基于Matlab／Stateflow的4AT換擋控制仿真研究

孫 駿， 薛 敏， 房娜娜

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

傳統(tǒng)的汽車手動(dòng)換擋需要駕駛員手、腳、眼并用，既要觀察道路、車輛、行人狀況，又要一手把握方向盤一手操縱變速桿，左腳操縱離合器，右腳操縱油門踏板，這些操作的同步進(jìn)行對(duì)駕駛員提出了較高的要求。尤其是在城市循環(huán)工況中，需要駕駛員頻繁操縱換擋，連續(xù)完成手腳協(xié)調(diào)動(dòng)作。這不僅分散駕駛員對(duì)行駛環(huán)境的注意力，而且容易造成疲勞及煩躁情緒，增加交通事故的發(fā)生。此外，換擋時(shí)機(jī)的掌握需要一定的駕駛經(jīng)驗(yàn)和技巧，不恰當(dāng)?shù)膿Q擋會(huì)使離合器磨損增大，引起起步熄火，并且造成車輛油耗增大、排氣污染加重和乘坐舒適性下降等問(wèn)題［1］。

自動(dòng)變速器AT（Automatic Transmission，簡(jiǎn)稱AT）的使用能有效地減少換擋沖擊，降低傳動(dòng)系的動(dòng)載荷，改善汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、乘坐舒適性和操作方便性。這些優(yōu)點(diǎn)使AT的裝車率大大增高，逐漸成為自動(dòng)變速器的主流。

計(jì)算機(jī)仿真是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少開發(fā)費(fèi)用的有效手段［2］，而Matlab做為一種科學(xué)工具在汽車研究領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。Stateflow是Matlab中利用有限狀態(tài)機(jī)理論（Finite State Machine）對(duì)事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的可視化設(shè)計(jì)工具，主要用于針對(duì)控制系統(tǒng)中的復(fù)雜控制邏輯進(jìn)行建模與仿真［3］。本文首先利用PID控制理論建立駕駛員模型；其次根據(jù)雙參數(shù)換擋規(guī)律制定換擋點(diǎn)，并利用Stateflow事件驅(qū)動(dòng)／離散仿真的優(yōu)勢(shì)建立自動(dòng)變速器自動(dòng)換擋模型；隨后將各模型結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成車輛自動(dòng)變速器混雜系統(tǒng)仿真模型；最后針對(duì)UDDS以及加入BOS系統(tǒng)的特定工況對(duì)自動(dòng)變速器的性能進(jìn)行仿真分析，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證所建立的自動(dòng)變速器模型的準(zhǔn)確性。

1 自動(dòng)換擋模型

本文采用油門開度和車速雙參數(shù)［4］制定換擋規(guī)律，通過(guò)控制器所設(shè)定的控制規(guī)律，將車輛運(yùn)行信息與換擋規(guī)律相比較，邏輯判斷是否換擋，若符合換擋條件，則發(fā)出執(zhí)行換擋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋［5］。

1.1 換擋點(diǎn)輸入

依據(jù)雙參數(shù)換擋規(guī)律建立自動(dòng)換擋模型，其中，設(shè)置車輛在低速運(yùn)行時(shí)以最佳動(dòng)力性換擋策略進(jìn)行換擋，高速運(yùn)行時(shí)以最佳經(jīng)濟(jì)性換擋策略進(jìn)行換擋，以兼顧車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。模型內(nèi)部利用Simulink查表模塊得到每個(gè)采樣時(shí)刻的換擋點(diǎn)，分為升擋點(diǎn)和降擋點(diǎn)，實(shí)際上這是一個(gè)將換擋區(qū)域劃分為幾個(gè)不同區(qū)間的過(guò)程。

1.2 換擋邏輯模塊

換擋控制模型的自動(dòng)換擋功能是通過(guò)換擋邏輯模塊（stateflow）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。換擋邏輯判斷模塊相當(dāng)于駕駛員的邏輯思維，它通過(guò)對(duì)當(dāng)前車輛狀態(tài)與基本換擋規(guī)律中預(yù)設(shè)的換擋時(shí)刻的車輛狀態(tài)相比較，得出升擋、降擋，或者保持當(dāng)前擋位不變的擋位信號(hào)。

該模塊主要包括擋位轉(zhuǎn)移和擋位控制2個(gè)并行狀態(tài)［6］。擋位轉(zhuǎn)移狀態(tài)中包括4個(gè)擋位狀態(tài)，分別代表4AT的1、2、3、4擋，并定義了6個(gè)各擋位之間狀態(tài)轉(zhuǎn)移事件，如UPSHIFT12等。擋位控制狀態(tài)中包括保持擋位（steady－state）、升擋（upshift－confirm）和降擋（downshift－confirm）3個(gè)狀態(tài)。具體模型詳見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。

