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研究生课程论文
基于Stateflow的汽车自动变速器建模研究
科目：汽车动力学
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基于Stateflow的汽车自动变速器建模研究
（武汉理工大学汽车工程学院湖北武汉430070）
摘要：变速器是汽车上极为关键的一部分，研究难度大。

一个理想的汽车变速器应当使汽车具有良好的动力性。

本文研究了汽车自动变速器换挡控制，运用MATLAB/Simulink建立发动机模型、各档位驱动力计算模型、自动变速器模型，并使用Stateflow工具箱建立了自动变速器
的换挡控制策略。

仿真得到驱动力曲线、换挡控制点、动力性换挡规律曲线、结果准确度高，表明所采用基于Stateflow的换挡控制策略能够良好地实现对自动变速器的换挡控制。

关键词：自动变速器；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 Wuhan 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 MA TLAB/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, 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
变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其主要功能是安全可靠地传递动力，通过档位选择实现汽车的起步加速、减速等[1]。

汽车变速器是以它的内部齿轮传动系统为主要结构的动力转换和传递机构，齿轮传动系统又是机械中最常用的传动形式之一，广泛应用于机械、电子、纺织、冶金、采矿、汽车、航空、航天及船舶等领域[2]。

本文分析了汽车自动变速器的工作原理，通过MATLAB/Simulink软件建立了汽车发动机模型、汽车变速器各档位驱动力计算模型和变速器模型，运用MATLAB中的Stateflow工具箱建立了五档位的变速器换挡控制策略。

仿真结果表明，基于Stateflow的换挡控制策略能够准
确地对变速器实施控制，输出的车速、转矩结果正确。

2汽车自动变速器仿真技术研究与拓扑结构
汽车的技术进步主要体现于电控技术在汽车上广泛的应用，随着我国车辆自主研发的进行，为实现国内高档车辆的开发，电控系统将会越来越多的在车辆上实现集成应用，车辆自主开发的最大挑战是需要拥有车辆自主开发技术[3][4]。

在电控产品开发中，电控系统硬件开发技术较为成熟，开发的核心与难点是控制系统软件。

成熟的控制软件是提高车辆性能和控制功能实现的主要因素，因此电控系统控制策略的开发是电控产品开发的主要内容。

自动变速器控制系统主要功能是实现车辆自动起步，在车辆合理的换挡时刻实现平顺且可靠的换挡。

虽然基于模型仿真分析只是接近真实，但是计算机强大的计算能力，给研发人员提供了高效且能够深入了解复杂系统特性的能力。

实验测试与仿真计算技术相辅相成，能够极大提高控制软件的开发可靠性与效率[5]。

因此，运用MATLAB软件建立自动变速器的模型，采用基于Stateflow的控制策略，实现
变速器换挡规律的控制。

整体拓扑结构如图1所示。

图1 汽车自动变速器模型拓扑结构图
3自动变速器主要模型 3.1汽车发动机模型
发动机建模采用查表方式。

其中在发动机起动时，介入起动机模式，本次起动机起动条件为发动机转速小于880r/min ，并且车速小于10km/h 。

由节气门开度及发动机转速查表插值得到发动机平均有效压力BMEP （图中Pe 表示），再根据公式 n
2⋅⋅=πV BMEP T （1）
计算得到相应的转矩。

其中V 为发动机排量，n=2。

发动机输出转矩为平均有效压力对应的转矩与损失平均有效压力对应的转矩之差。

排放可由平均有效压力与发动机转速查表插值得到。

建立查表模型如图2所示。

通过该模型输出发动机转矩。

图2 发动机模型
图3为发动机模型中Starter 模型，即发动机起动模型。

设定车速小于10km/h ，同时发动机转速小于880r/min 。

图3 发动机起动模型
3.2各档位驱动力计算模型
由输入发动机转速Ne 和节气门开度Pedal 可查表、计算得到发动机输出转矩，再根据驱动力
r
i i out t 0g η
⋅⋅=T F （2）
可计算得到车轮驱动力。

其中i g 、i 0分别为变速器、主减速器的传动比，r 为车轮滚动半径。

η为机械效率与主减速器效率之积。

而车速
g i i n
r 77
.30a ⋅⋅=U （3） 为此，可将节气门开度设为100%，发动机转速由880r/min 增至6000r/min ，即可得到驱动力Ft 、车速U a 对应发动机转速的值。

设定变速器档位为5档，所建立的模型如图4所示。

图4 各档驱动力计算模型
3.3汽车自动变速器模型
3.3.1Stateflow 简介
Stateflow 是有限状态机的图形实现工具，它使用流程图和状态转移图等概念[6]，用以解决复杂的监控逻辑问题。

Stateflow 是嵌入到MATLAB 中的，能够对Simulink 建模的实际系统中目标的状态变化进行动态控制，实现二者的无缝连接。

Stateflow 图表由图形对象和非图形对象构成，图形对象包括状态(state)、转移(transition)、节点(junction)等，非图形对象包括事件( event)、数据( data)、目标对象( target)。

