Exponenta Banner
exponenta event banner

Моделирование контроллера автоматической коробки передач

В этом примере используются:

Открыть модель

В этом примере показано, как моделировать автомобильный привод с помощью Simulink ®. Stateflow ® расширяет модель Simulink, представляя логику управления передачей. Simulink обеспечивает мощную среду для моделирования и моделирования динамических систем и процессов. Однако во многих системах управляющие функции, такие как изменение режимов или вызов новых графиков усиления, должны реагировать на события, которые могут произойти, и условия, которые развиваются с течением времени. В результате среда требует языка, способного управлять этими многочисленными режимами и создавать условия. В следующем примере Stateflow показывает свою силу в этом качестве, выполняя функцию выбора передачи в автоматической коробке передач. Эта функция комбинируется с динамикой привода естественным и интуитивным образом путем включения блока Stateflow в блок-схему Simulink.

Анализ и физика

На приведенном ниже рисунке показан поток энергии в типичном приводе автомобиля. Нелинейные обычные дифференциальные уравнения моделируют двигатель, четырехступенчатую автоматическую коробку передач и транспортное средство. Модель, обсуждаемая в этом примере, непосредственно реализует блоки из этого рисунка в виде модульных подсистем Simulink. С другой стороны, логика и решения, принятые в блоке управления передачей (TCU), не поддаются хорошо сформулированным уравнениям. TCU лучше подходит для представления Stateflow. Stateflow отслеживает события, соответствующие важным отношениям в системе, и выполняет соответствующие действия по мере их возникновения.

Дроссельное отверстие является одним из входов в двигатель. Двигатель соединен с рабочим колесом гидротрансформатора, который соединяет его с трансмиссией (см. уравнение 1).

Уравнение 1

$$I_{ei} \dot{N}_e = T_e -T_i $$

$$ N_e = \mbox{ engine speed (RPM)}$$

$$I_{ei} = \mbox{ moment of inertia of the engine and the impeller}$$

$$T_e, T_i = \mbox{ engine and impeller torque}$$

Входные-выходные характеристики гидротрансформатора могут быть выражены как функции частоты вращения двигателя и частоты вращения турбины. В этом примере всегда предполагается направление потока энергии от рабочего колеса к турбине (см. уравнение 2).

Уравнение 2

$$T_i = \frac{N_e^2}{K^2}$$

$$K= f_2 \frac{N_{in}}{N_e} = \mbox{ K-factor (capacity)}$$

$$N_{in} = \mbox{ speed of turbine (torque converter output) = transmission input speed (RPM)}$$

$$R_{TQ} = f_3 \frac{N_{in}}{N_e} = \mbox{ torque ratio}$$

Модель трансмиссии реализуется посредством статических передаточных чисел, предполагающих малое время переключения (см. уравнение 3).

Уравнение 3

$$R_{TR} = f_4(gear) = \mbox{ transmission ratio}$$

$$T_{out} = R_{TR} T_{in}$$

$$N_{in} = R_{TR} N_{out}$$

$$T_{in}, T_{out} = \mbox{ transmission input and output torques}$$

$$N_{in}, N_{out} = \mbox{ transmission input and output speed (RPM)}$$

Конечный привод, инерция и динамически изменяющаяся нагрузка составляют динамику транспортного средства (см. уравнение 4).

Уравнение 4

$$ I_v \dot{N}_w = R_{fd}(T_{out}-T_{load})$$

$$I_v = \mbox{ vehicle inertia}$$

$$N_w = \mbox{ wheel speed (RPM)}$$

$$R_{fd} = \mbox{ final drive ratio}$$

$$T_{load} = f_5(N_w) = \mbox{ load torque}$$

Крутящий момент нагрузки включает в себя как дорожную нагрузку, так и тормозной момент. Дорожная нагрузка представляет собой сумму фрикционных и аэродинамических потерь (см. уравнение 5).

Уравнение 5

$$ T_{load} = sgn(mph) (R_{load0} + R_{load2} mph^2 + T_{brake}) $$

$$ R_{load0}, R_{load2} = \mbox{ friction and aerodynamic drag coefficients} $$

$$ T_{load}, T_{brake} = \mbox{ load and brake torques} $$

$$ mph = \mbox{ vehicle linear velocity}$$

Модель программирует точки сдвига для передачи в соответствии с графиком, показанным на рисунке ниже. Для данного дросселя на данной передаче существует уникальная скорость транспортного средства, при которой происходит переключение на более высокую передачу. Моделирование работает аналогично для понижающей передачи.

