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基于u m l 的a m t 系统建模与实现 摘要 基于u m l 的嵌入式实时软件开发技术和开发环境是当今嵌入式实时领域 研究的一个热点。基于u m l 的嵌入式软件开发需要把现有的面向对象开发技 术和u m l 的使用经验，如可视化、模型的执行、模型的代码自动生成、框架 开发方法等与嵌入式实时系统的特点结合起来。本文阐述使用u m l 建模技术 对机械自动变速器( a m t ) 软件系统的建模和实现。 本文介绍了选题背景，国内外自动变速器的发展与趋势，传统嵌入式软件 开发的一般过程，u m l 技术在嵌入式系统开发中的优势。概要描述了a m t 系 统的总体架构和工作原理，在系统设计和开发中需要注意的重点和难点问题。 还介绍了u m l 基本原理和设计技术，常用的u m l 开发工具r a t i o n a lr o s e 的 特点和集成环境。在此基础上，利用u m l 工具进行了系统建模，并针对汽车 启动过程中离合器的控制和换档策略进行了详细分析，使用c 语言进行编程， 并列出了部分源代码，对实验结果进行了分析。采用u m l 建模可以降低系统 开发的复杂性，缩短开发周期，提高开发效率，易于维护和升级。本文最后介 绍了在本系统的设计和开发过程中所采用的配置管理技术，利用它可以协同开 发更加有效。 关键词：电控机械式自动变速器离合器统一建模语言建模 2 m o d e l i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fa m ts y s t e m b a s e do nu m l a b s t r a c t t h ea p p r o a c ht or e a l - t i m es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n di t se n v i r o n m e n tb a s e do n 眦i so n e i m p o r t a n ta s p e c to fe m b e d d e dr e a l - t i m ef i e l d i ti sn e c e s s a r yt oc o m b i n eo b j e c t o r i e n t e da n du m l t e c h n o l o g i e s ，s u c h 鹳v i s u a lm o d e l i n g ，e x e c u t a b l em o d e l ，a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t ec o d e ，丘m n 即毗 e t c 而廿lt h es p e c i a lf e a t u r eo fe m b e d d e dr e a l - t i m ef o rd e v e l o p i n gt h ee m b e d d e dr e a l - t i m es o f t w a r e t h i st h e s i si l l 仃o d u c e sm o d e l i n ga n di m p l e m e n t a t i o no f a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) s y s t e mb a s e do nu m l t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h et h e m e ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt h et r e n do f a u t o m a t e dt r a n s m i s s i o n ( a t ) i nw o r l d - w i d e ，g e n e r a lp r o c e d u r eo ft r a d i t i o n a le m b e d d e ds y s t e m d e v e l o p m e n t ，a n dt h ea d v a n t a g e su s i n gu m lt e c h n i q u e s t h ec o n s t r u c t i o na n dp r i n c i p l eo fa m t s y s t e ma r ei n t r o d u c e d ；s o m ei m p o r t a n tp r o b l e m so fa m ts y s t e ma r ed i s c u s s e d t h eb a s i cp r i n c i p l e a n dt e c h n o l o g i e so fd e s i g na b o u tu