（控制科学与工程专业论文）桑塔纳2000型轿车自动变速器电子控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 采用自动变速是目前车辆发展的趋势。自动变速技术是提高车辆使用性能、 改善车辆动力性和经济性的有效措施，同时还将大大减轻驾驶员的劳动强度。消 化吸收困外先进技术并丌发中国国产的自动变速器有重大现实意义。本文以汽车 学院和我实验室合作的汽车工业基金项目为背景，进行基于桑塔纳2 0 0 0 型轿车 自动变速器电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 系统的研究与开 发。 本文介绍自动变速器和混杂系统理论各自发展的现状，在此基础上，提出本 论文工作的必要性，对环境识别作出专门的研究和实现。 文中重点研究了基于混杂系统理论的离散系统部分控制方法。通过对混杂系 统理论的研究，建立系统的离散部分模型，分析系统中随机变量的分布，分别以 事件调度法和活动扫描法两种策略进行比较研究。以经济性和动力性的要求分析 处理每类事件的策略。 在此基础b 拄行了系统软硬件设计实现。硬件设计具体包括电源、微处理器 最小系统、输入通道和输出通道等各个部分的设计，软件部分包括主控程序和各 个功能模块子程序，分析混杂系统在换档过程中的离散事件和连续活动。 仿真实验台反复测试和长时间的实车实验表明，该套控制系统实现了自动起 步、自动换档等功能，而且有较好的经济性、动力性。 关键词：自动变速器，电子控制单元，换档规律，混杂系统 a b s t r a c r a b s t r a c t a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no 邺i sn o wt h et r e n do ft h ev e h i c l et r a n s m i s s i o n ，w h i c h g r e a t l yi m p r o v e st h ev e h i c l e se c o n o m i c a la n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，a n dg r e a t l y a l l e v i a t e st h ed r i v e r sw o r k i n gi n t e n s i t y t h es i g n i f i c a n c eo fp r o d u c i n go u rc o u n t r y s a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n di t se l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) i s g r e a t t h i sd i s s e r t a t i o n c o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i to fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o no nt h eb a s i so fs i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r me s t a b l i s h e di nt h ep r o p h a s eo ft h e p r o j e c tb e t w e e nt o n g j iu n i v e r s i t ya n d a u t o m a t i o n i n d u s t r y f u n d t h ea ta n dh y b r i ds y s t e mt h e o r ya r ei n t r o d u c e df i r s t l y i tg i v e st h en e e do ft h e r e s e a r c h o nt h eb a s eo ft h er e s e a c ho ft h eh y b r i ds y s t e mt h e o r y ，d i s c r e t es y s t e mm o d u l e i sf o u n d e dw h i c hi su s e dt o a n a l y z et h ed i s t r i b u t i o no fr a n d o mv a r i a b l e s i nt h e r e s e a r c h ，t h em e t h o do fe v e n t sa t t e m p e r r e da n da c t i v e s s c a n n e da r eu t i l i z e da n d c o m p a r e d i nt h ea i m o ft h ed y n a m i ca n de c o n o m i c a lp e r f o r m a n c e s ，t h eb e s ts t r a t e g y i sg i v e nt oe a c he v e n