《车辆工程毕业设计(论文）-基于GPS的中度混合动力汽车未来运行状态预测.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《车辆工程毕业设计(论文）-基于GPS的中度混合动力汽车未来运行状态预测.doc（44页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、 重庆大学本科学生毕业设计（论文）基于GPS的中度混合动力汽车未来运行状态预测学 生： 学 号：指导教师： 专 业：车辆工程重庆大学机械工程学院二O一O年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe Prediction of the driving state to Mild Hybrid Electric Vehicle Based on GPS systemUndergraduate: Supervisor:Associate Prof.Major:Vehicle EngineeringCollege of Mechanic
2、al EngineeringChongqing UniversityJune 2010重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要混合动力电动汽车(Hybr记ElectricVehicle)是汽车技术不断发展的产物，既具有纯电动汽车高效率和低排放或零排放的特性，又具有传统内燃机汽车动力性强和续驶里程长的优点，是当前解决节能、环保问题切实可行的一种过渡方案。本文基于车载全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）对混合动力汽车未来时刻工作状况进行预测，从而为更好的提高混合动力汽车的控制策略提供良好的基础。本文主要内容可概括如下：本文首先介绍了GPS和GIS的工作原理，并对基于GPS/GIS
3、的混合动力汽车未来预测做了简单概括。运用模糊控制理论以汽车当前时刻运行状态（车速，油门开度，油门开度变化量）为输入量，以汽车未来时刻加速度为输出量建立模糊控制模型预测汽车下一时刻加速度。通过GPS、GIS提供的路况信息，对汽车下一时刻所经历路况坡度进行预测。运用模糊控制理论以汽车当前时刻速度以及经路况以及汽车行驶状况计算所得的总阻力功率为输入，以汽车档位为输出，建立模糊控制模型，对汽车下一时刻档位进行预测。运用MATLAB中Simulnk模块在ECE和EUDC两种工况下进行了仿真，结果表明该模型能较准确的预测出临近时刻的加速度、速度。档位，这样我们就能预测出整个预测线路上混合动力汽车的运行状态
4、。关键词：混合动力汽车,运行状态,模糊控制,预测控制IV重庆大学本科学生毕业设计（论文） AbstractABSTRACTHybrid Electric Vehicle is a product of the continuous development of technology, not only have the high efficiency nd low emissiong performance of pure electric vehicle, but also have the advantage of traditional internal combustion engin
5、e vehicle with strong impetus and continued driving mileage. The predictive control of HEVs with global positoning system and geographic information system on board is the effetive method for decreasing fuel consumption,recovering regenerative braking energy and prolonging battery life.under ideal c
6、ondition,if we could know the driving condition in the future in advance ,we can inprove the fuel economy and emission reduction through optimization method when the vehicle is running. This paper conclud the four sides: We first introduce Hybrid Electric Vehicle and the method of GPS/GIS systerm, i