m la l ei n t r o d u c e d ，f e a t u r e sa n di n t e g r i t yd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to ft y p i c a l l yu m l d e v e l o p m e n tt o o l ，r a t i o n a lr o s ea l ee x p l a i n e d o nt h eb a s i co ft h a t , a l lk i n d so f m o d e lr e l a t e dt ot h es y s t e ma l ei m p l e m e n t e d , c o u p l e dw i t ht h ed e t a i la n a l y s i sa b o u tt h e c o n t r o lo fc l u t c hd u r i n gs e t u po ft h ev e h i c l ea n dt h es h i f ts t r a t e g y , p r o g r a m m i n gb ycl a n g u a g e ， p a r t so fs o u l 0 0c o d e sa r el i s t e d , t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t 黜a n a l y z e d w i t ht h eh e l po fu m l m o d e l i n g ，s y s t e mc o m p l e xi sr e d u c e d , d e v e l o p m e n tc y c l ei ss h o r t e d ，t h ec o s ti ss a v e d ，m a i n t a i n a b l e a n du p d a t a b l ei ss t r e n g t h e n t h ec o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g ya d o p t e db yt h i ss y s t e md u r i n gt h e p r o c e s so f d e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e d ，w h i c hm a k ei te f f i c i e n tt oc o o p e r a t ew i t hm a n yp e o p l e k e yw o r d s ： a m t ，c l u t c h ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，m o d e l i n g 3 插图目录 图1 - 1 全自动电控离合器组成2 图1 - 2 开发嵌入式系统的一般过程4 图1 - 3 嵌入式软件的交叉开发模式。5 图2 - 1a m t 系统的组成结构图8 图2 - 2 离合器的接合过程1 0 图2 3 车辆传动系统简图1 3 图2 - 4 传动系各子系统的输入输出1 3 图2 - 5 传动系模型简图1 3 图2 6 摩擦力矩变化理想曲线1 6 图2 7 离合器执行机构控制框图1 6 图2 8 等延迟两参数换挡规律2 0 图2 - 9 两参数最佳动力换挡曲线2 l 图3 1r a t io n a lr o s e 集成开发环境一2 7 图4 一l 系统基本用例图2 8 图4 - 2 系统时序图3 1 图4 3 系统活动图3 2 图4 4 主程序模块图3 3 图4 5 上位机通信模块3 3 图4 6 信号处理模块3 4 图4 - 7a d 转换流程图3 5 图4 8 执行机构模块图3 6 图4 - 9 系统类图3 7 图4 1 0 起步过程中离合器控制3 8 图4 11 换档策略4 0 图4 一1 2 换挡子程序实现4 l 图4 - 1 3 软件系统总体结构图4 2 图4 - 1 4 软件的主程序流程图4 3 图4 - 1 5 离合器主从动盘同步曲线4 5 图4 一1 6 冲击度曲线4 5 图5 一l 配置管理流程图4 8 图5 - 2v s s 基本控制图5 0 图5 3 基本操作图5 5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金筵王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 弛徭 签字帆以垆朋 鼬。l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些叁堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金星工些叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期 学位论文 工作单位 通讯地址 巡炫 f e j ，肛 后去向： 导师签名： 签字e l 期：窟年，月iie l ， 电话： 邮编： 致谢 本文的研究工作是在导师孔慧芳副教授的悉心指导下完成的，作者衷心感 谢孔慧芳副教授给予的指导、教诲及在各方面的关怀和鼓励。