CN101487501B - 单pc机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台，该仿真平台包括虚拟控制器部分和现场系统部分，虚拟控制器部分和现场系统部分通过数据信息交换接口板卡和双离合器变速器电控单元进行信息传递和交换，双离合器变速器电控单元通过数据信息交换接口板卡获取车辆行驶信号，根据这些信号进行综合处理和判断，进而做出换档决策，控制各个电磁阀的动作；同时虚拟控制器部分从数据信息交换接口板卡获得档位信息，模拟出实际车辆行驶状态并实时显示数据处理结果。本发明的优点是只需要一台PC机或工控机，实时引入现场实际物理信号，提高了仿真系统数据精度和实验结果的可信度；低成本、实用性强。

Description

单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台及仿真方法

技术领域

本发明涉及一种双离合器变速器的仿真平台，特别涉及一种不同于xPC或其它硬件在环方式的单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台及仿真方法。

背景技术

自动变速器电控系统的完善的软件程序，可靠性、稳定性的硬件系统直接影响到整个变速器系统性能好坏，因此如何找到一种可快速、可靠、实用且低成本的自动变速器控制器开发途径是非常必要的，是事实上实际工程研发过程中经常会遇到这样的尴尬情景，例如在计算机上能够取得令人满意的软件程序和控制策略一旦到了实际应用场合效果却非常差，让人无所适从，这是因为单纯的数字仿真由于没有考虑到实际物理系统现场信号特征，也就必然会导致数字仿真结果与实际应用结果差别较大，这种情况必然会延误产品研发周期，降低开发成功率，目前尚未见有采用本发明技术方案开发出单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台及仿真方法。

发明内容

本发明的技术问题是要提供一种引入研究对象实际工作时的实时现场参数，设计制作变速器控制器，使得纯数字Simulink模型与实际物理系统现场能够实时传递信号，理论研究与实际应用密切联系，建立单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台及仿真方法，可模拟车辆各种行驶工况。

为了解决以上的技术问题，将湿式双离合器自动变速器作为研究对象引入仿真回路中，以Simulink作为仿真环境，利用实时工具箱RTWT与RTW相结合的方法将其转换为一个实时仿真系统，建立以PCL-818L及PCL-726板卡为信息数据交换媒介的湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台。

本发明提供了一种单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台，该仿真平台包括虚拟控制器部分和现场系统部分，所述的虚拟控制器部分是以工控机为载体的包括车辆动力学模型、板卡驱动模块、显示界面模块、数据信息交换接口板卡、实时代码转换工具和PC机的模拟实车行驶环境，所述的现场系统部分是包含双离合器变速器电控单元、湿式双离合器自动变速器液压系统的实际物理部分，虚拟控制器部分和现场系统部分通过数据信息交换接口板卡和双离合器变速器电控单元进行信息传递和交换，双离合器变速器电控单元通过数据信息交换接口板卡获取车辆行驶信号，根据这些信号进行综合处理和判断，进而做出换档决策，控制各个电磁阀的动作；同时虚拟控制器部分从数据信息交换接口板卡获得档位信息，模拟出实际车辆行驶状态并实时显示数据处理结果。

所述双离合器变速器电控单元的输入是油门开度信号、制动信号、档位信号、压力信号、发动机转速信号、第一离合器转速信号和第二离合器转速信号经滤波处理电路处理，双离合器变速器电控单元的输出经放大电路、光电隔离电路后与电磁阀驱动电路连接，控制主压力阀、换向阀、压力阀A、压力阀B和4个换档阀的动作。

所述湿式双离合器自动变速器液压系统包括油箱、滤油器、油泵驱动装置、油泵、主压力阀、开关阀、换向阀、压力传感器、离合器第二轴、离合器油腔、膜片弹簧、第二离合器压盘附件、第二离合器从动盘支架、螺旋弹簧和离合器第一轴，油泵通过油泵驱动装置与发动机连接，滤油器与油泵连接，主压力阀与油泵出油口油路连接、开关阀通过换向阀与油泵连接，压力传感器与离合器油腔连接，第二离合器压盘附件与第二离合器从动盘支架连接，第二离合器从动盘支架与第二离合器压盘附件连接，膜片弹簧与第一离合器压盘附件连接，螺旋弹簧与第一离合器压盘附件连接，第一离合器从动盘支架与第一离合器压盘附件连接。

