基于Matlab_Stateflow的4AT换挡控制仿真研究_孙骏

第３５卷第４期　２０１２年４月合肥工业大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３５Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１２ 收稿日期：２０１１－０９－２１；修回日期：２０１１－１１－２９基金项目：国家“８６３”节能与新能源汽车重大资助项目（０７０２２１Ｂ２）作者简介：孙　骏（１９６６－），男，安徽安庆人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师．Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５０６０．２０１２．０４．００２基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ的４ＡＴ换挡控制仿真研究孙　骏，　薛　敏，　房娜娜（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥　２３０００９）摘　要：为实现车辆换挡操纵的自动化，文章根据自动变速器双参数换挡规律，运用ＰＩＤ控制理论建立了驾驶员模型，并根据整车各部分数学原型建立了发动机模型、传动模型、车辆模型。

在整车模型及其工作原理的基础上，从动力性及经济性２个方面确定了换挡规律，并采用Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ有限状态机理论建立换挡逻辑控制模型。

在ＵＤＤＳ工况和依照制动优先系统（Ｂｒａｋｅ　Ｏｖｅｒｒｉｄｅ　Ｓｙｓｔｅｍ，简称ＢＯＳ）建立的车辆行驶特殊工况下进行仿真，并与自动变速器台架试验结果进行对比，结果表明，该自动变速器模型，能严格按照换挡规律换挡。

关键词：自动变速器；换挡模型；换挡策略；ＰＩＤ控制理论；制动优先系统中图分类号：Ｕ４６３．２２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－５０６０（２０１２）０４－０４３９－０５Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　４ＡＴ　ｓｈｉｆｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ／ＳｔａｔｅｆｌｏｗＳＵＮ　Ｊｕｎ，　ＸＵＥ　Ｍｉｎ，　ＦＡＮＧ　Ｎａ－ｎａ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｓｈｉｆｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｈｉｆｔｉｎｇ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ａｕ－ｔｏｍａｔｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＡＴ）ｗｉｔｈ　ｄｕａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎ－ｔｅｇｒａｌ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（ＰＩＤ）ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｍｏｄｅｌ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗｅｒｅａｌｓｏ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｔｈｅ　ｓｈｉｆｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｕｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｈｉｆｔ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｓｔａｔｅ　ｍａｃｈｉｎｅ（ＦＳＭ）ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ．Ｆｉ－ｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ＵＤＤＳ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｅ　ｏｖｅｒｒｉｄｅ　ｓｙｓｔｅｍ（ＢＯＳ）．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＴ　ｂｅｎｃｈ　ｔｅｓｔ，ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗｏｒｋｓ　ａｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｓｈｉｆｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｈｉｆｔｉｎｇ　ｒｕｌｅｓ　ｅｘａｃｔｌｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＡＴ）；ｓｈｉｆｔ　ｍｏｄｅｌ；ｓｈｉｆｔ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（ＰＩＤ）ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ；ｂｒａｋｅ　ｏｖｅｒｒｉｄｅ　ｓｙｓｔｅｍ（ＢＯＳ） 传统的汽车手动换挡需要驾驶员手、脚、眼并用，既要观察道路、车辆、行人状况，又要一手把握方向盘一手操纵变速杆，左脚操纵离合器，右脚操纵油门踏板，这些操作的同步进行对驾驶员提出了较高的要求。

尤其是在城市循环工况中，需要驾驶员频繁操纵换挡，连续完成手脚协调动作。

这不仅分散驾驶员对行驶环境的注意力，而且容易造成疲劳及烦躁情绪，增加交通事故的发生。

此外，换挡时机的掌握需要一定的驾驶经验和技巧，不恰当的换挡会使离合器磨损增大，引起起步熄火，并且造成车辆油耗增大、排气污染加重和乘坐舒适性下降等问题［１］。

自动变速器ＡＴ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，简称ＡＴ）的使用能有效地减少换挡冲击，降低传动系的动载荷，改善汽车的动力性、经济性、乘坐舒适性和操作方便性。

这些优点使ＡＴ的装车率大大增高，逐渐成为自动变速器的主流。

计算机仿真是缩短产品开发周期、减少开发费用的有效手段［２］，而Ｍａｔｌａｂ做为一种科学工具在汽车研究领域的应用日益广泛。

Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ是Ｍａｔ－ｌａｂ中利用有限状态机理论（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｓｔａｔｅ　Ｍａｃｈｉｎｅ）对事件驱动系统进行建模和仿真的可视化设计工具，主要用于针对控制系统中的复杂控制逻辑进行建模与仿真［３］。

本文首先利用ＰＩＤ控制理论建立驾驶员模型；其次根据双参数换挡规律制定换挡点，并利用Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ事件驱动／离散仿真的优势建立自动变速器自动换挡模型；随后将各模型结合起来，构成车辆自动变速器混杂系统仿真模型；最后针对ＵＤＤＳ以及加入ＢＯＳ系统的特定工况对自动变速器的性能进行仿真分析，并经过试验台架数据对比来验证所建立的自动变速器模型的准确性。

１　自动换挡模型本文采用油门开度和车速双参数［４］制定换挡规律，通过控制器所设定的控制规律，将车辆运行信息与换挡规律相比较，逻辑判断是否换挡，若符合换挡条件，则发出执行换挡信号，实现自动换挡［５］。

１．１　换挡点输入依据双参数换挡规律建立自动换挡模型，其中，设置车辆在低速运行时以最佳动力性换挡策略进行换挡，高速运行时以最佳经济性换挡策略进行换挡，以兼顾车辆动力性和经济性。