导师事务繁多， 但仍然保持着旺盛的精力，对学术一丝不苟，对科研工作指导细致入微。在三 年的研究生学习期间，我一直深受导师的教诲。导师敏捷的思维，渊博的学识， 严谨的治学态度，勤奋求实、不断进取的工作精神给我留下了深刻的印象，是 我终生学习的表率。在此，谨向辛勤培育我的恩师致以崇高的敬意和深深的谢 意。 同时还要衷心地感谢所有关心、帮助我的老师和同学，特别是我的师兄弟 们在论文的期间，他们给予我的关怀、鼓励和支持始终是我奋斗的精神支柱， 克服各种困难，顺利完成学业。 最后，再次诚挚感谢每一位给予我关心、支持、鼓励和帮助的老师、同学、 亲人和朋友1 4 作者：赵家强 2 0 0 7 年1 1 月3 0 日 1 1 选题背景 第一章绪论 随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，汽车电子化的程度 越来越高，应用设备的种类越来越多。目前主要有电子控制自动变速器、汽车 发动机管理系统、柴油机电子控制喷射系统、无触点高能点火系统、防抱制动 系统、牵引控制系统、安全气囊、安全带收卷装置等。 其中电子控制自动变速器是我国汽车电子工业发展的一个重要方向。就使 用传统机械式手动变速箱的汽车而言，人工操纵离合器踏板的工作强度是相当 大的。如此频繁的操纵，会造成驾驶疲劳、影响驾驶员的注意力，引发大量的 城市交通事故。车辆手动操纵需要较高的驾驶技术和经验，初学者驾驶由于缺 乏相应的驾驶经验与技术，使得车辆的动力性与燃油经济性难以提高，据统计 在城市运行工况行驶时，熟练驾驶员与非熟练驾驶员的油耗可相差很大，离合 器摩擦片的更换频率相差2 0 以上。 采用自动变速器有利于增加行车安全性；通过传动系的控制，可以实现微 型控制器的自动控制减轻驾驶员的劳动强度，将驾驶员从频繁的换档操作中解 放出来，这样可以使驾驶员的劳动强度大为降低；通过传动系的自动操纵可以 充分发挥车辆的动力性，使车辆具有良好的牵引性能，良好的动力性，加速性 能和爬坡能力，进而提高劳动生产率；自动变速技术的发展，对于合理利用资 源，实现动力性和经济性的统一，在能源日益紧张的今天具有非常重要的作用： 降低了车辆驾驶员的疲劳程度，有利于控制和车辆编队跟踪行驶，可以提高车 辆的主动安全性；通过对传动系的合理控制，可以改变发动机的负荷状况，使 发动机处于良好的工作状态，从而改善的车辆排放性能。因此，自动变速器对 于提高车辆的动力性与经济性，降低排放污染，具有举足轻重的意义。 机械式自动变速器( a m t ) 是汽车行业十分关注的汽车电子高新技术产品。 它不仅能减轻驾驶强度，提高经济性和动力性，改善舒适性和安全性，而且成 本低，制造方便，因此在自动变速领域具有强大的竞争力和广阔的应用前景。 国家大力支持a m t 的自主开发和研制工作，在“八五”期间，“电控式机械自动 变速箱”被列入国家火炬预备计划，“九五”期间，a m t 的开发研制和产品化被 列入国家“九五科技攻关项目”。 ， 由于伺服系统的不完善，早期自动驾驶难以达到满意的效果。随着电子技 术的发展以及计算机技术融合到汽车技术中，具有使用价值的汽车电子技术不 断完善，使得汽车发动机管理、燃油喷射、自动变速、离合器控制、悬架控制、 刹车控制等都取得突破性进展。在此背景下，汽车自动变速系统便成为车辆技 术发展的重要方向之一，液力自动变速a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 、机械式自 动变速a m t ( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 和无级变速c v t ( c o n t i n u o u s v a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 技术已广泛应用到汽车传动中。 1 2国内外自动变速器的发展与趋势 汽车自动变速器早在1 9 4 0 年已经应用在美国通用的奥兹莫比尔汽车上，这 是一台串联式行星齿轮结构的液控变速器。时距6 0 多年的今天，汽车自动变速 器已经发生了重大的变化。 按照实现自动变速的原理，自动变速可以分为三类，一类是由液力变矩器 和行星齿轮变速箱组成的机械式液力自动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) ，简 称a t ；一类是由传统的固定轴式变速箱和干式离合器以及相应的电控液动控制 系统组成的机械式自动变速器( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 简称a m t ； 还有一类是无级变速自动变速器( c o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) ，简称c v t 。 