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1、 研究生課程論文 基于Stateflow的汽車自動變速器建模研究 科 目： 汽車動力學(xué) 授課教師： 年級專業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 是否進修生？ 是 □ 否 □ 基于Stateflow的汽車自動變速器建模研究 （武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 湖北 武漢 430070） 摘要：變速器是汽車上極為關(guān)鍵的一部分，研究難度大。一個理想的汽車變速器應(yīng)當(dāng)使汽車具有良好的動力性。本文研究了汽車自動變速器換擋控制，運用MATLAB/Simulink建立發(fā)動機模型、各檔位驅(qū)動力計算模型、自

2、動變速器模型，并使用Stateflow工具箱建立了自動變速器的換擋控制策略。仿真得到驅(qū)動力曲線、換擋控制點、動力性換擋規(guī)律曲線、結(jié)果準(zhǔn)確度高，表明所采用基于Stateflow的換擋控制策略能夠良好地實現(xiàn)對自動變速器的換擋控制。 關(guān)鍵詞：自動變速器；MATLAB/Simulink；Stateflow；模型；控制策略 Research?for modeling of?automobile automatic transmission?based on Stateflow Pan Zhi-qiang (Wuhan University of Technology College of?Wuh

3、an?automotive engineering Hubei?Wuhan 430070) Abstract:?The transmission is?a key part of the car,?which is very difficult to be studied. An ideal?vehicle?transmission should have?good power to the car.?This paper studies the?shift?control strategy of automobile automatic?transmission,?using MATLAB

4、/Simulink to establish a?model of engine,?the calculation?model of gear?driving force, model of automatic transmission. And the shift?control?strategy of?the automatic transmission is established by using Stateflow?toolbox.?The simulation outputs?include driving force?curve,?shifting control?point,?

5、power shift?curve.?The results have thigh accuracy,?indicating that the?shift control strategy based on Stateflow?can realize the?shift?of automatic transmission?control?accurately. Keywords:?automatic transmission;?MATLAB/Simulink;?Stateflow;?model;?control strategy 1引言 變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是安

6、全可靠地傳遞動力，通過檔位選擇實現(xiàn)汽車的起步加速、減速等[1]。汽車變速器是以它的內(nèi)部齒輪傳動系統(tǒng)為主要結(jié)構(gòu)的動力轉(zhuǎn)換和傳遞機構(gòu)，齒輪傳動系統(tǒng)又是機械中最常用的傳動形式之一，廣泛應(yīng)用于機械、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變速器的工作原理，通過MATLAB/Simulink軟件建立了汽車發(fā)動機模型、汽車變速器各檔位驅(qū)動力計算模型和變速器模型，運用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)果表明，基于Stateflow的換擋控制策略能夠準(zhǔn)確地對變速器實施控制，輸出的車速、轉(zhuǎn)矩結(jié)果正確。 2汽車自動變速器仿真

7、技術(shù)研究與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 汽車的技術(shù)進步主要體現(xiàn)于電控技術(shù)在汽車上廣泛的應(yīng)用，隨著我國車輛自主研發(fā)的進行，為實現(xiàn)國內(nèi)高檔車輛的開發(fā)，電控系統(tǒng)將會越來越多的在車輛上實現(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)[3][4]。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)的核心與難點是控制系統(tǒng)軟件。成熟的控制軟件是提高車輛性能和控制功能實現(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)的主要內(nèi)容。 自動變速器控制系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)車輛自動起步，在車輛合理的換擋時刻實現(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，但是計算機強大的計算能力，給研發(fā)人員提供了高效且能夠深

8、入了解復(fù)雜系統(tǒng)特性的能力。實驗測試與仿真計算技術(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，運用MATLAB軟件建立自動變速器的模型，采用基于Stateflow的控制策略，實現(xiàn)變速器換擋規(guī)律的控制。整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 汽車自動變速器模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 3自動變速器主要模型 3.1汽車發(fā)動機模型 發(fā)動機建模采用查表方式。其中在發(fā)動機起動時，介入起動機模式，本次起動機起動條件為發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于880r/min，并且車速小于10km/h。由節(jié)氣門開度及發(fā)動機轉(zhuǎn)速查表插值得到發(fā)動機平均有效壓力BMEP（圖中Pe表示），再根據(jù)公式