7、n oder to represent the method to apply GPS/GIS systerm to Hybrid Vehicle.The building of speed model of vehicle driving state at current moment can be gained by calculating the first few moments of weighted average velocity;the prediction of driving state on the predictive route far away from curre
8、nt position is relatively easy.A reasonable predictive horizon on the predictive route is selected,and then some sampling points on the predictive horizon is selected,the average speed of each sampling points by the GPS/GIS is get. The average speed of sample points can be used as vehicle speed in t
9、he short bursts of region near the sample points.Building the gear model by the fuzzy control principle. Vehicle Speed and road power as the fuzzy input, gear predictiong as the output. Using MATLAB Simulnk tool to predict acceleration or deceleration in the moments near corrent moment is performed
10、by using vehicle speed、accelerator pedal、the rate of accelerate pedal to built a driver model based on fuzzy control,and a simulation is made under the mode of ECE and EUDC cycle,the result shows that this model can predict the approaching moment of acceleration and velocity accurately .in this way
11、we will be able to predict the driving condition to HEVs on the whole predict route.Key words:hybrid electric vehicle,driving state,fuzzy control,predict Control重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录中文摘要ABSTRACT1绪论11.1汽车未来运行状态预测研究背景11.2汽车未来运行状态预测研究现状11.3 本文研究的目的和研究内容31.3.1 本文的研究目的31.3.2本文研究的主要内容32 GPS和GIS的工作原理42.1全
12、球定位系统(GPS)概述52.2地理信息系统(GIS)概述.62.2全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)工作原理73 汽车未来运行状态的预测83.1轻度混合动力汽车的结构和原理83.2速度加速度预测93.3坡度预测113.4挡位预测114 基于模糊控制理论的驾驶员模型建立154.1 模糊控制理论概述154.1.1 隶属函数154.1.2 模糊运算174.1.3模糊规则和模糊推理174.1.3模糊判决184.2 基于模糊控制理论的驾驶员模型的建立184.2.1 确定模糊控制器结构184.2.2模糊识别所需信息194.2.3 输入输出变量模糊子集204.2.4 输入输出变量隶属度函数20