2 傳動(dòng)模型與車體模型

自動(dòng)變速器由發(fā)動(dòng)機(jī)提供扭矩，輸出給液力變矩器泵輪，變矩后，再由渦輪將動(dòng)力傳遞給機(jī)械行星齒輪機(jī)構(gòu)，行星齒輪機(jī)構(gòu)由不同擋位齒輪輸出不同傳動(dòng)比，從而將動(dòng)力輸出。本文自動(dòng)變速器傳動(dòng)模型就是根據(jù)以上動(dòng)力傳遞過(guò)程建立的，包括液力變矩器模型和機(jī)械傳動(dòng)模型，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)變速器傳動(dòng)模型

2.1 液力變矩器模型

液力變矩器的數(shù)學(xué)模型［5，7］為：

其中，λb為液力變矩器的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；k為液力變矩器變矩比；η為液力變矩器傳動(dòng)效率；i為輸出輸入轉(zhuǎn)速比。根據(jù)液力變矩器數(shù)學(xué)模型公式及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立液力變矩器的動(dòng)力學(xué)仿真模型，其中液力變矩器的特性λb和k由一維數(shù)表查表實(shí)現(xiàn)。

由于液力變矩器閉鎖可以提高效率、降低油耗，更好地體現(xiàn)車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，故本模型中考慮液力變矩器閉鎖控制，采用雙參數(shù)車速、油門開度控制，閉鎖模型如圖2所示。

圖2 液力變矩器閉鎖模型

閉鎖同樣采用動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性2種方案。經(jīng)濟(jì)性閉鎖判斷模型如圖3所示，當(dāng)車速和油門開度符合閉鎖條件時(shí)，輸出閉鎖信號(hào)，液力變矩器執(zhí)行閉鎖。動(dòng)力性模型與經(jīng)濟(jì)性模型相同，不再贅述。

圖3 最佳經(jīng)濟(jì)性閉鎖判斷模型

2.2 行星齒輪機(jī)械傳動(dòng)模型

自動(dòng)變速器機(jī)械部分動(dòng)力傳遞通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)，包括行星齒輪傳動(dòng)模型及換擋執(zhí)行元件模型，本文簡(jiǎn)化換擋執(zhí)行元件，直接用一維數(shù)表得到各擋位的傳動(dòng)比。根據(jù)不同擋位傳動(dòng)比，得到行星齒輪機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程［5，7］為：

其中，Mout為變速器輸出轉(zhuǎn)矩；ig為各擋傳動(dòng)比；Mt為渦輪輸出轉(zhuǎn)矩；Nt為渦輪輸出轉(zhuǎn)速；Nout為變速器輸出轉(zhuǎn)速。

2.3 車體模型

車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。不考慮坡道阻力、制動(dòng)力分配及制動(dòng)效能，車輛行駛的動(dòng)力學(xué)方程［8］為：

其中，F(xiàn)t為車輛驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fj為加速阻力；Fb為制動(dòng)力；m為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；u為車速；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；fb為制動(dòng)摩擦因數(shù)；F0為單側(cè)制動(dòng)塊對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力；R為制動(dòng)力作用半徑；rd為車輪半徑。。

3 駕駛員模型

駕駛員模型用于模擬駕駛員的經(jīng)驗(yàn)操作，由此得到踏板開度。模型采用PID控制器將輸入的期望目標(biāo)車速與實(shí)際車速的差值轉(zhuǎn)變?yōu)橛烷T踏板信號(hào)或制動(dòng)踏板信號(hào)［9］。模型中考慮當(dāng)有制動(dòng)存在時(shí)，油門踏板輸出為零。駕駛員模型如圖4所示。油門踏板PID控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

通過(guò)比例、積分和微分環(huán)節(jié)分別描述車速差，并將不同的車速差轉(zhuǎn)換為駕駛員對(duì)踏板的經(jīng)驗(yàn)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)際車速與目標(biāo)車速一致。

圖4 駕駛員模型

圖5 PID控制器模型

4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型即是發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性模型，是指發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和油門開度的關(guān)系，其動(dòng)態(tài)輸出扭矩［7］為：

其中，Med為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)輸出扭矩；Me為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩；Je為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ˉωe為發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度。在發(fā)動(dòng)機(jī)模型中，通過(guò)二維查表的方式可以求得任一時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和油耗。

5 性能仿真分析

5.1 基于普通連續(xù)工況的仿真分析

將所建立的駕駛員模型、自動(dòng)換擋模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、傳動(dòng)模型以及車輛模型結(jié)合在一起，構(gòu)成整車動(dòng)力系統(tǒng)模型。

