1.2 自动变速器电控系统及其应用软件研究现状

1.2.1 国外研究现状

随着汽车电子技术及控制技术的发展进步，自动变速器的控制技术和控制方式逐渐改变，电子控制在控制系统中所占比重逐渐增加，自动变速器控制技术分为以下三个阶段[2]：液力控制阶段、电液控制阶段和智能控制阶段。

20世纪30年代末到60年代初，自动变速技术处于液力控制阶段。1938年，液力自动变速器首先装于通用Oldsmobile车上，其操纵机构和控制系统都是通过液压系统来实现的[3]。液力控制的原理是：由若干个复杂的液压阀和油路构成的逻辑控制系统，通过反映节气门开度大小的节气门阀和反映车速高低的速控阀，按照设定的换档规律控制换档执行机构的动作，从而实现自动换档[4]。因此，此时的自动变速器几乎不需要借助TCU（Transmission Control Unit，即自动变速器控制单元）控制软件，仅通过液压系统即可完成自动变速器升降档的控制。

20世纪60年代末到90年代，自动变速技术处于电液控制阶段。1969年，法诺R16TA轿车自动变速器首先采用了电控换档技术。电子控制系统将控制参数（节气门开度、车速等）从相应的传感器中采集出来，通过控制系统内部控制算法，将控制信号作用于换档电磁阀，从而控制液压换档执行元件的结合与分离，实现自动换档[5]。随着电子控制技术的应用以及TCU雏形开始应用于车辆控制，大量国外学者开始从换档规律设计、液力变矩器闭锁控制、发动机转矩控制、离合器接合油压控制等不同领域研究自动变速器控制策略，为自动变速器应用软件的开发积累了宝贵的理论经验。

B.A.彼得罗夫提出了以车速和节气门开度作为控制参数的二参数换档规律，二参数换档规律引入了节气门开度参数，实现了驾驶人的干预换档，与单参数相比，整车的动力性、经济性和换档品质有了较大的提高，在自动变速器应用软件的工程应用中被广泛采用[6]。Schwab[7]研究了基于状态机理论的液力变矩器闭锁策略控制方法，充分考虑自动变速器油温、制动力矩大小等车辆运行参数和驾驶人意图对闭锁点的影响，完善了复杂工况下的液力变矩器闭锁策略。Nakabe等[8]结合闭锁离合器结构和摩擦片材料特性，对闭锁离合器结合过程中转矩传递随结合时间的变化特性进行了详尽的分析。Kono、Itoh等[9]通过对液力变矩器闭锁、解锁过程进行动态仿真计算，研究分析了闭锁离合器操纵油压、充放油时间对闭、解锁特性的影响，提出了较理想的充放油特性。Zabala、Lee M、Alain B等[10-12]根据工程经验和PID控制（比例、积分、微分控制）理论，提出了换档过程中发动机转矩控制和转速控制的相关方法。克莱斯勒[13]公司在1999年发布新的自动变速器电控系统时，也通过考虑换档冲击度和离合器滑摩功产生的原因，对离合器接合油压和换档品质进行了优化控制。

20世纪90年代末开始，自动变速技术进入电子控制的智能控制阶段。自动变速器应用软件开始大量采用模式识别、模糊控制等智能控制。Banstiana等[14]对弯道情况的档位选择问题进行了研究，设计了弯道模糊估计器，分析了运动型和一般型驾驶人在弯道运行时换档的操作特征，制订了相应的控制规则。Weil等[15]提出了一个档位决策的模糊专家系统模型，详细介绍了获取换档控制规则的方法，并进行了仿真对比分析，证明了该方法的优点。

智能换档控制系统在换档控制时考虑了行驶工况、驾驶人的操作意图和车辆自身性能状况，使车辆能像经验丰富的驾驶人一样自动换档，满足车辆行驶的各种性能需求[16]。如宝马（BMW）、采埃孚（ZF）和博世（BOSCH）公司合作推出的5HP-24自动变速器可以识别驾驶人的操作意图，从而选用相应的模式；同时，能根据当前行驶工况对换档曲线做适当的修改。日本三菱公司[17]的“Fuzzy shift 4AT”率先采用了“模糊控制”的概念。法国标致雪铁龙（PSA）集团和雷诺公司合作开发的自动变速器采用先进计算机控制和模糊逻辑技术，可以根据驾驶人及路况等多种因素选择最合适的档位。德国大众第三代自动变速器AG4变速系统能够根据行驶环境和驾驶人的驾驶习惯自主进行档位选择[18-20]。

目前自动变速器应用软件产业化关键技术的国外研究现状有以下几个特点。

1）随着汽车电子技术和控制技术的诞生和发展，自动变速器应用软件产业化开发在短短50年内取得了突破性的进展，经历了控制系统从液力控制、电液控制到智能控制的三个阶段，电子控制在控制系统中的比重显著增加，自动变速器应用软件对于实现自动变速器各种控制功能目标起到了越来越关键的作用。

