基于UM L的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)軟件建模方法研究

戴筱妍 趙長祿 黃 英 郝東浩

（北京理工大學(xué)）

基于UM L的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)軟件建模方法研究

戴筱妍 趙長祿 黃 英 郝東浩

（北京理工大學(xué)）

為解決動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)嵌入式軟件復(fù)雜、開發(fā)困難的問題，針對其功能和特點(diǎn)，運(yùn)用面向?qū)ο蠓椒▽?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模。 將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)，針對每一系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)建模。通過軟件建模，將軟件開發(fā)的層次提升到系統(tǒng)級(jí)，對領(lǐng)域針對性更強(qiáng)。所建立的模型具有較好的通用性。

1前言

目前，國外汽車領(lǐng)域的模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法有兩種思路，一是當(dāng)軟件模型建成后，將靜態(tài)模型轉(zhuǎn)換為XML語言并導(dǎo)入Matlab中轉(zhuǎn)化為組件模型框架，通過在Matlab下對其內(nèi)部行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于快速原型（Rapid Prototyping）并利用RTW工具自動(dòng)生成代碼，如Mathworks公司[1]；二是借助專用軟件建模工具，對所建立的軟件模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并直接生成代碼，如IBM公司的Rhapsody，已成熟應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并在汽車領(lǐng)域的巡航控制中也有應(yīng)用實(shí)例[2]。 此外，Bosch、Vector等公司，都有自己的開發(fā)工具鏈[3]。

本文對動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和建模研究。闡述了模型組成和建模步驟，結(jié)合轉(zhuǎn)矩控制策略，將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)，然后利用模塊化思想，對每個(gè)系統(tǒng)依據(jù)建模步驟進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)建模。

2 系統(tǒng)方法

汽車領(lǐng)域的軟件建模集中于車身控制或巡航控制等，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，針對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的軟件建模，國內(nèi)、外并沒有進(jìn)行深入的研究工作。

軟件建模是在軟件工程實(shí)施過程中采用模型方式而非文字表達(dá)方式來進(jìn)行描述。軟件建模通常采用UML語言，又稱統(tǒng)一建模語言或標(biāo)準(zhǔn)建模語言。

3 軟件建模的組成和步驟

在UML系統(tǒng)開發(fā)中有3種主要模型，如圖1所示。

a.功能模型：從用戶角度展示系統(tǒng)功能，包括用例圖。

b.靜態(tài)模型：采用對象、屬性、操作等展示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，包括類圖。

c.動(dòng)態(tài)模型：展示系統(tǒng)的內(nèi)部行為，包括順序圖、狀態(tài)圖等。

用例圖是指由參與者、用例及它們之間關(guān)系構(gòu)成的用于描述系統(tǒng)功能的視圖。用例主要作用有獲取需求、指導(dǎo)測試及在整個(gè)過程中對其他視圖起到指導(dǎo)作用。

類圖顯示出類、接口及它們之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和關(guān)系。關(guān)系包括繼承、關(guān)聯(lián)和依賴。

狀態(tài)圖用于顯示狀態(tài)機(jī)、使對象達(dá)到這些狀態(tài)的事件和條件及達(dá)到這些狀態(tài)時(shí)所發(fā)生的操作。

順序圖描述對象之間發(fā)送消息的時(shí)間順序，顯示多個(gè)對象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作。順序圖中的每條消息對應(yīng)了一個(gè)類操作或狀態(tài)機(jī)中引起轉(zhuǎn)換的觸發(fā)事件。

UML對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)軟件的建模過程可以歸納如下：

a.進(jìn)行系統(tǒng)需求分析，建立系統(tǒng)用例圖，確定用例、參與者、泛化、包含及擴(kuò)展等關(guān)系。

b.找出系統(tǒng)中的重要對象并抽象為類，將系統(tǒng)功能需求分解到各個(gè)類，確定各類的屬性及相互關(guān)系，建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型。針對具體的靜態(tài)模型還可逐步細(xì)化為詳細(xì)的靜態(tài)模型。

c.使用狀態(tài)圖、順序圖等針對對象的行為進(jìn)行描述，建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，確定系統(tǒng)各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程及各對象間的交互順序。

4 動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)軟件建模

4.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有多種組合方式，本文主要研究單體泵柴油機(jī)與電液式自動(dòng)變速器組合的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。

目前動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制普遍采用基于轉(zhuǎn)矩的控制策略構(gòu)架。基于轉(zhuǎn)矩控制的框架可分為轉(zhuǎn)矩需求部分、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)部分和轉(zhuǎn)矩執(zhí)行部分等3部分，各部分間以轉(zhuǎn)矩作為接口變量進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，使得各子系統(tǒng)之間的耦合性大大減弱?？刂七^程：首先獲得駕駛員駕駛意圖及整車各子系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩；通過轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)模塊判斷各個(gè)轉(zhuǎn)矩需求優(yōu)先級(jí)，根據(jù)當(dāng)前的車輛行駛工況和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，對各個(gè)轉(zhuǎn)矩需求進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，確定總的發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)輸出轉(zhuǎn)矩；最終通過轉(zhuǎn)矩執(zhí)行將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為具體的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和變速器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)控制。

