自動變速器控制系統論文

1、蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)設計1 引言 自動變速器，簡稱AT(Automatic Transmission)，在汽車中的應用是20世紀汽車工業(yè)的一場大革命。80年代，美國和日本AT的裝車率就已超過手動變速箱(MT)。目前美國采用自動變速器的轎車達90以上，在日本也已超過70，歐洲人盡管偏愛手動檔，也仍然有25左右的裝車率。液力式自動變速器自1939年誕生至今已有60多年歷史，發(fā)展最為成熟，應用也最為廣泛，具有很好的綜合性能。然而目前國產車自動變速器的占有率微乎其微，國內大部分汽車均采用手動的固定軸式齒輪變速器。盡快消化和吸收國外的先進經驗和技術，開發(fā)一種操作簡便、性能良好、價格合理且適合我國國情

2、的自動變速器來裝備國產車，是圈內相關領域科技人員面臨的重要課題之一。1.1自動變速器的發(fā)展隨著車輛技術的發(fā)展，人們對車輛操縱方便性和舒適性提出高的要求，對于轎車而言，提高傳動效率，合理利用能源一直是傳動系統控制的目標。因此，車輛自動變速一直都是人們追求的目標。車輛實現傳動系統的自動化會帶來以下優(yōu)點： 1減輕駕駛員的勞動強度。將駕駛員從頻繁的換檔操作中解放出來，這樣可以使駕駛員的勞動強度大為降低。 2提高勞動生產率。通過傳動系統的自動操縱可以充分發(fā)揮車輛的動力性使車輛具有良好良好的動力性，加速性能和爬坡能力，進而提高勞動生產率。 3合理利用能源。車輛的油耗是與駕駛員的操縱水平密切相關的。有關資料

3、表明：熟練駕駛員與非熟練駕駛員的油耗水平可相差近10隨著自動變速技術的發(fā)展，對于合理利用能源，實現動力性與經濟性的統一，在能源日益緊張的今天具有非常重要的意義。4增加行車安全性。一方面，由于自動變速技術的采用，降低了車輛駕駛員的疲勞程度，有利于增加行車安全性；另一方面，通過傳動系統的控制，可以實現巡航控制車輛編隊跟蹤行駛，可以提高車輛的主動安全性。5改善車輛排放性能。通過對傳動系統的合理控制，可以改變發(fā)動機的負荷狀況，使發(fā)動機處于良好的工作狀態(tài)，從而改善的車輛排放性能。由于自動變速技術有如此多的優(yōu)點，再加上社會環(huán)境的要求，實現車輛動力傳動系的自動控制，足車輛技術發(fā)展的必然趨勢。1.2自動變速器

4、的分類目前世界上使用最多的汽車自動變速器主要有以F3種類型：液力機械式自動變速器(Hydraulic Mechanical Transmission簡稱HMT)：傳動部分主要由液力變矩器和多組行星齒輪組成，它仍然分多檔，分幾速，是實現局部無級變速的有級變速器，按控制方式分有純液壓控制式和電子控制式兩種。目前它是使用最多的自動變速器，是AT的主流，已廣泛應用于轎車、公共汽車、重型車輛和商用車，在美國采用液力自動變速器的轎車已達90以上。其優(yōu)越性是免除了手動變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，通過腳踩油門踏板，便可巧妙地實現自動變速，使開車變得簡單、省力。液力自動變速器的電子控制系統使得自

5、動切換速度柔和、平穩(wěn)，所以乘坐與駕駛都感覺很舒適。采用液力自動變速器無疑提高了轎車的檔次，但結構復雜、重量大、制造工藝復雜等是它的缺點。電控機械式自動變速器(Automated Mechanical Transmission簡稱AMT)：在原有機械變速器基本結構不變的情況下，通過加裝微機控制的自動操縱機構，取代原來由駕駛員人工完成的離合器分離與接合、摘檔與掛檔以及發(fā)動機的轉速同步調節(jié)等操作，最終實現換檔過程的操縱自動化。電控機械式自動變速器由于原有的機械傳動結構基本不變，所以齒輪傳動固有的傳動效率高、機構緊湊、工作可靠等優(yōu)點被很好的繼承下來，但由于先天性的性能和結構限制，使其性能無法進一步提高

6、。AMT適用于舒適性能要求比較低的重型車輛和作為輔助的自動換檔方式使用(例如：本田定軸式AT，前進檔和倒檔轉換就采用了AMT方式)。AMT應用不是很廣泛，主要應用在重型車輛上，而在轎車上幾乎很少看到應用。金屬帶式無級自動變速器(Continuously Variable Transmission簡稱CVT)：采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞，即當棘輪變化槽寬時，相應改變馳動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑進行變速，能實現真F的無級變速。CVT變速器采用金屬帶傳動，具有提速流暢、操縱便利、維修容易等優(yōu)點，不論司機還是乘客都感覺良好。其操縱方便性和乘坐舒適性均可與液力變矩器相媲美，而其傳動效率卻

7、遠高于液力變矩器，更主要的是能更好地協調車輛外界行駛條件與發(fā)動機負載，充分發(fā)揮發(fā)動機潛力，提高整車燃油經濟性。但CVT的缺點也是很明顯的，就是傳動帶很容易損壞，無法傳遞大功率，金屬帶式無級自動變速器所裝轎車發(fā)動機的排量多在0.6L到3.3L，而且CVT結構也較復雜。并且由1二CVT的性能和可靠性尚未經過充分的考驗和證j；，目前大多數廠家對CVT仍抱謹慎態(tài)度，僅在作研究、實驗、試用。盡管如此，世界上也已出現了一批生產金屬帶式無級自動變速器的廠家，將金屬帶式無級自動變速器商品化。雖然CVT商品化的時間不長，目前在汽車變速器中的占有率也不高，但其具有省油、降低排氣污染、操縱方便、行駛舒適的機械無級傳