t r e s e a r c ho nd i s c r e t es y s t e mo ft h ea t s y s t e mi sa ne m p h a s i s ，o nt h eb a s eo f w h i c ht h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d t h eh a r d w a r es y s t e mi s c o m p o s e do fp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，m i c r o p r o c e s s o rs y s t e mc i r c u i t ，i n p u ts i g n a lc i r c u i t a n do u t p u ts i g n a lc i r c u i t i t ss o f t w a r ec o n s i s t so ft h em a i np r o g r a ma n ds e v e r a l f u n c t i o nm o d u l e s i t a n a l y z e s t h ed i s c r e t ee v e n t sa n dc o n t i n u o u sa c t i v i e so ft h e f a r r a g i n o u ss y s t e m j nt h es h i f tp r o c e s s a f t e rs e v e r a lt h es i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r mt e s t s a n dr e a la u t o m a t i o nt e s t s ，s e l f - m a d ee c ui sv a l u e di nt h es h i f tf u n c t i o nb yt h et e s t d a t a t h es i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r mt e s t sa n dr e a la u t o m a t i o nt e s t ss h o wt h a tt h ew h o l e s y s t e ma c c o m p l i s h e st h ef u n c t i o n o fa u t os t a r t u pa n da u t os h i f t t h es y s t e mh a sg o o d e c o n o m i c a la n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ( a t ) ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) ，s h i f t l a w , h y b r i ds y s t e m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集保存使用学位论文的规定，同意 如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印缩印扫描数字化 或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全 文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机 构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可 以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：本诩 o f 年弓月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导卜，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成硕士学位论文! 缮堕蓥纳2 q q q 型箍至自动变速墨电王 控剑丕统的盟窟? 僦文中已经注明引用的内容外，对文中的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本沦文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：老1 九瞎 2 0 0 5 年3 月3 日 第1 章引言 第1 章引言 自动变速器，简称a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) ，在汽车中的应用是2 0 世 纪汽车工业的一场大革命。8 0 年代，美国和日本a t 的装车率就已超过手动变速 箱( m t ) 。目前美国采用自动变速器的轿车达9 0 以上，在f = i 本也已超过7 0 ， 欧洲人尽管偏爱手动档，也仍然有2 5 左右的装车率【l 】。液力式自动变速器自 1 9 3 9 年诞生至今已有6 0 多年历史，发展最为成熟，应用也最为广泛，具有很好 的综合性能。