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：*：是否進修生？是否基于Stateflow的汽車自動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，說明所采用基于Stateflow的換擋控制策略

2、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系統(tǒng)的重要組成局部，其主要功能是平安可靠地傳遞動力，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部齒輪傳動系統(tǒng)為主要構(gòu)造的動力轉(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

6、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)果說明，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技術(shù)研究與拓?fù)錁?gòu)造汽車的技術(shù)進步主要表達于電控技術(shù)在汽車上廣泛的應(yīng)用，隨著我國車輛自主研發(fā)的進展，為實現(xiàn)國高檔車輛的開發(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)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)錁?gòu)造如圖1所示。圖1 汽車自動變速器模型拓?fù)錁?gòu)造圖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

8、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

9、Ne和節(jié)氣門開度Pedal可查表、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。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)imulin

10、k建模的實際系統(tǒng)中目標(biāo)的狀態(tài)變化進展動態(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)。在Stateflow 圖表中，狀態(tài)用圓角矩形表示，能表達層次關(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 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。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。

12、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down_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*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正確。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：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)所求交點車速U不滿足以上條件時，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/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%。計算得到降檔點的車速的取值，如表2所示。升檔點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_t

16、h和down_th的取值，進而控制自動變速器的換擋。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)果說明，對于所設(shè)計的五檔自動變速器，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1 鶴松, 勝民. 基于MATLAB的汽車變速器優(yōu)化設(shè)計方法J. 工業(yè)大學(xué)學(xué)報,