8、動的優(yōu)良特性，只要材料科學的發(fā)展能夠改善金屬傳送帶的承受性能，CVT的發(fā)展前景是十分看好的。1.3電控液力機械式自動變速器組成現代汽車自動變速器普遍采用的是液力變矩器和行星齒輪變速器組合而成的電控液力機械式自動變速器。其工作原理是：節(jié)氣門傳感器和車速傳感器將發(fā)動機節(jié)氣門開度和車輛行駛速度轉變?yōu)殡娦盘枺B同其他反映汽車各組成和系統工作情況的傳感器信號一起，送到電子控制系統的電子控制單元(Electronic Control Unit，簡稱ECU)。輸入信號與事先存儲在電子控制單元中的控制規(guī)律進行比較計算，并由電子控制單元向相應的若干個電磁閥發(fā)出指令，接通或切斷流向換檔閥等的液壓油路，使執(zhí)行機構各

9、離合器和制動器動作得到控制，從而精確地控制換檔時機和鎖止離合器的工作，并使自動變速器的換檔更趨平穩(wěn)。電子控制液力機械式自動變速器的組成和控制原理如圖11所示。它主要由液力傳動裝置(液力變矩器)、輔助變速裝置、液壓控制單元和電子控制單元4部分組成。以下對各部分作簡要介紹。 1液力傳動裝置汽車液力傳動裝囂分為液力耦合器和液力變矩器，現代自動變速器液力傳動裝置大都采用液力變矩器。變矩器安裝于發(fā)動機乜輪上，它通過液力傳動力矩，可在定的范圍內實現增扭和無級變速。 2變速裝置 目前普遍采用的是行星齒輪式變速器。該變速器是用行星排機構來達到變速的目的，它依靠離合器和制動器根據行車需要來連接或制動行星排的不同

10、元件，從而實現變速器的不同速比。其作用是進一步增扭減速，通過變換檔位實現不同的傳動比，以提高汽車的適應能力。 3液壓控制單元 液壓控制單元起傳遞、控制、操縱、冷卻和潤滑等功能，主要由油泵、主調壓閥、節(jié)流閥、換檔閥、手控閥、電磁閥等組成。液壓控制系統受電控系統的控制，按照行車要求，把液壓油輸入到需要1作的離合器或制動器油缸內，以改變變速器速比，達到行車要求。4信號輸入裝置：包括傳感器(節(jié)氣門位簧傳感器、車速傳感器及發(fā)動機油溫傳感器等)和信號開關裝置(行駛模式選擇開關、空檔起動開關、制動燈開關及超速檔開關等)。信號輸入裝置負責將汽車行駛的有關狀態(tài)信息轉變?yōu)殡娦盘?，以便后繼的控制電路接受。傳感器信號

11、一般有模擬量、脈沖量、開關量等3種形態(tài)。圖11液力機械式自動變速器控制原理5ECU：電子控制單是電子控制系統的核心，接收傳感器檢測到的汽車行駛狀態(tài)信息和駕駛員給出的干預信息，并進行比較運算。再按照某種規(guī)律發(fā)出指令，自動控制傳動系統工作。ECU主要由輸入通道、控制器和輸出通道3部分組成。輸入通道接收各種輸入裝置，如傳感器和功能開關的輸出信號，并對其進行放大或調制。控制器將這些信號與內存中的數據進行對比，根據對比結果做出是甭換檔等決定，再由輸出裝置將控制信號處理或直接輸送給電磁閥等執(zhí)行機構。ECU能同時存儲多種控制參數，能在不同的控制規(guī)律間切換，如最佳動力性換檔規(guī)律、最佳燃油經濟性換檔規(guī)律及日常行

12、駛規(guī)律等，能完成比全液壓式控制系統復雜得多的自動控制，而且僅需改變輸入信號及程序就可以適應不同傳動系和不同換檔規(guī)律的需要，不必改變機械加工工藝設備，使一種裝置可以通用于各種傳動系統。ECU的功能有控制換檔時刻、控制鎖止離合器、控制換檔品質和自我診斷與失效防護功能。6執(zhí)行器：主要指電磁閥，它根據ECU的命令接通或切斷液流回路。按其作用分為換檔電磁閥、鎖止電磁閥和調壓電磁閥。換檔電磁閥由于控制換檔油壓、位置和時刻；鎖止電磁閥用以控制鎖止時間：調壓電磁閥用于凋節(jié)執(zhí)行元件卜的液壓，使換檔過程更順暢。1.4混雜系統的發(fā)展混雜系統(hybrid systems，簡稱HS)的提出是由于離散事件系統的深入研究

13、和現代工業(yè)過程控制的需要?；祀s系統被定義為離散事件系統(DES)與連續(xù)變量系統(CVS)相混合而形成的統一的動態(tài)系統。狹義上可以指一個系統中既包括離散變量，又包括連續(xù)變量的系統；廣義可以指系統包括相互作用的連續(xù)過程與離散過程。目前對混雜系統還沒有形成一個統一的概念?；祀s系統的結構概念早在70年代末就已提出，但直到80年代末才引起學者們的廣泛注意。自第28屆CDC會議ll4J以來，IEEE和LFAC的重要會議上開始出現關于混雜動態(tài)系統的專題，另外，每年世界上都有關于混雜系統的國際會議召開，如1994年CornellUnivWOHYAC1995年的DIMACS，1996年S96(ComellUni

14、v)。1EEEControlSystems Society于1996年2月成立了以MDLemmon為 主席的混雜動態(tài)系統研究組(Working Group of Hybrid Dynamic systems，并且不久IEEE Tran. On Auto. Contr將出一期關于混雜控制系統建模、分析和設計的專刊。此外，世界上許多大學和研究機構都成立了關于混雜系統理論與應用研究小組，并形成自己的研究特色，如以區(qū)段演算(Duration Calcutus)及其擴展為工具的UNUHST周巢塵小組；以AHS系統研究致力于混雜控制系統的應用研究的UBC的Pvayaria小組；康奈爾大學的ANerode小

