AMT控制系统体系结构的研究

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除AMT控制系统体系结构的研究阴晓峰 谭晶星雷雨龙 葛安林（四川工业学院）（吉林大学）摘要 建立AMT控制系统体系结构，规范地开发控制系统软件，对于AMT产品线工程有着重要的意义。本文在系统需求分析的基础上提出了系统体系结构的总体框架，并成功应用于AMT样车开发。叙词：AMT控制系统 体系结构A Study on the Architecture of AMT Control SystemYin Xiaofeng & Tan JingxingSichuan Institute of Science & TechnologyLei Yulong & Ge AnlinJilin University of TechnologyAbstract Establishing the architecture of AMT control system and developing the control software normatively, have significant meaning for the product-line engineering of AMT. Based on the system analysis, a main frame of the architecture of AMT control system is put forward in this paper, and applied to the development of AMT test vehicle successfully.Keywords: AMT Control System Architecture1 前言建立AMT控制系统体系结构是AMT控制系统软件质量设计的要求，无论处于最初的设计、动态配置，还是维护阶段，系统的体系结构对于系统的设计和理解都非常重要。它在AMT控制系统的生命周期中有如下作用：（1）对系统需求实现进行了抽象描述，便于在开发的早期发现系统中存在的问题；（2）是成功产品线工程的重要原型，产品线是指只要花费较少精力、成本，就可有规律地开发出相似系统的产品谱系，且采用这种开发方式所冒的风险比单独开发每一个系统要少得多；（3）是系统维护人员有效工作的切入点，这种对于产品的正确理解可以提高改正性维护、适应性维护及预防性维护的质量，并降低维护代价。2 系统需求分析需求分析是从用户最初的非形式化需求到满足用户要求的软件产品的映射过程。它实际上是一个对用户意图不断进行揭示和判断的过程，其目的在于细化、精化软件的作用范围，确定拟开发软件的功能和性能、约束、环境等。2.1 功能需求功能需求主要说明系统各功能部件与环境之间相互作用的本质，即拟开发系统软件在职能上实际应做什么。AMT的功能需求包括：(1) 数据采集和处理需求完成本系统所有外部信号的采集和处理工作，这些信号包括：手柄位置、加速踏板位置、刹车信号、节气门开度、车速、发动机转速、输入轴转速、离合器位移、选档位置、换档位置、方向盘转角和液压系统温度。(2) 车辆起步需求当手柄位置由N换到D/DE/L位置时，车辆进入正常起步工况：档起步。在起步过程中若刹车踏板踏下，则分离离合器至半接合点；若手柄位置返回N，则终止起步。一旦起步完成，系统转入正常行驶状态。(3) 自动换档需求车辆正常行驶过程中，系统根据当前节气门开度、车速、加速度结合当前手柄位置和档位确定是否换档及换入何档，若手柄在D位，采用动力性换档规律进行判断；若手柄在DE位，采用经济性换档规律进行判断。若需换档，对发动机、离合器和变速器进行综合控制以完成换档。在换档过程中若刹车踏板踏下，则转入刹车工况；若手柄位置改变，则切换到相应的工作模式。(4) 行驶过程中的刹车需求实现驾驶员在车辆行驶过程踏下刹车踏板以控制车速或停车的意图。(5) 倒车需求手柄位置从N换至R位置，系统挂倒档起步，根据加速踏板位置、发动机转速和输入轴转速确定离合器接合速度。在倒车过程中如果刹车踏板踏下，则分离合器至半接合点；若手柄位置换到N，则终止起步过程。(6) 故障诊断与处理需求传感器是AMT的感觉器官，执行机构则相当于人的手和脚，二者故障的及时诊断与处理是系统正常工作的必要保证。系统根据车辆运行状态信息判断出某一传感器或执行机构（对电液控制方式AMT主要是选/换档电磁阀及离合器分离/接合电磁阀）是否存在故障；当故障发生时，实时故障警告，并采取相应故障处理措施降低因故障造成的不良后果。