RTWT是MATLAB提供和发行的一个基于RTW体系框架的附加产品，它可将PC机转变为一个实时系统，其目的是引入一种快速原型设计的方法，用于控制器的实时测试和开发。在这个环境里，一台PC机既作为宿卞机，又作为目标机存在。RTWT应用一个实时内核来保证应用程序的实时运行，实时内核运行在CPU的最高优先级，利用PC机的内部时钟，作为自己的时间信号源。

实时仿真时，首先有上层虚拟环境将纯数字模型及接口驱动程序转换成C代码，现场系统部分中的双离合器变速器电控单元通过数据信息交换接口板卡获取车辆行驶信息，双离合器变速器电控单元根据这些信号进行综合处理和判断，进而做出换档决策，控制各个电磁阀的动作。双离合器变速器电控单元主要有数据采集处理模块，换档策略模块，离合器控制模块，与此同时虚拟控制器部分根据从数据信息交换接口板卡获得档位信息，从而模拟出实际车辆行驶状态并实时显示数据处理结果。

其中湿式变速器液压系统执行机构数学模型如下：

比例电磁铁控制线圈的端电压方程：

$U_s=L_s\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+r_{s}i+k_s\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中，U_s——为线圈端电压；

L_s——线圈电感；

r_s——线圈内阻；

k_s——反电动势系数；

i——电流系数。

比例电磁阀衔铁组件的动力学方程：

$m_S\stackrel{\·\·}{y}+B_S\stackrel{\·}{y}+k_{s}y+P_1{A}_1=K_{S}i---\left(2\right)$

其中，m_s——衔铁组件质量；

y——衔铁位移；

B_S——滑阀粘性阻尼系数；

k_s——弹簧刚度；

K_S——比例电磁铁电流-力增益系数；

P₁——比例阀出口处的压力；

A₁——比例阀工作面积。

经线性化后，滑阀的流量方程为：

Q＝k_qy-k_cP₁    (3)

式中，Q——比例阀出口流量；

k_q——滑阀流量增益；

k_c——滑阀流量压力系数。

可压缩流体的连续性方程为：

$Q=A_2\stackrel{\·}{x}+c_s{P}_1+\frac{V_t}{{4\mathrm{\β}}_e}\frac{{\mathrm{dP}}_1}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