15、組；MIT的NLynch以及以色列的Pnueti小組等則致力于混雜系統的理論探索。自1986年在美國高級控制會議上提出以來，混雜系統的概念不久便成為離散事件系統研究和過程控制應用中的一個新的熱點，并被公認為對生產過程自動化、自動化調度、機器人控制、計算機通訊等一系列工程技術問題具有重要的指導意義。由于混雜系統內含了連續(xù)動態(tài)和離散動態(tài)，如何描述系統、如何應用于實際過程就成為HS研究中最困難、同時也是最富創(chuàng)造性的活動。因此，系統建模與HS應用研究構成了HS研究中的核心內容。1991年在法國召開了關于HS的國際會議及1992年在月麥召開了計算機科學問題巾的混雜系統理論專題研討會，1994年在法國IN

16、RLA召丌DEDS94的國際會議中就有關于HS的專題報告。從1989年起至今每年召開的IEEECDC大會論文集都有多篇有關HS的研究文獻，例如，CDC92和CDC93。最近，國際刊物(Theoretical Computer Science)為此出版了專輯。近年來，有關HS文獻不斷增長，研究成果不斷涌現。1.5本論文的主要研究內容 本論文的工作是在前期對富康轎車自動變速器研制基礎上，自行設計，開發(fā)基于大眾桑塔納2000型轎車的自動變速器的電子控制單元。根據控制要求，設計外圍處理電路，并對此電路進行調試。在設計硬件電路的基礎上，以摩托羅拉16位微控制器MC9S12DP256作為處理器，針對所控制

17、的混雜系統，利用實驗得出的各種條件下的換檔規(guī)律，編寫相應的軟件程序，完成整個系統的控制功能。 第1章，分析國內外汽車自動變速器的發(fā)展和普及情況。對當今應用的變速器的種類做介紹，分析其優(yōu)缺點。根據采用自動變速器汽車的優(yōu)點，分析自動變速器的前景。針對在這次的設計研究中應用的液力機械式變速器的機械組成結構做出介紹。另對混雜系統理論的發(fā)展作簡單介紹。第z章，聯系實際混雜系統應用情況。介紹混雜系統建模的一般方法和適用情況，給出自動變速器控制系統的模型。論文還單獨對混雜系統理論的一些術語進行介紹，對兩種控制策略詳細說明，為混雜系統理論在本系統的應用做基礎。 第3章，詳細分析了自動變速器對周圍環(huán)境的識別，對

18、事件的判斷。 第4章，對控制策略需要的各種基本要素分析，總結，給出相關的數學表達。聯系第3章介紹的基本方法，理論聯系本系統實際，將兩種策略應用于本系統中，并對其比較分析。第5章，完成一個控制系統的控制功能。這一章就對我們所需要控制的系統做出詳細說明。特別對這次工作的重點電子控制單元ECU做出詳細介紹。MC9S12DP256微控制器在汽車變速器控制中的應用。第6章,自動變速器控制系統中各電氣元器件的介紹及電路圖的設計。第7章，對論文工作情況和成果進行總結。2 混雜系統分析2.1混雜系統理論概況2.1.1混雜系統理論的應用情況自從80年代初DES開始被人們接受其作為一個新興學科分支以柬，大家就十分

19、關，D它究竟有何用處?能解決些什么樣的問題?在每次會議或出版書于中都特別注意介紹其有關應用的情況?！笆非啊钡膽米圆淮?。例如通訊(電話)交通等公共服務系統涉及的排隊網絡，開關電路、可編程邏輯控制器(PLC)等邏輯綜合問題，系統工程、運籌學中的調度規(guī)劃、PERT等技術，工廠管理中生產計劃及調度等等，至今仍是重要的應用領域，而且由于計算機的使用，自動化要求的提高，更需要理論分析和實時有效的算法實現，它們對DES的研究仍然起著重要的推動作用。計算機和通訊網絡對DES理論的需求也是早已有之。事實上許多模型和方法如自動機形式語言、Petri網、通訊序貫過程、大型復雜程序的編制和檢驗方法等等，都是先由計

20、算機科學家提出，而后被移植并推廣用于一般的DES?！坝嬎銠C系統品質評估”已經成為一個專門的分支，而排隊論或隨機Petri網被認為是最重要的方法之一。Murata在他的著名綜述118J中概括了Petri網的應用領域，包括：1成功應用：系統品質評估和通訊協議設計；2很有前途的應用：分布式軟件系統的建模和分析，離散事件系統，分布式數據庫，并發(fā)和平行程序，柔性制造和工業(yè)控制系統，多處理器存儲系統，數據庫汁算系統，容錯系統，可編程邏輯和VLSl陣列，異步電路和結構，匯編和操作系統，辦公室信息系統，形式語言等；3可能的應用；計算機局域網，法律系統，人類因素，神經元網絡，數字濾波，決策模型。1991年6月A

21、CC會議之后，在麻州Amherst舉行了一個DEDS(動態(tài)離散系統)討論會，其中介紹了若干應用例：1FMS的生產流量控制和切換調度(Caramanis)，包括遞階層次分群、HP型流量控制和分布式反饋調度；2(g，S)庫存系統擾動分析(M，Fu)；3智能車輛公路系統的機動編隊協議(varaiya)；4順序電路設計和一個印刷電路板車間控制器綜合(Ozverenj：5半導體牛產的基于交貨期和緩沖區(qū)優(yōu)先級的分布式調度(Kumar)6基于規(guī)則的專家系統的動態(tài)性質的校驗(Passino)，其靜態(tài)問題是對知識庫中規(guī)則的相容(無冗余、無矛盾)性、完備性等等的檢驗，動態(tài)問題則是其推理、判斷過程與系統動態(tài)要求的匹