2.2 非功能需求对于AMT系统，其非功能需求主要体现在产品需求上，重点是性能需求，包括：(1)整车性能，包括动力性和燃料经济性，即采用自动换档后应使汽车在适当的驾驶操纵模式下动力性或燃料经济性最佳。(2)换档品质，包括换档时间、冲击度和滑磨功，在平顺换档（1）的基础上，尽量缩短换档时间，尽可能地降低滑磨功，从而达到提高离合器使用寿命的目的。(3)起步性能，在充分体现驾驶员起步意图（无论是爬行起步、正常起步，还是急起步）的前提下，最大限度地降低滑磨功，此时冲击度指标也是一个要求的内容。(4)温度自适应性能，由于液压系统工作介质液压油的温度发生变化将对离合器工作过程产生显著的影响，应具有对液压系统温度变化的自适应能力。(5)降低非必要换档的频次，系统应具有对坡道及弯道的识别能力，减少在坡道及弯道上不必要换档的次数，这可在一定程度上提高动力传动系统的使用寿命。(6)自动操纵安全性，系统在各种工况下都应采取相应措施消除安全隐患，避免造成乘员或车辆的损伤，包括：起动禁止，如果变速箱啮合齿轮不在空档位置，要禁止发动机起动；倒档安全，手柄在倒档位置，要判断前进车速是否小于设定值（一般35Km/h），如大于此值则暂不执行挂倒档的动作，以免变速箱齿轮打齿以至挂不上档；转速差过高禁止同步，以保证同步器使用寿命，防止过大的换档冲击；熄火延时，当驾驶员关钥匙熄火后，要通过延时电路继续向电控系统供电，防止在未摘空档情况下突然断电引起的离合器快速接合形成的冲击对人或车的伤害，另外驾驶员有机会在熄火后发现未摘空挡时能够及时摘档；防止熄火，在刹车和减速工况如果检测到发动机转速已接近或小于最低稳定转速，应快速分离离合器或摘空档，及时切断动力传递，防止发动机熄火。(7)可靠性，系统在一定环境中以驾驶员所能接受的方式运行时应具有始终如一的外部表现。系统软件要具有出错保障能力、健壮性、内部信息的一致性、错误识别与处理能力，并降低系统对噪声的敏感性。(8)软件代码尽可能多地采用高级语言编写，软件模块参数化和结构化，内、外部文档完备，以提高可移植性、可重用性、可理解性和可修改性。3 总体框架AMT系统体系结构的总体框架可由图1描述。图中虚线框内为软件系统结构，虚线框外为与之交互的外部机制。(1) 外部机制外部机制包括人机界面、显示界面、其它电子控制单元(ECU)、便携式车载信息监测系统、换档规律定制平台、专家经验等，体现了外部因素对AMT控制系统的影响、制约和支撑。人机界面由选择手柄、加速踏板和刹车踏板组成，分别反映驾驶员对车辆操纵模式的选择、对发动机输出功率的期望和控制车速或制动的目的。这些意图以电信号的形式进入系统，手柄位置和加速踏板位置信号以模拟电压方式出现，刹车信号则用开关量表示。显示界面以可视的方式向驾驶员反馈车辆当前行驶档位及故障信息。图1 AMT系统体系结构其它ECU（如ABS、TCS、VDC等）与本系统ECU之间通过CAN总线（Controller Area Network Bus）或LIN总线（Local Interconnect Network Bus）连接实现通信，从而达到各ECU之间信息共享、综合控制的目的，同时还克服了传统电控系统线束过于粗大的缺陷。车载信息监测系统与本系统通过串行通信（Serial Communication）进行连接，用于监测车辆运行状况，实时监测系统行为，可极大程度地提高系统调试的工作效率。另外该系统彻底取消了数据采集卡，在降低开发成本的同时消除了传统数据采集方法对电控系统的干扰，提高了系统的稳定性。换档规律定制平台用于定制动态三参数换档规律，利用发动机动态试验数据，采用人工神经网络辨识的方法建立发动机动态转矩和油耗模型，进而以所建模型为基础结合车辆及传动系统的相关参数（如效率、速比等）定制动力性和经济性换档规律。领域专家包括汽车、电子、控制、计算机、机械、液压等方面的技术专家和具有丰富驾驶经验的驾驶员等。(2) 软件系统结构控制系统软件采用“五层”“两库”结构，“五层”分别为数据采集与处理接口层、通信接口层、决策调度层、协调层和驱动控制层，“两库”分别为综合信息库和知识库，“两库”为“五层”提供信息和决策支持。 决策调度层处于系统体系结构的顶层，相当于系统的神经中枢，实时监测系统运行状况，根据当前驾驶员的选择模式及系统状态参数在知识库中进行搜索，并及时作出系统对外部激励或内部状态变化的正确响应，调度相应低层模块完成作出的决策。数据采集与处理接口层位于系统体系结构的底层，按一定周期完成各传感器信号的采集与处理工作，并将当前最新信息存入综合信息库的相应区域，供系统其它层使用。