綜合傳動(dòng)換擋品質(zhì)的誤差逆?zhèn)鞑ド窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法

王葉，陶剛，李德晴，馬岳峰

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

0 引言

車輛換擋過程中，不可避免地存在著換擋沖擊，這對(duì)車輛換擋的平順性會(huì)產(chǎn)生很大的影響，為此人們提出換擋品質(zhì)這一概念，以此來表征換擋性能的好壞。換擋品質(zhì)是指在保證車輛動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)壽命的前提下，能夠迅速換擋并感覺舒適的程度，可以表征為換擋操縱的平順性、舒適性以及耐久性。基于換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)的研究，能夠指導(dǎo)換擋過程控制方法的設(shè)計(jì)，在綜合傳動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的開發(fā)階段具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

影響換擋品質(zhì)的因素有很多，評(píng)價(jià)手段也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法包括主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)［1］。主觀評(píng)價(jià)集中體現(xiàn)在駕駛員或乘員的主觀感受;客觀評(píng)價(jià)則主要用換擋過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)來反映換擋性能的優(yōu)劣。主觀評(píng)價(jià)方法，即請(qǐng)一些受過專業(yè)訓(xùn)練的或者有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員通過試駕進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)個(gè)人或公司的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為試駕車輛進(jìn)行打分(1 ～10 分)，分?jǐn)?shù)越高，換擋品質(zhì)越好，但是該方法耗時(shí)，且易受到駕駛員駕駛習(xí)慣、身體條件、心理因素甚至天氣條件等多方面因素的影響［2］。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的不斷發(fā)展和完善，以及在解決非線性數(shù)學(xué)模型問題上的優(yōu)勢(shì)，從技術(shù)方面對(duì)建立換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)體系提供了有力的支持。本文擬以履帶車輛為試驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)若干動(dòng)態(tài)參量的處理得到客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于誤差逆?zhèn)鞑ド窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)的基本原理，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)車輛換擋品質(zhì)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，以此取代傳統(tǒng)意義上的主觀評(píng)價(jià)方法，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證此方法的可行性。

1 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定原則

綜合傳動(dòng)換擋控制的過渡過程中，傳動(dòng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定工況，需要根據(jù)可獲得的物理信號(hào)來判知當(dāng)前狀態(tài)。合理地選擇換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)非常重要，這些指標(biāo)應(yīng)該與人的主觀感覺密切相關(guān)，且必須被證明是影響換擋品質(zhì)的重要因素，否則，它們可能會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)的真實(shí)性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此確定能夠真實(shí)反映換擋性能優(yōu)劣的、易測(cè)的評(píng)價(jià)參量，是換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)體系研究面臨的首要問題［3］。

評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定應(yīng)該遵循以下3 個(gè)基本原則:

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求具有良好的可獲取性;

2)研究確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)具有較強(qiáng)的物理表征意義，能直接或間接反映車輛的動(dòng)力學(xué)特性;

3)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求具有全面性，適用于履帶車輛不同工況下行駛時(shí)的換擋過程。

車輛換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)的相關(guān)指標(biāo)很多，目前廣泛采用的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)有平穩(wěn)性指標(biāo)-沖擊度、快速性指標(biāo)-換擋時(shí)間以及摩擦元件壽命指標(biāo)-滑摩功［4］。

1)沖擊度:沖擊度是車輛縱向加速度的變化率。大量試驗(yàn)研究表明人體對(duì)車輛的縱向加速度更敏感，更易產(chǎn)生不適感，所以縱向加速度可作為車輛動(dòng)力性及舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo);沖擊度可以反映真實(shí)的換擋品質(zhì)，其大小與駕駛員的沖擊感基本吻合，且未將外界影響因素如路況、駕駛員個(gè)人偏好等加入到換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)中，因此可作為衡量車輛換擋平順性主要評(píng)價(jià)指標(biāo);

2)換擋時(shí)間:換擋時(shí)間是一個(gè)十分重要的指標(biāo)，優(yōu)良的換擋品質(zhì)是在保證換擋盡可能平穩(wěn)、沖擊盡可能小的基礎(chǔ)上，使換擋時(shí)間盡可能的縮短，以此提高換擋快速性，是車輛動(dòng)力性和耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo);