22、配；7種多功能半導體生產設備Rapid Thermal Multiprocessor的DEDS控制(Ballemi)。傳統工藝是硅片在幾十臺機器中旅行，完成幾百道加?，F改為一臺具多處理功能的設備可按邏輯順序完成所有任務，避免了裝卸、傳送等問題。他們基本上采用R&W的理論框架，但在控制方式、計算復雜性等方面做了較大改進，由此導出一種微工廠(MF)的概念，其中核心是一種控制編程環(huán)境，用以支持實時多任務控制系統的快速開發(fā)和可靠的CAD。2.1.2混雜系統理論對自動變速器系統的指導意義電控自動變速器系統，就是一個典型的混雜系統。對于汽車而言，在馬路上行駛，不可能是不停頓的行駛，也不可能是不會動

23、的停止。尤其是在城市中，遇到紅灼，橫穿馬路的行人，塞車等情況是非常普遍的。而對路況而言，也不可能是一路平地，總會遇到上坡段，下坡段，有些地方會出現汽渡，收費亭，轉彎，大橋等特殊情況。針對駕駛員而占，在駕駛一輛汽車行駛中，難免會出現要超車，倒車，啟動，停車等操作。在汽車行駛這1整個過程中，汽車發(fā)動機處于運行的狀態(tài)，是實際的連續(xù)過程。但是，駕駛員會通過油門，剎車，離合器。方向盤等來對汽車進行操作。對踩剎車這一·動作，并不是一直踩，或者一直不踩。從控制系統的角度，這就是一個間斷的離散的處理動作。對油門而言，汽車在運行中，駕駛員要一直踩油門。但是遇到紅燈，或者行人時，必須踩剎車。因此，踩油門

24、這一動作也不是連續(xù)的，是間斷的離散處理。2.2混雜系統建模2.2.1混雜系統建模的一般方法在混雜系統研究中，人們引進不同的模型，大都是用一組常微分方程來描述出于不同領域和研究目的，對離散特性及離散與連續(xù)部分接口的描述方式不盡相同，有各自獨特的機構?；祀s系統按其“離散”和“連續(xù)”部分的耦合程度和方式可以分為兩大類。類是層次型或者耦合的，其連續(xù)過程和離散事件過程大體可以分開，通過 個接口互相耦合。連續(xù)部分的運動可以用傳統的微分差分方程來描述，僅在達到某些條件時，由符號量(事件)控制而改變運動模式。這類系統是極普遍地，最常見的如邦一邦控制、變結構控制，復雜系統的啟動、停車，對連續(xù)過程的調度、監(jiān)控等。

25、另一類系統稱為關系型或緊耦合的，其中兩種運動模式交互作用、密不可分，控制器同時處理并發(fā)出符號量和連續(xù)量兩種信息。這類系統從本質上需要一種能同時處理兩類信息的數學結構。典型的例子如計算機磁盤讀取，其尋跡和譯碼過程是混在一起的。又如數據通訊中連續(xù)信號和離散信號也是“混編”處理的。這類系統可以說是“本質混雜”的，處理起來要難的多。下面給出分層遞階混雜系統模型，這也是一種典型的混雜系統模型，如圖21所示。由圖中可看出混雜系統主要由三部分構成：(1)被控對象部分，一般用微分方程描述，其動態(tài)行為模式根據上層離散事件動態(tài)系統輸出的控制指令發(fā)生改變；(2)控制器部分：一般用自動豐幾、Pelri網、馬爾可夫過程

26、或某種邏輯程序語言來描述。(3)接El部分：主要完成控制器和被控對象之間的信息交換任務，因此，有時也稱為接口信息解釋器。這部分由執(zhí)行器和發(fā)生器組成。圖2.1 分層遞階混雜系統模型被控對象連同發(fā)生器和執(zhí)行器，其行為特性就如同一個離散事件系統，通過執(zhí)行器接受符號指令并通過發(fā)生器來產生符號指令，這種情況有點像一個連續(xù)動態(tài)系統加裝一個零階采樣保持器，而其整體看起來就像一個離散事件系統。因此把包括被控對象執(zhí)行器和發(fā)生器在內的部分稱為離散事件部分，而整個模型總稱為離散事件系統對象模型。對混雜系統的模型的處理方法可大致分為兩類：“聚合”(aggregation)和“延拓”(continuation)?！熬酆?/p>

27、”法將整個系統斤成離散事件動態(tài)系統(如自動機)的某種擴展，只考慮系統的聚合動態(tài)特性，通過對連續(xù)系統狀態(tài)空間進行分區(qū)來實現?！把油亍狈▽⒄麄€系統當作一個微分廳程(組)來處理，實現方式：或將離散活動“嵌入”常微分方程，或將離散活動看作微分方程的干擾(如未建模動態(tài)特性、慢變系統等)或者獨立的連續(xù)系統。這兩種方法都過于保守。為了進一步分析混雜系統，歸納其一般特點如下：1系統存在性質不同的連續(xù)和離散兩類變量。在每一個運行模態(tài)下，混雜系統的局部連續(xù)動態(tài)遵循某一受連續(xù)(或離散)事件驅動的連續(xù)變量動態(tài)系統CVDS)演化規(guī)律，當某使能條件滿足時，激活運行模態(tài)轉移事件。模念轉移事件的使能條件由系統連續(xù)狀態(tài)描述、或