在本层还完成对传感器故障的诊断。通信接口层同样位于系统体系结构的底层，响应决策层调度，实现与外部通信的功能。其通信对象包括显示界面、其它电控单元、车载信息监测系统等，与显示界面、车载信息监测系统之间采用串行通信，遵循串行通信协议，与其它电控单元之间则遵循CAN 2.0A/2.0B或SAE J1850协议通过CAN/LIN Bus进行数据通信。协调层是一个中间层，处于决策调度层与驱动控制层的之间，根据顶层决策确定驱动控制层的控制目标并完成在起步/换档过程中各底层控制器间的相互协调。驱动控制层直接面向系统各执行机构，包括发动机供油控制、离合器控制和变速器控制三个模块。各模块根据顶层决策从知识库中选择相应控制算法对发动机、离合器及变速器实施控制，以实现系统需求。本层还完成执行机构故障的诊断及传感器和执行机构故障的处理。综合信息库用于存放系统运行所需的各种动态信息，包括周期更新的采集信息和车辆运行工况信息（如所在档位、故障状态等）。知识库则存储用于支持决策、协调与控制的各种知识，包括换档规律和起步/换档/制动等过程中发动机、离合器及变速器的控制规则与算法等，来源于换档规律定制平台及领域专家的经验总结。4 软件体系结构在AMT样车开发中的实现 总体框架给出了AMT控制系统体系结构的蓝图，该框架被设计为一可灵活定制的、可扩展的结构，实际应用还有赖于它的具体实施。下面以AMT样车开发为例进行讨论。4.1 数据采集与处理接口层图2 数据采集与处理数据流图本层模块数据流图（Data Flow Diagram，DFD）如图2所示，处理过程包括：数据采集、数据处理（脉冲量、模拟量和开关量处理）及传感器故障诊断。采集信号包括：手柄位置、加速踏板位置、刹车信号、节气门开度、车速、发动机转速、输入轴转速、离合器位移、选档位置、换档位置、方向盘转角和液压系统温度。其中刹车信号为开关量，车速、发动机转速和输入轴转速为脉冲量，其余均为模拟量。(1) 数据处理对模拟量进行数字滤波处理。考虑到单片机应用实时性方面的要求，采用平均滤波法，既可滤去脉冲干扰，又可滤去小的随机干扰。对开关量采用多次判读的方式进行核准。AMT的脉冲信号包括发动机转速、输入轴转速和车速三个转速信号，对转速测量采用低转速测周期、高转速测频率的方法2。加速度值可通过对处理后的车速值进行数值微分运算获得。(2) 传感器故障诊断从方便实现考虑，将传感器故障诊断放入数据采集与处理接口层、而将其故障处理放入驱动控制层。就AMT控制系统传感器故障诊断常用方法有：输出参数极值法、动态特性极值法、性能指标极限法和间接诊断法3。图3 AMT控制系统状态转移图4.2 通信接口层设置本层的目的是为了把系统与外部的通信同系统其它功能实现隔离开来，使系统在实现外部通信的同时，满足系统控制的实时性要求。本层响应决策层调度，以异步方式与系统显示界面、其它电控单元和车载信息监测系统进行通信。4.3 决策调度层系统决策与调度的目标是实现自动操纵系统各工作状态的正确转移，根据AMT的工作特点，可将自动操纵系统划分为停车、起步、倒车、正常行驶、自动换档、制动六种工作状态（或称为工况），其状态转移图（State Transfer Diagram, STD）如图3所示。考虑到起步和倒车过程中的刹车处理相对比较简单，这里不将其单独列为一种工作状态，而是将它分别归入对应的起步和倒车两种工作状态。决策调度层实时监测系统状态参数的变化，通过对驾驶员意图和环境条件的识别，结合图3判断系统状态转移的条件是否成立，如果成立则通过协调层调度相应低层模块完成系统工作状态的转移。驾驶员意图和环境识别、换档决策及刹车后状态转移决策是实现本层目标的关键环节。环境识别主要涉及坡道和弯道的识别。关于坡道的识别，在文献4中有详细介绍，其主要原理是：车辆在坡道上运行，其加速度与其在标准平直路面上的加速度相比将发生变化，这种变化隐含了坡道信息。该文通过理论分析，导出了坡度的计算公式。对于弯道信息，可直接从方向盘转角信号中获得。换档决策是根据车辆运行状态（节气门开度、车速、加速度等）、运行环境（道路坡度、道路弯度）及换档规律从车辆当前行驶档位到理想目标档位的推理过程，是实现最佳整车动力性及燃料经济性和确保行车安全的关键过程。图4、图5分别为AMT换档决策过程和二级决策判定树。图4 换档决策推理过程 图5 二级决策的判定树当制动工况结束（刹车信号消失）后，自动操纵系统需要根据车辆当前状态及时转入适当的工作状态，以实现控制的连续性和平稳性。