模型内部利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ查表模块得到每个采样时刻的换挡点，分为升挡点和降挡点，实际上这是一个将换挡区域划分为几个不同区间的过程。

１．２　换挡逻辑模块换挡控制模型的自动换挡功能是通过换挡逻辑模块（ｓｔａｔｅｆｌｏｗ）来实现的。

换挡逻辑判断模块相当于驾驶员的逻辑思维，它通过对当前车辆状态与基本换挡规律中预设的换挡时刻的车辆状态相比较，得出升挡、降挡，或者保持当前挡位不变的挡位信号。

该模块主要包括挡位转移和挡位控制２个并行状态［６］。

挡位转移状态中包括４个挡位状态，分别代表４ＡＴ的１、２、３、４挡，并定义了６个各挡位之间状态转移事件，如ＵＰＳＨＩＦＴ１２等。

挡位控制状态中包括保持挡位（ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ）、升挡（ｕｐｓｈｉｆｔ－ｃｏｎｆｉｒｍ）和降挡（ｄｏｗｎｓｈｉｆｔ－ｃｏｎｆｉｒｍ）３个状态。

具体模型详见文献［７］。

２　传动模型与车体模型自动变速器由发动机提供扭矩，输出给液力变矩器泵轮，变矩后，再由涡轮将动力传递给机械行星齿轮机构，行星齿轮机构由不同挡位齿轮输出不同传动比，从而将动力输出。

本文自动变速器传动模型就是根据以上动力传递过程建立的，包括液力变矩器模型和机械传动模型，如图１所示。

Ａ—泵轮转速　Ｂ—变速箱转速图１　自动变速器传动模型２．１　液力变矩器模型液力变矩器的数学模型［５，７］为：λｂ＝ｆ１（ｉ），ｋ＝ｆ２（ｉ），η＝ｆ３（ｉ）（１）其中，λｂ为液力变矩器的转矩系数；ｋ为液力变矩器变矩比；η为液力变矩器传动效率；ｉ为输出输入转速比。

根据液力变矩器数学模型公式及实验数据，建立液力变矩器的动力学仿真模型，其中液力变矩器的特性λｂ和ｋ由一维数表查表实现。

由于液力变矩器闭锁可以提高效率、降低油耗，更好地体现车辆的动力性和经济性，故本模型中考虑液力变矩器闭锁控制，采用双参数车速、油门开度控制，闭锁模型如图２所示。

图２　液力变矩器闭锁模型闭锁同样采用动力性、经济性２种方案。

经济性闭锁判断模型如图３所示，当车速和油门开度符合闭锁条件时，输出闭锁信号，液力变矩器执行闭０４４ 合肥工业大学学报（自然科学版）第３５卷　锁。

动力性模型与经济性模型相同，不再赘述。

图３　最佳经济性闭锁判断模型２．２　行星齿轮机械传动模型自动变速器机械部分动力传递通过机械传动模型实现，包括行星齿轮传动模型及换挡执行元件模型，本文简化换挡执行元件，直接用一维数表得到各挡位的传动比。

根据不同挡位传动比，得到行星齿轮机械部分的运动学和动力学方程［５，７］为：Ｍｏｕｔ＝ｉｇＭｔ，Ｎｔ＝ｉｇＮｏｕｔ（２）其中，Ｍｏｕｔ为变速器输出转矩；ｉｇ为各挡传动比；Ｍｔ为涡轮输出转矩；Ｎｔ为涡轮输出转速；Ｎｏｕｔ为变速器输出转速。

２．３　车体模型车辆由发动机提供动力源，经过传动系传递到驱动轮，驱动车辆行驶。

不考虑坡道阻力、制动力分配及制动效能，车辆行驶的动力学方程［８］为：Ｆｔ＝Ｆｆ＋Ｆｗ＋Ｆｊ＋Ｆｂ＝ｍｇｆ＋ＣＤＡｕ２２１．１５＋δｍｄｕｄｔ＋８ｆｂＦ０Ｒｒｄ（３）其中，Ｆｔ为车辆驱动力；Ｆｆ为滚动阻力；Ｆｗ为空气阻力；Ｆｊ为加速阻力；Ｆｂ为制动力；ｍ为车辆质量；ｇ为重力加速度；ｆ为滚动阻力系数；ＣＤ为空气阻力系数；Ａ为车辆迎风面积；ｕ为车速；δ为车辆旋转质量换算系数；ｆｂ为制动摩擦因数；Ｆ０为单侧制动块对制动盘的压紧力；Ｒ为制动力作用半径；ｒｄ为车轮半径。

３　驾驶员模型驾驶员模型用于模拟驾驶员的经验操作，由此得到踏板开度。

模型采用ＰＩＤ控制器将输入的期望目标车速与实际车速的差值转变为油门踏板信号或制动踏板信号［９］。

模型中考虑当有制动存在时，油门踏板输出为零。

驾驶员模型如图４所示。

油门踏板ＰＩＤ控制器内部结构如图５所示。

通过比例、积分和微分环节分别描述车速差，并将不同的车速差转换为驾驶员对踏板的经验控制，实现实际车速与目标车速一致。

图４　驾驶员模型图５　ＰＩＤ控制器模型４　发动机模型发动机模型即是发动机稳态转矩特性模型，是指发动机转速与发动机输出转矩和油门开度的关系，其动态输出扭矩［７］为：Ｍｅｄ＝Ｍｅ－Ｊｅ珔ωｅ（４）其中，Ｍｅｄ为发动机动态输出扭矩；Ｍｅ为发动机输出扭矩；Ｊｅ为发动机转动惯量；珔ωｅ为发动机角加速度。