GCKontrol状态图使用案例:双离合自动变速器控制单元(TCU)模型设计与仿真
前言
状态图是基于有限状态机的图形化编程环境。使用状态图编程可对状态机进行设计、仿真和测试,并生成状态图代码。
控制系统设计在很大程度上依赖状态机来管理复杂的逻辑。在实际应用中,小到点亮一个发光二极管的控制系统,大到汽车、大型空调的控制系统,甚至飞机、火箭等航空航天飞行器的控制系统,都可以使用状态图进行编程。尤其在汽车领域中,复杂的控制系统逻辑广泛存在于车辆的各大部件中,使用状态图可以更方便、更有效地处理这些逻辑,因此状态图在汽车领域有着非常广泛的应用。
自动变速器电子控制单元TCU(Transmission Control Unit)是装备自动变速器车辆的核心控制系统之一。TCU可以在汽车运行过程中,对各种描述当前车辆行驶状态的传感器信号进行处理,判断出驾驶员意愿,并控制当前车辆挡位。
本文将通过对双离合自动变速器(DCT)模型中TCU部分,使用状态图编程,构建一个完整的DCT模型并运行仿真、查看结果,来介绍GCKontrol中状态图编程的使用。
一、状态图介绍
状态机是有限状态自动机的简称,是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。在逻辑搭建过程中,任何操作对象都可抽象出很多状态,在某一状态下该对象会保持相对稳定,只有当特定的转换条件被触发时,才会从当前状态转换为另一状态。
状态图编程是基于有限状态机和流程图,构建组合和时序逻辑决策模型,并进行仿真的编程方式,是一种图形化的编程语言。它可以将复杂的逻辑简单化,可读性更高。
以水的状态转化为例,其状态为固液气三种,如下图1所示。图中方框为其状态,箭头为其状态转移过程所需条件,一般称为转移条件,即当液态状态下的水在满足气化条件后,会转变为气态状态。
在大的状态下,往往会将其进一步拆分,形成各种各样的小状态,我们将大的状态称为父状态,大状态下的小状态称为子状态,子状态下可再分化为子状态,层层嵌套。
图1.状态图示意图
注:图中气态状态上的小箭头为缺省状态设置,其作用是描述该系统从此状态开始,图中的意义可理解为该系统开始时为水蒸气状态。
在状态图建模中,常用的动作状态有三种,entry(en)、during(du)和exit(ex),其含义如下:
表1.状态图编程常见动作
类型 | 描述 |
entry (简写为en) |
状态进入动作,表示发生状态转移,激活该状态时需要执行的动作 |
during (简写为du) |
状态依然激活动作,表示原处于激活状态的状态被触发,且不存在从此状态出发的转移条件被激活,此状态依然处于激活状态时需执行的操作 |
exit (简写为ex) |
状态退出动作,表示存在从此状态出发的转移条件被激活时,该状态退出时执行的操作 |
在这些动作状态中,我们可使用C代码来编写系统需要进行的操作,实现对被控对象的控制。此外,转移条件书写在中括号([ ])内,当转移过程中有动作发生时书写在大括号({ })内来表示。
图2.状态图编程示例
二、模型搭建
在汽车领域中,存在着大量的MCU元件,这些元件的内部逻辑通常由C代码编写而成。在实际应用中,可使用状态图来进行这些控制逻辑的搭建,再将其编译成C代码,载入硬件中使用即可。小到车灯的控制,大到发动机、变速箱等汽车三大件,均可使用状态图进行编程。使用状态图可以简化逻辑,提高可读性,提高工作效率,故这一方法也被各大汽车软件开发商青睐。在汽车的自动变速器中,其大脑核心便是TCU(Transmission Control Unit)。TCU中集成了整个变速器的控制逻辑及控制方法,是自动变速器的核心部件。
本案例将通过讲解汽车动力总成中TCU部分的状态图建模,使读者进一步熟悉状态图建模编程,了解状态图在GCKontrol中的应用。原模型可在历史文章《汽车动力总成-双离合器自动变速器模型》中查看。
●DCT
双离合自动变速器(Dual Clutch Transmission,DCT)广泛应用于乘用车领域,具有燃油经济性好、驾驶性能好、成本低廉以及生产继承性好等重要特性。
DCT是一种纯机械式变速器,可理解为机械式自动变速器(Automatic mechanical transmission,AMT)的改进版本,通过增加一个离合器,离合器1打开过程中结合离合器2来实现动力换挡。
下图为典型双离合变速器的机械结构:
图3.典型双离合变速器的机械结构
双离合变速器有四个同步器,换挡过程中发动机到离合器1、离合器2的功率流向可如下图所示,输出轴将力矩输出给差速器实现不同挡位下的驱动。
图4.DCT功率流向示意图
●TCU
TCU(Transmission Control Unit)是自动变速器的控制单元,其根据车速、发动机转速、油门等信息对变速箱进行控制,根据其内部逻辑计算出合适的挡位,并发送信号给执行器,从而使得车辆处在合适的挡位上。