刹车后状态转移决策的基本思路是：若车速小于发动机最低稳定转速对应的档车速，目标工作状态为起步工况；若车速高于发动机最低稳定转速对应的档车速，由单参数换档规律进行判断，如果不需换档转入正常行驶工况，否则按单参数控制降档。4.4 协调层协调层根据顶层决策确定驱动控制层的控制目标，主要是起步和换档过程的控制目标。(1)起步过程控制目标离合器控制是车辆起步过程控制的关键，除了保证接合平稳和延长离合器使用寿命外，还必须体现驾驶员的意图。因此将离合器接合速度定为起步过程的控制目标。接合过程通常采用“快-慢-快”模式1，两个“快”过程（，为离合器释放行程，和分别为半接合点和转矩不再增长点对应的释放行程）以最快的速度接合即可；加速踏板位置作为驾驶员起步意图的表达，是决定“慢”过程离合器目标接合速度的主要因素，同时考虑到起步性能的要求，采用发动机实际转速与目标转速差以及离合器主从动片转速差信息反馈对“慢”过程离合器目标接合速度进行在线修正3。(2)换档过程控制目标a. 发动机目标转速从离合器完全分离直到其开始接合前，发动机处于空载状态。为避免发动机因空载使转速急剧升高，需要对发动机转速进行控制。假设换档前后瞬间车速基本不变（因换档时间很短，汽车惯性大），以刚挂入新档后的输入轴转速作为发动机目标转速，可达到省油、降噪、提高换档平顺性和降低离合器滑磨功的目的。设换档前后变速器速比分别为和，主减速器速比为，车轮半径为，离合器分离时刻的发动机转速为，则由换档前后瞬间车速不变假设可导出换档过程发动机目标转速为(1) b. 离合器目标接合速度自动操纵系统在换档过程中同样要在满足驾驶员的操纵意图的前提下使离合器接合平稳并延长离合器使用寿命。与起步过程一样，离合器接合仍采用“快-慢-快”模式：当时以最大速度接合离合器；而在传递转矩增长区采用“慢”模式，结合换档过程的特点，以加速踏板位置为主要因素确定离合器目标接合速度，并用档位信息进行修正3。4.5 驱动控制层驱动控制层响应决策层调度，采用某种控制算法或规则，求解并输出控制量，完成协调层确定的控制目标。限于篇幅，具体控制算法不再赘述。此外，驱动控制层还完成执行机构故障诊断及传感器和执行机构故障处理工作。对于执行机构而言，难以在数据采集过程中判定是否发生故障。所以一般在AMT实时控制的过程中通过相关传感器信号及一些经验数据间接地诊断某一执行机构是否发生故障。具体方法是：当ECU发出对某一电磁阀的开/关指令后，若经过一段时间后（具体值可由执行机构正常工作时的试验确定），通过被控对象的相关传感器信号上反映出的变化未达到正常工作时该传感器信号的变化量，即可判定该电磁阀发生故障。对于诊断后发现的故障，AMT控制系统采用以下两类处理措施：第一类措施是对失效信号或功能提供替代信号或替代功能，使车辆能够安全行驶到维修点进行维修。这主要针对传感器失效。第二类措施是采用紧急模式。这是当系统无法提供替代信号或替代功能时启用。包括执行机构失效及无法提供替代信号或替代功能的传感器失效。在车辆正常行驶里程内，一般不允许执行机构发生故障。因为一旦发生故障将产生非常严重的后果。但实际上要完全避免执行机构故障也是不可能的，所以在AMT控制系统中也加入了执行机构发生故障后的处理措施。在紧急模式下，系统通过显示界面发出故障警告，只要不切断电源，即可由车载在线信息监测系统通过串行通信从AMT ECU中读取并解析故障代码供维修人员参考，达到快速排除故障的目的。5 结束语本文从系统工程和需求工程的角度出发，对AMT控制系统功能和非功能方面的需求进行了分析；在此基础上，提出了以“五层”“两库” （数据采集与处理接口层、通信接口层、决策调度层、协调层、驱动控制层、综合信息库及知识库）结构为主体、以人机界面、显示界面、其它电控单元、便携式车载信息监测系统、换档规律定制平台、专家经验等外部机制为支撑的AMT控制系统体系结构的总体框架；并成功的应用到AMT样车开发中，取得了良好效果。本文提出的体系结构框架，对于其它车辆电控系统的开发也具有一定的借鉴意义。参考文献1 葛安林编著车辆自动变速理论与设计北京：机械工业出版社，19932 李永军基于CAN总线的机械式自动变速器换档综合控制研究：博士学位论文长春：吉林工业大学，19993 阴晓峰车辆动力传动力自动操纵系统体系结构及支撑软件开发的研究：博士学位论文长春：吉林大学，20024 李焕松关于汽车动力传动系统自动操纵理论的研究：博士学位论文长春：吉林工业大学，19945 周之英编著现代软件工程（上）北京：科学技术出版社，2000【精品文档】第 6 页