2）自动变速器理论研究与自动变速器应用软件应用开发结合紧密。先进的控制理论，如换档规律参数化控制、液力变矩器闭锁滑摩控制、离合器接合油压控制理论都在第一时间应用于工程化应用和产品设计；同时通过积累工程控制经验，反过来进一步完善自动变速器控制理论。

3）动力传动系统匹配与协同控制日益受到重视。通过集成化、图形化建模和整车匹配仿真，确定液力变矩器变矩性能和能容系数；同时在自动变速器应用软件中增加发动机接口模块的控制设计，在换档过程中对发动机进行请求转矩减小或改变目标发动机转速的控制。

4）测试标定技术的应用替代了应用软件对传感器信号的依赖。由于电控标定技术的应用和发展，控制算法中不再依赖传感器采集的离合器转速、控制油压反馈信号等变量，而是通过标定生成的二维表格和曲线，在量产的TCU控制软件中采用插值查表的方式获得所需的控制信号，完成对目标系统的优化控制。爱信6AT以及采埃孚8AT电控系统均已取消压力传感器，速度传感器减少到两个，温度传感器和位置传感器分别减少到一个。

5）国外往往把自动变速器电控系统以及自动变速器应用软件开发的核心技术列为商业机密，进行知识产权的严格保护和技术封锁，防止源程序、源代码泄露；在相关的产品发布和学术交流中，也严格控制相关信息的释放。国外知名工程公司及汽车电子技术供应商在自动变速器应用软件开发中依然具有垄断性的优势地位。

6）自动变速器应用软件的开发模式趋于统一。基于V字形开发流程（简称V流程）的经典开发模式日益得到TCU开发商的认可。从功能设计和离线仿真、快速控制原型、自动代码生成到TCU测试和整车标定，都采用通用的开发步骤和软件工具。Mathworks、dSPACE、Vector公司软件开发、试验和标定工具功能强大、通用性好，极大地节省了工程时间，使用户集中精力关注应用软件的开发，因而得到广泛使用。

7）自动变速器应用软件模块化、标准化设计和通用性、可移植性显著增强。针对不同整车目标功能和需求定义，控制软件开发越来越趋向模块化。模块划分更加明确，其独立功能也更加强大。模块化开发也为软件移植和继承提供了条件，经过合适的I/O接口修改和较少的控制逻辑调整，就能很好地运用于新产品的开发。

1.2.2 国内研究现状

由于国外的技术封锁和国内有限的电控系统设计开发能力，自动变速器应用软件工程化一直是国内汽车自主创新、自主制造的瓶颈，成为阻碍中国汽车工业成长的主要障碍之一。近年来，国内高校、科研机构、主机厂、自动变速器供应商通过吸收国外先进经验，进行人才交流、技术转移和自主创新，国内在自动变速控制技术理论方面的研究取得了很多成果。

吉林大学葛安林教授较早在国内开始自动变速器控制理论的深入研究。葛安林[21-23]等在发动机动态试验数据的基础上，提出了以车速、节气门开度和加速度为控制参数的动态三参数控制规律，试验结果表明，该规律优于静态的两参数换档规律。闫磊[24]基于工作油泵消耗功率变化对换档策略的影响，提出了以车速、节气门开度、加速度和油泵压力为控制参数的四参数换档控制规律，计算机仿真结果表明更加符合工程车辆的实际情况。清华大学张俊智教授提出了边界点换档规律、动力性换档规律确定的动态驱动力法和经济型换档规律的节气门开度法和车速法[25]。

国内在先进控制理论应用于自动变速器控制策略方面也取得了许多研究进展。基于传统的换档规律，参考优秀驾驶人的换档操纵经验，综合考虑驾驶人类型、驾驶人意图、行驶环境和汽车的行驶状态，利用模糊控制和神经网络技术等智能控制技术，生成一个可使动力性、燃油经济性、废气排放和其他性能达到综合最优且符合驾驶人意愿的换档规律。秦贵和等[26-28]将路面和驾驶人意图分为良好路段、颠簸路段、加速和停车等典型工况，首先求出各典型工况较佳的换档规律，然后利用易于测量的车辆的状态参数，依据模糊推理方法，形成一个描述路面特征、驾驶人意图和车辆状态的模糊集合，求出当前状态与各典型工况的贴近度，计算得到最终的档位数值。葛安林等[29]在综合国内外对驾驶人类型、驾驶人意图和行驶环境（路段、路况和路形）实时识别研究成果的基础上，提出由路段和路况识别信息建立标准行驶工况的换档规律，按照驾驶人的类型进行标准换档规律的个性化处理，并依据路形、驾驶人意图识别的结果，进行局部信息占优再修正，获取最佳的换档规律。