它们在功能、制造、安装、维护、成本等方面各有优劣，分别在汽车自动变速 市场上占有一席之地。 发动机转 速传感器 声音 发动机离合器变速嚣l i 一叫车辆 油门执行器li 离合器执行器il 换挡执行器 离台器控制器e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o iu n t ) 油门踏板l搿嘲j 换挡操纵杆 回竺 驾驶员 意愿 感觉 _ - - 机械动作 一一+ 电子信号 图卜1 全自动电控离合器组成 全自动变速器( f u l la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 实现了离合器操作和换档操 作自动化，简称f a t ，组成框图如图1 1 所示。若仅其中之一实现自动操纵， 则称为半自动变速器( s e m i a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) ，简称s a t 。所有c v t 和 大多数a t 均属f a t 。a m t 从结构上分为自动离合器执行机构和自动换档执 行机构，二者可以独立工作，分别属于s a t ，而二者组合则成为f a t 。 a m t 的研究早期曾与a t 同步，但是受到当时电子技术和控制技术的限制， 直到8 0 年代才得到突破性的进展，自9 0 年代初期，欧洲a pb r o g & b e c k 、 f i c h t e l 、s a c h s 、l u k 和v a l e o 等公司相继有产品投放市场。 无级传动c v t 是驾驶简便、提高车辆燃料经济性的理想装置，是最具有发 展前途的自动变速装置。c v t 传动系统包括起步装置、行星齿轮机构、无级变 速机构、自动变速操纵机构和中间减速机构。c v t 存在的主要问题是传动带的 2 强度和寿命问题、加工工艺和控制上的原因，不能传递较大功率，目前仅限用 于轻型的汽车上。 可见，目前的自动变速器市场上，最具有竞争力的是a t 和a m t 。a t 的 优点是换挡十分柔和，并且功能完善，种类齐全，适用于各种功率和扭矩级别 的车辆。但是它的生产成本高、结构复杂、工艺麻烦、维修困难且传动效率低， 这是当今在节省能源的前提下所不能容忍的，因此a t 不会具备长久的技术生 命力，人们需要寻找其他的解决方法来代替a t 。 a m t 保留了原有的机械式自动变速器离合器结构不变，通过加装微机控制 的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离、结合、摘挂档以 及发动机相应的同步调节等操作，最终实现车辆变速整体的自动化。它既具有 a t 自动变速的优点，又保留原来手动变速器齿轮传动效率高、成本低、结构简 单、制造容易的长处，正好弥补了a t 的弱点，更加符合了追求功能完善、价 格低廉的产品发展趋势。目前，a m t 在离合器控制和挡位决策方面采用模糊逻 辑，模仿熟练司机驾车中的相应操纵以改善起步，换挡离合器结合控制特性和 挡位选择的适应性。神经网络方法也被引入a m t 的挡位决策和控制中。通过 g p s 获取更多路面特征信息以提高a m t 对路面的适应性，a m t 电控系统与 发动机电控系统一体化以增加信息共享，协调控制能力，以及实现整车控制系 统网络化等思想也受到重视。 我国从8 0 年代初就开始了a m t 技术的研究工作，并取得了一系列成果， 应该说在这个方面与国外的差距并不大。鉴于a m t 的发展趋势，我国的研究 超越了半自动阶段，而直接进行全自动a m t 的研制。 北京理工大学先后开发了中重型车辆的a m t 。首次在重型载货汽车上实现 了自动变速过程的全电化操纵( 即离合器、选档和换挡均由电机驱动) 。其产品 按照国家军标的相应标准进行了各项考核试验，并通过了规定里程的定型试验 考核，其各项性能指标均达到或优于原设计指标。该产品已经完成一万公里的 性能考核试验。 吉林大学对轿车和重型车的a m t 技术也进行了深入的研究，重庆东方欧 翔汽车电子有限公司、哈尔滨埃姆特汽车电子有限公司也在这方面进行了积极 的研究工作，并开发了a m t 样机。现在正在进行离合器的自适应控制、模糊 控制、故障诊断、对路面和驾驶员的适应性及可靠性等方面的完善工作。 1 3嵌入式软件开发的一般过程 a m t 系统作为一个典型的嵌入式系统，当然其开发过程也应该遵循嵌入式 系统开发的一般过程。由于一般的嵌入式系统的开发规模比较大，系统相对来 说也很复杂，因此，随着规模和复杂度的增加加大了嵌入式系统的开发难度， 系统运行出错可能导致的严重后果使得开发人员力求保证产品质量。实践证明， 3 只有遵循软件工程的思想，按照生命周期的步骤进行开发，才能尽量减少错误。 嵌入式系统是集成软件和硬件于一体的可独立工作的“器件”，系统的开发 比基于通用计算机的应用系统增加了硬件开发，要求软件和硬件的开发同时进 行。 嵌入式系统开发过程一般包括规约、设计、验证、软硬划分、实现，以及 软硬件集成测试等阶段，如图1 2 所示。