарасик В.П. Теория и проектирование автоматических систем. - M.:
Машиностроение, 1996. - С. 18-31, 451-455.
2. Патент RU 2010734 С1, 1994.
3. Патент 5389050 А, 1995.
4. Патент ЕР 0588417 В1, 1995.
Фиг. 2
Фиг. 3
13
BY 8007 C1 2006.04.30
Фиг. 4
14
BY 8007 C1 2006.04.30
Фиг. 5
15
BY 8007 C1 2006.04.30
Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
281 Кб
Теги
патент, by8007
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа