CN104238375A - 六档双离合车辆的实时仿真系统及其建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实时仿真技术领域，公开了一种六档双离合车辆的实时仿真系统及其建立方法。系统由实时目标机与开发主机构成，实时目标机运行六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型，根据开发主机下发的控制命令，对六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型进行实时高速解算，并将仿真结果传至开发主机进行显示；在此基础上又进行了硬件在环仿真的开发，将档位及离合器控制部分放到外部硬件中去执行，整车模型在目标机中实时运行，并通过实时目标机配备的高速IO口与控制器的IO口对接，将模型的运算结果输出，实现交互运行。本发明的六档双离合车辆的实时仿真系统，使得仿真的精度与准确性大幅提高，加快了开发进度。

Description

六档双离合车辆的实时仿真系统及其建立方法

技术领域

本发明涉及实时仿真技术领域，特别涉及一种六档双离合车辆的实时仿真系统及其建立方法。

背景技术

双离合传动机构，既能传递动力，又能切断动力，其作用主要是保证汽车能平稳起步，变速换档时减轻变速齿轮的冲击载荷并防止传动系过载。而一般汽车上，换档时通过离合器分离与接合实现，在分离与接合之间就有动力传递暂时中断的现象。换档规律是指各档位间的自动换挡时刻随换档参数变化的规律。根据换档参数的不同换档规律一般分为单参数换档、两参数换档及多参数换档。目前应用最多的基本换档规律是两参数换档，即油门和车速。但常规的换档过程非常复杂，需要发动机，离合器，扭矩控制器等联合完成，中间操作要求特别高，再加上控制信号的延时等，控制上存在很大的困难。因此，换档规律并不能仅依靠油门和车速来进行描述。

在系统实时仿真领域，现有的对变速器的模拟仿真方案主要有两种，一种是全实物的系统开发，一种是纯数字的模拟仿真。全实物系统的开发成本高，特别不灵活，研发周期长；而纯数字模拟仿真，手段灵活，但与现实系统的差异可能较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种六档双离合车辆的实时仿真系统及其建立方法，使得仿真的精度与准确性得到大幅提高，加快开发的进度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种六档双离合车辆的实时仿真系统，包含：主SM_Computation子系统和操控界面SC_Console子系统；

所述SC_Console子系统运行于开发主机，用于将控制命令下发到SM_Computation子系统，并显示车辆的仿真结果；

所述SM_Computation子系统运行于实时目标机，用于运行六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型，根据SC_Console子系统下发的控制命令，对六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型进行实时高速解算，并将仿真结果传送至所述SC_Console子系统；

所述目标机与所述开发主机之间进行信息交互，实现SM_Computation子系统和SC_Console子系统之间信号的传递。

本发明的实施方式还提供了一种上述六档双离合车辆的实时仿真系统的建立方法，包含以下步骤：

在高级工程系统仿真建模AMESIM环境中建立双离合车辆的传动系统及整车模型；

在AMESIM环境中添加Simulink接口模块，生成所述双离合车辆的传动系统及整车模型对应的系统函数C-Sfunction；

在矩阵实验室软件中的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境MATLAB/Simulink中建立双离合车辆的传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型；

在实时仿真平台RT-LAB中调用RTW，生成所述在MATLAB/Simulink中建立的双离合车辆的传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型的C代码，进而将C代码编译成实时目标平台的可执行代码。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过SM_Computation子系统运行六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型，根据操控界面子系统下发的控制命令，对六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型进行实时高速解算，并将仿真结果传送至操控界面子系统；由操控界面子系统对仿真结果进行显示。主子系统放到实时目标机中去执行，操控界面子系统放在开发主机上位机中运行，目标机与开发主机之间进行信息交互。

另外，所述SC_Console子系统包含第一通讯模块、显示模块以及指令下发模块；

所述第一通讯模块用于接收SM_Computation子系统传来的仿真结果,并传送至Display模块；

所述显示模块用于显示车辆运行状态；其中，所述车辆运行状态包含：车速、偶数齿轮档位、奇数齿轮档位和发动机转速；

所述指令下发模块用于下发控制命令至所述SM_Computation子系统；其中，所述控制命令包含：启动指令、加速指令和刹车指令。

另外，所述SM_Computation子系统包含：齿轮选择模块、离合器指令模块、压力调节模块、车辆模型、第二通讯模块、传感器与执行器；

所述第二通讯模块用于接收来自SC_Console子系统的控制指令；

传感器与执行器用于对加速踏板信号和刹车踏板信号进行采样，并进行数据的处理，将选择信号(selector)传送给齿轮选择模块，加速踏板信号(Acc_pedal)传送给齿轮选择模块和车辆模型，刹车踏板信号传送给车辆模型；

所述齿轮选择模块用于根据传感器与执行器传送的选择信号(selector)和加速踏板信号(Acc_pedal)，以及车辆模型反馈的车速(Velocity)，进行档位选择，并将换档需求信号输出至离合器指令模块；其中，所述换档需求信号包含：档位信号、预选的偶数档位和预选的奇数档位；