然而目前国产车自动变速器的占有率微乎其微，国内大部分汽车均 采用手动的固定轴式齿轮变速器。尽快消化和吸收国外的先进经验和技术，开发 一种操作简便、性能良好、价格合理且适合我国国情的自动变速器来装备国产车， 是圈内相关领域科技人员面临的重要课题之一。 1 ，1 自动变速器的发展 随着车辆技术的发展，人们对车辆操纵方便性和舒适性提出高的要求，对于 轿车而言，提高传动效率，合理利用能源一直是传动系统控制的目标。因此，车 辆自动变速一直都是人们追求的目标。车辆实现传动系统的自动化会带来以下优 点： 1 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。 2 提高劳动生产率。通过传动系统的自动操纵可以充分发挥车辆的动力性， 使车辆具有良好良好的动力性，加速性能和爬坡能力，进而提高劳动生产率。 3 合理利用能源。车辆的油耗是与驾驶员的操纵水平密切相关的。有关资 料表明：熟练驾驶员与非熟练驾驶员的油耗水平可相差近1 0 2 1 随着自动变速 技术的发展，对于合理利用能源，实现动力性与经济性的统一，在能源日益紧张 的今天具有非常重要的意义。 4 增加行车安全性。一方而，由于自动变速技术的采用，降低了车辆驾驶 员的疲劳程度，有利于增加行车安全性；另一方面，通过传动系统的控制，可以 实现巡航控制1 3 蝽口车辆编队跟踪行驶【4 _ 6 】，可以提高车辆的主动安全性。 5 改善车辆排放性能。通过对传动系统的合理控制，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。 由于自动变速技术有如此多的优点，再加上社会环境的要求，实现车辆动力 第1 章引言 传动系的自动控制，足车辆技术发展的必然趋势。 1 2 自动变速器的分类 目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有以f3 种类型 2 】： 液力机械式自动变速器( h y d r a u l i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 简称h m t ) ：传 动部分主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成，它仍然分多档，分几速，是实现 局部无级变速的有级变速器，按控制方式分有纯液压控制式和电子控制式两种。 目前它是使用最多的自动变速器，是a t 的主流，已广泛应用于轿车、公共汽车、 重型车辆和商用车 = ，在美国采用液力自动变速器的轿车已达9 0 以上。其优越 性是免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，通过脚踩油门 踏板，便可巧妙地实现自动变速，使开车变得简单、省力。液力自动变速器的电 子控制系统使得自动切换速度柔和、平稳，所以乘坐与驾驶都感觉很舒适。采用 液力自动变速器无疑提高了轿车的档次，但结构复杂、重量大、制造工艺复杂等 是它的缺点。 电控机械式自动变速器( 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 简称a m t ) ：在 原有机械变速器基本结构不变的情况下，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与接合、摘档与挂档以及发动机的转速同 步调节等操作，最终实现换档过程的操纵自动化。电控机械式自动变速器由于原 有的机械传动结构基本不变，所以齿轮传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作 可靠等优点被很好的继承下来，但由于先天性的性能和结构限制，使其性能无法 进一步提高。a m t 适用于舒适性能要求比较低的重型车辆和作为辅助的自动换 档方式使用( 例如：本田定轴式a t ，前进档和倒档转换就采用了a m t 方式) 。 a m t 应用刁i 是很广泛，主要应用在重型车辆上，而在轿车上几乎很少看到应用。 金属带式无级自动变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n 简称c v t ) ： 采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，即当棘轮变化槽宽时，相应改变驰 动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，能实现真f 的无级变速。c v t 变 速器采用金属带传动，具有提速流畅、操纵便利、维修容易等优点，不论司机还是 乘客都感觉良好。其操纵方便性和乘坐舒适性均可与液力变矩器相媲美，而其传 动效率却远高于液力变矩器，更主要的是能更好地协调车辆外界行驶条件与发动 机负载，充分发挥发动机潜力，提高整车燃油经济性。但c v t 的缺点也是很明 显的，就是传动带很容易损坏，无法传递大功率，金属带式无级自动变速器所装 轿车发动机的排量多在o 6 l 到3 3 l ，而且c v t 结构也较复杂。并且由1 二c v t 2 筇l 章，j 著 的性能和可靠性尚未经过充分的考验和证j ；，目前大多数厂家对c v t 仍抱谨慎 态度，仅在作研究、实验、试用。