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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)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 是否進(jìn)修生？ 是 □ 否 □ 基于Stateflow的汽車自動(dòng)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(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

2、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，表明所采用基于Stateflow的換擋控制策略能夠良好地實(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 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(dòng)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(dòng)力，通過(guò)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內(nèi)部齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為主要結(jié)構(gòu)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(guò)MATLAB/Simulink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)果表明，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

7、技術(shù)研究與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 汽車的技術(shù)進(jìn)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(guó)車輛自主研發(fā)的進(jìn)行，為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)高檔車輛的開(kāi)發(fā)，電控系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越多的在車輛上實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用，車輛自主開(kāi)發(fā)的最大挑戰(zhàn)是需要擁有車輛自主開(kāi)發(fā)技術(shù)[3][4]。在電控產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，電控系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)較為成熟，開(kāi)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(kāi)發(fā)是電控產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)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

8、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(kāi)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)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 汽車自動(dòng)變速器模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(kāi)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

9、 （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(guò)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Ne和節(jié)氣門開(kāi)度Pedal可

10、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。η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(kāi)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

11、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 3.3.1Stateflow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(wèn)題。Stateflow是嵌入到MATLAB中的，能夠?qū)imulink建模的實(shí)際系統(tǒng)中目標(biāo)的狀態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)二者的無(wú)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

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(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(lái)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(kāi)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(lái)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]。 3.3.2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

13、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。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(kāi)度同時(shí)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(guò)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某一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)力性最佳。即不同油門開(kāi)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： 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(diǎn)車速U不滿足以上條件時(shí)，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(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(kāi)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(kāi)度下驅(qū)動(dòng)力曲線 發(fā)動(dòng)機(jī)油門開(kāi)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/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(kāi)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/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(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_th和down_th的取值，進(jìn)而控制自

19、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(guò)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)果表明，對(duì)于所設(shè)計(jì)的五檔自動(dòng)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(xiàn) [1] 劉鶴松, 崔勝民. 基于MATLAB的汽車變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 1. [2]石允國(guó). 汽車變速器的現(xiàn)狀與前景機(jī)械研究與應(yīng)用[J]. 2007, 2. [3]賈啟蒙, 孔祥華等. 中國(guó)汽車技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與未來(lái)[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(huì)學(xué)思考[D]. 中南大學(xué), 2002, 6. [5]鄭磊. 自動(dòng)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(bào), 2011, 11.