3)滑摩功:滑摩功是離合器摩擦片之間滑動(dòng)摩擦力做功的大小?；υ酱?，越易導(dǎo)致離合器溫度急劇升高，在過高溫工況下離合器會(huì)降低其工作的可靠性，甚至造成部件燒毀，故滑摩功可作為車輛耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

上述評(píng)價(jià)指標(biāo)分析中，以沖擊度為例，雖能較好的反映換擋過程的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，但直接測(cè)量沖擊度較困難，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，可通過輸出軸轉(zhuǎn)速的二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算間接求取沖擊度，然而，對(duì)實(shí)車試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二階求導(dǎo)，會(huì)放大轉(zhuǎn)速采集時(shí)的誤差，不能達(dá)到理想的使用效果;此外，用來表征換擋過程離合器滑摩程度的滑摩功指標(biāo)的測(cè)量計(jì)算更為復(fù)雜，精度無法保證，不能得到理想的參量。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

車輛追求性能的差異導(dǎo)致不同指標(biāo)的傾向性不盡相同，如英國Schwab 在1994 年發(fā)表了一篇關(guān)于乘用車換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的文章，指出以濾波后的加速度峰峰值(波峰到波谷的差值)、沖擊度峰峰值、表示換擋過程平均能量大小的平均功率最大值及能量含量較高的10 ～14 Hz 頻率范圍內(nèi)的加速度峰峰值作為換擋品質(zhì)經(jīng)濟(jì)性、平順性及舒適性客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)4 個(gè)組成部分［5］。

車輛換擋過程主要保證動(dòng)力性及平順性，從換擋過程控制的角度出發(fā)，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，若整個(gè)換擋過程中瞬時(shí)最大加速度和平均加速度同時(shí)限定在某一個(gè)可接受范圍之內(nèi)，可保證此換擋過程的平順性，據(jù)此確定選取加速度信號(hào)為其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前在綜合傳動(dòng)控制中，僅裝有轉(zhuǎn)速傳感器，其中渦輪軸轉(zhuǎn)速在整個(gè)換擋過程變化明顯，信號(hào)容易獲取，并能夠很好的反映換擋過程中充放油緩沖控制對(duì)整個(gè)換擋動(dòng)力學(xué)過程的影響;且渦輪轉(zhuǎn)速與車速成正比關(guān)系，因此將渦輪軸轉(zhuǎn)速變化情況作為指標(biāo)參量進(jìn)行換擋平順性評(píng)價(jià)，既滿足客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定原則，又能夠很好的反映換擋品質(zhì)。

車輛的不同擋位，階比不同，其中以1 擋升2 擋的階比最大，且此時(shí)車輛的慣性較小，換擋過程控制更困難;待結(jié)合離合器主、從部分速差最大，故此過程更易產(chǎn)生相對(duì)較大的沖擊，且滑摩時(shí)間和換擋時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。據(jù)此將車輛換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)細(xì)化定義:

1)渦輪轉(zhuǎn)速變化率的峰值:整個(gè)換擋過程中，渦輪轉(zhuǎn)速變化率的峰值。通過對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速變化率的峰值的評(píng)價(jià)，限制由于控制出現(xiàn)偏差，造成渦輪轉(zhuǎn)速變化率瞬時(shí)值過大，可能會(huì)造成的沖擊;

2)渦輪轉(zhuǎn)速平均變化率:以整個(gè)同步過程中，離合器主、從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速差與同步時(shí)間的比值來表述。通過對(duì)轉(zhuǎn)速平均變化率的評(píng)價(jià)，限制滑摩時(shí)間;

3)擋位:不同擋位下的換擋，由于車輛工況不同，控制過程不同，所以評(píng)價(jià)方式應(yīng)有所區(qū)別。本文主要以1 擋升2 擋的換擋過程數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)方法的確定

2.1 評(píng)價(jià)方法的介紹

目前對(duì)于自動(dòng)變速器換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有很多，例如基于D-S 證據(jù)理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車換擋平順性評(píng)價(jià)方法［6］，基于BPNN 和RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)方法［7］;AVL 公司采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)出AVL-DRIVE 評(píng)價(jià)系統(tǒng)，將試驗(yàn)獲得的一百多個(gè)數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，輸出量為起步、加速、換擋等工況的客觀評(píng)價(jià)等級(jí)［8-9］;瑞典Volvo 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了換擋平順性評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)，建立起主觀評(píng)價(jià)與車輛換擋舒適性之間的映射關(guān)系［10］。