Моделирование

При открытии модели в рабочей области модели задаются начальные условия.

Схема верхнего уровня модели показана на рисунке ниже. Для выполнения моделирования на вкладке Моделирование (Simulation) щелкните Выполнить (Run). Обратите внимание, что модель регистрирует релевантные данные в MATLAB Workspace в структуре данных с именем sldemo_autotrans_output. Записанные сигналы имеют синий индикатор. После выполнения моделирования можно просмотреть компоненты структуры данных путем ввода sldemo_autotrans_output в окне команд MATLAB. Также следует отметить, что блоки отображаются на значках подсистем и сигнальных линиях.

Моделирование

Модель Simulink, показанная выше, состоит из модулей, которые представляют двигатель, трансмиссию и транспортное средство, с дополнительным логическим блоком переключения передач для управления передаточным отношением. Вводы пользователя в модель выполнены в виде дросселя (в процентах) и тормозного момента (в ft-lb). Пользователь вводит крутящие моменты дроссельной заслонки и тормоза с помощью интерфейса MonowversGUI.

Подсистема двигателя состоит из двумерной таблицы, которая интерполирует крутящий момент двигателя в зависимости от дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. На рисунке ниже показана составная подсистема Engine. Дважды щелкните эту подсистему в модели, чтобы просмотреть ее структуру.

Блоки Converter и Ratio составляют подсистему передачи, как показано на рисунке ниже. Дважды щелкните подсистему передачи в окне модели для просмотра ее компонентов.

Преобразователь DreamConverter является маскированной подсистемой, реализующей уравнение 2. Чтобы открыть эту подсистему, щелкните ее правой кнопкой мыши и выберите в раскрывающемся меню «Маска» > «Искать под маской». Маска требует вектора отношений скоростей ( Nin/Ne ) и векторы К-фактора (f2) и коэффициент крутящего момента (f3). На этом рисунке показана реализация подсистемы Converter.

Блок передаточного отношения определяет передаточное отношение, показанное в таблице 1, и вычисляет выходной крутящий момент передачи и входную скорость, как указано в уравнении 3. На следующем рисунке показана блок-схема подсистемы, реализующей это соотношение крутящего момента и скорости.

Таблица 1 Передаточные числа трансмиссии

gear     Rtr = Nin/Ne
 1         2.393
 2         1.450
 3         1.000
 4         0.677

Блок Stateflow с меткой SheyLogic реализует выбор передач для трансмиссии. Дважды щелкните SheyLogic в окне модели, чтобы открыть диаграмму потока состояний. Модуль Model Explorer используется для определения входных сигналов как дроссельной заслонки и скорости транспортного средства, а выходных данных - как требуемого числа передач. Два пунктирных состояния И отслеживают состояние зубчатой передачи и состояние процесса выбора зубчатой передачи. Общая диаграмма выполняется как дискретно-временная система, дискретизируемая каждые 40 миллисекунд. Показанная ниже диаграмма потока состояний иллюстрирует функциональные возможности блока.

Поведение логики сдвига можно наблюдать во время моделирования, включив анимацию в отладчике Stateflow. selection_state (всегда активно) начинается с выполнения вычислений, указанных в его during функция. Модель вычисляет пороговые значения скорости переключения на повышенную и пониженную передачу как функцию мгновенных значений зубчатой передачи и дроссельной заслонки. При steady_state модель сравнивает эти значения с текущей скоростью транспортного средства, чтобы определить, требуется ли сдвиг. Если да, то он входит в одно из состояний подтверждения (upshifting или downshifting), который записывает время ввода.

Если скорость транспортного средства больше не удовлетворяет условию переключения, в состоянии подтверждения модель игнорирует переключение и переходит обратно в steady_state. Это предотвращает посторонние сдвиги из-за шумовых условий. Если условие смены остается действительным в течение TWAIT засечек, модель переходит через нижнее соединение и, в зависимости от текущей передачи, транслирует одно из событий переключения. Впоследствии модель снова активируется steady_state после перехода через одно из центральных соединений. Событие смены, которое передается в gear_selection активирует переход на соответствующую новую передачу.