13、4.2.5 模糊控制规则244.2.6模糊控制三维曲面图275仿真及结果295.1 Matlab仿真软件介绍295.2 匀加减速过程仿真305.3 匀加速和匀减速仿真结果306 结论34致谢35参考文献36重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论“能源紧缺”已经成为21世纪最为严峻的话题之一， 石油，作为人类生产生活的必需品正日益走向枯竭。然而汽车行业所耗费的石油几乎占到所有石油销量的一半。与此同时，石油价格更是在08年突破每桶150美元。无论是从环保还是经济效益的角度出发，改进传统汽车并减少汽车的燃油消耗量已经成为全社会迫在眉睫的问题。因此，为解决能源紧缺和环境污染这两大问题，开发
14、新一代的清洁节能型汽车成为必然趋势。近年来燃料电池汽车发展十分迅速，但在成本和氢能源的配置等方面仍存在需要解决的问题。与电动汽车相比，混合动力汽车（HEV）具有以下优势：1. 发动机的负荷有所减轻，因而排放和噪声减少；2. 电池数量减少，因而整车质量减轻；3. 由于电动机的辅助，发动机处于良好的状态下工作，加上制动能源的回收等，有助于提高燃油经济性。 混合动力汽车保持了电动汽车超低排放的优点，又发挥了传统内燃机汽车高比能量的长处，因而成为二十一世纪汽车工业发展的重要方向。1.1研究背景1.1.1混合动力汽车简介混合动力电动汽车（亦称复合动力电动汽车）是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，
15、符合汽车道路交通、安全法规的汽车。车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组等，当前混合动力电动汽车一般是指内燃机车、电动机，再加上蓄电池的电动汽车。混合动力汽车有三种基本的工作方式：串联式、并联式和串并联（或称混联）式，混合动力汽车的优点是：（1）采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。（2）因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。（3）在繁华
16、市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。（4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。（5）可以利用现有的加油站加油，不必再投资。（6）可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。但，因为混合动力电动汽车有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。1.1.2混合动力与未来工况预测混合动力汽车的优势在于可以针对不同的路况对发动机输出能量进行回收和利用，可以更好的利用发动机能量，例如在城市工况中，遇到道路堵塞，红绿灯等怠速工况是，可以利用发动机对电动机进行充电，从而利用电动机来驱动汽车行驶，而
17、在高速路段时可以利用发动机进行行驶，根据不用的路况选择不同的运行方式，由此可以更好的利用燃油，从而达到节能减排的作用。但由于实际路况的复杂情况，以及未来道路的不确定性，我们无法对未来某一时刻汽车的运行状态提出合理的控制策略。随着信息科技的不断发展，全球定位系统（Global Position System）普及化以及智能交通系统（Intelligent Transposition Systerm）的发展使汽车未来路况预测得以实现。我们可利用GPS以及ITS提供的未来时刻道路信息状况结合当前时刻汽车的运行状态预测下一时刻汽车的运行状况。通过所预测的汽车未来运行状态来提出汽车下一时刻的控制策略，从
18、而达到减少燃油消耗，减少排放，提高能源利用率的目的。1.2汽车未来运行状态预测研究现状随着车载导航系统（全球定位系统GPS和地理信息系统GIS）在汽车上的应用日趋普及，智能交通系统（ITS）在城市交通中也逐渐发展起来，动态的交通信息是实现城市交通智能化的关键所在，而城市路网的实时行车速度的采集和应用处理是ITS各有关项目如：城市公共交通智能化调度系统、动态路径诱导系统、紧急救援系统、出行者信息服务系统、自动驾驶系统、物流管理等系统实施的核心理论和重要前提之一。目前针对围绕车速数据的采集、维护以及快速变化的量化分布，已经有很大发展。因此我们可以利用它们提供的信息，结合未来运行的路线，运行的状态以
19、及驾驶员的预期功率需求实现汽车的预测控制。例如在常常出现堵车的城市交通中，如果提前预知了堵车的路段就可以避开该路段，若一定要走该路段就可以提前给蓄电池充电，保证采用纯电动驱动有足够的电能通过该路段，从而避开了采用传统内燃机在这种路段上低速低负荷运转带来的高油耗和高排放。又例如当预知前方路线上有一段长下坡并且知道该坡的长度，通过制定的控制策略，我们可以精确的控制让蓄电池从何时开始放电，使其在下完整个长坡时恰好完全的回收了下坡再生制动能量。汽车运行状态分为当前运行状态和未来运行状态，其中未来运行状态指汽车近期的指定路线上的某一段路段上的汽车预估车速和道路坡度坡长等。如果汽车当前运行时，知道下一段的