換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)是一個(gè)非線性、復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，且換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間互相耦合，綜合作用，因而難以建立客觀、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型［11］。BPNN具有非線性系統(tǒng)辨識(shí)特性，其強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力及高度非線性映射特點(diǎn)，為換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)方法的研究提供了有力的理論支撐。

BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，神經(jīng)元分層排列，分別組成輸入層、中間層(隱藏層)和輸出層。網(wǎng)絡(luò)同層節(jié)點(diǎn)間沒有任何耦合，輸入模式經(jīng)過各層次的順序傳播，最后在輸出層輸出。

2.2 BPNN 模型

換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)模型是一個(gè)多輸入、單輸出系統(tǒng)，利用Matlab/Simulink 開發(fā)環(huán)境搭建模型如圖2 所示。

圖1 基本BP 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Basic BP network topology

圖2 換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)模型Fig.2 Objective evaluation model of shift quality

將記錄保存下的不同量綱的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化處理，使其落在［0，1］區(qū)間，輸入到已訓(xùn)練好的BPNN，經(jīng)過權(quán)值計(jì)算得出客觀評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果，最后通過反歸一處理得到當(dāng)前工況下?lián)Q擋過程平順性客觀評(píng)價(jià)等級(jí)［12］，以此取代傳統(tǒng)的專家打分來完成評(píng)價(jià)任務(wù)。

2.3 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)軟件的開發(fā)

Matlab/GUI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、訓(xùn)練與仿真、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出操作等，操作簡(jiǎn)單方便，基于此開發(fā)客觀評(píng)價(jià)軟件，即履帶車輛大功率AT換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)軟件(TVOESQ)，評(píng)價(jià)軟件界面如圖3 所示，其中的功能鍵可調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)功能。

圖3 履帶車輛換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)軟件界面Fig.3 Interface of TVOESQ

3 BPNN 的建立及訓(xùn)練

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

借助于GUI，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)完成BPNN 的設(shè)計(jì)與分析。首先定義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練樣本取自實(shí)車試驗(yàn)時(shí)采集系統(tǒng)通過CAN 總線實(shí)時(shí)采集保存的動(dòng)態(tài)物理參量，經(jīng)過濾波除噪及換算后作為換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)導(dǎo)入GUI;然后運(yùn)行Matlab/GUI，在Network/Data Manager 窗口創(chuàng)建一個(gè)BPNN，對(duì)于BPNN，有一個(gè)非常重要的定理，即對(duì)于任何在閉區(qū)間內(nèi)的一個(gè)連續(xù)函數(shù)都可以用單隱層的BPNN 逼近，因而選取單隱層的BP 網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行評(píng)價(jià);最后對(duì)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化、訓(xùn)練、自適應(yīng)及仿真分析研究。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

從實(shí)車試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)中選出50 組1 擋升2 擋的換擋過程數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)向量，其中換擋過程以渦輪轉(zhuǎn)速連續(xù)下降點(diǎn)為起始，以渦輪轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速同步點(diǎn)為結(jié)束，同時(shí)將專業(yè)人員對(duì)該換擋品質(zhì)的評(píng)分作為50 組結(jié)果輸出數(shù)據(jù)向量，選其中40 組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練。選取logsig 作為隱層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)，選取tansig 作為輸出層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)，確定訓(xùn)練精度為0.1，訓(xùn)練步數(shù)為500. 部分輸入數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 部分輸入?yún)?shù)Tab.1 Partial input parameters

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)將影響網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差的大小，取3 ～8 個(gè)神經(jīng)元分別進(jìn)行訓(xùn)練，通過誤差對(duì)比，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)性能的訓(xùn)練速度，隱含層神經(jīng)元為7 的BPNN 逼近誤差為0.075 7，對(duì)函數(shù)的逼近效果最好，誤差較小且訓(xùn)練時(shí)間較短，其訓(xùn)練誤差性能曲線如圖4 所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差性能曲線Fig.4 Error performance curves of neural network training

4 試驗(yàn)及評(píng)價(jià)效果驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

圖5 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)試驗(yàn)示意圖Fig.5 Experimental evaluation of shift quality