本文基于UDDS（美國(guó)城市循環(huán)工況）運(yùn)行仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為1 400s，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6a中車速對(duì)比可知，本文建立的動(dòng)力系統(tǒng)模型仿真得到的實(shí)際車速，基本能夠跟蹤UDDS期望車速［10］。為了確定所建模型的正確性，使用自動(dòng)變速器綜合試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)自動(dòng)變速器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，將得到結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)比，研究模型的換擋時(shí)機(jī)與換擋趨勢(shì)是否符合實(shí)際。臺(tái)架試驗(yàn)采用勻加速后松開油門踏板的工況，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 仿真結(jié)果

由于試驗(yàn)臺(tái)架自身設(shè)定的采樣時(shí)間限制，得出的擋位圖沒(méi)有反應(yīng)出瞬時(shí)的擋位變化。

對(duì)比圖7、圖8可知，車速的變化是根據(jù)油門的變化而增大或減小，車速的變化與油門的變化趨勢(shì)基本一致，且車速的變化稍滯后于油門的變化，因此本文所建立的駕駛員模型基本能夠反應(yīng)出駕駛員的操作意圖，驗(yàn)證了本文采用PID控制理論所建立的駕駛員模型的準(zhǔn)確性。

圖7 自動(dòng)變速器臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從擋位圖可以看出，擋位是按照車速與油門開度的變化依據(jù)換擋邏輯進(jìn)行自動(dòng)換擋，且整體擋位圖線呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)與車速變化趨勢(shì)基本一致，這說(shuō)明本文建立的自動(dòng)換擋模型基本準(zhǔn)確。

5.2 基于制動(dòng)優(yōu)先特殊工況的仿真分析

目前人們大多數(shù)駕駛的為采用真空制動(dòng)助力器的汽油車，由于制動(dòng)助力器真空管里的真空來(lái)自于進(jìn)氣道，當(dāng)汽車油門踏板深踩，油門開度很大時(shí)進(jìn)氣道里的真空度非常小，此時(shí)制動(dòng)助力器沒(méi)有充足的助力，傳給駕駛者最直接的感受就是制動(dòng)好像失靈了，即油門踩到底被卡住的時(shí)候，制動(dòng)系統(tǒng)在此時(shí)也接近于失靈狀態(tài)。

鑒于此種油門踏板和制動(dòng)踏板同時(shí)踩下的特殊工況，建立加入制動(dòng)優(yōu)先系統(tǒng)（BOS）的控制系統(tǒng)。采用Signal Builder模塊建立特殊工況，如圖8所示。

在發(fā)動(dòng)機(jī)模型中加入制動(dòng)優(yōu)先判斷系統(tǒng)，當(dāng)油門開度較大、制動(dòng)踏板又產(chǎn)生行程的時(shí)候，通過(guò)制動(dòng)信號(hào)切斷油門信號(hào)，將發(fā)動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)降到怠速狀態(tài)，修改的模型如圖9所示。

設(shè)置仿真時(shí)間為50s，仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖8 制動(dòng)優(yōu)先工況

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

圖10 未采用制動(dòng)優(yōu)先的換擋

圖11 修改后的換擋仿真結(jié)果

從圖10、圖11對(duì)比可以看出，未采用BOS系統(tǒng)的車輛，在油門開度大幅下降且制動(dòng)力突然出現(xiàn)時(shí)沒(méi)有立刻減速，而是繼續(xù)加速了幾秒才開始減速；采用BOS系統(tǒng)的車輛，在相同狀況下立刻開始減速，由于本文模型沒(méi)有加入制動(dòng)系統(tǒng)，在減速過(guò)程中出現(xiàn)車速小幅度提升，但此時(shí)油門踏板開度不是深踩，制動(dòng)力恢復(fù)可以保證安全制動(dòng)。2個(gè)系統(tǒng)都可以按照要求完成降擋操作，說(shuō)明本系統(tǒng)制定的換擋策略正確可行，且采用BOS系統(tǒng)車輛降擋較快，在有制動(dòng)情況出現(xiàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受到控制，能保證快速制動(dòng)，增加了行車安全性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用雙參數(shù)換擋規(guī)律，建立了基于Simulink／Stateflow的4AT換擋控制模型，進(jìn)行了基于Matlab在普通工況（UDDS）和特殊工況（添加BOS系統(tǒng)）下的離線仿真。在普通工況下要求自動(dòng)變速器換擋正確可靠；在特殊工況下要求模型控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)，且自動(dòng)變速器可繼續(xù)正確換擋。仿真結(jié)果證明，本文制定的雙參數(shù)換擋規(guī)律可行，建立的自動(dòng)變速器模型基本準(zhǔn)確，能嚴(yán)格按照制定的控制規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)換擋，為進(jìn)一步開發(fā)自動(dòng)變速器奠定了基礎(chǔ)。

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