20、路况：平路，上坡，或是下坡，或是堵车，或是遇到红绿灯等等，那样更便于确定调整汽车切换入充电工况或放电工况的最佳时机，有效地降低混合动力汽车实际运行时的油耗和排放，大幅度地降低混合动力汽车燃油消耗。于是我们需要利用车载全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和ITS来获取汽车在未来预测路线的道路交通信息，如指定路段的平均车速，拥堵情况，路面层高，路口信号灯的起、停状态,路面车速限制等，以及汽车当前和过去运行状态模型，可预测出未来一段行驶路线上的满足驾驶员未来功率需求意图的车速、加速度或减速度计算模型；利用GPS/GIS提供的未来预测路线上的道路层高可预测出路面坡度和坡长。目前对汽车状态的预
21、测研究方面，孔繁森2等根据道路情况来预测驾驶员行为输出的优化Mask分析方法，即预测加速度、减速度和转向盘转角。并且提出了驾驶员行为1的Kuipers定性仿真算法来根据不同类型的驾驶员在具有不同曲率半径和路面情况的一段道路上所做出的车速选择做了定性推理。高振海等2在预瞄跟随理论的基础上 , 最终仿照原有的驾驶员方向控制“预瞄最优曲率模型” 建立了一个模拟驾驶员根据预先给定的目标车速来控制汽车实际行驶速度的驾驶员跟随控制模型 , 有效地描述了驾驶员根据预瞄到的目标车速对汽车实际行驶速度进行控制的速度跟随控制行为特性。管欣3等针对汽车动态运行工况特点研究了一种基于 INS/RTKDGPS组合导航原
22、理的汽车测试系统 , 采用 Kalman滤波技术把 INS和 GPS系统的信息融合在一起 ,估计出车辆的运动状态参数。孙以泽456等中多采用模糊控制理论以熟练驾驶员为模型来进行预测，即是通过驾驶员的输入信号和当前的汽车运行状况进行预测。它通过车速、加速踏板行程及其变化比例，来反映驾驶员加速或减速时的转矩要求，因此其输入是车速、加速踏板行程和它的变化比率，输出为未来汽车车速，加速度等。确定其输入、输出隶属函数及推理规则，就可以得出未来汽车车速，加速度。Stefan Scluoedl 7和 Wenbing Zhang运用神经网络对汽车未来的行使车速进行预测。模糊控制理论和预瞄跟随理论都会用到驾驶员
23、控制模型，驾驶人控制模型的研究是从汽车操纵稳定性的研究开始的。汽车操纵稳定性的研究又可以分为开环分析评价与闭环分析评价两方面。操纵稳定性的开环评价是指分析不包括驾驶人特征(如驾驶技术和驾驶经验等)的汽车本身所具有的性能，其输入与车辆响应无关。通过研究汽车本身输入(如方向盘转角、加速踏板位移或其他外部干扰因素如（侧向风）与输出（如侧向加速度、横摆角速度等）之间的关系，从而做出对汽车自身操纵稳定性的评价1.3 本文研究的目的和研究内容1.3.1 本文的研究目的 本次课题重点研究基于GPS/GIS的轻度混合动力汽车在未来一段时间或一段路面汽车运行状态的预测，最终建立基于GPS/GIS的汽车未来运行状
24、态的预测数学模型。1.3.2 本文的研究内容学习了解全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）的工作原理，建立汽车当前时刻行驶状态车速模型，根据GPS/GIS所提供的汽车未来一段预测路线上的交通信息以及汽车当前运行状态模型，初步建立驾驶员模糊控制模型，预测出混合动力汽车在预测线路上的运行状态。1.3.3 本文研究框架地理信息系统GIS全球定位系统GPS坡度， 车流量等路况信息汽车当前行驶状况模糊控制器汽车未来时刻加速度，档位1.4 文章小结 本章只要阐述了目前世界范围内，燃油汽车带来的能源危机以及带来的环境污染，从而说明了研究和开发混合动力汽车的必要性和重要意义并对混合动力汽车的有点做了分
25、析。对混合动力汽车与未来运行状态分析的关系做了介绍，并阐述了本文的研究思路。为后续章节的研究做铺垫。38重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 GPS和GIS的工作原理2 GPS和ITS的工作原理2.1全球定位系统(GPS)2.1.1 全球定位系统（GPS）概述图2.1GPS是英文Global Positioning Systerm(全球定位系统)的简称，目前主要用于海、路、空三大领域。它由三部分构成8：1.空间部分 GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20 200km的上空，均匀分布在六个轨道面上（如图2.1），卫星的分布使得在全球任何地方，任何时间都可以观测到4颗以上的卫星，