式中，A₂——液压缸工作面积；

x——液压缸活塞位移；

c_s——液压缸总泄漏系数；

V_t——从比例阀出口到液压缸活塞整个腔体总容积；

β_e——油液有效弹性体积模量。

液压缸活塞动力学平衡方程：

$m_2\stackrel{\·\·}{x}+B_2\stackrel{\·}{x}+K_{l}x=P_1{A}_2---\left(5\right)$

式中，m₂——活塞质量；

B₂——液压缸粘性阻尼系数；

k_l——弹簧刚度。

经过以上步骤就可以建立单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台。

一种单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台的仿真方法，其仿真过程是：

1)输入整车参数、仿真时间、变速器参数、行驶环境参数；

2)用实时代码转换工具对模型进行代码编译转化；

3)启动开始仿真按钮；

4)运行车辆模型；

同时运行PC机或工控机与变双离合器变速器电控单元的接口程序；

同时运行双离合器变速器电控单元的控制程序；

同时运行仿真实时结果显示界面模块；

5)仿真结束。

所述的用实时代码转换工具对模型进行代码编译转化的工作步骤是：

1)加载实时内核；

2)选择编译语言；

3)载入仿真模型，并设置仿真步长，求解器参数；

4)添加数据信息交换接口板卡的驱动模块，配置地址；

5)调试数据信息交换接口板卡的驱动模块；

6)对模型进行编译、连接生成可执行的目标应用程序。

所述的运行车辆模型的工作步骤是：

1)输入车辆参数、变速器参数以及行驶环境参数；

2)调用数据信息交换接口板卡的通信程序，与双离合器变速器电控单元进行车速、档位、换档指令信息的交换；

3)根据从双离合器变速器电控单元获得的当前档位及换档指令，选择运行不同的升、降档模型，模拟计算车辆运行参数；

4)实时显示车辆运行状态参数。

所述的双离合器变速器电控单元控制程序的工作步骤是：

1、初始化工作：I/O端口初始化、PWM端口初始化、实时时钟初始化、A/D口初始化；

2、读取变速器传感器信息；

3、读取PC机车辆运行状态信息；

4、换档逻辑判断；

5、是否升、降档？

6、否，返回第2步；

7、是，提供PC当前档位及换档命令信息；

8、控制离合器电磁阀、换档电磁阀；

9、判断换档是否完成？

10、否，返回第8步；

11、是，返回第2步。

本发明的优越功效在于：

1)本发明只需要一台PC机或工控机，且不需要类似于dspace等昂贵仪器设备，为相似平台的开发提供一种低成本实用的技术方案；

2)实时引入现场实际物理信号，提高了仿真系统数据精度和实验结果的可信度；

3)在电控系统进行实车车载道路实验前，利用本实验台进行各种工况模拟，特别是危险性较大的工况或实际场地条件受限制时，该实验台的作用显得尤为特出；

4)能测试装备湿式双离合器自动变速器整车动力性，各种循环工况的经济性，优化、匹配传动系统参数；

5)能对双离合器变速器电控单元的稳定性、可靠性以及抗干扰性能力进行测试，对电控单元的控制程序的运行稳定性进行低成本、长时间的性能测试；

6)方便、低成本的通过修改模型中的参数和策略来及时的观察自动变速器控制效果的变化，从而便捷的验证相关控制算法和策略，大幅缩短产品开发周期。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为双离合器变速器电控单元的电路原理方框图；

图3为湿式双离合器自动变速器液压系统的工作原理图；

图4为车辆动力学模型及驾驶员模拟输入、显示界面示意图；

图5为本发明仿真平台仿真方法的工作流程示意图；

图6本发明仿真平台模型编译转化流程示意图；

图7为车辆模型工作流程示意图；

图8为双离合器变速器电控单元的控制程序工作流程示意图；

图中标号说明

1-油箱；                     2-过滤器；

3-驱动电机；                 4-液压泵；

5-主压力阀；                 6-电液比例阀；

7-换向阀；                   8-压力传感器；

9-离合器第二轴；             10-活塞油腔；

11-膜片弹簧；                12-离合器压盘、摩擦片附件；

13-离合器支架；              14-螺旋弹簧；

15-数据信息交换接口板卡；    16-双离合器变速器电控单元；

17-传感器；              18-变速器实物；

19-换向阀；              20-主压力阀及润滑油压力阀；

21-同步器电磁阀；        22-离合器压力阀；

23-车辆动力学模型；      24-显示界面；

25-实时代码转换工具；    26-PC机；

27-离合器第一轴；        32-第一离合器从动盘支架。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种不同于xPC或其他硬件在环方式的单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台，该仿真平台包括虚拟控制器部分和现场系统部分，所述的虚拟控制器部分是以工控机为载体的包括车辆动力学模型23、板卡驱动模块、显示界面模块24、数据信息交换接口板卡15、实时代码转换工具25和PC机26的模拟实车行驶环境，所述的现场系统部分是包含双离合器变速器电控单元16、传感器17，变速器实物18，换向电磁阀19，主压力及润滑油压力电磁阀20，同步器电磁阀21，离合器压力阀22。虚拟控制器部分和现场系统部分通过数据信息交换接口板卡15和双离合器变速器电控单元16进行信息传递和交换，双离合器变速器电控单元16通过数据信息交换接口板卡15获取车辆行驶信号，根据这些信号进行综合处理和判断，进而做出换档决策，控制各个电磁阀的动作；同时虚拟控制器部分从数据信息交换接口板卡15获得档位信息，模拟出实际车辆行驶状态并实时显示数据处理结果。

所述的湿式变速器实物18，以模拟动力源作为输入动力，共有普通开关阀、高速开关阀以及比例电磁阀11个各类型阀，档位传感器、压力传感器、转速传感器11个各类型传感器，两个离合器压力调节阀22各自调节一路离合器压力。电控单元16根据车辆模型计算出的模拟发动机转速信号对主油道压力阀、润滑油压力阀20进行调节，根据车速、发动机转速、当前档位以及油门开度信号以及制定好的换档规律、离合器控制策略对离合器压力阀、换向阀、同步起电磁阀进行调节换档控制，并将档位、压力信息通过数据信息交换接口板卡15反馈给有车辆模型23经实时代码转化工具25转化后的C代码进行动力学的计算，将计算结果送给数据显示模块24进行显示，同时将计算出的车速，油门开度信息通过数据信息交换接口板卡15传送给电控单元16。

