基于Stateflow的汽車變速器建模研究

1、. 研究生課程論文基于Stateflow的汽車自動(dòng)變速器建模研究科目：汽車動(dòng)力學(xué)授課教師：年級(jí)專業(yè)：學(xué)生：*：是否進(jìn)修生？是否基于Stateflow的汽車自動(dòng)變速器建模研究理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 430070摘要：變速器是汽車上極為關(guān)鍵的一局部，研究難度大。一個(gè)理想的汽車變速器應(yīng)當(dāng)使汽車具有良好的動(dòng)力性。本文研究了汽車自動(dòng)變速器換擋控制，運(yùn)用MATLAB/Simulink建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型、各檔位驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型、自動(dòng)變速器模型，并使用Stateflow工具箱建立了自動(dòng)變速器的換擋控制策略。仿真得到驅(qū)動(dòng)力曲線、換擋控制點(diǎn)、動(dòng)力性換擋規(guī)律曲線、結(jié)果準(zhǔn)確度高，說明所采用基于Stateflow的換擋控制策略

2、能夠良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)變速器的換擋控制。關(guān)鍵詞：自動(dòng)變速器；MATLAB/Simulink；Stateflow；模型；控制策略Researchfor modeling ofautomobile automatic transmissionbased on StateflowPan Zhi-qiang(Wuhan University of Technology College ofWuhanautomotive engineering HubeiWuhan 430070)Abstract:The transmission isa key part of the car,which is very

3、 difficult to be studied. An idealvehicletransmission should havegood power to the car.This paper studies theshiftcontrol strategy of automobile automatictransmission,using MATLAB/Simulink to establish amodel of engine,the calculationmodel of geardriving force, model of automatic transmission. And t

4、he shiftcontrolstrategy ofthe automatic transmission is established by using Stateflowtoolbo*.The simulation outputsinclude driving forcecurve,shifting controlpoint,power shiftcurve.The results have thigh accuracy,indicating that theshift control strategy based on Stateflowcan realize theshiftof aut

5、omatic transmissioncontrolaccurately.Keywords:automatic transmission;MATLAB/Simulink;Stateflow;model;control strategy1引言變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成局部，其主要功能是平安可靠地傳遞動(dòng)力，通過檔位選擇實(shí)現(xiàn)汽車的起步加速、減速等1。汽車變速器是以它的部齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為主要構(gòu)造的動(dòng)力轉(zhuǎn)換和傳遞機(jī)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)又是機(jī)械中最常用的傳動(dòng)形式之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、紡織、冶金、采礦、汽車、航空、航天及船舶等領(lǐng)域2。本文分析了汽車自動(dòng)變速器的工作原理，通過MATLAB/Simulink

6、軟件建立了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模型、汽車變速器各檔位驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型和變速器模型，運(yùn)用MATLAB中的Stateflow工具箱建立了五檔位的變速器換擋控制策略。仿真結(jié)果說明，基于Stateflow的換擋控制策略能夠準(zhǔn)確地對(duì)變速器實(shí)施控制，輸出的車速、轉(zhuǎn)矩結(jié)果正確。2汽車自動(dòng)變速器仿真技術(shù)研究與拓?fù)錁?gòu)造汽車的技術(shù)進(jìn)步主要表達(dá)于電控技術(shù)在汽車上廣泛的應(yīng)用，隨著我國(guó)車輛自主研發(fā)的進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)國(guó)高檔車輛的開發(fā)，電控系統(tǒng)將會(huì)越來越多的在車輛上實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用，車輛自主開發(fā)的最大挑戰(zhàn)是需要擁有車輛自主開發(fā)技術(shù)34。在電控產(chǎn)品開發(fā)中，電控系統(tǒng)硬件開發(fā)技術(shù)較為成熟，開發(fā)的核心與難點(diǎn)是控制系統(tǒng)軟件。成熟的控制軟件是提高車輛性能

7、和控制功能實(shí)現(xiàn)的主要因素，因此電控系統(tǒng)控制策略的開發(fā)是電控產(chǎn)品開發(fā)的主要容。自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)起步，在車輛合理的換擋時(shí)刻實(shí)現(xiàn)平順且可靠的換擋。雖然基于模型仿真分析只是接近真實(shí)，但是計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，給研發(fā)人員提供了高效且能夠深入了解復(fù)雜系統(tǒng)特性的能力。實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真計(jì)算技術(shù)相輔相成，能夠極大提高控制軟件的開發(fā)可靠性與效率5。因此，運(yùn)用MATLAB軟件建立自動(dòng)變速器的模型，采用基于Stateflow的控制策略，實(shí)現(xiàn)變速器換擋規(guī)律的控制。整體拓?fù)錁?gòu)造如圖1所示。圖1 汽車自動(dòng)變速器模型拓?fù)錁?gòu)造圖3自動(dòng)變速器主要模型3.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模型發(fā)動(dòng)機(jī)建模采用查表方式。其中在發(fā)動(dòng)機(jī)起