26、并在卫星中预存导航信息。2.地面控制系统 地面控制系统由监测站（Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息。3.用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接受当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。2.1.2
27、 全球定位系统（GPS）工作原理全球卫星定位系统（GPS）已广泛应用在陆路交通上，以此来提供汽车现在位置和运动轨迹的信息。它利用用户设备，以空间卫星进行无线电自动导航。驾驶者只要在出行前向系统输入起始地点、选路原则，即可根据汽车装载的行驶系统到达目的地。这样，既可以提高交通运输的效率，减少交通阻塞，还可以降低排放污染和交通事故，节约出行时间。GPS的基本定位方法是测距交汇确定点位法。测距方法有2种:一是测量GPS卫星发射的测距码信号(C/A码或P码)到达用户接收机的传播时间;二是测量接收机接收到的具有多普勒频率的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。导航和动态定位方式主要有单点定位和
28、差分定位。单点定位是独立确定待定点在地心坐标中的绝对位置,该方法的优点是只需一台接收机,但单点定位的结果受卫星星历误差和卫星信号传播过程中大气延迟误差的影响比较显著,定位精度较差。差分定位是将一台接收机安置在地面已知点上作为基准点,并与所有待测点的接收机同步观测。基准点根据其已知的精确坐标可以求出定位结果的坐标改正值(位置差分法)或伪距观测量的改正数(伪距差分法),然后通过数据链把这些改正数实时传给相关用户。用户利用这些改正数对自己的定位结果或伪距观测量进行改正,从而提高定位结果的精度。不论采用何种观测方法和何种定位方式,其基本原理都是一致的。现以测距码观测方法的单点定位方式为例,说明GPS定
29、位的基本原理。假定 和 分别表示卫星j发射信号时的GPS时和卫星钟时刻,和分别表示接收机收到该卫星信号时的GPS 时和接收机钟时刻,则卫星信号传播时间为9: (2.1)但实际上只能测得 和 ,因此实际测得的卫星信号传播时间为: (2.2)以 和 分别表示卫星钟和接收机钟时刻的偏差,即: (2.3)则有: (2.4)再计入信号传播过程中经历的电离层传播延迟误差 对流层传播延迟误差 等,得: (2.5)将式(2.5)两边同乘以光速c,得: (2.6) 式中: ,为接收机至卫星的几何距离; ， 分别为接收机和卫星j在地心空间直角坐标系中的三维坐标; 为实际可得到的距离观测值,由于不同于真实距离,所以
30、常称为“伪距”。式(2.6)便是GPS定位的基本观测方程。由于卫星钟差可由地面监控系统测定并通过卫星发播的导航电文提供给用户,电离层和对流层传播延迟也可用导航电文提供的参数模型进行校正,因此，式中有x、y、z、t四个未知量需要求解,为此,至少需要对四颗卫星进行观测。2.2 地理信息系统(GIS)与智能交通系统（ITS）2.2.1 地理信息系统（GIS）简介地理信息系统（GIS）是管理和分析空间数据的计算机系统，在计算机软硬件支持下，对空间数据按地理坐标和空间位置进行各种处理，完成数据输入、存储、处理、管理、分析、输出等功能，对数据实行有效管理，研究各种空间实体及相互关系，通过对多因素信息的综合
31、分析，可以快速地获取满足应用需要的信息，并能以图形、数据、文字等形式表示处理结果10。GIS 是人类在生产实践中为描述和处理相关地理信息而逐渐产生的软件系统。它以计算机为手段,对具有地理特征的空间数据进行处理,能以一个空间信息为主线,将其他各种与其有关的空间位置信息结合起来。它的诞生改变了传统的数值处理信息方式,使信息处理由数值领域步入空间领域。在任何一种车辆定位与导航系统中,其操作都是基于电子导航地图进行的,没有电子导航地图,车辆定位与导航系统就成了无本之木,无源之水。电子导航地图属于GIS 的一种应用。2.2.1智能交通系统ITS智能交通系统（Intelligent Transpotati
32、on System）简称ITS，是地理信息系统（GIS）在交通路况方的延伸和发展。它是指以交通工程理论为核心，将先进的信息技术、数据通讯技术、传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地综合集成于整个交通体系，形成一个涵盖人、车、路的有机整体，并能最大限度地发挥整个系统的运输和管理效率11。ITS是目前世界上交通运输科学技术的前沿，是在较完善的道路设施基础上，利用新技术对传统的运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统，具有全方位、实时准确及高效的特点。ITS强调系统性、信息交流的交互性以及服务的广泛性。它使交通基础设施能发挥出最大的效能，提高服务质量，使社会能够高效