如图2所示，所述双离合器变速器电控单元16的输入是油门开度信号、制动信号、档位信号、压力信号、发动机转速信号、第一离合器转速信号和第二离合器转速信号经滤波处理电路处理，双离合器变速器电控单元16的输出经放大电路、光电隔离电路后与电磁阀驱动电路连接，控制主压力阀5、换向阀7、压力阀A、压力阀B和4个换档阀的动作，使湿式双离合器自动变速器进行换档以及双离合器的切换操作。

如图3所示，所述湿式双离合器自动变速器液压系统包括油箱1、滤油器2、油泵驱动装置3、油泵4、主压力阀5、开关阀6、换向阀7、压力传感器8、离合器第一轴27、离合器第二轴9、离合器油腔10、膜片弹簧11、第二离合器压盘附件12、第二离合器从动盘支架13、螺旋弹簧14和离合器第一轴27。油泵4通过油泵驱动装置3与发动机连接，滤油器2与油泵4连接，主压力阀5与油泵出油口油路连接、开关阀6通过换向阀7与油泵4连接，压力传感器8与离合器油腔10连接，第二离合器压盘附件12与第二离合器从动盘支架13连接，膜片弹簧11与第一离合器压盘附件连接，螺旋弹簧14与第一离合器压盘附件连接，第一离合器从动盘支架32与第一离合器压盘附件连接。模拟动力源启动后，驱动液压油泵4给整个系统提供液压油，电控单元16根据车辆运行状态对主压力阀5进行控制调节主油道压力，并且在换向阀7的配合下，对开关阀6进行对进入离合器油腔10的液压油进行调压，通过螺旋弹簧14的变形作用，进而调节离合器压盘、摩擦片附件12的接合压力，以便传递不同大小的摩擦扭矩。

图4为车辆动力学模型及驾驶员模拟输入、显示界面示意图，包含驾驶员油门开度、制动踏板模拟信号输入界面28，包含湿式双离合器自动变速器的整车升档纵向动力学模型界面29，以及降档动力学模型界面30，车辆运行车速、档位、发动机转速、离合器第一、二轴转速状态参数监控界面31。平台运行时，有模拟输入界面28模拟驾驶员输入各相关控制信号，逻辑换档控制模块根据车速、油门开度信号以及从接口板卡15读取得相关信号，进行升、降档动力学模型界面29、30切换选择判断和计算并实时在状态参数监控界面31上进行显示。

如图5所示，一种单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台的仿真方法，其仿真过程是：

1)输入整车参数、仿真时间、变速器参数、行驶环境参数；

2)用实时代码转换工具对模型进行代码编译转化；

3)启动开始仿真按钮；

4)运行车辆模型；

同时运行PC机或工控机与变双离合器变速器电控单元的接口程序；

同时运行双离合器变速器电控单元的控制程序；

同时运行仿真实时结果显示界面模块；

5)仿真结束。

如图6所示，所述的用实时代码转换工具对模型进行代码编译转化的工作步骤是：

1)加载实时内核；

2)选择编译语言；

3)载入仿真模型，并设置仿真步长，求解器参数；

4)添加数据信息交换接口板卡的驱动模块，配置地址；

5)调试数据信息交换接口板卡的驱动模块；

6)对模型进行编译、连接生成可执行的目标应用程序。

如图7所示，所述的运行车辆模型的工作步骤是：

1)输入车辆参数、变速器参数以及行驶环境参数；

2)调用数据信息交换接口板卡的通信程序，与双离合器变速器电控单元进行车速、档位、换档指令信息的交换；

3)根据从双离合器变速器电控单元获得的当前档位及换档指令，选择运行不同的升、降档模型，模拟计算车辆运行参数；

4)实时显示车辆运行状态参数。

如图8所示，所述的双离合器变速器电控单元控制程序的工作步骤是：

1、初始化工作：I/O端口初始化、PWM端口初始化、实时时钟初始化、A/D口初始化；

2、读取变速器传感器信息；

3、读取PC机车辆运行状态信息；

4、换档逻辑判断；

5、是否升、降档？

6、否，返回第2步；

7、是，提供PC当前档位及换档命令信息；

8、控制离合器电磁阀、换档电磁阀；

9、判断换档是否完成？

10、否，返回第8步；

11、是，返回第2步。

Claims (6)