尽管如此，世界上也已出现了一批生产金属带 式无级自动变速器的厂家，将金属带式无级自动变速器商品化。虽然c v t 商品 化的时间不长，目前在汽车变速器中的占有率也不高，但其具有省油、降低排气 污染、操纵方便、行驶舒适的机械无级传动的优良特性，只要材料科学的发展能 够改善金属传送带的承受性能，c v t 的发展前景是十分看好的。 1 3 电控液力机械式自动变速器组成 现代汽车自动变速器普遍采用的是液力变矩器和行星齿轮变速器组合而成 的电控液力机械式自动变速器。其工作原理是：节气门传感器和车速传感器将发 动机节气门开度和车辆行驶速度转变为电信号，连同其他反映汽车各组成和系统 工作情况的传感器信号一起，送到电子控制系统的电子控制单元( e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 。输入信号与事先存储在电子控制单元中的控制规律进 行比较计算，并由电子控制单元向相应的若干个电磁阀发出指令，接通或切断流 向换档阀等的液压油路，使执行机构各离合器和制动器动作得到控制，从而精确 地控制换档时机和锁止离合器的工作，并使自动变速器的换档更趋平稳。电子控 制液力机械式自动变速器的组成和控制原理如图1 1 所示【”。它主要由液力传动 装置( 液力变矩器) 、辅助变速装置、液压控制单元和电子控制单元4 部分组成。 以下对各部分作简要介绍。 1 液力传动装置 汽车液力传动装嚣分为液力耦合器和液力变矩器，现代自动变速器液力传动 装置大都采用液力变矩器。变矩器安装于发动机乜轮上，它通过液力传动力矩， 可在定的范围内实现增扭和无级变速。 2 变速装置 目前普遍采用的是行星齿轮式变速器。该变速器是用行星排机构来达到变速 的目的，它依靠离合器和制动器根据行车需要来连接或制动行星排的不同元件， 从而实现变速器的不同速比。其作用是进一步增扭减速，通过变换档位实现不同 的传动比，以提高汽车的适应能力。 3 液压控制单元 液压控制单元起传递、控制、操纵、冷却和润滑等功能，主要由油泵、主调 压阀、节流阀、换档阀、手控阀、电磁阀等组成。液压控制系统受电控系统的控 制，按照行车要求，把液压油输入到需要1 作的离合器或制动器油缸内，以改变 3 第l 章引言 变速器速比，达到行车要求。 4 信号输入装置：包括传感器( 节气门位簧传感器、车速传感器及发动机油 温传感器等) 和信号开关装置( 行驶模式选择开关、空档起动开关、制动灯开关 及超速档开关等) 。信号输入装置负责将汽车行驶的有关状态信息转变为电信号， 以便后继的控制电路接受。传感器信号一般有模拟量、脉冲量、开关量等3 种形 态。 行星齿轮变速器f l 液压控制单元电磁阀组 发动机 发动机 e c u 自动 变速器 e c u 节气fj 位置传感器 车速传感器 发动机转速传感器 油温传感器 档位开关 制动开关 图1 1 液力机械式自动变速器控制原理 5 e c u ：电子控制单7 i 是电子控制系统的核心，接收传感器检测到的汽车行 驶状态信息和驾驶员给出的干预信息，并进行比较运算。再按照某种规律发出指 令，自动控制传动系统工作。e c u 主要由输入通道、控制器和输出通道3 部分 组成。输入通道接收各种输入装置，如传感器和功能开关的输出信号，并对其进 行放大或调制。控制器将这些信号与内存中的数据进行对比，根据对比结果做出 是甭换档等决定，再由输出装置将控制信号处理或直接输送给电磁阀等执行机 构。e c u 能同时存储多种控制参数，能在不同的控制规律间切换，如最佳动力 性换档规律、最佳燃油经济性换档规律及日常行驶规律等，能完成比全液压式控 制系统复杂得多的自动控制，而且仅需改变输入信号及程序就可以适应不同传 动系和不同换档规律的需要，不必改变机械加工工艺设备，使一种装置可以通用 于各种传动系统。e c u 的功能有控制换档时刻、控制锁l r 离合器、控制换档品 质和自我诊断与失效防护功能。 6 执行器：主要指电磁阀，它根据e c u 的命令接通或切断液f e 回路。按其 4 第1 章引言 作用分为换档电磁阀、锁止电磁阀和调压电磁阀。换档电磁阀由于控制换档油压、 位置和时刻；锁止电磁阀用以控制锁止时间：调压电磁阀用于凋节执行元件卜的 液压，使换档过程更顺畅。 1 ，4 混杂系统的发展 混杂系统( h y b r i ds y s t e m s ，简称h s ) 的提出是由于离散事件系统的深入研究 和现代工业过程控制的需要。混杂系统被定义为离散事件系统( d e s ) 与连续变 量系统( c v s ) 相混合而形成的统一的动态系统。狭义上可以指一个系统中既包括 离散变量，又包括连续变量的系统；广义可以指系统包括相互作用的连续过程与 离散过程。目前对混杂系统还没有形成一个统一的概念。 混杂系统的结构概念早在7 0 年代末就已提出1 1 ，但直到8 0 年代末才引起学 者们的广泛注意。自第2 8 届c d c 会议l l4 j 以来，i e e e 和l f a c 的重要会议上丌 始出现关于混杂动态系统的专题，另外，每年世界上都有关于混杂系统的国际会 议召开，如1 9 9 4 年c o m e l l u n i v w o h y a c 1 9 9 5 年的d i m a c s ，1 9 9 6 年 h s 9 6 ( c o m e l u n i v ) 。