8、動(dòng)時(shí)，介入起動(dòng)機(jī)模式，本次起動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于880r/min，并且車速小于10km/h。由節(jié)氣門開度及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查表插值得到發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力BMEP圖中Pe表示，再根據(jù)公式1計(jì)算得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。其中V為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，n=2。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為平均有效壓力對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與損失平均有效壓力對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩之差。排放可由平均有效壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查表插值得到。建立查表模型如圖2所示。通過該模型輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)模型中Starter模型，即發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型。設(shè)定車速小于10km/h，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于880r/min。圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型3.2各檔位驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型由輸入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

9、Ne和節(jié)氣門開度Pedal可查表、計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)驅(qū)動(dòng)力2可計(jì)算得到車輪驅(qū)動(dòng)力。其中ig、i0分別為變速器、主減速器的傳動(dòng)比，r為車輪滾動(dòng)半徑。為機(jī)械效率與主減速器效率之積。而車速3為此，可將節(jié)氣門開度設(shè)為100%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由880r/min增至6000r/min，即可得到驅(qū)動(dòng)力Ft、車速Ua對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的值。設(shè)定變速器檔位為5檔，所建立的模型如圖4所示。圖4 各檔驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型3.3汽車自動(dòng)變速器模型簡(jiǎn)介Stateflow是有限狀態(tài)機(jī)的圖形實(shí)現(xiàn)工具，它使用流程圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等概念6，用以解決復(fù)雜的監(jiān)控邏輯問題。Stateflow是嵌入到MATLAB中的，能夠?qū)imulin

10、k建模的實(shí)際系統(tǒng)中目標(biāo)的狀態(tài)變化進(jìn)展動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)二者的無縫連接。Stateflow圖表由圖形對(duì)象和非圖形對(duì)象構(gòu)成，圖形對(duì)象包括狀態(tài)(state)、轉(zhuǎn)移(transition)、節(jié)點(diǎn)(junction)等，非圖形對(duì)象包括事件( event)、數(shù)據(jù)( data)、目標(biāo)對(duì)象( target)。在Stateflow 圖表中，狀態(tài)用圓角矩形表示，能表達(dá)層次關(guān)系、并行關(guān)系以及歷史記錄的功能。狀態(tài)是系統(tǒng)的運(yùn)行模態(tài)，有激活與非激活兩種模式。轉(zhuǎn)移定義系統(tǒng)的邏輯信號(hào)流向，用來聯(lián)系任意兩個(gè)圖形目標(biāo)、狀態(tài)或節(jié)點(diǎn)。利用轉(zhuǎn)移和節(jié)點(diǎn)就可以很方便地設(shè)計(jì)開發(fā)出復(fù)雜的邏輯。事件和數(shù)據(jù)不在圖表中呈現(xiàn)、需要在Stateflow E

11、*plorer中定義和修改。事件可以觸發(fā)轉(zhuǎn)移的發(fā)生和行為的執(zhí)行，數(shù)據(jù)用來存儲(chǔ)圖表中涉及到的數(shù)字變量。輸入輸出事件和數(shù)據(jù)與Simulink之間可以實(shí)現(xiàn)相互的通訊連接7。自動(dòng)變速器模型與換擋控制策略本文應(yīng)用Stateflow建立自動(dòng)變速器的模型，分別如圖5、圖6所示。圖5 自動(dòng)變速器模型自動(dòng)變速器模型的輸入量有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、車速信號(hào)和油門踏板信號(hào)。采用Stateflow的邏輯控制方法，將車速信號(hào)、油門踏板信號(hào)作為輸入，輸出檔位信號(hào)，對(duì)應(yīng)齒輪箱中的傳動(dòng)比。本次設(shè)計(jì)的五檔自動(dòng)變速器，各檔位傳動(dòng)比分別為：i1=3.583；i2=1.947；i3=1.343；i4=0.978；i5=0.804。