液力变矩器闭锁点的控制有单参数控制和双参数控制两类。比较常见的控制方案采用节气门开度、涡轮转速两参数或节气门开度、车速两参数进行液力变矩器闭锁策略控制。马超、项昌乐[30]等对两参数闭锁点进行了优化计算，综合考虑了闭锁前后发动机转速突降造成的惯性能量的释放以及闭锁前后变矩器输入输出转矩的变化，在二者最优解之间通过目标规划法建立目标函数并寻优得到较为合理的闭锁点。盛瑞传动股份有限公司[31]研究了基于状态机理论的液力变矩器闭锁策略控制方法，充分考虑自动变速器油温、制动力矩大小等车辆运行参数和驾驶人意图对闭锁点的影响，完善了复杂工况下的液力变矩器闭锁策略；针对传动系统工作工况的复杂性及其非线性引入了一些先进的技术，如模糊控制技术、人工智能技术等，并且现今已经开始研制闭锁离合器全域闭锁的控制方法[32-36]。

胡建军、秦大同[37]等结合闭锁离合器结构和摩擦片材料特性，对闭锁离合器结合过程中转矩传递随结合时间的变化特性进行了详尽的分析。过学迅、郑慕侨[38]等通过对液力变矩器闭锁、解锁过程进行动态仿真计算，研究分析了闭锁离合器操纵油压、充放油时间对闭、解锁特性的影响，提出了较理想的充放油特性。孙旭光、项昌乐[39]通过对传动系统力学模型和数学模型的研究，总结了闭锁过程中建压、预压及压力急升三个阶段的滑摩转矩和充油压力的变化控制规律。

国内在TCU、ECU（电控单元）通信标定开发等领域，也取得了相应的研究成果。许多文献基于不同的通信协议、硬件接口和传输方式，对在线监测与标定平台设计进行了研究。吴艳、王丽芳等[40-41]借助LabVIEW软件平台实现双向数据传输，开发出基于USB接口的CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线数据采集和ECU标定系统，同时具有CAN总线和USB通信优点，适用于多种场合的数据采集和标定。钟军、冯静等[42]依据ISO9141电气标准组成接口电路，选用KWP2000故障诊断串行通信协议，在仿真器上实现ECU与标定计算机的通信试验。国内也已经将基于CCP（CAN Calibration Protocol，即基于CAN总线的匹配标定协议）的标定技术逐步运用于汽车电控系统开发，开发出相应的标定平台。清华大学最早基于CCP协议开发了混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）用的标定系统[43]，吉林大学将CCP协议运用于汽车AMT（电控机械自动变速器）的开发[44]，重庆邮电大学开发了基于CCP协议的燃气发动机标定系统[45]。

但是在自动变速器应用软件工程化方面，国内与国外还存在巨大的差距[46]。张泰、葛安林[47]、徐进军[48]、陈永东[49]等虽然都进行了TCU控制策略的研究，吉林大学也率先将智能控制理论应用到工程机械中，研制出推土机和轮式装载机的模糊换档系统，但仅限于模型仿真、在环测试或样机调试，研究成果的工程化和量产仍需要做很多工作。

目前国内自动变速器应用软件产业化关键技术的研究现状有以下几个特点。

1）在自动变速器应用软件正向设计和开发技术的研究方面起步较晚，绝大部分研究文献和报道表明，国内还没有掌握自动变速器应用软件工程化开发的核心技术，尚不具备控制软件工程化和产业化的能力。由于缺乏自行研发和标定能力，国内企业在考虑新的自动变速器应用形式、发动机和液力变矩器更改选型以及新的搭载车型变更开发时，缺乏统一的控制软件平台、试验验证体系和标定优化流程，很难独立进行产品的系列研发及更新换代，难以适应日新月异的自动变速器技术潮流，在市场竞争中处于劣势。

2）在自动变速器控制理论研究方面与国外处于同等甚至领先水平。以葛安林、徐向阳、宋健、陈慧岩、项昌乐、吴光强、秦大同、周云山、过学迅等专家为代表，在自动变速器换档规律、闭锁控制、换档品质优化等研究上做出了杰出的贡献。国内率先提出了换档规律三参数、四参数控制方法，在模式识别、模糊控制以及神经网络控制理论应用于自动变速器控制策略方面，也走在了世界前列。

3）大多基于传统控制理论和算法对自动变速器控制策略进行研究，强调理论深度和算法创新，往往忽略了应用软件的工程化要素。开发的控制软件代码冗长，通用性、可移植性、鲁棒性和实用性较差。

4）国内同样沿用国际经典的V模式流程对控制策略进行研究，但由于产学研相互脱节，没有工程化项目作为依托，代码生成工具、在环测试系统、标定设备的缺乏和参与者工程化经验不足，研究大多仅限于功能设计和离线仿真、快速控制原型开发阶段，缺乏对控制软件的测试、验证和标定优化。

5）自动变速器应用软件产业化的关键技术是自动变速器终端下线标定和自适应控制策略。由于行业发展的薄弱，国内在这两方面系统的总结和应用相对较少。成功研发出适用于量产产品的应用软件程序者更是寥寥。