28、由系統離散狀態(tài)確定、或依賴于系統混雜狀態(tài)。而離散狀態(tài)的變化又改變著連續(xù)變量服從的動態(tài)規(guī)律。局部狀態(tài)的混雜性質是混雜系統統一的本質刻畫。2混雜控制系統的研究起源于以計算機技術為基礎的混雜控制系統，由于混雜控制系統的對象、環(huán)境和任務的復雜性，由于關聯動態(tài)的多樣性和并發(fā)分布式，其控制模態(tài)的轉移結構是分布式的。即使被控對象是集中式表示，在運行模態(tài)轉移層，各種諧調約束、安全約束的存在決定了模態(tài)轉移結構的分布式。3離散事件發(fā)生在離散時刻，具有順序、選擇、并發(fā)的特色，狀態(tài)呈階段性、間歇性跳躍變化，動態(tài)特征顯著。4對系統的控制表現為對離散和連續(xù)狀態(tài)的集成控制。對系統的優(yōu)化表現為定性和定量雙重指標下的集成優(yōu)化。

29、目前國際控制界關于混雜系統的建模方法主要有以下幾種：基于層次結構的模型；基于邏輯轉換的模型；基于自動機、Peri網的模型；基于混合邏輯動態(tài)系統MLD(Mixed Digital Dynamic)的模型。層次結構模型I”是最早由Antsalis等提出用來分析混雜系統的一種方法：系統模型可分為三部分：離散事件部分、接口界面部分和連續(xù)動態(tài)部分。離散事件部分包括對象的離散狀態(tài)、對混雜對象的事件驅動、混雜對象的狀態(tài)轉換函數等，為一個確定的自動機模型。接口界面部分：事件生成器(generator)將連續(xù)變量轉化為離散變量，執(zhí)行器(actor)將離散變量轉換為受控對象的連續(xù)輸入信號；連續(xù)動態(tài)部分指對象的連續(xù)

30、動力學方程的描述。由動態(tài)元件組成操作層，由邏輯離散元件組成管理層。低層的連續(xù)控制器檢驗每一動態(tài)子系統，以提供標淮的跟蹤特性；l二級的離散控制器監(jiān)控、解決沖突、執(zhí)行計劃安排等任務。層次模型的基本結構如圖22所示。圖2.2層次結構模型圖2.2.2電控自動變速器混雜系統模型對于實際研究的自動變速器這一混雜系統，必須建立模型對其分析，具體分析見第4章的詳細說明。根掘混雜系統理論中有關建模的方法，這里采用層次結構模型。將系統分為連續(xù)控制模型和離散控制模型，各自有相應的輸入接口，輸出接口。如圖2.3。圖2.3自動變速器系統的結構模型圖由上圖可以看到，轉速，車速，油溫，節(jié)氣門等都是連續(xù)的信號，而多功能開關屬

31、于丌天量信號，或者屬于數字信號。對于輸出一端而言，PWM波屬于連續(xù)信號，電磁閥的各種信號屬于數字信號。把系統的連續(xù)信號和離散信號分開討論，并且不存在耦合情況。頂端是駕駛員外加的控制信號，如踩剎車，加大油門等一系列對汽車操縱的信號。這些信號會對汽車自動變速器的狀態(tài)產生影響。就是由于這些信號，構成了完整的混雜系統。2.3混雜系統控制算法混雜系統，包含連續(xù)的控制系統和離散的控制系統。其中，連續(xù)部分，已經有相對成熟的理論支撐。針對離散系統部分，在混雜系統理論中，有很特殊的處理方法和策略。2.3.1概念說明先就一些術語加以概念性的說明，并對各種策略中所使用的符號加以定義。l.實體。實體是描述系統的三個基

32、本要素之一。在離散事件系統中的實體分為兩大類：I臨時實體及永久性實體。在系統中只存在一段時間的實體叫臨時實體。這類實體由系統外部到達系統，最終離開系統。永久駐留在系統中的實體稱為永久實體。只要系統處于活動狀態(tài)，這些實體就存在。或者說，永久實體是系統處于會活動的必要條件。在變速器系統中，汽車自動變速器和駕駛員就是永久性實體。臨時實體按定規(guī)律不斷地到達(產生)，在永久實體作用下通過系統，最后離開系統，整個系統呈現出動態(tài)過程。在變速器系統中，出現的紅燈，行人等就是臨時實體。2.事件。描述離散事件系統的另一個重要概念就是“事件”。事件就是引起系統狀態(tài)發(fā)生變化的行為。從某種意義上說，這類系統是由事件來驅

33、動的。在一個系統中，往往有許多類事件，而事件的發(fā)生一般與某類實體相聯系，某一類事件的發(fā)生還可能會引起別的事件發(fā)生，或者是另一類事件發(fā)生的條件等等。為了實現對系統中的事件進行管理，仿真模型中必須建立事件表。表中記錄每一一發(fā)生了的或將要發(fā)生的事件類型，發(fā)生事件，以及與該事件相聯的有關性等。在系統中，是依靠事件來驅動的。3活動。離散事件系統中的活動，用于表示兩個可以區(qū)分的事件之問的過程，它標志著系統狀態(tài)的轉移。4進程。進程由若干個事件及若干活動組成，1一個進程描述了它所包含的事件及活動間的相互邏輯關系及時序關系。事件，活動，進程三者之間的關系可用圖41描述。2.3.2離散時間系統策略模型作為系統的規(guī)

34、范，兩者之間既有聯系的一方面，也有其區(qū)別的一方面。模型是系統的抽象，因而在模型描述中所使用的術語不可能與系統描述完全相同。在這里，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術語：1成分(Component)：相應于系統的實體，用于構造模型中的各個部分，根據其在模型中的作用，可分為兩大類。主動成分(ActiveType Component)：可以主動產生活動的成分。如系統中的紅燈，它的出現可以產生等待活動或者通行活動。被動成分(Passivetype Component)：本身不能激發(fā)活動，只有在主動成分作用下才產生狀態(tài)變化。2描述變量：是成分的狀態(tài)，屬性的描述。3成分間的相互關系：