1 e e ec o n t r o ls y s t e m ss o c i e t y 于1 9 9 6 年2 月成立了以 m d l e m m o n 为主席的混杂动态系统研究组( w o r k i n gg r o u p o f h y b r i dd y n a m i c s y s t e m s l ，并且不久i e e e t r a n o n a u t o c o n t r 将出一期关于混杂控制系统建 模、分析和设计的专刊。此外，世界上许多大学和研究机构都成立了关于混杂系 统理论与应用研究小组，并形成自己的研究特色，如以区段演算( d u r a t i o n c a l c u t u s ) 及其扩展为工具的u n u h s t 周巢尘小组1 1 5 j ；以a h s 系统研究致力于 混杂控制系统的应用研究的u b c 的p v a y a r i a 小组；康奈尔大学的a n e r o d e 小组；m i t 的n l y n c h 以及以色列的p n u e t i 小组等则致力于混杂系统的理论探 索。 自1 9 8 6 年在美国高级控制会议上提出以来【l ，混杂系统的概念不久便成为 离散事件系统研究和过程控制应用中的一个新的热点，并被公认为对生产过程自 动化、自动化调度、机器人控制、计算机通讯等一系列工程技术问题具有重要的 指导意义【1 7 1 。由于混杂系统内含了连续动态和离散动态，如何描述系统、如何应 用于实际过程就成为h s 研究中最困难、同时也是最富创造性的活动。因此，系 统建模与h s 应用研究构成了h s 研究中的核心内容。 1 9 9 1 年在法国召丌了关于h s 的国际会议及1 9 9 2 年在月麦召开了计算机科 学问题巾的混杂系统理论专题研讨会，1 9 9 4 年在法国i n r l a 召丌d e d s 9 4 的 国际会议中就有关于h s 的专题报告。从1 9 8 9 年起至今每年召开的i e e e c d c 大会论文集都有多篇有关h s 的研究文献，例如，c d c 9 2 和c d c 9 3 。最近，圈 第1 章引寿 际刊物( ( t h e o r e t i c a lc o m p u t e rs c i e n c e ) ) 为此出版了专辑。近年来，有关h s 文献 不断增长，研究成果不断涌现哆 1 5 本论文的主要研究内容 本论文的工作是在前期对富康轿车自动变速器研制基础上，自行设计，开发 基于大众桑塔纳2 0 0 0 型轿车的自动变速器的电子控制单元。根据控制要求，设 计外围处理电路，并对此电路进行调试。在设计硬件电路的基础上，以摩托罗拉 1 6 位微控制器m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 作为处理器，针对所控制的混杂系统，利用实验 得出的各种条件下的换档规律，编写相应的软件程序，完成整个系统的控制功能。 第1 章，分析国内外汽车自动变速器的发展和普及情况。对当今应用的变速 器的种类做介绍，分析其优缺点。根据采用自动变速器汽车的优点，分析自动变 速器的前景。针对在这次的设计研究中应用的液力机械式变速器的机械组成结构 做出介绍。另对混杂系统理论的发展作简单介绍。 第z 章，联系实际混杂系统应用情况。介绍混杂系统建模的一般方法和适用 情况，给出自动变速器控制系统的模型。论文还单独对混杂系统理论的一些术语 进行介绍，对两种控制策略详细说明，为混杂系统理论在本系统的应用做基础。 第3 章，详细分析了自动变速器对周围环境的识别，对事件的判断。 第4 章，对控制策略需要的各种基本要素分析，总结，给出相关的数学表达。 联系第3 章介绍的基本方法，理论联系本系统实际，将两种策略应用于本系统中， 并对其比较分析。 第5 章，完成一个控制系统的控制功能。这一章就对我们所需要控制的系统 做出详细说明。特别对这次工作的重点电子控制单元e c u 做出详细介绍。 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 微控制器在汽车变速器控制中的应用。并对仿真实验台实验和实 车实验结果作出分析。 第6 章，对论文工作情况和成果进行总结，并提出工作中出现的新问题以及 在下一步工作中有待解决和攻克的新议题。 第2 章混杂系统分析 第2 章混杂系统分析 2 1 混杂系统理论概况 2 1 1 混杂系统理论的应用情况 自从8 0 年代初d e s 开始被人们接受其作为一个新兴学科分支以柬，大家就 卜分关，d 它究竟有何用处? 能解决些什么样的问题? 在每次会议或出版书于中 都特别注意介绍其有关应用的情况【9 。 “史前”的应用自不待言。例如通讯( 电话) 交通等公共服务系统涉及的排 队网络，开关电路、可编程逻辑控制器( p l c ) 等逻辑综合问题，系统工程、运 筹学中的调度规划、p e r t 等技术，工厂管理中生产计划及调度等等，至今仍是 重要的应用领域，而且由于计算机的使用，自动化要求的提高，更需要理论分析 和实时有效的算法实现，它们对d e s 的研究仍然起着重要的推动作用。 计算机和通讯网络对d e s 理论的需求也是早已有之。事实上许多模型和方 法如自动机形式语言、p e t r i 网、通讯序贯过程、大型复杂程序的编制和检验 方法等等，都是先由计算机科学家提出，而后被移植并推广用于一般的d e s 。“计 算机系统品质评估”已经成为一个专门的分支，而排队论或随机p e t r i 网被认为是 最重要的方法之一。