实际上如果系统验证或测试失败都将 返回设计阶段进行修改甚至重新设计。系统的开发过程是模型逐步求精的过程， 也是从规约到实现的过程。 图卜2 开发嵌入式系统的一股过程 由于嵌入式系统软硬件一体化的特性，需要产生新方法进行系统分析、设 计与实现等，这些方法必然是传统软件和硬件开发方法的集成，但必须寻求将 二者连接起来的最佳途径，以便最快可靠的开发系统。1 2 ( a ) 所示为软硬件协同 设计的开发过程，软硬件划分在设计的后期阶段进行，划分之前进行系统整体 设计与验证；图1 - 2 ( b ) 表示传统的嵌入式系统开发过程，软硬件划分在设计的 早期阶段进行，软件和硬件进行单独的设计、验证与实现。 嵌入式软件的实现主要是指在r t o s 之上开发特定的应用程序，一般采用 交叉开发模式，如图1 3 所示，在主机上建立开发平台，进行应用程序的设计、 编码、编译，然后主机通过串口、并口、u s b 或j t a g 等连接到目标机，将应 用程序的目标代码下载到目标机上进行交叉调试和测试，最后将程序“烧”到目 标机中运行。 4 分析、设计、编码、 应用程序 测试等开发工具 、串恤。 实时操作系统 上位机操作系统 l 目标机i 回 图卜3 嵌入式软件的交叉开发模式 1 4u m l 技术在嵌入式系统开发中的优势 工业上，嵌入式系统开发方法及工具的选择一般要综合考虑客观和主观两 方面要求。客观要求包括：支持系统开发生命周期的全过程；支持解决不同阶 段问题的方法和技术；能够描述系统功能上和结构上的异类性和组合性。主观 要求包括：使用上简单易用兼顾可靠高效；图形化、可视化要求等。 u m l 是一种可视化建模语言，图形符号简单易懂，方便开发人员之间的交 流，在工业界更具有广泛的应用基础，可以满足嵌入式系统开发的主观要求。 与传统的设计方法想比较，其主要优势有： ( 1 ) 有效解决系统设计的复杂性问题。u m l 具有类图、顺序图和状态图等 多种框图，可以从多视角多层面描述系统的静态结构和动态行为，有效解决系 统设计的复杂性问题。 ( 2 ) 支持系统开发的不同阶段。u m l 提供了非常健全的符号，包括从分析 到设计的范围，可以支持软件开发生命周期的全过程。虽然u m l 创建之初是 为面向对象模型提供标准表示法，但它是一种建模语言而不是一种建模方法， 可以在许多其他方法中作为工具。如在嵌入式系统中应用时，可以使用u m l 进行软硬件协同设计，对u m l 进行形式化扩展以满足嵌入式系统形式化建模 要求等。这样，u m l 可以支持系统开发不同阶段的方法和技术。因此，u m l 满足嵌入式系统开发的客观要求。工业上经常使用u m l 进行嵌入式系统的开 发。基于u m l 的嵌入式系统开发方法在学术界和工业界都受到关注。 1 5论文选题意义及主要内容 1 5 1 论文选题意义 与传统a m t 系统的软件开发设计相比，u m l 建模方法不仅具有面向对象 应用程序的特点，而且具有相当强的直观性、实用性和可操作性，其优点主要 如下： ( 1 ) 为软件系统的产出建立可视化模型； ( 2 ) 规约软件系统的产出； ( 3 ) 构造软件系统的产出； ( 4 ) 为软件系统的产出建立文档。 5 根据本项目的需求分析，运用u m l 技术对a m t 软件系统进行建模，在此 基础上对在a m t 系统开发过程中的重点和难点进行分析，设计和实现该系统。 目的在于使用新的软件设计和开发方法解决嵌入式实时软件开发过程中遇到 的软件复杂性、开发周期长、产品难以维护、移植和升级等问题。另外，将大 型软件开发过程中相关的最新的软件开发技术引入到本项目的开发过程中，使 项目的开发效率更高，开发进度更具有可控性，保证了软件系统的质量，提高 了设计和开发效率，具有重要实用价值。 1 5 2 本文主要内容 本课题来源于同安徽江淮汽车集团签订的“帅铃a m t 变速箱的研究与开 发”项目。该项目的最终目标是要开发出适用于帅铃系列汽车的电控机械式自动 变速器，即在原有的手动变速器结构的基础上，通过加装e c u 控制的自动操纵 机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离、接合、摘档、挂档以及发动 机相应同步调节等操作，最终实现换档全过程序列操纵的自动化。本论文主要 内容如下： 第一章，绪论。介绍了本选题背景，当前国内外采用自动变速器汽车的发 展情况和今后的演变趋势，特别是从1 9 8 0 至今我国在该领域的研究成果。接着 介绍了传统嵌入式系统软件开发的一般过程，u m l 技术在嵌入式开发中的优 势，这是本文将此技术引入到a m t 系统的开发过程中的一个重要原因。本章 最后说明了本论文的选题意义和本文的主要内容。 第二章，a m t 系统概述。概要的介绍了a m t 系统以及总体框架，分析了 在设计和开发a m t 系统中的若干重要问题：起步过程中离合器的控制和换档 策略的制定以及本系统的改进方法。 第三章，u m l 建模技术介绍。简要介绍了u m l 的基本知识和建模的方法， u m l 的应用领域，常用的u m l 开发工具r a t i o n a lr o s e 。 