35、描述成分之間相互影響的規(guī)則。在一個模型中，動成分對被動成分可能產生作用，而主動成分之間也可能產生作用。一個系統的非形式模型描述包括定義成分，描述變量及成分間的相互關系。采用如下一些符號：成分集合, C=a1,a2,. .,an (2.1)ai 是第i個成分分量（1<i<n）主動成分集合， CA=a1 ,a2 ,. .,am (2.2)aj是第j個成分分量(1<j<m,m<n)。被動成分集合， CP=a1 ,a2 ,. . .,al (2.3)ak是第k個成分分量(1<k<l,l<n)顯然，一個模型中，n=(m + l)。Sa所有成分的狀態(tài)變量，值

36、域為Sa。參數(屬性)集合 P=P1 ,P2 ,.Pr (2.4)ta成分a的狀態(tài)下以發(fā)生變化的時刻，值域為R+(0,) 。Da（s）成分a在狀態(tài)變量值為s時的條件是否滿足，Da（s）=ture, 表示滿足，Da（s）=faise表示不滿足。1事件調度法。離散事件系統中最基本的概念是事件，事件的發(fā)生引起系統狀態(tài)的變化。用事件的觀點來分析真實系統，通過定義事件及每個事件發(fā)生對系統狀態(tài)的變化，按時間順序確定并執(zhí)行每個事件發(fā)生時有關的邏輯關系，這就是事件調度法的基本思想。按這種策略建立模型時，所有事件均放在事件表中。模型中設有一個事件控制成分，該成分從事件表中選擇具有最早發(fā)生時間的事件，調用相應的事

37、件處理模塊，贏到該事件處理完成。這樣，事件的選擇和處理不斷的進行，直到結束。下面給出這種策略的菲形式描述：成分集合 C=a1,a2,. .,an (2.5)主動成分子集 CA=a1 ,a2 ,. .,am (2.6)被動成分子集 CP=am+1,am+2 ,.,an (2.7) 描述每一主動成分aCP的變量。a的狀態(tài)sa,值域sa。sa 下一變化時刻的事件變量ta。描述每一個被動成分aCP的變量a的狀態(tài)sa，值域sa 。被動成分的狀態(tài)變化只有在主動成分作用下才能發(fā)生，其發(fā)生事件由主動成分來確定，不需要時間變量。 描述所有成分的屬性的變量，參數集合式(24)。每個主動成分aCP 的影響受主在a作

38、用下其狀態(tài)變化的描述，稱為事件處理流程。各成分處理的優(yōu)先級，即同時發(fā)生時的處理順序(解結規(guī)律)。在事件調度法中，一般將主動成分也同時視為被動成分，以便接受其他主動成分的作用。2活動掃描法。事件調度法中的依據準則為: t(s)=mintaaCA (2.8)而該事件發(fā)生的任何條件的測試則必須在該事件處理程序內部去處理。如果條件滿足，該事件發(fā)生，如果條件不滿足的話，則推遲或取消該事件發(fā)生。因此，從本質上來說，事件調度法是一種“預定事件發(fā)生時間”的策略。這樣，模型中必須預定系統中最先發(fā)生的事件，以便啟動進程。在每一類事件處理子程序中，除了要修改系統的有關狀態(tài)外，還要預定本類事件的下一事件將要發(fā)生的時間

39、，這種策略對于活動持續(xù)時間的確定性(服從某種分布的隨機變量)較強的系統時比較方便的。但是，事件的發(fā)生不僅與時間有關系，而且與其他條件有關，即只有滿足某些條件時才發(fā)生。在這種情況下，采用事件調度法策略建模則顯示出這種策略的弱點。原因在于，這類系統的活動持續(xù)時間的不確定性，因而無法確定活動的開始或終止時間?；顒訏呙璺ㄊ轻槍哂猩鲜鎏攸c的系統產生的。這種策略的基本思想是：系統由成分組成，而成分包含著活動，這些活動的發(fā)生必須滿足某些條件；每一個主動成分均有一個相應的活動子例程；活動的發(fā)生時間也作為條件之一，而且是較之其他條件具有更高的優(yōu)先權。設Da（s）表示a在系統狀態(tài)s下的條件是否滿足(Da（s）=

40、ture則表示滿足，Da（s）=faise表示不滿足)，ta 表示成分a的狀態(tài)下發(fā)生變化的時刻，活動掃描法每一步要對系統中的所有主動成分進行掃描，當：（1） ta 當前的時間值；（2） Da（s）=ture；時，執(zhí)行該成分a的活動子例程。所有主動成分掃描一遍后，則又按同樣順序繼續(xù)進行掃描，直到結束。顯然，活動掃描法由于包含了對事件發(fā)生時間的掃描，因而它也具有事件調度法的功能。以活動的觀點建模的活動掃描法，其核心是建立活動子例程模型，包括此活動發(fā)牛引起的狀態(tài)變化(自身的)，對其他成分的狀態(tài)產生的作用等，而條件處理模塊則是這種策略實現的本質。3 汽車自動變速器對環(huán)境的識別自動變速器已成為一種成熟的

41、商業(yè)產品，以車速和節(jié)氣門開度作為換檔控制參數，根據平路行駛時確定的最佳燃油經濟性或最佳動力性換檔規(guī)律進行換檔。為了解決在一些離散情況下的事件，采用混雜系統的分析方法，需以識別出路面環(huán)境為前提。汽車的行駛環(huán)境差別很大，不僅路面類型復雜多樣，有上坡、下坡、轉彎等，同樣的路麗類型條件下，因交通流狀況(車多，人多)，路面狀況(濕滑、泥濘)的差異，對換檔的要求也有很大的差別。當路面狀況良好，且周圍行人、車輛稀少時，汽車可以迅疾飛馳，而在同樣的路面條件下，當周圍人、車較多時汽車不得不緩慢行駛。為了便于自動換檔系統對行駛環(huán)境的識別，本文建立了一種梯階的行駛環(huán)境識別體系，底層由路面附著的識別，行駛區(qū)域的識別，