所述离合器指令模块用于根据所述齿轮选择模块输出的换档需求信号，考虑驾驶的平顺性和驾驶需求，来对离合器的状态进行调节，产生离合器的控制信号；

所述压力调节模块用于进行液压管理，包含：液压离合器的稳压；

所述车辆模型用于根据使能信号、奇数档位连接的离合器的控制信号、保证离合器能够正常工作的液压压力、偶数档位连接的离合器的控制信号、制动踏板信号、驾驶踏板信号、偶数变速箱目标需求档位以及奇数变速箱目标需求档位，考虑到扭矩的耦合和解耦过程，对汽车传动系统的动态进行实时计算，产生车速、制动扭矩、驱动扭曲以及发动机转速，并输出至所述SC_Console子系统。

另外，所述SC_Console子系统下发到SM_Computation子系统的控制命令包含：驾驶循环指令、加速指令、刹车指令；

所述SM_Computation子系统传送至SC_Console子系统的仿真结果包含：车速、偶数档、奇数档以及发动机转速。

另外，所述六档双离合车辆传动系统及整车模型集成了准静态模型和动态模型；其中，准静态模型用于系统的解析，动态模型用于描述离合器和变速箱的运行信息和动态行为。采用准静态模型主要用于系统的解析和匹配，它可以从整体的构成和运行来评价每个元件的性能，辨识各元件的边界特性；而动态模型一般是由物理模型组成，反映系统的动态运行特性和各个元件之间的相互作用。

另外，在所述准静态模型和动态模型的建立和运行过程中，采用多种步长并行计算，这样的设置可以在相同的时间内获得更多需要的信息，进一步提高仿真精度和准确性。

另外，所述档位及离合器控制模型根据发动机万有特性，先计算出当前车速和整车需求扭矩的情况下，可允许的档位对应的燃油消耗，通过与当前档位的对比，规划出基本的升档线和降档线。

所述档位及离合器控制模型还根据换档过程带来的额外消耗，在升档和降档之间设置区间；所述区间的下线为降档线，上线为升档线；

在计算驾驶员的扭矩需求时，通过延时和滤波对扭矩需求进行判断，当高于升档线时，选择升档，当低于降档线时选择将档。

另外，所述六档双离合车辆传动系统及整车模型在高级工程系统仿真建模AMESIM环境中搭建；

所述换档规律模型在矩阵实验室软件中的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境MATLAB/SIMULINK中建立。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的六档双离合车辆的实时仿真系统的顶层结构框图；

图2是根据本发明第一实施方式的六档双离合车辆的实时仿真系统中操控界面子系统的示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的六档双离合车辆的实时仿真系统中主子系统的示意图；

图4是根据本发明第二实施方式的六档双离合车辆的实时仿真系统的建立方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种六档双离合车辆的实时仿真系统。该系统采用硬件在环(hardware-in-the-loop，简称“HIL”)实时仿真技术，对车辆动力学模型进行高速的实时解算，并通过高速IO与控制器对接，实时运行的模型，如同实际的车辆，仿真的精度与准确性得到大幅提高，加快了开发的进度。

本实施方式的六档双离合车辆的实时仿真系统包含主(SM_Computation)子系统和操控界面(SC_Console)子系统，如图1所示。SC_Console子系统运行在开发主机(即上位机)，用于将控制命令下发到SM_Computation子系统，并显示车辆的仿真结果。SM_Computation子系统运行在实时目标机中，用于运行六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型，根据SC_Console子系统下发的控制命令，对六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型进行实时高速解算，并将仿真结果传送至SC_Console子系统。目标机与开发主机之间进行信息交互，实现SM_Computation子系统和SC_Console子系统之间信号的传递。SC_Console子系统下发到SM_Computation子系统的控制命令包含：驾驶循环指令(Drv_Cycle)、加速指令(Acc)、刹车指令(Brake)；SM_Computation子系统传送至SC_Console子系统的仿真结果包含：车速(Velocity)、偶数档(Evev_gear)、奇数档(Odd_gear)以及发动机转速(Eng_Speed)。

具体地说，如图2所示，SC_Console子系统包含：第一通讯(OpComm)模块、显示(Display)模块以及指令下发(Commands)模块。OpComm模块用于接收SM_Computation子系统传送的仿真结果，并传送至Display模块。Display模块用于显示车辆运行状态；其中，车辆运行状态包含：车速、偶数档、奇数档和发动机转速；Commands模块用于下发控制命令至SM_Computation子系统；其中，控制命令包含：驾驶循环指令、加速指令和刹车指令。并且，控制命令可通过上位机的人机交互界面，即SC_CONSOLE子系统由操作员手动控制。

请参阅图3所示，SM_Computation子系统包含：齿轮选择模块(GearSelection)、离合器指令模块(Clutches commands)、压力调节模块(Pressureregulation)、车辆模型(AMESim S-Function)、第二通讯模块(OpComm)、传感器与执行器(Sensors and actuators)。