第四章，基于u m l 的a m t 系统模型的设计与实现。详细阐述了a m t 系 统模型的设计，a m t 系统的用例图、状态图、活动图、类图以及组件图，起步 过程中离合器的控制设计，换档规律的实现等。 第五章，a m t 系统配置管理。介绍了在本系统的开发过程中比较重要的一 项技术，软件的版本控制以及基于v s s 的有关技术。 第六章对全文进行了总结，提出了存在的问题并就今后的工作进行了展望。 6 第二章a m t 系统概述 许多软件开发组织总是像建造狗窝一样进行软件开发，而且他们还妄图开 发出高质量的软件产品。这样的开发模式或许有些时候会奏效，有时候还可能 开发出令用户赞叹的软件。但是，通常情况下都会失败。如果你像盖房子或者 盖写字楼一样开发软件，问题就不仅仅是写代码，而是怎么样写正确的代码和 怎么样少写代码。这就使得高质量的软件开发变成了一个结构、过程和工具相 结合的问题。所以说，如果没有对结构、过程和工具加以考虑，所造成的失败 是惨重的。每个失败的软件项目都有其特殊的原因，但是成功的项目在许多方 面是相似的。软件组织获得成功的因素有很多，但是一个基本的因素就是对建 模的使用。 任何建模活动都必须选择对象，有了对象，就有了进行下面工作的基础。 作为本文的研究对象是电控机械式变速器( a m t ) 。根据当前的车况、路况和 驾驶员的意图完成车辆的起步、给出最佳的档位和完成换档过程的自动控制是 自动变速器实现的基本功能。为了高质量地完成这些功能，使其在使用中更加 方便和可靠，a m t 的研究问题在不断深化与扩展，已经涉及到a m t 系统的在 线故障诊断、a m t 与车辆的其他电控系统的资源、信息共享等方面。但在a m t 车辆自动变速控制技术中，以下几个问题一直是研究的根本和关键。 2 1a m t 系统总体介绍 a m t 系统的基本组成结构如图2 1 所示。基本原理是：驾驶员根据当前汽 车运行状态和路面情况通过加速踏板和档位选择开关向电控单元传达操纵意 图，大量的传感器时刻掌握着车辆的运行状况并及时向电控单元反馈状态信号。 电控单元根据这些信号按存储在其中的控制程序( 最佳换档规律、离合器最佳接 合规律、发动机油门的调节规律等) 对油门、离合器、变速器三者的执行机构进 行整体的协调控制，以实现起步和换档的最佳配合，从而获得优良的行驶性能、 平稳而迅速的起步和换档能力。 7 图2 1a m t 系统的组成结构图 执行机构：离合器执行机构，由直流伺服电机驱动，通过减速增扭机构( 蜗 轮蜗杆) 实现离合器自动分离和接合控制。变速器执行机构，包括选档机构和换 档机构，分别由两个步进电机驱动，完成摘档、选位和挂档操作。油门执行机 构，由步进电机驱动，完成对油门踏板位置的跟踪以及换档过程中发动机转速 的调节。 输入信号：其中有反映驾驶员操作意图的传感器信号：加速( 油门) 踏板 位置信号、手动自动换档选择开关、选档手柄开关信号( 前进档、空档、倒档、 停车档) 、制动踏板状态信号。反映车辆运行状态的信号：主要有发动机转速信 号，变速箱输入轴转速与车速信号。 执行状态反馈信号：包括选或换档位置信号、离合器行程信号以及油门开 度信号，用来判断执行机构的动作状态。 通讯接口：包括r s 2 3 2 总线接口和c a n 总线接口，其中c a n 总线接口 用以和车辆其他电控系统通讯，r s 2 3 2 总线接口主要用来与数据采集分析计算 机系统进行通讯，为数据采集计算机传送数据提供通道。 e c u ：电子控制单元e c u 是整个电控系统的核心，系统所有的控制功能都 是由固化在e c u 中的软件管理下来完成的。 系统由上、下位机两个部分组成。为了减少硬件的额外花销，下位机系统 直接使用a m t 电子控制单元( e c u ) ，e c u 是由微控制器( m c u ) 、传感器、 外围电路和功能显示等组成。m c u 是电控系统的核心，具有存储程序、接收 信息和发出指令的功能。传感器的作用是用来代替人的感官，即获得车辆行驶 过程中的各种信息作为输入信号传递给m c u ，而m c u 据此来判断司机意图、 运行车况来发出相应的控制指令。电动执行机构接受m c u 发出的控制指令， 实现起步、换档过程中的各种动作。控制软件存储在m c u 的存储单元中，其 中包括换档规律，起步、换档过程中的离合器接合规律，以及所用到的函数和 数据表等。 8 2 2 起步过程中离合器的研究与分析 2 2 1 离合器的功用 离合器是车辆传动系统中直接与发动机连接的部件，其作用主要是用来切 断或连通发动机与传动装置之间的动力传递。一般用途有： ( 1 ) 便于启动发动机。通过分离离合器，切断动力传递，使发动机在空载 条件下启动。尤其是在动机寒冷的条件下，显得更加重要； ( 2 ) 保证车辆平稳起步。通过离合器主动片和从动片之间的滑磨，使车速 从零开始逐渐上升，直到离合器完全结合为止； ( 3 ) 保证车辆平稳换档。由于变速箱换档时传动速比发生突变，需要利用 离合器的打滑功能实现车速的平稳过渡； ( 4 ) 紧急刹车停止驾驶时离合器分离，可以保证发动机不熄火，有利于驾 驶员的操作； ( 5 ) 防止传动系统的过载。