42、坡道、彎道識別3個平行的部分組成，進行實時識別。31行駛環(huán)境識別方法研究311路面附著的識別路面附著的識別主要用來識別路面的濕滑程度。按照路面附著系數的不同，將常見路面分為極低附著系數路面、低附著系數路面、高附著系數路面三種類型。路面附著劃分范圍如表31所示。表31路面附著劃分通過安裝在前后輪上的4個輪速傳感器可以實現對路面附著的識別。發(fā)前左、前右、后左、后右4個輪速傳感器的測量角速度分別為wfl ,wfr ,wrl ,wrr, 則前輪驅動汽車的驅動輪滑轉率可以定義為 S=wf-wr/ wr (3.1) 其中， wf=max(wfl ,wfr) （3.2） Wr=(wrl+,wrr)/2 (3

43、.3)路面附著識別時，實時嗡測4個車輪的角速度，計算汽車驅動輪的滑轉率，當某一時刻的計算滑轉率S大于設定值后，認為汽車驅動輪出現丁較大滑轉，立即關閉節(jié)氣門開度并持續(xù)一段時間，以此消除驅動輪的過度滑轉。雖然驅動輪的速度可能會由于系統慣性短時增加，但很快就會回落。節(jié)氣門關閉過程驅動輪速度的變化如圖32所示。圖中點b是驅動輪速度最大的點，點c和點b的時間間隔是t。t時間內驅動輪的平均減速度減以表示為 a=(wb-wc)/ t (3.4)由于a由路面附著決定，因而可以從平均減速度a推知路面附著的大小。圖32驅動輪速度變化過程3.1.2行駛區(qū)域的識別不同的行駛區(qū)域具有不同的道路結構特征和交通流特征。行駛

44、區(qū)域識別主要識別“市區(qū)”，“郊區(qū)”，“高速公路”三種情況。以車速v，節(jié)氣門開度a，檔位ia作為行駛區(qū)域的識別參數，則識別特征矢量可以定義為 x=(xv,xa,xi) (3.5)三種行駛區(qū)域可以用其矢量均值xj表示， xj=(xjv,xja,xji), (j=1,2,3) (3.6)定義采樣特征矢量為 x=(xv,xa,xj) (3.7)dj的最小值對應的行駛區(qū)域就是當前行駛環(huán)境識別的輸出，即 E0=mindj(x, xi), (j=1,2,3) (3.8) 3.1.3坡道和彎道的識別自動變速器在坡道和彎道條件下行駛時，很容易出現換檔頻繁等問題，這將不僅不能省油或提高動力性，可能還會由于換檔時的

45、無用能力消耗和動力切斷時間比例過高而損失汽車的經濟性、動力性，同時頻繁換檔還將加劇傳動系和換檔執(zhí)行機構的部件磨損。為了避免這些問題的出現，對路形的識別很重要的。坡道的識別可以通過汽車行駛時所受到道路阻力的變化來獲得。將坡道分為“大上坡”、“小上坡”、“平路”、“大下坡”和“小下坡”5種類型。在坡度為盧的坡道上行駛時，汽車所受到的道路阻力F為 F=Fr+Fs=fmgcos+mgsin (3.9)其中，Fr滾動阻力，Fs坡度阻力，f滾動阻力系數，m汽車質量，g重力加速度。設汽車的滾動阻力系數f和m質量均為常數，則 F=F() (3.10)可以通過汽車的行駛方程獲得 F=Fd-Fa-Fac (3.1

46、1)其中Fd驅動阻力， Fa空氣阻力，Fac加速阻力。 汽車行駛時實時計算當前的F，并與自動變速器電控單元內存的不同坡道下的路阻力進行比較，就可以推知汽車當前行駛的坡度大小。汽車轉彎時，可以根據節(jié)氣門開度的變化率a、車速v、是否有制動踏板操作br來推理駕駛員的減速意圖，并利用推理得到的減速意圖和轉向燈操作la進行彎道的判斷。在此基礎上，可以對標準換檔規(guī)律進行相應修正。32多模式換檔系統自動變速器的換檔規(guī)律，無論是最佳動力性還是最佳經濟性換檔規(guī)律，都是根據平路行駛工況制定的，因而在其他一些特殊的離散事件條件下，就可能出現一些問題。圖33是自動變速器汽車和手動變速器汽車以60kmh的速度在平均坡度

47、為10的坡道上行駛時的檔位對比圖。由該圖可以清楚地看到，坡道上轉彎時，由于駕駛員收油門，自動變速器汽車多了一次不應該地換4檔操作，這顯然是因為沒有考慮到轉彎這一離散事件而產生的。在這類特殊的事件發(fā)生時，應根據相應的混雜系統理論指導換檔。此外，采用通常換檔規(guī)律的自動變速器汽車轉彎時，很容易出現頻繁換擋問題和濕滑路況下打滑問題，也都是因為沒有考慮環(huán)境中所出現的特殊事件而產生的。圖3.3 通常自動變速汽車和手動變速汽車在坡道上行駛的檔位對比劇針對以上出現的問題，根據汽車行駛的外界環(huán)境，合理的利用混雜系統理論，選擇相應的換檔規(guī)律，對減輕駕駛員的工作強度、提高汽車的行駛穩(wěn)定性和安全性都具有重要的意義。多

48、模式換檔系統就是按照不同的行駛環(huán)境，獲知各類不同的特殊事件，按照具體要求，在混雜系統理論指導下，根據汽車的最佳動力性和最佳經濟性換檔規(guī)律與熟練駕駛員在不同事件下的駕駛特性，制定符合不同事件的多個換檔規(guī)律內存于自動變速器電子控制單元，根據對環(huán)境識別的結果，選用相應的換檔規(guī)律。如圖3.3所示，自動變速器對行駛環(huán)境識別的結構，對環(huán)境的準確識別，才能更好的利用混雜控制理論指導換檔。圖3.4中虛線框部分是底層實時識別部分，上部是采用混雜系統理論推理、決策和修正的部分。圖3.4對環(huán)境識別的系統結構圖該系統環(huán)境識別的工作過程和主要原則如下：第一，當汽車行駛時，底層的路面附著、行駛區(qū)域、坡道和彎道識別實時行，

