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：汽車動力學授課教師：年級專業：學生：*：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汽車工程學院 430070摘要：變速器是汽車上極為關鍵的一局部，研究難度大。一個理想的汽車變速器應當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建立發動機模型、各檔位驅動力計算模型、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。仿真得到驅動力曲線、換擋控制點、動力性換擋規律曲線、結果準確度高，說明所采用基于Stateflow的換擋控制策略

2、能夠良好地實現對自動變速器的換擋控制。關鍵詞：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為主要構造的動力轉換和傳遞機構，齒輪傳動系統又是機械中最常用的傳動形式之一，廣泛應用于機械、電子、紡織、冶金、采礦、汽車、航空、航天及船舶等領域2。本文分析了汽車自動變速器的工作原理，通過MATLAB/Simulink

6、軟件建立了汽車發動機模型、汽車變速器各檔位驅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。仿真結果說明，基于Stateflow的換擋控制策略能夠準確地對變速器實施控制，輸出的車速、轉矩結果正確。2汽車自動變速器仿真技術研究與拓撲構造汽車的技術進步主要表達于電控技術在汽車上廣泛的應用，隨著我國車輛自主研發的進展，為實現國高檔車輛的開發，電控系統將會越來越多的在車輛上實現集成應用，車輛自主開發的最大挑戰是需要擁有車輛自主開發技術34。在電控產品開發中，電控系統硬件開發技術較為成熟，開發的核心與難點是控制系統軟件。成熟的控制軟件是提高車輛性能

7、和控制功能實現的主要因素，因此電控系統控制策略的開發是電控產品開發的主要容。自動變速器控制系統主要功能是實現車輛自動起步，在車輛合理的換擋時刻實現平順且可靠的換擋。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，給研發人員提供了高效且能夠深入了解復雜系統特性的能力。實驗測試與仿真計算技術相輔相成，能夠極大提高控制軟件的開發可靠性與效率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，實現變速器換擋規律的控制。整體拓撲構造如圖1所示。圖1 汽車自動變速器模型拓撲構造圖3自動變速器主要模型3.1汽車發動機模型發動機建模采用查表方式。其中在發動機起

8、動時，介入起動機模式，本次起動機起動條件為發動機轉速小于880r/min，并且車速小于10km/h。由節氣門開度及發動機轉速查表插值得到發動機平均有效壓力BMEP圖中Pe表示，再根據公式1計算得到相應的轉矩。其中V為發動機排量，n=2。發動機輸出轉矩為平均有效壓力對應的轉矩與損失平均有效壓力對應的轉矩之差。排放可由平均有效壓力與發動機轉速查表插值得到。建立查表模型如圖2所示。通過該模型輸出發動機轉矩。圖2 發動機模型圖3為發動機模型中Starter模型，即發動機起動模型。設定車速小于10km/h，同時發動機轉速小于880r/min。圖3 發動機起動模型3.2各檔位驅動力計算模型由輸入發動機轉速

9、Ne和節氣門開度Pedal可查表、計算得到發動機輸出轉矩，再根據驅動力2可計算得到車輪驅動力。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，可將節氣門開度設為100%，發動機轉速由880r/min增至6000r/min，即可得到驅動力Ft、車速Ua對應發動機轉速的值。設定變速器檔位為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是有限狀態機的圖形實現工具，它使用流程圖和狀態轉移圖等概念6，用以解決復雜的監控邏輯問題。Stateflow是嵌入到MATLAB中的，能夠對Simulin

10、k建模的實際系統中目標的狀態變化進展動態控制，實現二者的無縫連接。Stateflow圖表由圖形對象和非圖形對象構成，圖形對象包括狀態(state)、轉移(transition)、節點(junction)等，非圖形對象包括事件( event)、數據( data)、目標對象( target)。在Stateflow 圖表中，狀態用圓角矩形表示，能表達層次關系、并行關系以及歷史記錄的功能。狀態是系統的運行模態，有激活與非激活兩種模式。轉移定義系統的邏輯信號流向，用來聯系任意兩個圖形目標、狀態或節點。利用轉移和節點就可以很方便地設計開發出復雜的邏輯。事件和數據不在圖表中呈現、需要在Stateflow E

11、*plorer中定義和修改。事件可以觸發轉移的發生和行為的執行，數據用來存儲圖表中涉及到的數字變量。輸入輸出事件和數據與Simulink之間可以實現相互的通訊連接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動機轉速、發動機轉矩、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，對應齒輪箱中的傳動比。本次設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、發動機轉速、轉矩乘以對應的傳動比，可以得到各檔位下的轉速、轉矩輸出量。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，由車速和發動機油門開度同時控制檔位的轉換，由兩者得到控制量down_th和up_th，通過各檔驅動力模型輸出結果計算得到。當輸入的車速大于或小于*一down_th或up_th時，實施換擋。4仿真結果分析根據動力性分析，汽車在換擋時，在相鄰兩檔對應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動力曲線交點處對應的車速作為換擋點。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。當所求交點車速U不滿足以上條件時，則根據以下條件決定：1當高檔n+1檔最低車速處的驅動力大于此車速下低檔得驅動力，則換擋點為n+1檔的發動機最低轉速點；2當低檔n檔的最高車速處的驅動力大于此車速下高檔的驅動力，則換擋點為n檔的發動機最高轉速點。由圖4各檔驅動力計算模型可以得到不同油門開度下各個檔位下的驅動力曲線，如圖7所示。圖7 各檔不同油門開度下驅動力曲線發動機油門開度最大設為100%。計算workspace中的數據，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中的數據繪制動力性換擋規律曲線，如圖8所示。圖8 動力性換擋規律曲線由動力性換擋規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，但由于數據較少的原因，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 自動變速器輸出轉速圖由圖9、圖10可以看出，變速器扭矩輸出不夠平緩，轉速輸出較好。5結論汽車自動變速器是車輛研究領域的一個難點，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動力曲線、進而繪制出動力性換擋規律曲線。結果說明，對于所設計的五檔自動變速器，換擋控制規律良好，變速器的輸出結果比擬理想。參考文獻1 鶴松, 勝民. 基于MATLAB的汽車變速器優化設計方法J. 工業大學學報,