換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究方法如圖5 所示，試驗(yàn)場(chǎng)地為專業(yè)跑車試驗(yàn)場(chǎng)地，試驗(yàn)設(shè)備均已標(biāo)定。測(cè)試車輛為履帶車輛，測(cè)試過程中由專家對(duì)換擋品質(zhì)進(jìn)行打分，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及專家評(píng)分由采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并保存到TXT 文本，方便后期數(shù)據(jù)預(yù)處理;如圖6所示為預(yù)處理前保存的1 擋升2 擋實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)曲線，試驗(yàn)車輛在穩(wěn)定的70%油門開度下從1 擋升至2 擋，從圖中可看出此過程中渦輪轉(zhuǎn)速變化明顯。

參加試驗(yàn)的有專業(yè)駕駛員、技術(shù)人員以及控制設(shè)計(jì)人員，以技術(shù)人員和控制設(shè)計(jì)人員為主，專業(yè)駕駛員為輔，通過對(duì)換擋過程離線數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行主觀打分，換擋品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示，在專家主觀評(píng)價(jià)過程中應(yīng)注意換擋平順性，換擋時(shí)間，測(cè)試過程中對(duì)乘員艙內(nèi)乘員聽覺及呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等的影響，還應(yīng)注意對(duì)駕駛員正常操作的影響，如其應(yīng)對(duì)緊急情況的能力等，最后將主觀打分結(jié)果進(jìn)行均值處理，作為主觀評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果。

表2 主觀評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Subjective rating scale

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線預(yù)處理，可得到換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，客觀評(píng)價(jià)等級(jí)則可以通過TVOESQ 獲得。對(duì)比測(cè)試的10 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)客觀評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)的分?jǐn)?shù)，可以驗(yàn)證此客觀評(píng)價(jià)方法的可行性和一致性。

4.2 評(píng)價(jià)效果驗(yàn)證

列出的所有客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)都是對(duì)圖6 的試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)處理后得到的，對(duì)測(cè)試的10 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過TVOESQ 進(jìn)行仿真，得到每次試驗(yàn)換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)等級(jí)。將主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)與客觀評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

圖6 1 擋升2 擋實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 1 block | 2 block real vehicle test data

表3 主客觀評(píng)價(jià)對(duì)比Tab.3 Comparison of subjective and objective evaluations

由表3 可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的客觀評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果與實(shí)際主觀評(píng)價(jià)等級(jí)誤差在［-0.6，+0.6］內(nèi)，這一誤差范圍對(duì)于換擋平順性評(píng)價(jià)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)(1 ～10)來說已可達(dá)到客觀正確評(píng)價(jià)的目的，甚至小于不同專家之間的主觀評(píng)價(jià)差異，從而可被接受，具備一定的使用價(jià)值。

從評(píng)價(jià)結(jié)果1 與評(píng)價(jià)結(jié)果6 的對(duì)比可以看出:在渦輪轉(zhuǎn)速平均變化率相同的情況下，渦輪轉(zhuǎn)速變化率峰值的不同會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)等級(jí)的改變，這說明渦輪轉(zhuǎn)速變化率峰值是一個(gè)具有較強(qiáng)表征意義的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo);通過評(píng)價(jià)結(jié)果9 與評(píng)價(jià)結(jié)果10 的對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)，渦輪轉(zhuǎn)速平均變化率較大的，說明滑摩時(shí)間稍長(zhǎng)，渦輪轉(zhuǎn)速變化率峰值較大的，則可能造成的沖擊會(huì)較大，評(píng)價(jià)等級(jí)較低，這說明渦輪轉(zhuǎn)速平均變化率也具有強(qiáng)烈的表征意義。

5 結(jié)論

本文從換擋平順性的角度出發(fā)，提出履帶車輛換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)及確定依據(jù)，利用BPNN 進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)測(cè)試。確定的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)獲取方便，且能較好的反映換擋品質(zhì);試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得出，基于BPNN 的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果具有良好的數(shù)值逼近性和穩(wěn)定性，證實(shí)該方法是合理的、有發(fā)展前景的。該評(píng)價(jià)模型具有一定的使用價(jià)值，可以部分替代專家打分的評(píng)價(jià)方法，縮短開發(fā)周期并節(jié)省大量人力，并可為開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)自適應(yīng)功能、動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)功能提供理論基礎(chǔ)。

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