33、地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会经济效益12。主要表现在:提高交通的安全水平：减少堵塞，增加交通的机动性；降低汽车运输对环境的影响;提高道路网的通行力以能及捉；汽车运输生产率和经济效益。本文地图数据预处理就是借助ITS系统完成。图2.1 智能交通系统（ITS）在车辆定位与导航系统中,电子导航地图应完成以下功能: 显示地图; 显示当前车辆的准确位置; 按照用户输入的起始、终止位置信息计算并显示各种路径; 显示当前的驾驶环境,如交通标志、街道名称、标志性建筑物等; 按照既定路径为用户提供导航; 以视觉或听觉方式为用户提供驾驶信息或回用户的咨询; 提供与出行有关的其他信息9。2.3 GPS和
34、ITS在本文中的应用汽车导航系统中的GPS信号接收器接收卫星发送的信号，根据卫星信号计算出地面接收机的当前位置。如果地面接收机同时收到4颗以上的卫星信号，就能根据卫星的精确位置及发送信号的时刻，通过计算以求得当前地点的位置。汽车导航系统通过车轮传感器、地磁传感器和偏航传感器等三种传感器获取数据，确定汽车的速度和位置。车轮传感器记录车轮的速度，产生的脉冲信号用于定时计算行驶距离和方向变化。地磁传感器通过励磁绕组感应出电压脉冲，测量出沿途地磁场水平分量的大小与起始点磁场的比较，为车载电脑提供补偿数据。电子地图存储容量能够存储汽车运行区域的所有数据，车载电脑与存储道路网络数据不断比较判断，更正定位误
35、差从而确定最佳行驶路径。当汽车行驶到隧道、高层楼群等处而捕获不到GPS 卫星信号时,系统可自动进入自律导航系统。此时由车速传感器检测汽车的行进速度,通过微处理器的数据处理,由速度和时间计算出前进距离,由陀螺传感器检测前进方向(陀螺仪还能自动存储各种数据) 。装在汽车上的主动响应天线接收导航卫星传来的时间信号,汽车行驶时主动响应天线不断调整角度,使之处于最佳接收状态。系统将时间信号与车载信息数据进行综合处理后提供最佳路线和车辆的精确位置,司机通过导航屏幕可查到所在地区的地图、车辆行驶路线、位置和最佳路线等。在配有导航电视和激光视盘的车辆上,还可查看行车指南、道路交通和天气情况等13。由GPS 卫
36、星导航和自律导航装置检测到的汽车位置坐标数据、前进方向都与实际行驶路线轨迹存在一定误差,为修正这一误差,需采用地图匹配技术,对汽车行驶路线与电子地图上道路的误差进行实时相关匹配和自动修正。如下图: 14图2.2高精度GPS 自主车载导航系统的实现方案在GPS对汽车行驶路线，位置，做出选择后。本文通过ITS系统对将来时刻路段路况进行分析，利用智能交通系统所得到的路面坡度，前方交通状况等信息与当前时刻汽车的行驶状况相结合预测汽车未来时刻运行状态。3 基于模糊控制理论汽车运行状态预测模型的建立3.1 模糊控制理论概述模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方
37、法。模糊控制的理论基础是模糊数学，模糊控制的实现手段是计算机。模糊集合和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh在其Fuzzy Sets、Fuzzy Algorithm 和 A Rationale for FuzzyControl等著名论著中首先提出的。在随后的几十年，模糊控制在工业的许多领域得到了广泛的应用。它的基本思想是将操作人员的控制经验用具有模糊含意的语言变量加以描述，对于无法得到被控对象精确数学模型或系统具有较强非线性的控制过程，模糊控制将会取得较好的控制效果，人们普遍认为它是一种具有较好应用前景的控制方法15。3.1.1隶属度函数隶属函数是一条曲线，它定义了怎
38、样将输入空间(又称“论域”)上的每一点映射到一个0到1之问的隶属度 。比如，定义周末度的曲线和定义季节的曲线都可用隶属函数进行描述。输出轴上的值在0到1之间。称为隶属度。输出曲线则称为隶属函数曲线(或简称隶属函数)。隶属函数常由指定的给出。隶属函数惟一的必须满足的条件，是它的值必须在O到1之问变化。函数木身可以是一条任意的曲线.曲线的形状应当满足在某种角度下。从表面上看，隶属度似乎是主观的。实际上，模糊性的根源在于客观事物差异之间存在着中间过渡，存在着亦此亦彼的现象。但是，在亦此亦彼中依然存在着差异，依然可以相互比较。在上一层次中是亦此亦彼的东西，在下一层次中又可能是非此即彼的东西。这样，在客
39、观上对隶属度进行了某种限定，使得不能主观任意地捏造隶属度。因此，隶属函数也是具有客观规律的东西。本文采用模糊控制中最为常用的正态分布函数以及多项式函数作为隶属度函数，有大量试验表明此函数具有快速，方便，高效，准确等优点。163.1.2模糊矩阵模糊矩阵：设存在有限集则AB中的模糊关系可以表示为mn阶矩阵： （4.11）此矩阵称为模糊矩阵。模糊矩阵是模糊关系的表示方法，它可以像普通矩阵一样便于分析和计算15。3.1.3 模糊规则和模糊推理模糊if-then规则又称模糊隐含或模糊条件语句。它用来阐明包含模糊逻辑的条件语句。一个单独的模糊if-then规则形式如下: if x is A then y