12、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩乘以對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比，可以得到各檔位下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩輸出量。圖6 基于Stateflow的自動(dòng)變速器換擋控制邏輯在基于Stateflow的控制邏輯中，由車速和發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度同時(shí)控制檔位的轉(zhuǎn)換，由兩者得到控制量down_th和up_th，通過各檔驅(qū)動(dòng)力模型輸出結(jié)果計(jì)算得到。當(dāng)輸入的車速大于或小于*一down_th或up_th時(shí)，實(shí)施換擋。4仿真結(jié)果分析根據(jù)動(dòng)力性分析，汽車在換擋時(shí)，在相鄰兩檔對(duì)應(yīng)加速度相等時(shí)的車速換擋動(dòng)力性最正確。即不同油門開度下驅(qū)動(dòng)力曲線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的車速作為換擋點(diǎn)。換擋點(diǎn)車速需滿足條件：Uminn+1UUma*n4式中：Uminn+1為n+1檔最低車速； Uma*n為

13、n檔最高車速。當(dāng)所求交點(diǎn)車速U不滿足以上條件時(shí)，則根據(jù)以下條件決定：1當(dāng)高檔n+1檔最低車速處的驅(qū)動(dòng)力大于此車速下低檔得驅(qū)動(dòng)力，則換擋點(diǎn)為n+1檔的發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速點(diǎn)；2當(dāng)?shù)蜋nn檔的最高車速處的驅(qū)動(dòng)力大于此車速下高檔的驅(qū)動(dòng)力，則換擋點(diǎn)為n檔的發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)。由圖4各檔驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型可以得到不同油門開度下各個(gè)檔位下的驅(qū)動(dòng)力曲線，如圖7所示。圖7 各檔不同油門開度下驅(qū)動(dòng)力曲線發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度最大設(shè)為100%。計(jì)算workspace中的數(shù)據(jù)，得到升檔點(diǎn)和降檔點(diǎn)的值，如表格1、2所示。表1 各檔位下的升檔點(diǎn)車速值升檔點(diǎn)km/h12233445013.1018.7125.8832.151013.1018.

14、7125.8832.152018.5030.1142.2754.353023.5939.0055.8174.154027.7047.9068.2589.415030.2751.4073.5499.096032.5054.2077.44102.607033.7657.6081.37105.208034.6259.9384.76107.309035.3461.3086.89109.4010036.0562.2088.28111.40最大油門開度同樣設(shè)定為100%。計(jì)算得到降檔點(diǎn)的車速的取值，如表2所示。升檔點(diǎn)km/h2132435409.8314.8320.2127.12109.8314.8320

15、.2127.122014.8024.0933.8243.483018.8731.2044.6559.324024.9343.1161.4380.475027.2446.2666.1989.186029.2548.7869.7092.347030.3951.8473.2394.688031.1653.9476.2896.579031.8155.1778.2098.4610032.4455.9879.45100.26表2 各檔位下的降檔點(diǎn)車速值由表1、表2中的數(shù)據(jù)繪制動(dòng)力性換擋規(guī)律曲線，如圖8所示。圖8 動(dòng)力性換擋規(guī)律曲線由動(dòng)力性換擋規(guī)律曲線可以得到自動(dòng)變速器Stateflow控制模型中的up_t

16、h和down_th的取值，進(jìn)而控制自動(dòng)變速器的換擋。由圖8可以看出，該自動(dòng)變速器換擋控制良好，但由于數(shù)據(jù)較少的原因，所得到的換擋曲線不是平滑的曲線。仿真得到自動(dòng)變速器的輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速曲線，如圖9、圖10所示。圖9 自動(dòng)變速器輸出扭矩圖圖10 自動(dòng)變速器輸出轉(zhuǎn)速圖由圖9、圖10可以看出，變速器扭矩輸出不夠平緩，轉(zhuǎn)速輸出較好。5結(jié)論汽車自動(dòng)變速器是車輛研究領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，有著重要的研究意義。本文通過MATLAB軟件建立了汽車自動(dòng)變速器的相關(guān)模型，并運(yùn)用Stateflow工具箱建立了自動(dòng)變速器的換擋控制策略。仿真輸出各檔位下的驅(qū)動(dòng)力曲線、進(jìn)而繪制出動(dòng)力性換擋規(guī)律曲線。結(jié)果說明，對(duì)于所設(shè)計(jì)的五檔自動(dòng)變速器，換擋控制規(guī)律良好，變速器的輸出結(jié)果比擬理想。參考文獻(xiàn)1 鶴松, 勝民. 基于MATLAB的汽車變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法J. 工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),