一旦发生过载，离合器发生打滑而使传动系统 得到保护。 由上述可知，欲使离合器启动发动机，车辆平稳起步、换档、紧急刹车停 驶时分离离合器，防止传动系统过载等作用，离合器应该是这样一个机构：其 主动部分和从动部分可以暂时分离，又可以逐渐接合。所以离合器的主动部分 和离合器的从动部分之间不能采用刚性连接，而是借二者接触面之间的摩擦所 用来传递扭矩，或是利用液体作为传动的介质，或是利用磁力传动。在摩擦离 合器中，为产生摩擦所需要的压紧力，可以是弹簧力、液压作用力或电磁力， 目前车辆上广泛采用的是用弹簧压紧的摩擦离合器。 2 2 2 离合器的分离、接合过程 a m t 是在原来手动变速器和干式离合器的基础上通过加装自动操纵系统 而实现自动控制的，并且取消了离合器踏板。因此，实现机械传动系统自动化 的一个重要问题就是研究离合器的分离和接合过程，进而得到离合器的控制策 略。只有如此才能保证车辆起步、换档过程的品质，减少传动系统的冲击，提 高其使用寿命，满足乘坐的舒适性。同时也可以明确控制系统应该完成的任务， 为软硬件设计收集足够的信息。离合器的工作过程包括分离和接合两个过程， 由于分离过程相对来说比较容易理解，并且一般不会对车辆的性能产生影响， 所以总是希望越快越好，这里着重讨论离合器接合过程。 离合器的接合过程，可以分为三个阶段：空行程阶段、滑磨阶段和同步接 合阶段。离合器的接合过程是在挂档工作结束后进行的，具体可以归纳为二快 一慢， 如图2 2 所示。其中，t 轴代表时间，y 代表离合器位置行程。 9 暑 图2 - 2 离合器的接合过程 ( 1 ) 空行程阶段i i ：此阶段用于消除离合器的间隙，对于车辆和离合器都没有 影响，所以可以尽快结束，此阶段离合器无扭矩输出。 该区域释放行程位移x 为： x - a 0 矿广+ 呸( 2 1 ) 式中口o ，口，口2 受接合过程因素( 如坡度、载荷、档位、速度等) 影响 的系数，不同操纵规律其值不同； t 离合器接合时间。 该区终了时间t 。即为开始传递转矩时间： 斗怦 盯 弘2 ， 式中消除离合器对偶摩擦面间隙所需要的行程。 因该阶段不在目标函数计及的范围内，故按照边界条件t = t o 时，从式( 2 1 ) 求出f - i i ，则约束条件为： 吕国气如 ( 2 3 ) ( 2 ) 滑摩阶段如：该阶段从动片产生滑磨，扭矩逐渐增大，直到克服最大 滚动阻力，使车辆开始运动。在此阶段内离合器对接合品质的影响最大。此阶 段摩擦力矩逐渐增长，这个力矩经传动机构减速放大后，由主动轮驱动车辆加 速起步。 该区域的释放行程是由于压缩从动盘的轴向弹性行程s 。，通过操纵机构总 传动比之构成：如= s d z 起步时 l o x = a 3 + a 4 t + 呜广t o t o ，但是实际驾驶员也有 断续加油的情况，这就不在自动控制系统考虑之中了。对于驾驶员起步中断意 图，则通过( d 4 d t ) o 表示，当他突然松开油门踏板，就要做出反应使得离 合器分离以免磨损或者发动机熄火。这就是起步中经常遇到的有用信号。 ( 2 ) 发动机转速信号 试验表明：接合期间发动机转速随时间变化，t l e = f ( t ) 由高变低，大体上存 1 7 在一个峰值点，并且接合地越快，转速的变动越大。 为了防止发动机转矩霉小于离合器从动轴的负载转矩瓦，导致发动机转速 过低，造成车身振动甚至发动机熄火，需要判断现在油门口对应的吃是否 小于该油门开度下的最大转矩所对应的他，如果小于，则首先应适当增大油门 开度口，同时离合器应放慢接合速度，甚至停止接合。 ( 3 ) 档位与车速 m! 由于摩擦力矩经变速器输出的转矩r 与档位传动比成正比，传动比g 越 大，则后备牵引力越大，从而产生的加速度也就越大，传动系统可能产生的动 载荷和冲击度也就越大。从提高接合平稳性、乘坐舒适性以及减少传动系的冲 击考虑，应放慢接合速度，故低档时接合速度可以适当放慢。此外，由于车速 也间接反应了外界的负载状态，在同一油门开度下行驶，车速越高说明外部阻 力越小，所以接合速度应该加快一些。 在离合器接合的三阶段中，第二阶段的控制至关重要，对于不同的起步要 求，离合器第二阶段的接合速度也不相同。例如，当驾驶员希望快速起步时， 会急踩油门踏板，同时，油门踏板相应的会踩的较深。此时，第二阶段的接合 速度必须比较快。反之，当油门踩得较小且油门踩得较慢时，反应了驾驶员想 平稳起步或者此时得路面阻力较小，故离合器得接合速度应较慢。处于这两种 条件之间得情况又可以分为无数种，对于车辆这种大惯性、时变、非线性系统， 很难建立它得数学模型，而传统得控制理论在很大程度上依赖于建立系统精确 的数学模型，通过输入、输出量间的传递函数，判断系统的性质，并引入修正、 反馈环节来改善系统的动态特性，故传统的自动控制方法很难对车辆系统进行 良好的实时控制。 2 3 换档规律的研究与分析 由于自动变速器具有能够消除驾驶员换档技术的差异，有效地提高汽车的 动力性、经济性，减轻驾驶员疲劳并提高行车安全性，以及减少污染等突出的 优点，因而在汽车上获得了日益广泛的应用。