9、 （1） 計算得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。其中V為發(fā)動機排量，n=2。發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩為平均有效壓力對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與損失平均有效壓力對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩之差。排放可由平均有效壓力與發(fā)動機轉(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)動機轉(zhuǎn)矩。 圖2 發(fā)動機模型 圖3為發(fā)動機模型中Starter模型，即發(fā)動機起動模型。設(shè)定車速小于10km/h，同時發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于880r/min。 圖3 發(fā)動機起動模型 3.2各檔位驅(qū)動力計算模型 由輸入發(fā)動機轉(zhuǎn)速Ne和節(jié)氣門開度Pedal可

10、查表、計算得到發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)驅(qū)動力 （2） 可計算得到車輪驅(qū)動力。其中ig、i0分別為變速器、主減速器的傳動比，r為車輪滾動半徑。η為機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)動機轉(zhuǎn)速由880r/min增至6000r/min，即可得到驅(qū)動力Ft、車速Ua對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的值。設(shè)定變速器檔

11、位為5檔，所建立的模型如圖4所示。 圖4 各檔驅(qū)動力計算模型 3.3汽車自動變速器模型 3.3.1Stateflow簡介 Stateflow是有限狀態(tài)機的圖形實現(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)imulink建模的實際系統(tǒng)中目標(biāo)的狀態(tài)變化進行動態(tài)控制，實現(xiàn)二者的無縫連接。Stateflow圖表由圖形對象和非圖形對象構(gòu)成，圖形對象包括狀態(tài)(state)、轉(zhuǎn)移(transition)、節(jié)點(junction)等，非圖形對象包括事件( event)、數(shù)據(jù)( data)、目標(biāo)對象( target

12、)。在Stateflow 圖表中，狀態(tài)用圓角矩形表示，能體現(xiàn)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)的邏輯信號流向，用來聯(lián)系任意兩個圖形目標(biāo)、狀態(tài)或節(jié)點。利用轉(zhuǎn)移和節(jié)點就可以很方便地設(shè)計開發(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 Explorer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之間可以實現(xiàn)相互的通訊連接[7]。 3.3.2自動變速器模型與換擋控制策略 本文應(yīng)用Stateflow建立自動變速器的模型，分

13、別如圖5、圖6所示。 圖5 自動變速器模型 自動變速器模型的輸入量有發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、車速信號和油門踏板信號。采用Stateflow的邏輯控制方法，將車速信號、油門踏板信號作為輸入，輸出檔位信號，對應(yīng)齒輪箱中的傳動比。本次設(shè)計的五檔自動變速器，各檔位傳動比分別為：i1=3.583；i2=1.947；i3=1.343；i4=0.978；i5=0.804。發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩乘以對應(yīng)的傳動比，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)動機油門開度同時控制檔位的轉(zhuǎn)換，由兩者得到控制量d

14、own_th和up_th，通過各檔驅(qū)動力模型輸出結(jié)果計算得到。當(dāng)輸入的車速大于或小于某一down_th（或up_th）時，實施換擋。 4仿真結(jié)果分析 根據(jù)動力性分析，汽車在換擋時，在相鄰兩檔對應(yīng)加速度相等時的車速換擋動力性最佳。即不同油門開度下驅(qū)動力曲線交點處對應(yīng)的車速作為換擋點。換擋點車速需滿足條件： Umin（n+1）UUmax（n） （4） 式中：Umin（n+1）為n+1檔最低車速； Umax（n）為n檔最高車速。 當(dāng)所求交點車速U不滿足以上條件時，則根據(jù)以下條