49、當汽車停止時，電控單元記憶當前識別結果，作為下一次啟動時的行駛環(huán)境。 第二，當路面附著識別為低或極低路面對，忽略行駛區(qū)域的識別結果，按或極低路面F的識別結果作為當前行駛環(huán)境，按相應的內存換檔表換檔。第三，3個底層識別子系統只有當識別結果為同行駛環(huán)境的次數超過指定的次數時，才向決策層輸出識別結果。第四，底層識別時，若其他行駛環(huán)境與當前行駛環(huán)境識別的差別不超過指定限度時，系統保持當前識別結果。第五，若不包含當f獅行駛環(huán)境的幾種識別結果的差別在指定的范圍內時，系統自動根據內存的環(huán)境優(yōu)先級，決策識別結果。見43有關優(yōu)先級的內容。第六，上坡時換檔的主要原則是避免頻繁換檔，下坡時換檔的主要原則是充分利用發(fā)

50、動機的牽阻力作用控制車速。圖35是汽車在不同大小的坡道行駛時的降檔規(guī)律實時修正過程示意圖。圖中換檔曲線的修正量 v=f(,a) (3.12)其中，當前坡度，a節(jié)氣門開度。圖35坡道換檔曲線示意圖因而坡道換檔時，節(jié)氣門開度為a時的換檔速度Vs為 Vs=f0(a)+f(,a) (3.13)式中，f0(a)電子控制單元內的普通換檔規(guī)律。只有當車速v> Vs 。時，汽車才執(zhí)行換檔操作。由圖可以看出，如果下坡過程中，仍然采用一般的換檔規(guī)律，會出現多余的換檔操作。采用下坡的換檔規(guī)律，避免爬坡的頻繁換檔并充分利用發(fā)動機的牽阻作用，減少駕駛員的腳制動操作。圖3.6是普通換檔規(guī)律與針對坡道指定的坡道換檔規(guī)

51、律在下坡過程中的檔位分布和制動操作次數對比圖?？梢娤鄬νǔ５膿Q檔規(guī)律，坡道換檔規(guī)律能夠充分利用發(fā)動機的牽阻作用控制車速，減少駕駛員的制動操作。圖3.6普通換檔規(guī)律與下坡換檔規(guī)律實驗比較4 基于混雜系統理論的自動變速器控制方法4.1自動變速器系統在混雜系統理論中的基本要素自動變速器系統，是一典型的混雜系統。因此，它同樣具備混雜系統研究所必須的實體、活動、事件、進程以及狀態(tài)等各個成分。4.1.1汽車行駛過程中的事件汽車行駛過程中，會遇到各種不同的事件。這里的事件是指混雜系統中專用的事件。這里主要討論城市中的車輛在行駛中會出現的各種事件。首先，馬路上會出現紅燈。這是一類典型的事件，也是在城市中一定會

52、出現的事件。路口的出現是離散的，到路口時，出現紅燈也是離散的。也就是說，汽車不是一直在路口行駛，也不是到路口時每次都是綠燈或者紅燈。下面將會對這類事件做詳細分析，用符號標記這類事件維M1。其次，在城市中，橫穿馬路的行人也有時會出現。遇到這一事件，駕駛員必須作應急反應，這也是優(yōu)先級最高的一類事件，記為M2。城市中的高峰時間，汽車會遇上堵車這類事件，記為M3。行駛中，駕駛員也有時會有想超車的想法，于是就引發(fā)了超車這一事件，記為M4。路面的狀況也會影響到汽車的行駛。出現上坡的路面，下坡的路面，分別記為M5，M6；或者出現雪天或者雨天等，記為M7，。在有些地區(qū)還有可能會出現汽渡或者收費點等事件，記為M

53、8。這些是由于路面引發(fā)的一類事件。最后，汽車要啟動，行駛，制動這類事件都為離散的，不是一直存在于這一系統中，分別記為M9，M10，M11。因此都可以歸納為系統的離散事件。總結系統出現的事件，構成了事件集合M=M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8,M9,M10,M11 (4.1)分別代表以上的一些事件。4.1.2離散事件系統中的實體在汽車行駛過程中，汽車由始至終是存在于整個系統中。因此，汽車是這一系統中的永久實體。在事件發(fā)生的過程中，汽車是主動實體與被動實體的結合體。在遇上紅燈這事件M1中，紅燈就是主動實體，汽車為被動實體。因為紅燈的出現改變了系統的狀態(tài)，影響了汽車的駕駛。對于超車這一

54、事件M4，汽車就成為主動實體，被超車就是被動實體。因此，不同的事件中，汽車所扮演的實體是不一樣的。實體是針對某一種事件而言的。4.1.3汽車在事件驅動下的連續(xù)活動活動也就是在事件中，實體所做的動作。在紅燈事件M1中，駕駛員在駛入路口的過程中，發(fā)現了紅燈。于是，他必須采取一種反映，使汽車獲知前方為紅燈，那么這種動作就是一種活動。汽車獲知前方路口有紅燈這一情況后，自動變速器也會采取相應的變速動作。這一動作也是一種活動。針對遇到橫穿馬路的行人這一事件M2，駕駛員必須做應急反映，這種反映也是一種活動。當遇上堵車這一事件M3，此時路面狀況迫使汽車會出現頻率高的停車等待。因此，變速器也必須采取相應的換檔措施，以保護汽車設旌省油等角度來換檔。這也是一種活動。當路面出現上坡的路段這一事件M5出現時，汽車要以一定角度往上。因此，換檔時，必須根據