自动变速器的换挡规律是指车辆在各挡间变换时参数变化的规律,它关系到整个车辆的动力性、经济性、驾驶性等诸多性能,是自动变速器系统的核心内容,也是TCU的主要关注点。本案例中将使用目前最常用的两参数自动换挡规律。该形式主要通过车速、油门开度、发动机转速及刹车信号进行判断,给执行器发出相应的信号,以期达到车辆整体的最佳状态。图5所示为常见的两参数换挡规律示意图, α 是二挡到一挡的降挡线, α 是二挡到三挡的升挡线。设当前挡位为二挡,若下一时刻的点 α 落在 α 、 α 两曲线之间,则仍为二挡;若落在曲线 α 左边,则降为一挡;若落在曲线 α 右边,则升为三挡。若当前挡位为一挡,则只判断是否升挡;若当前挡位为最高挡,则只判断是否降挡。
图5.DCT常见两参数换挡曲线
●动力总成模型
汽车动力总成一般指发动机、变速器,以及集成在变速器上面的其余零件,如离合器、差速器等。为了能够更好地观察DCT的工作情况,我们加入车辆动力学模型,给出驾驶员输入的油门及刹车信号,进行整体仿真,整体模型如下图所示。
图6.DCT整体模型
●TCU模型
TCU模型整体概览如下图所示,其主要控制逻辑使用状态图搭建。
图7.TCU模型
本案例中仅考虑汽车的N挡及D挡,挂入N挡时,变速器内部输入轴和输出轴之间的动力传递被切断,两个离合器均分离;挂入D挡时,根据车速、油门开度及刹车动作进行相应动作。此外,当发动机转速过低时,无条件进入发动机保护模式,防止发动机熄火。我们将其抽象化为D挡状态、N挡状态及防止发动机熄火的发动机保护状态。在这三种状态下,又可以根据特定的条件将其划分为不同的子状态。其整体状态框图见图8:
图8.TCU状态图概览
在D挡模式下,首先进行行驶状态判断;当车速(Carspeed)小于5Km/h且刹车(BrakePedal)处于工作状态时,进入怠速状态(state0),切断动力输出;当车速小于5Km/h、油门开度(AccPedal)大于0且刹车不工作时,进入起步状态(state10),TCU应用离合器扭矩控制并对发动机转速进行控制,车辆起步加速;当车速大于5Km/h且输入轴转速(TransInputSpeed)与发动机转速(EngineSpeed)同步完成时,进入行驶状态(state20),车辆起步完成,正常行驶;如行驶过程中车速过低,则恢复到起步状态,反之则进行挡位判断,会首先根据当前挡位控制离合器1及离合器2的接合状态,再根据车速判断是否应该加减挡位,当前挡位(CurrentGear)与目标挡位(TargetGear)不匹配时进入换挡状态。
图9.TCU行驶状态判断框图
本案例中使用两参数换挡规律,实际执行时通过当前挡位和油门开度,确定升挡或者降挡的速度,根据速度判断是否需要升降挡,其换挡曲线如图10、图11所示:
图10.TCU升挡曲线
图11.TCU降挡曲线
进行换挡时,首先进入升挡判定,在升挡过程中,TCU请求减小发动机扭矩,以使发动机转速降低得更快,能够更快更好地完成挡位切换。之后根据不同挡位检查同步器的位置,开始进行挡位切换,在该状态下完成两个离合器之间的扭矩(ClutchTorque)切换,期间离合器处于滑摩状态,换挡完成后回退到行驶判定状态。
图12.TCU换挡状态框图
三、仿真分析
完成以上模型搭建后,汽车TCU的基本功能已经实现,与其它模型连接到一起后可进行整车行驶工况的模拟,车辆行驶的实际行驶工况错综复杂,此工程通过配置以下几种典型工况,演示DCT动力总成模型的动态表现。
工况一:全油门0-100km/h加速工况仿真,车辆需要11.2秒达到100公里每小时的时速,下图展示了一挡、二挡、三挡的换挡过程。
图13.全油门加速工况曲线
工况二:松开加速踏板,TCU通过触发升挡指令降低发动机工作转速。车速因行驶阻力缓慢下降,未降至换挡线,挡位保持不变。
图14.升挡过程曲线
工况三:踩下刹车,TCU发出降挡指令,车速快速下降直至停止。此过程车辆制动,车速不断降低,连续降挡,直至停止进入怠速状态。
图15.刹车工况曲线
工况四:由停车状态再次进行全油门加速,10S后松开踏板。
图16.自由加速工况曲线
总结
对状态图建模的支持,是GCKontrol的一大特色。上述案例介绍了状态图建模的基本逻辑与方法,对于自动变速器电子控制单元TCU来说,状态图实现了根据车速、发动机转速、油门等信息对变速箱的控制,模拟了TCU的控制逻辑及控制方法。
从中我们感受到,使用状态图建模可以简化模型、提高模型可读性,这在降低用户使用门槛的同时,又能有效提升建模编程的效率,从而让工程师能够快速搭建逻辑策略。
状态图建模相比传统方法有着很大的领先优势,并且能够适配更多的应用场景,在汽车电子、温度控制、航空发动机等领域有着广泛的应用。
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