15、件決定： （1）當(dāng)高檔n+1檔最低車速處的驅(qū)動力大于此車速下低檔得驅(qū)動力，則換擋點為n+1檔的發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速點； （2）當(dāng)?shù)蜋nn檔的最高車速處的驅(qū)動力大于此車速下高檔的驅(qū)動力，則換擋點為n檔的發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速點。 由圖4各檔驅(qū)動力計算模型可以得到不同油門開度下各個檔位下的驅(qū)動力曲線，如圖7所示。 圖7 各檔不同油門開度下驅(qū)動力曲線 發(fā)動機油門開度最大設(shè)為100%。計算workspace中的數(shù)據(jù)，得到升檔點和降檔點的值，如表格1、2所示。 表1 各檔位下的升檔點車速值 升檔點（km/h） 1→2 2→3 3→4 4→5 0 13.10 18.71 25.8

16、8 32.15 10 13.10 18.71 25.88 32.15 20 18.50 30.11 42.27 54.35 30 23.59 39.00 55.81 74.15 40 27.70 47.90 68.25 89.41 50 30.27 51.40 73.54 99.09 60 32.50 54.20 77.44 102.60 70 33.76 57.60 81.37 105.20 80 34.62 59.93 84.76 107.30 90 35.34 61.30 86.89 109.40

17、 100 36.05 62.20 88.28 111.40 最大油門開度同樣設(shè)定為100%。計算得到降檔點的車速的取值，如表2所示。 升檔點（km/h） 2→1 3→2 4→3 5→4 0 9.83 14.83 20.21 27.12 10 9.83 14.83 20.21 27.12 20 14.80 24.09 33.82 43.48 30 18.87 31.20 44.65 59.32 40 24.93 43.11 61.43 80.47 50 27.24 46.26 66.19 89.18 60 29

18、.25 48.78 69.70 92.34 70 30.39 51.84 73.23 94.68 80 31.16 53.94 76.28 96.57 90 31.81 55.17 78.20 98.46 100 32.44 55.98 79.45 100.26 表2 各檔位下的降檔點車速值 由表1、表2中的數(shù)據(jù)繪制動力性換擋規(guī)律曲線，如圖8所示。 圖8 動力性換擋規(guī)律曲線 由動力性換擋規(guī)律曲線可以得到自動變速器Stateflow控制模型中的up_th和down_th的取值，進而控制自

19、動變速器的換擋。由圖8可以看出，該自動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 自動變速器輸出扭矩圖 圖10 自動變速器輸出轉(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 汽車自動變速器是車輛研究領(lǐng)域的一個難點，有著重要的研究意義。本文通過MATLAB軟件建立了汽車自動變速器的相關(guān)模型，并運用Stateflow工具箱建立了自動變速器的換擋控制策略。仿真輸出各檔位下的驅(qū)動力曲線、進而繪制出動力性換擋規(guī)律曲線。結(jié)果表明，對于所設(shè)計的五檔自動變

20、速器，換擋控制規(guī)律良好，變速器的輸出結(jié)果比較理想。 參考文獻 [1] 劉鶴松, 崔勝民. 基于MATLAB的汽車變速器優(yōu)化設(shè)計方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2004, 1. [2]石允國. 汽車變速器的現(xiàn)狀與前景機械研究與應(yīng)用[J]. 2007, 2. [3]賈啟蒙, 孔祥華等. 中國汽車技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與未來[J]. 重型汽車, 2014, 3. [4]劉念. 汽車技術(shù)與汽車工業(yè)的發(fā)展及若干技術(shù)社會學(xué)思考[D]. 中南大學(xué), 2002, 6. [5]鄭磊. 自動變速器的建模與仿真研究[D]. 吉林大學(xué), 2011, 12. [6]張威. STATEFLOW邏輯系統(tǒng)建模[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2007, 10. [7]王蓓, 趙延弟. 應(yīng)用Stateflow 技術(shù)的安全性建模與仿真[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2011, 11.