自动变速技术的主要问题是档位 决策问题，即根据驾驶员的意图，车辆的运行状态和道路状况等因素，按照车 辆某些性能参数最优的原则，确定车辆的最佳档位。当前，档位决策方法可以 分为两大类，一类是在选定换档控制参数之后，按照某些性能指标最优的方法 求解换档规律。另一类方法则是利用驾驶员的驾驶经验及相关专家的知识形成 模糊控制规则，即基于专家系统的换档规律。二者各有千秋，第一类方法为传 统方法，理论比较完善，有一套完整的解决方案。而对于第二类方法，依据车 辆运行状态和驾驶员的操纵意图，实时推理换档规律，能够更好的实时接近于 最佳换档规律。 换档规律是指汽车各排档间自动换档时刻随控制参数变化的规律，它是自 动变速器开发的核心技术，其好坏直接影响汽车的动力性，经济性和乘坐舒适 性。目前常用的换档规律有单参数换档规律、两参数换档规律和三参数换档规 律等。不论是基于稳定行驶工况的两参数换档规律，还是基于动态过程的三参 数换档规律，都只能反映汽车的行驶状态，而没有考虑汽车行驶环境及驾驶员 操纵意图对换档过程的影响，因而如果当汽车的实际行驶环境和汽车行驶状态 与求解最优换档规律的实验条件相近时，传统的换档规律给出的是使某一指标 最优的档位，如最佳燃油经济性、最佳动力性等。 2 3 1 最优换档规律介绍 2 3 1 1 最佳动力性换档规律 最佳动力性换档规律是指充分利用车辆的牵引性能，使车辆的动力性和加 速性能最优。当选择运动规律的时候，不考虑发动机的燃油经济性，而只考虑 车辆的加速性能。因此在这种工况下，车辆的动力性较好，但油耗较高。如果 能够使车辆尽量在较高的车速下换档，就可以充分利用发动机的牵引特性。该 规律可以通过车辆的牵引曲线求得。由车辆在不同档位下不同油门开度时的牵 引力特性曲线，取同一油门开度下相邻两档的牵引力曲线的交点为最佳动力性 换档点，为最佳动力性换档点。如不存在交点，则取低档下发动机转速最高时 的工况点为换档点。将各种不同油门开度下最佳动力性换档点绘在油门开度一 车速坐标系中并连成一条曲线，即为该相邻两档的最佳动力性换档规律。同理 可求得其它两档的换档规律。 2 3 1 2 最佳经济性换档规律 最佳经济性换档规律是指尽量使车辆的燃油降低，以达到车辆的燃油经济 性最优。当选择经济性换档规律时，车辆在保证牵引力要求的前提下，充分考 虑发动机的燃油经济性，使车辆尽可能在高档下工作。当车辆行驶在高速公路 或路面情况较好时，使用此换档规律。在这种换档规律下，车辆比较省油，但 动力性相对较弱。 最佳经济性换档规律通过车辆的燃油经济性曲线求得。假设换档时间很 短，可近似认为换档时车速，为保证汽车具有良好的动力性和乘坐舒适性，换 档前后牵引力不变。由等牵引力换档条件，换档时油门开度应自动调节，并为 此相适应。设换档时牵引力为一常数，在牵引特性上表示为水平直线。根据 它和相邻两档不同油门开度的牵引力特性曲线交点，求出对应的某档油门开度 的车速；再由油耗和车速曲线可用得到该车速下相应档位和油门开度的油耗。 根据车速和油耗可得到相邻两档的油耗曲线，其交点就是最佳燃料消耗的换档 点。 自动变速器的基本换档规律一般是在海平面高度的平路上无载状态下发 1 9 处于正常热工作状态时以动力性或燃油经济性最佳为目标设计的。但车辆的行 驶工况复杂多变，不同类型的驾驶员对换档规律的要求有时差别很大。在环境 条件变化时，采用基本换档模式已不能保证车辆正常行驶，如车辆爬坡或带挂 车时会产生令人厌烦的换档循环。因此，针对不同的驾驶员类型，以及在环境 条件变化时，均需采用相应的换档策略，以保证车辆正常的行驶性能。因此基 本换档模式并不能满足各种类型的驾驶员的要求，需要在最佳动力性换档模式 和最佳经济性模式之间设立许多中间模式，以兼顾不同情况下驾驶员对动力性 或经济性的要求。在一些特殊的环境条件下，如汽车带挂车或爬坡时，在冰雪 路面上行驶时，还需要采用特殊的换档模式。 2 3 2 两参数换档规律 两参数换挡规律以油门开度t r 和车速v 为控制参数，按照换挡延迟的变 化，两参数规律又可分为：等延迟型、收敛型、发散型、组合型等4 种。本系 统采用的是等延迟两参数换挡规律，下面主要来说明等延迟两参数换挡规律的 特性。 等延迟的概念是换挡延迟v 的大小不随油门的变化，故单参数控制是等延 迟，而两参数的等延迟与其相比，其特点是：引入驾驶员的干预；在小油门时 可提前换入高档，即减小了发动机的噪声，又可等延迟换回低档，改善了燃油 经济性。等延迟两参数换挡规律如图2 8 所示。 枞 图2 8等延迟两参数换挡规律 两参数换挡提供了驾驶员干预换挡的可能性，可提前实现升挡和降挡，以 此来反映驾驶员的意图。在稳定行驶的前提下，车辆能够按照预先设定的换挡 规律进行换挡，满足对车辆动力性和经济性的要求，目前自动变速车辆上普遍 采用这种换挡规律，帅铃a m t 即采取这种两参数换档规律，其各升档和降档 曲线根据自动变速理论、熟练司机经验和大量实验最终确定。 两参数动力性换挡规律是根据汽车驱动力曲线，同一油门下相邻两档驱动 力曲线的交点为换挡点，具体制定的步骤为： ( 1 ) 根据发动机的转矩特性曲线，利用汽车动力学将转矩曲线变换为驱动力 曲线： 2 0 ( 2 ) 求同一油门下相邻两挡驱动力的交点，交点判断条件为：m i i n