整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)（PTC）3個(gè)部分。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部需求轉(zhuǎn)矩采集、駕駛員意圖翻譯等相關(guān)轉(zhuǎn)矩需求模塊、轉(zhuǎn)矩執(zhí)行模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行器控制；變速器控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)變速器轉(zhuǎn)矩需求、換擋轉(zhuǎn)矩需求采集以及離合器、變速器的執(zhí)行器控制；轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)工作。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

4.2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)用例建模

用例圖在UML語言中主要是對所建立系統(tǒng)的功能和所要達(dá)到的目的進(jìn)行明確劃分，為以后的建模過程進(jìn)行指導(dǎo)。根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以建立如圖3所示的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)用例圖。系統(tǒng)邊界用一個(gè)矩形框表示。駕駛員對車輛的駕駛行為即駕駛意圖，反映在駕駛員需求轉(zhuǎn)矩上，并通過傳感器信號(hào)體現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)由傳感器（包含駕駛意圖）、執(zhí)行器、上位機(jī)和外部系統(tǒng)4類組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)定與監(jiān)控，外部系統(tǒng)包含與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)通信并提供轉(zhuǎn)矩需求的部件。

由于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)要求軟件組件具有良好的可移植性和復(fù)用性，而用例設(shè)計(jì)會(huì)指導(dǎo)下一步靜態(tài)模型的建立，所以在建立用例圖過程中引入了模塊化思想。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)每部分都是獨(dú)立的復(fù)雜系統(tǒng)，針對每部分展開了詳細(xì)用例圖的設(shè)計(jì)，建立了如圖4所示的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)用例圖。其中，狀態(tài)獲取、標(biāo)定和信息交互都是通信用例的子用例?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)的控制大量依賴于數(shù)據(jù)，在用例圖搭建中，將數(shù)據(jù)庫作為一個(gè)核心用例，一方面方便數(shù)據(jù)流的監(jiān)控，另一方面方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理。同理，針對變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本功能，建立了如圖5和圖6所示的變速器、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)用例圖。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)建模

利用面向?qū)ο蠓治龇椒ǜ鶕?jù)用例圖建立系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，該靜態(tài)模型對軟件開發(fā)過程中后續(xù)環(huán)節(jié)的軟件組件劃分及設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為模型主要由狀態(tài)圖、順序圖組成。由狀態(tài)圖可以清楚得到系統(tǒng)甚至組件內(nèi)部狀態(tài)流轉(zhuǎn)，為系統(tǒng)及組件內(nèi)部行為設(shè)計(jì)提供了參考。順序圖展現(xiàn)了組件之間的交互消息，清晰界定了組件接口。

4.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)靜態(tài)建模

針對發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)建立了如圖7所示的類圖。數(shù)據(jù)采集類通過采集傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送給數(shù)據(jù)庫類?？刂祁愂紫炔樵儬顟B(tài)類，然后從數(shù)據(jù)庫中查詢參數(shù)變量，通過調(diào)用計(jì)算類將數(shù)據(jù)庫中的原始參數(shù)計(jì)算成所需數(shù)值，最后向數(shù)據(jù)庫類中發(fā)送信息。驅(qū)動(dòng)類查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的控制參數(shù)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作。通訊類通過標(biāo)定類獲得協(xié)議等內(nèi)容，然后查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給其他系統(tǒng)。

部分大的類還可以拆分成更小的類，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制類包括不同工況下的不同控制策略。每種工況的控制類依賴于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，通過調(diào)用計(jì)算類的子類、一維和二維查表函數(shù)確定轉(zhuǎn)矩及對應(yīng)的油量，如圖8所示。當(dāng)遇到更高的控制要求或更精確的控制算法且有必要細(xì)化工況時(shí)，可以通過“并行擴(kuò)展方式”[6]實(shí)現(xiàn)，即原來的靜態(tài)模型可以保持不變或少量調(diào)整，不會(huì)出現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)需要重建的情況，減輕了工作量，縮短了開發(fā)時(shí)間。

4.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過程是工況狀態(tài)遷移過程，狀態(tài)遷移條件是判斷系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和控制策略程序編寫的依據(jù)。因此，建立系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖9所示。針對發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的各工況控制策略建立了順序圖，以圖10所示怠速工況為例，首先由冷卻水溫確定怠速轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并根據(jù)PID算法獲得基本的指示轉(zhuǎn)矩。根據(jù)冷卻水溫、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，確定發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)矩需求并將其送入PTC系統(tǒng)，同時(shí)PTC系統(tǒng)接收外部轉(zhuǎn)矩需求并進(jìn)行轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)，最終將協(xié)調(diào)后轉(zhuǎn)矩送回發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，通過查轉(zhuǎn)矩油量MAP，確定最終噴油量。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可在廣度和深度兩個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展。廣度指增加系統(tǒng)功能，深度指控制上對工況的區(qū)分更細(xì)致，控制策略更具有針對性，如增加加減速狀態(tài)；針對整車控制，還可以加入轉(zhuǎn)向狀態(tài)等。