在Stateflow 图表中，状态用圆角矩形表示，能体现层次关系、并行关系以及历史记录的功能。

状态是系统的运行模态，有‘激活’与‘非激活’两种模式。

转移定义系统的逻辑信号流向，用来联系任意两个图形目标、状态或节点。

利用转移和节点就可以很方便地设计开发出复杂的逻辑。

事件和数据不在图表中呈现、需要在Stateflow Explorer 中定义和修改。

事件可以触发转移的发生和行为的执行，数据用来存储图表中涉及到的数字 变量。

输入输出事件和数据与Simulink 之间可以实现相互的通讯连接[7]。

3.3.2自动变速器模型与换挡控制策略
本文应用Stateflow 建立自动变速器的模型，分别如图5、图6所示。

图5 自动变速器模型
自动变速器模型的输入量有发动机转速、发动机转矩、车速信号和油门踏板信号。

采用Stateflow 的逻辑控制方法，将车速信号、油门踏板信号作为输入，输出档位信号，对应齿轮箱中的传动比。

本次设计的五档自动变速器，各档位传动比分别为：i1=3.583；i2=1.947；i3=1.343；i4=0.978；i5=0.804。

发动机转速、转矩乘以对应的传动比，可以得到各档位下的转速、转矩输出量。

图6 基于Stateflow的自动变速器换挡控制逻辑
在基于Stateflow的控制逻辑中，由车速和发动机油门开度同时控制档位的转换，由两者得到控制量down_th和up_th，通过各档驱动力模型输出结果计算得到。

当输入的车速大于或小于某一down_th（或up_th）时，实施换挡。

4仿真结果分析
根据动力性分析，汽车在换挡时，在相邻两档对应加速度相等时的车速换挡动力性最佳。

即不同油门开度下驱动力曲线交点处对应的车速作为换挡点。

换挡点车速需满足条件：
U min（n+1）≤U≤U max（n）（4）式中：U min（n+1）为n+1档最低车速；
U max（n）为n档最高车速。

当所求交点车速U不满足以上条件时，则根据以下条件决定：
（1）当高档n+1档最低车速处的驱动力大于此车速下低档得驱动力，则换挡点为n+1档的发动机最低转速点；
（2）当低档n档的最高车速处的驱动力大于此车速下高档的驱动力，则换挡点为n档的发动机最高转速点。

由图4各档驱动力计算模型可以得到不同油门开度下各个档位下的驱动力曲线，如图7所示。

图7 各档不同油门开度下驱动力曲线
发动机油门开度最大设为100%。

计算workspace中的数据，得到升档点和降档点的值，如表格1、2所示。

表1 各档位下的升档点车速值
升档点（km/h）1→22→33→44→5
0 13.10 18.71 25.88 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
100 36.05 62.20 88.28 111.40
最大油门开度同样设定为100%。

计算得到降档点的车速的取值，如表2所示。

表2 各档位下的降档点车速值
升档点（km/h）2→13→24→35→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 29.25 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
由表1、表2中的数据绘制动力性换挡规律曲线，如图8所示。

图8 动力性换挡规律曲线
由动力性换挡规律曲线可以得到自动变速器Stateflow控制模型中的up_th和down_th的取值，进而控制自动变速器的换挡。

由图8可以看出，该自动变速器换挡控制良好，但由于数据较少的原因，所得到的换挡曲线不是平滑的曲线。

仿真得到自动变速器的输出扭矩和输出转速曲线，如图9、图10所示。

图9 自动变速器输出扭矩图
图10 自动变速器输出转速图
由图9、图10可以看出，变速器扭矩输出不够平缓，转速输出较好。

5结论
汽车自动变速器是车辆研究领域的一个难点，有着重要的研究意义。

本文通过MATLAB 软件建立了汽车自动变速器的相关模型，并运用Stateflow工具箱建立了自动变速器的换挡控制策略。

仿真输出各档位下的驱动力曲线、进而绘制出动力性换挡规律曲线。

结果表明，对于所设计的五档自动变速器，换挡控制规律良好，变速器的输出结果比较理想。

参考文献
[1] 刘鹤松, 崔胜民. 基于MATLAB的汽车变速器优化设计方法[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2004, 1.
[2]石允国. 汽车变速器的现状与前景机械研究与应用[J]. 2007, 2.
[3]贾启蒙, 孔祥华等. 中国汽车技术发展的现状与未来[J]. 重型汽车, 2014, 3.
[4]刘念. 汽车技术与汽车工业的发展及若干技术社会学思考[D]. 中南大学, 2002, 6.
[5]郑磊. 自动变速器的建模与仿真研究[D]. 吉林大学, 2011, 12.
[6]张威. STATEFLOW逻辑系统建模[M]. 西安电子科技大学出版社, 2007, 10.
[7]王蓓, 赵延弟. 应用Stateflow 技术的安全性建模与仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 2011, 11.。