Например, если транспортное средство движется на второй передаче с 25% дросселем, состояние second активен в течение gear_state, и steady_state активен в selection_state. during функция последнего, обнаруживает, что переключение на более высокую передачу должно происходить, когда транспортное средство превышает 30 миль в час. В момент, когда это становится правдой, модель входит в upshifting состояние. В этом состоянии, если скорость транспортного средства остается выше 30 миль/ч для TWAIT засечек, модель удовлетворяет условию перехода, ведущему вниз к правому нижнему соединению. Это также удовлетворяет условию [| gear = = 2 |] на переходе, ведущем отсюда кsteady_state, поэтому модель теперь принимает общий переход от upshifting кому steady_state и транслирует мероприятие UP как переходное действие. Следовательно, переход от второго к третьему осуществляется в gear_state который завершает логику сдвига.

Подсистема транспортного средства использует суммарный крутящий момент для вычисления ускорения и его интегрирования для вычисления скорости транспортного средства в соответствии с уравнениями 4 и 5. Подсистема транспортного средства маскируется. Для просмотра структуры блока «Транспортное средство» щелкните на нем правой кнопкой мыши и выберите в раскрывающемся меню «Маска» > «Искать под маской». Параметры, введенные в меню маски, представляют собой конечное передаточное отношение, полиномиальные коэффициенты трения и аэродинамического сопротивления, радиус колеса, инерцию транспортного средства и начальную выходную скорость трансмиссии.

Результаты

Карта крутящего момента двигателя и характеристики гидротрансформатора, использованные при моделировании, показаны ниже.

Получить коэффициенты K (вторая строка) и Ratio (третья строка) и SpeedRatio (первая строка)

При первом моделировании (проходном маневре) используется схема дроссельной заслонки, приведенная в таблице 2 (эти данные интерполируются линейно).

Таблица 2: График дроссельной заслонки для первого моделирования (проходной маневр)

Time (sec)    Throttle (%)
  0             60
 14.9           40
 15            100
100              0
200              0

Первый столбец соответствует времени; второй столбец соответствует открытию дросселя в процентах. В этом случае тормоз не применяется (тормозной момент равен нулю). Скорость транспортного средства начинается с нуля, а двигатель - с частотой вращения 1000 об/мин. На следующем рисунке показан график для результатов базовой линии с использованием параметров по умолчанию. Когда водитель переходит на 60% дроссель на t=0, двигатель немедленно реагирует более чем удвоением своей скорости. Это приводит к низкому коэффициенту скорости на гидротрансформаторе и, следовательно, большому коэффициенту крутящего момента. Транспортное средство быстро ускоряется (никакого проскальзывания шины не моделируется), и и двигатель, и транспортное средство набирают скорость примерно до t = 2 sec, в это время происходит 1-2 переключения на более высокую передачу. Частота вращения двигателя характерно резко падает, затем возобновляется его разгон. 2-3 и 3-4 повышающие переключения происходят примерно через четыре и восемь секунд соответственно. Обратите внимание, что скорость транспортного средства остается намного более плавной из-за его большой инерции.

В t=15secводитель переводит дроссель на 100%, что может быть типичным для проходящего маневра. Передача переключается на третью передачу, и двигатель переходит с 2600 об/мин на 3700 об/мин. Таким образом, крутящий момент двигателя несколько увеличивается, а также механическое преимущество трансмиссии. При продолжающемся сильном дросселе транспортное средство ускоряется примерно до 100 миль в час, а затем смещается в перегонку примерно на t = 21 sec. Транспортное средство курсирует на четвертой передаче в течение оставшейся части моделирования. Дважды щелкните по блоку ManuversGUI и используйте графический интерфейс для изменения истории дроссельной заслонки и тормозов.

Закрытие модели

Закройте модель, очистите сгенерированные данные.

Заключения

Эту базовую систему можно расширить модульным способом, например, заменив двигатель или трансмиссию более сложной моделью. В рамках этой структуры можно создавать большие системы путем пошагового уточнения. Бесшовная интеграция логики управления Stateflow с обработкой сигналов Simulink позволяет создать эффективную и интуитивно понятную модель.

См. также

Связанные темы

Документация Simulink

Поддержка