m u r a t a 在他的著名综述1 1 8 j 中概括了p e t r i 网的应用领域，包 括： 1 成功应用：系统品质评估和通讯协议设计； 2 很有前途的应用：分布式软件系统的建模和分析，离散事件系统，分布式 数据库，并发和平行程序，柔性制造和工业控制系统，多处理器存储系统，数据 库汁算系统，容错系统，可编程逻辑和v l s l 阵列，异步电路和结构，汇编和操 作系统，办公室信息系统，形式语言等； 3 可能的应用；计算机局域网，法律系统，人类因素，神经元网络，数字滤 波，决策模型。 1 9 9 1 年6 月a c c 会议之后，在麻州a m h e r s t 举行了一个d e d s ( 动态离散 系统) 讨论会，其中介绍了若干应用例： 1 f m s 的生产流量控制和切换调度( c a r a m a n i s ) ，包括递阶层次分群、h p 型流量控制和分布式反馈调度； 2 ( g ，s ) 库存系统扰动分析( m ，f u ) ； 第2 章混杂系统分析 3 智能车辆公路系统的机动编队协议( v a r a i y a ) ； 4 顺序电路设计和一个印刷电路板车间控制器综合( o z v e r e nj ： 5 半导体牛产的基于交货期和缓冲区优先级的分布式调度( k u m a r ) 6 基于规则的专家系统的动态性质的校验( p a s s i n o ) ，其静态问题是对知识 库中规则的相容( 无冗余、无矛盾) 性、完备性等等的检验，动态问题则是其推理、 判断过程与系统动态要求的匹配； 7 种多功能半导体生产设备r a p i dt h e r m a lm u l t i p r o c e s s o r 的d e d s 控制 ( b a l l e m i ) 。传统工艺是硅片在几十台机器中旅行，完成几百道加 。现改为一 台具多处理功能的设备可按逻辑顺序完成所有任务，避免了装卸、传送等问题。 他们基本上采用r & w 的理论框架，但在控制方式、计算复杂性等方面做了较大 改进，由此导出一种微工厂( m f ) 的概念，其中核心是一种控制编程环境，用 以支持实时多任务控制系统的快速开发和可靠的c a d 。 2 1 2 混杂系统理论对自动变速器系统的指导意义 电控自动变速器系统，就是一个典型的混杂系统。对于汽车而言，在马路上 行驶，不可能是不停顿的行驶，也不可能是不会动的停止。尤其是在城市中，遇 到红灼，横穿马路的行人，塞车等情况是非常普遍的。而对路况而言，也不可能 是一路平地，总会遇到上坡段，下坡段，有些地方会出现汽渡，收费亭，转弯， 大桥等特殊情况。针对驾驶员而占，在驾驶一辆汽车行驶中，难免会出现要超车， 倒车，启动，停车等操作。 在汽车行驶这1 整个过程中，汽车发动机处于运行的状态，是实际的连续过 程。但是，驾驶员会通过油门，刹车，离合器。方向盘等来对汽车进行操作。对 踩刹车这一动作，并不是一直踩，或者一直不踩。从控制系统的角度，这就是一 个间断的离散的处理动作。对油门而言，汽车在运行中，驾驶员要一直踩油门。 但是遇到红灯，或者行人时，必须踩刹车。因此，踩油门这一动作也不是连续的， 是间断的离散处理。 2 2 混杂系统建模 2 2 1 混杂系统建模的一般方法 在混杂系统研究中，人们引进不同的模型，大都是用一组常微分方程来描述 出于不同领域和研究目的，对离散特性及离散与连续部分接口的描述方式不尽相 旃2 章概j ：系统分析 同，有各自独特的机构。 混杂系统按其“离散”和“连续”部分的耦合程度和方式可以分为两大类。 类是层次型或者耦合的，其连续过程和离散事件过程大体可以分丌，通过个 接口互相耦合。连续部分的运动可以用传统的微分差分方程来描述，仅在达到 某些条件时，由符号量( 事件) 控制而改变运动模式。这类系统是极普遍地，最常 见的如邦一邦控制、变结构控制，复杂系统的启动、停车，对连续过程的调度、 监控等。另一类系统称为关系型或紧耦合的，其中两种运动模式交互作用、密不 可分，控制器同时处理并发出符号量和连续量两种信息。这类系统从本质上需要 一种能同时处理两类信息的数学结构。典型的例子如计算机磁盘读取，其寻迹和 译码过程是混在一起的。又如数据通讯中连续信号和离散信号也是“混编”处理 的。这类系统可以说是“本质混杂”的，处理起来要难的多1 1 。 下面给出分层递阶混杂系统模型，这也是一种典型的混杂系统模型，如图 2 1 所示【2 1 】【2 2 】。由图中可看出混杂系统主要由三部分构成：( 1 ) 被控对象部分， 一般用微分方程描述，其动态行为模式根据上层离散事件动态系统输出的控制指 令发生改变；( 2 ) 控制器部分：一般用自动丰几、p e l r i 网、马尔可夫过程或某种逻 辑程序语言来描述。( 3 ) 接e l 部分：主要完成控制器和被控对象之间的信息交换 任务，因此，有时也称为接口信息解释器。这部分由执行器和发生器组成。 例21 分层递阶混杂系统模型 被控对象连同发生器和执行器，其行为特性就如同一个离散事件系统，通过 执行器接受符号指令并通过发生器来产生符号指令，这种情况有点像一个连续动 态系统加装一个零阶采样保持器，而其整体看起来就像一个离散事件系统。因此 把包括被控对象执行器和发生器在内的部分称为离散事件部分，而整个模型总称 为离散事件系统对象模型i l ”。 对混杂系统的模型的处理方法可大致分为两类：“聚合”( a g g r e g a t i o n ) 和 筇2 章混杂系统分h “延拓”( c o n t i n u a t i o n ) 。