4.4 變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)建模

4.4.1 變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)靜態(tài)建模

針對變速器控制系統(tǒng)建立了如圖11所示的類圖。變速器控制系統(tǒng)需要檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、變速器輸出軸轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、換擋手柄位置等信息，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)、離合器所需轉(zhuǎn)矩；與PTC進(jìn)行通信，獲得分配后的轉(zhuǎn)矩；通過控制離合器執(zhí)行器、變速器執(zhí)行器等來完成換擋功能。

針對轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)建立了如圖12所示的類圖。轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是轉(zhuǎn)矩控制策略的核心。首先要獲取各系統(tǒng)或輔助部件對發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩。當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)矩需求時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級(jí)判斷出最終需求轉(zhuǎn)矩。通過對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)（擋位開關(guān)）的精確控制，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。與發(fā)動(dòng)機(jī)控制類相同，轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級(jí)判斷又分為換擋和非換擋2個(gè)子類，如圖13所示。

4.4.2 變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模

對變速器狀態(tài)進(jìn)行建模如圖14所示。變速器狀態(tài)在1～4擋之間切換，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入空擋狀態(tài)，接收到自動(dòng)換擋信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)入自動(dòng)擋狀態(tài)。自動(dòng)換擋狀態(tài)時(shí)，根據(jù)車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)（當(dāng)前的車速、油門開度、車輛加速度等）計(jì)算最佳擋位，完成自動(dòng)換擋。針對轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級(jí)判斷建立了順序圖，以換擋情況為例展現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級(jí)策略，如圖15所示。

5 應(yīng)用

利用該方法建立的動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)軟件模型可以轉(zhuǎn)化為Simulink模型。在與對象模型連接后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖16所示。圖中虛線代表車速，實(shí)線代表擋位，該仿真完成了從1擋到4擋連續(xù)升擋過程。仿真結(jié)果表明，基于UML建立的動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)模型能夠正確反映控制系統(tǒng)的功能。

6 結(jié)束語

利用模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)思想對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件建模方法研究，闡述了動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)中軟件建模所處的位置及軟件建模流程。

a.針對領(lǐng)域特點(diǎn)，結(jié)合基于轉(zhuǎn)矩的控制理論，將系統(tǒng)分為3部分，并對每部分展開了軟件建模。

b.選用5種類型的UML圖，涵蓋了系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)和行為。由于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能眾多，為了達(dá)到可移植性和復(fù)用性，在用例圖建模階段即采用模塊化設(shè)計(jì)。

c.考慮到組件功能的復(fù)用及優(yōu)化程度、修改的簡便容易程度等，對3部分系統(tǒng)建立了各自的靜態(tài)模型，均以數(shù)據(jù)庫為核心。建立了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，通過狀態(tài)圖和順序圖反映了系統(tǒng)中對象的操作行為和功能的具體實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)現(xiàn)了控制策略的建模。

d.模型可以增加更多的控制對象和控制功能，從而分出更多更細(xì)致的工況，且針對不同工況設(shè)置專門的控制策略。

1 Guido Sandmann，Richard Thompson.Development of AUTOSAR Software Components within Model-Based Design.In-Vehicle Networks and Software，2008.

2 Jin-Shyan Lee，Yuan-Ming Wang.A UML-based approach to automatic cruise control modeling for smart vehicles. Industrial Electronics and Applications(ICIEA)，2012.

3 Gwangmin Park，Daehyun Kum，Sungho Jin，et al.Implementation of AUTOSAR I/O Driver Modules for a SSPS System.International Conference on Control，Automation and Systems，2008.

4莊繼德.汽車電子控制系統(tǒng)工程.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

5 Roger S.Pressman.Software Engineering，A Practitioner's Approach（Fourth Edition）McGraw-Hill，1997.

6李鐵軍.柴油機(jī)電控技術(shù)實(shí)用教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Research on the Method of UM L-based Software Modeling for Powertrain

Dai Xiaoyan，Zhao Changlu，Huang Ying，Hao Donghao
（Beijing Institute of Technolog）

The powertrain embedded software is complex and difficult to be developed.In order to solve this problem，the object-oriented approach has been used for powertrain modeling according to the functions and features of powertrain control software.The powertrain is divided into engine control system，transmission control and torque coordination system.The static and dynamic modeling has been established for each system.The development level of software is upgraded to the system level by software modeling，and has more focus on the domain.The model has good versatility.

Powertrain,UM L language,Software modeling

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)UML語言 軟件建模

U463.2

A

1000-3703（2014）08-0032-06