1.一种单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台，其特征在于：

该仿真平台包括虚拟控制器部分和现场系统部分，所述的虚拟控制器部分是以PC机为载体的包括车辆动力学模型、板卡驱动模块、显示界面模块、数据信息交换接口板卡、实时代码转换工具和PC机的模拟实车行驶环境，所述的现场系统部分是包含双离合器变速器电控单元、湿式双离合器自动变速器液压系统的实际物理部分，虚拟控制器部分和现场系统部分通过数据信息交换接口板卡和双离合器变速器电控单元进行信息传递和交换，双离合器变速器电控单元通过数据信息交换接口板卡获取车辆行驶信号，根据这些信号进行综合处理和判断，进而做出换档决策，控制各个电磁阀的动作；同时虚拟控制器部分从数据信息交换接口板卡获得档位信息，模拟出实际车辆行驶状态并实时显示数据处理结果。

2.按权利要求1所述的单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台，其特征在于：

所述双离合器变速器电控单元的输入是油门开度信号、制动信号、档位信号、压力信号、发动机转速信号、第一离合器转速信号和第二离合器转速信号经滤波处理电路处理，双离合器变速器电控单元的输出经放大电路、光电隔离电路后与电磁阀驱动电路连接，控制主压力阀、换向阀、压力阀A、压力阀B和4个换档阀的动作。

3.按权利要求1所述的单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台，其特征在于：

所述湿式双离合器自动变速器液压系统包括油箱、滤油器、油泵驱动装置、油泵、主压力阀、开关阀、换向阀、压力传感器、离合器第二轴、离合器油腔、膜片弹簧、第二离合器压盘附件、第二离合器从动盘支架、螺旋弹簧和离合器第一轴；油泵通过油泵驱动装置与发动机连接，滤油器与油泵连接，主压力阀与油泵出油口油路连接、开关阀通过换向阀与油泵连接，压力传感器与离合器油腔连接，第二离合器压盘附件与第二离合器从动盘支架连接，膜片弹簧与第一离合器压盘附件连接，螺旋弹簧与第一离合器压盘附件连接，第一离合器从动盘支架与第一离合器压盘附件连接。

4.按权利要求1所述的单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台的仿真方法，其仿真过程是：

1)输入整车参数、仿真时间、变速器参数、行驶环境参数；

2)用实时代码转换工具对模型进行代码编译转化；

3)启动开始仿真按钮；

4)运行车辆模型；

同时运行PC机与双离合器变速器电控单元的接口程序；

同时运行双离合器变速器电控单元的控制程序；

同时运行仿真实时结果显示界面模块；

5)仿真结束；

其中，所述的运行车辆模型的工作步骤是：

①调用数据信息交换接口板卡的通信程序，与双离合器变速器电控单元进行车速、档位、换档指令信息的交换；

②根据从双离合器变速器电控单元获得的当前档位及换档指令，选择运行不同的升、降档模型，模拟计算车辆运行参数；

③实时显示车辆运行参数。

5.按权利要求4所述的单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台的仿真方法，其特征在于：

所述的用实时代码转换工具对模型进行代码编译转化的工作步骤是：

1)加载实时内核；

2)选择编译语言；

3)载入仿真模型，并设置仿真步长和求解器参数；

4)添加数据信息交换接口板卡的驱动模块，配置地址；

5)调试数据信息交换接口板卡的驱动模块；

6)对模型进行编译、连接生成可执行的目标应用程序。

6.按权利要求4所述的单PC机湿式双离合器变速器半实物实时混合仿真平台的仿真方法，其特征在于：

所述的双离合器变速器电控单元控制程序的工作步骤是：

1)初始化工作：I/O端口初始化、PWM端口初始化、实时时钟初始化、

A/D口初始化；

2)读取变速器传感器信息；

3)读取PC机的车辆运行状态信息；

4)换档逻辑判断；

5)是否升、降档？

6)否，返回第2步；

7)是，提供PC机的当前档位及换档命令信息；

8)控制离合器电磁阀、换档电磁阀；

9)判断换档是否完成？

10)否，返回第8步；

11)是，返回第2步。

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