“聚合”法将整个系统斤成离散事件动态系统( 如自动 机) 的某种扩展，只考虑系统的聚合动态特性，通过对连续系统状态空间进行分 区来实现。“延拓”法将整个系统当作一个微分厅程( 组) 来处理，实现方式：或 将离散活动“嵌入”常微分方程，或将离散活动看作微分方程的干扰( 如未建模 动态特性、慢变系统等) 或者独立的连续系统。这两种方法都过于保守2 3 】。 为了进一步分析混杂系统，归纳其一般特点如下【1 2 】： 1 系统存在性质不同的连续和离散两类变量。在每一个运行模态下，混杂 系统的局部连续动态遵循某一受连续( 或离散) 事件驱动的连续变量动态系统 ( c v d s ) 演化规律，当某使能条件满足时，激活运行模态转移事件。模念转移事件 的使能条件由系统连续状态描述、或由系统离散状态确定、或依赖于系统混杂状 态。而离散状态的变化又改变着连续变量服从的动态规律。局部状态的混杂性质 是混杂系统统一的本质刻画。 2 混杂控制系统的研究起源于以计算机技术为基础的混杂控制系统，由于 混杂控制系统的对象、环境和任务的复杂性，由于关联动态的多样性和并发分布 式，其控制模态的转移结构是分布式的。 即使被控对象是集中式表示，在运行模态转移层，各种谐调约束、安全约束 的存在决定了模态转移结构的分布式。 3 离散事件发生在离散时刻，具有顺序、选择、并发的特色，状态呈阶段 性、间歇性跳跃变化，动态特征显著。 4 对系统的控制表现为对离散和连续状态的集成控制。对系统的优化表现 为定性和定量双重指标下的集成优化。 目前国际控制界关于混杂系统的建模方法主要有以下几种：基于层次结构 的模型；基于逻辑转换的模型；基于自动机、p e r i 网的模型；基于混合逻 辑动态系统m l d ( m i x e dd i g i t a ld y n a m i c ) 的模型。 层次结构模型i ” 是最早由a n t s a l i s 等提出用来分析混杂系统的一种方法：系 统模型可分为三部分：离散事件部分、接口界面部分和连续动态部分。离散事件 部分包括对象的离散状态、对混杂对象的事件驱动、混杂对象的状态转换函数等， 为一个确定的自动机模型。接口界面部分：事件生成器( g e n e r a t o r ) 将连续变量 转化为离散变量，执行器( a c t o r ) 将离散变量转换为受控对象的连续输入信号； 连续动态部分指对象的连续动力学方程的描述。由动态元件组成操作层，由逻辑 离散元件组成管理层。低层的连续控制器检验每一动态子系统，以提供标淮的 跟踪特性；l 二级的离散控制器监控、解决冲突、执行计划安排等任务。层次模型 的基本结构如图2 2 所示。 1 0 第2 章混杂系统分析 ，一一1 。一一一一一一一- 。 ；上层的监控输入 - 一- 一一一一一一 一一一一一一 图2 2 层次结构模型图 2 2 2 电控自动变速器混杂系统模型 对于实际研究的自动变速器这一混杂系统，必须建立模型对其分析，具体分 析见第4 章的详细说明。 根掘混杂系统理论中有关建模的方法，这里采用层次结构模型。将系统分为 连续控制模型和离散控制模型，各自有相应的输入接口，输出接口。如图2 3 。 匦基蔓基童叵一 憎一卜 自动变速器 叫鬻蒜黼i 信号卜一e c u 混杂 愀嚣阀j 卜 控制系统 i 驱动信号j 一 一多功能开关 图2 3 自动变速器系统的结构模型劁 由上图可以看到，转速，车速，油温，节气门等都是连续的信号，而多功能 开关属于丌天量信号，或者属于数字信号。对于输出一端而言，p w m 波属于连 续信号，电磁阀的各种信号属于数字信号。把系统的连续信号和离散信号分开讨 论，并且不存在耦合情况。 顶端是驾驶员外加的控制信号，如踩刹车，加大油门等一系列对汽车操纵的 信号。这些信号会对汽车自动变速器的状态产生影响。就是由于这些信号，构成 了完整的混杂系统。 第2 章混杂系统分析 2 3 混杂系统控制算法 混杂系统，包含连续的控制系统和离散的控制系统。其中，连续部分，已经 有相对成熟的理论支撑。针对离散系统部分，在混杂系统理论中，有很特殊的处 理方法和策略。 2 3 1 概念说明 先就一些术语加以概念性的说明，并对各种策略中所使用的符号加以定义。 l 。实体。 实体是描述系统的三个基本要素之一。在离散事件系统中的实体分为两大 类：i 临时实体及永久性实体。在系统中只存在一段时间的实体叫临时实体。这类 实体由系统外部到达系统，最终离开系统。永久驻留在系统中的实体称为永久实 体。只要系统处于活动状态，这些实体就存在。或者说，永久实体是系统处于会 活动的必要条件。在变速器系统中，汽车自动变速器和驾驶员就是永久性实体。 临时实体按定规律不断地到达( 产生) ，在永久实体作用下通过系统，最 后离开系统，整个系统呈现出动态过程。在变速器系统中，出现的红灯，行人等 就是临时实体。 2 事件。 描述离散事件系统的另一个重要概念就是“事件”。事件就是引起系统状态 发生变化的行为。从某种意义上说，这类系统是由事件来驱动的。 在一个系统中，往往有许多类事件，而事件的发生一般与某类实体相联系， 某一类事件的发生还可能会引起别的事件发生，或者是另一类事件发生的条件等 等。为了实现对系统中的事件进行管理，仿真模型中必须建立事件表。表中记录 每一一发生了的或将要发生的事件类型，发生事件，以及与该事件相联的有关属性 等。