40、is B其中，A和B是由模糊集合分别定义在X,Y范围(论域)上的语言值。模糊规则中的if部分“x is A”被称为规则的前提或假设，同时then部分“y is B”被称为结果或结论。实质上，该表达式描述了变量x与y之间的关系。因此，我们可以把if-then规则定义为乘积空间中的二元模糊关系。建立了模糊规则(模糊蕴涵)的概念之后，我们来进行模糊推理的讨论。推理是对于一个特定表述的解释过程，它利用所有的有用知识以产生最佳的输出估计。在模糊系统中，利用推理机制完成当前模糊输入集与所有模糊规则前提的模式匹配。并结合其响应，产生一个单独的模糊输出集。Mamdani推理法是一种在模糊控制中普遍使用的方法，
41、它的本质是一种近似推理合成方法。对于“if A and B then C ”语句，其关系 R 为： （4.12）当已知输入时，则输出可用下式求出： （4.13）其中“”表示模糊关系的合成运算18。3.1.4 模糊判决模糊控制的输出是一个模糊集合，它反映输出语言变量不同取值的一种组合，如果被控过程只能接受一个控制量，这就需要从输出的模糊子集中判决出一个精确的控制量。例如釆用重心法来得到精确控制量： （4.14）其中：和分别是模糊输出元素和它的隶属度，为输出元素个数。通过重心法，可将具有不同隶属度的模糊输出元素合成一个精确控制量，此精确量必须乘以控制系统的比例因子，才能得到实际的控制量15。3.2
42、基于模糊控制理论的汽车驾驶员模型建立3.2.1确定模糊控制器的结构图3.1模糊控制器的系统方框图模糊控制器的输入变量和输出变量是以自然语言形式，而不是以数值形式给出的变量，因此有“模糊”之称。确定模糊控制器的输入输出变量是设计模糊控制器的第一步。由于模糊控制器的控制规则是根据熟练驾驶员的手动控制经验总结出来的，而操作者一般只能观察到被控过程的输出变量及其变化率，故在模糊控制器中通常将误差及其变化率作为输入语言变量，而将被控过程的输入变量作为控制器的输出语言变量u。一般情况，模糊控制器的输入语言变量多取系统误差及其变化率。这种结构反映出模糊控制器具有非线性PD控制规律，从而有利于保证系统的稳定性
43、，并可减少响应过程的超调量和振荡现象。3.2.2 模糊识别所需信息(一)车辆运行工况参数4与混合动力汽车未来运行状态有关的车辆工况参数如下：1、油门开度 油门开度是汽车速度、加速度的主要控制参数之一，在换档和起步控制中必须对油门进行干预，它还反映了发动及输出功率。2、加速踏板 加速踏板的位置和操纵特征直接反映了驾驶者的意图，在油门刚性控制结构中它与油门一致。 3、离合器行程 起步、换档中离合器行程是控制量之一，用于离合器结合控制，这就直接对汽车速度、加速度产生了影响。4、车速 车速直接反映了当前汽车行驶状态，它将对汽车未来状态产生间接的影响。5、制动踏板 制动踏板的位置和操纵特征直接反映了驾驶
44、者的意图，如对速度、减速度起决定性作用。（二）道路条件与驾驶意图的特征描述18路面特征和驾驶员操作意图综合归纳如下几种典型情况：1、良好路段 路面较平坦且宽，车辆、行人较少，视线良好。特征是油门中高以上，速度较高，油门、速度变化较少，刹车少。2、复杂路段 车辆行人多，视线不号，路面弯曲不平，路口多，特征是油门较小，变化频繁，速度较低，速度相对变化不大，刹车频繁且持续时间短。3、颠簸路面 路面不平整、泥泞等，油门中小，油门变化较小，速度低，速度变化较小，刹车少。4、上陡坡 油门大，车速低，加速度较大负值（初始上坡时），刹车少。5、下陡坡 油门小，车速高，加速度较大正值，刹车累计时间长。6、转弯
45、特征是有较明显的收油门动作，减速持续时间较长，有强度较弱的刹车。7、加速 操纵目标是提高车速，如超车等情况。油门较急踏下持续一小段时间后进一步加大踏入量，加速度较大，无刹车。8、减速停车 特征是驾驶员有较明显收油（到底），速度持续降低，刹车持续使用。经综合比较，本文在建立加速度模糊控制预测模型时以速度，油门开度，油门开度变化率为输入，以加速度为输出，在建立模糊控制规则是我们分别建立了城市工况以及郊区工况下的模糊控制规则。进一步通过积分的方法推导出汽车下一时刻的速度。在建立档位预测模型时，我们选取由加速度模型推算出的汽车下一时刻速度以及汽车阻力功率为输入量，汽车下一时刻档位为输出量，运用Mamdani法则建立模糊控制规则，计算汽车未来时刻档位。3.4 本章小结本章首先对模糊控制理论进行了简单介绍，在此基础上建立了本实验的模糊控制模型，为后章节进行模糊控制规则的建立以及Smulink仿真做铺垫。4 汽车未来运行状态