在系统中，是依靠事件来驱动的。 3 活动。 离散事件系统中的活动，用于表示两个可以区分的事件之问的过程，它标志 着系统状态的转移。 4 进程。 进程由若干个事件及若干活动组成，1 一个进程描述了它所包含的事件及活动 间的相互逻辑关系及时序关系。事件，活动，进程三者之间的关系可用图4 1 描 述。 第2 章混杂系统分析 2 3 2 离散时间系统策略 模型作为系统的规范，两者之间既有联系的一方面，也有其区别的一方面。 模型是系统的抽象，因而在模型描述中所使用的术语不可能与系统描述完全相 同。在这里，采用模型非形式描述。模型的非形式描述中采用如下一些主要术语： 1 成分( c o m p o n e n t ) ：相应于系统的实体，用于构造模型中的各个部分， 根据其在模型中的作用，可分为两大类。 主动成分( a c t i v e t y p ec o m p o n e n t ) ：可以主动产生活动的成分。如系统中 的红灯，它的出现可以产生等待活动或者通行活动。 被动成分( p a s s i v e t y p ec o m p o n e n t ) ：本身不能激发活动，只有在主动成分 作用下才产生状态变化。 2 描述变量：是成分的状态，属性的描述。 3 成分间的相互关系：描述成分之间相互影响的规则。在一个模型中，主动 成分对被动成分可能产生作用，而主动成分之间也可能产生作用。 个系统的非形式模型描述包括定义成分，描述变量及成分间的相互关系。 采用如下一些符号： 成分集合， c = 恤。，a ：，口。) ( 2 1 ) 吼是第1 个成分分量( 1 s f n ) 。 主动成分集合， c = a 1 ，口2 ，a 月) 口，是第j 个成分分量( 1 sjs m ，mc n ) 。 被动成分集合， c p = a l ，口2 ，一，d 1 ) a 女是第k 个成分分量( 1 5 ks f ，fc n ) 。 显然，一个模型中，n = r n + ? 。 s 。为所有成分的状态变量，值域为s 。 参数( 属性) 集合 p = p 。，p ：，p ，) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第2 章混杂系统分析 t 。成分a 的状态下以发生变化的时刻，值域为怛南，。，) 。 d 。0 ) 成分。住状态变量值为s 时的条件是否满足，d 。( s ) = t r u e ，表示满 足，d 。o ) = 如l s e 表示不满足。 1 事件调度法。 离散事件系统中最基本的概念是事件，事件的发生引起系统状态的变化。用 事件的观点来分析真实系统，通过定义事件及每个事件发生对系统状态的变化， 按时间顺序确定并执行每个事件发生时有关的逻辑关系，这就是事件调度法的基 本思想。 按这种策略建立模型时，所有事件均放在事件表中。模型中设有一个事件控 制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件，调用相应的事件处理 模块，赢到该事件处理完成。这样，事件的选择和处理不断的进行，直到结束。 下面给出这种策略的菲形式描述： 成分集合 c = 1 ，口2 ，一，口。 ( 2 5 ) 主动成分子集 c 月= 口l ，口2 ，口。 ( 2 6 ) 被动成分子集 c p ；忙m + la ，o t 。) ( 2 7 ) 描述每一主动成分o c ，的变量。口的状态s 。，值域s 。s 。下一变化时刻 的事件变量f 。描述每一个被动成分“c ，的变量a 的状态s 。，值域s 。 被动成分的状态变化只有在主动成分作用下才能发生，其发生事件由主动成 分来确定，不需要时间变量。 描述所有成分的属性的变量，参数集合式( 2 4 ) 。 每个主动成分a c 。的影响受主在口作用下其状态变化的描述，称为事件处 理流程。各成分处理的优先级，即同时发生时的处理顺序( 解结规律) 。在事件 调度法中，一般将主动成分也同时视为被动成分，以便接受其他主动成分的作用。 2 活动扫描法。 第2 章混杂系统分析 事件调度法中的依据准则为 ，( s ) = m i n t 。i 口c ( 2 8 ) 而该事件发生的任何条件的测试则必须在该事件处理程序内部去处理。如果 条件满足，该事件发生，如果条件不满足的话，则推迟或取消该事件发生。因此， 从本质上来说，事件调度法是一种“预定事件发生时间”的策略。这样，模型中 必须预定系统中最先发生的事件，以便启动进程。在每一类事件处理子程序中， 除了要修改系统的有关状态外，还要预定本类事件的下一事件将要发生的时间， 这种策略对于活动持续时间的确定性( 服从某种分布的随机变量) 较强的系统时 比较方便的。 但是，事件的发生不仅与时间有关系，而且与其他条件有关，即只有满足某 些条件时才发生。在这种情况下，采用事件调度法策略建模则显示出这种策略的 弱点。原因在于，这类系统的活动持续时间的不确定性，因而无法确定活动的开 始或终止时间。 活动扫描法是针对具有上述特点的系统产生的。这种策略的基本思想是：系 统由成分组成，而成分包含着活动，这些活动的发生必须满足某些条件；每一个 主动成分均有一个相应的活动子例程；活动的发生时间也作为条件之一，而且是 较之其他条件具有更高的优先权。 设d o ) 表示口在系统状态f 的条件是否满足( d 。( s ) 一t r u e 则表示满足， d 。( s ) = f a l s