第二通讯模块用于接收来自SC_Console子系统的控制指令。

传感器与执行器用于对加速踏板信号和刹车踏板信号进行采样，并进行数据的处理，将选择信号(selector)传送给齿轮选择模块，加速踏板信号(Acc_pedal)传送给齿轮选择模块和车辆模型，刹车踏板信号传送给车辆模型。

齿轮选择模块用于根据传感器与执行器传送的选择信号(selector)和加速踏板信号(Acc_pedal)，以及车辆模型反馈的车速(Velocity)，进行档位选择，并将换档需求信号输出至离合器指令模块；其中，换档需求信号包含：档位信号(Gear_signal)、预选的偶数档位(Even_gear_preselection)和预选的奇数档位(Odd_gear_preselection)。档位选择在档位和离合器的模型中，里面会包含各种换档测量(加速性换档，经济性换档等)。这种换档技术主要基于车辆动力学的相关知识。

离合器指令模块用于根据齿轮选择模块输出的换档需求信号，考虑驾驶的平顺性和驾驶需求，来对离合器的状态进行调节，产生离合器的控制信号。离合器的控制集成到动力链模型中，是由液体进出电磁阀对液压的控制来控制离合器的行程。离合器在不同的行程中对扭矩的传递能力是不同的(结合，分离，滑磨等状态)。

压力调节模块用于进行液压管理，包含：液压离合器的稳压。产生预设的总压力值，传送至车辆模型。总压力值可以为一固定值。

车辆模型用于根据使能信号(Start_up)、奇数档位连接的离合器的控制信号(C1_clutch)、保证离合器能够正常工作的液压压力(Pressure)、偶数档位连接的离合器的控制信号(C2_clutch)、制动踏板信号(Brake)、驾驶踏板信号(Acc)、偶数变速箱目标需求档位(Even_gears)以及奇数变速箱目标需求档位(Odd_gears)，考虑到扭矩的耦合和解耦过程，对Power-train的动态进行实时计算，产生车速(Velocity)、制动扭矩(Brk_driver)、驱动扭曲(Acc_driver)以及发动机转速(Eng_speed)，并输出至SC_Console子系统。处于当前的档位时，通过扭矩传递T_out＝T_inγ和扭矩产生的转速实时变化来得到，这里γ为传动比，w为角加速度，T_in为输入扭矩，T_out为输出扭矩，J为转动惯量。

值的说明的是，HIL实时仿真是在六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型的基础上进一步的应用，是将其中档位及离合器控制部分放到外部硬件中去执行，这个外部硬件通常是单片机，也即控制器。整车的模型在实时目标机中运行，并通过实时目标机配备的高速IO口，将模型的运算结果进行输出，并与控制器的IO口对接，交互运行。

需要说明的是，六档双离合车辆传动系统及整车模型，即车辆模型(AMESim S-Function)，集成了准静态模型和动态模型；其中，准静态模型用于系统的解析，动态模型用于描述离合器和变速箱的运行信息和动态行为。采用准静态模型主要用于系统的解析和匹配，它可以从整体的构成和运行来评价每个元件的性能，辨识各元件的边界特性；而动态模型一般是由物理模型组成，反映系统的动态运行特性和各个元件之间的相互作用。此外，在准静态模型和动态模型的建立和运行过程中，可以采用多种步长并行计算，这样的设置可以在相同的时间内获得更多需要的信息，可进一步提高仿真精度和准确性。

此外，在模型中嵌入控制器，一方面可以从传动链的整体上(包括控制器和被控对象)进行模拟仿真，验证系统的功能，还可以对性能进行控制和分析；另一方面，控制模型可以从模型中提取出来，将代码烧写到控制器中，与动力链模型构成硬件在环仿真。

另外，现实中汽车传动系统(Power-train)的传动过程可以通过动力学模型来表达，称为其物理模型，但是离合器结合的过程和发动机工作过程很难用物理公式来描述，但可以从实验数据来拟合，称为拟合模型。构建通常的物理模型要考虑到动力学，传热学等，建模过程非常复杂，影响整个模型的运行速度，同时物理模型的运行与实际工程中运行误差较大。而纯数学模型又很难反映出物理的运行状态，本实施方式结合了物理模型和拟合模型，不但反映出了运行特性，还可以保持与工程运行有一定的数据精度。通过本实施方式构建的模型可以方便利用各个元件的特性，方便对控制器制作的相关参数分析。便于以后的标定工作进行。本模型最重要的优势就是同时考虑到了控制信号的响应时间和提供信号的可信精度，结合HIL的实时仿真技术，利用相关工程的开发。

本实施方式的档位及离合器控制模型根据汽车行驶的工况在换档策略中设置多种模式，在每种模式下对基本的换档规律进行修正，以满足各种工况下汽车所要求的性能及驾驶员的意图。具体地说，档位及离合器控制模型根据发动机万有特性，先计算出当前车速和整车需求扭矩的情况下，可允许的档位对应的燃油消耗，通过与当前档位的对比，规划出基本的升档线和降档线。档位及离合器控制模型还根据换档过程带来的额外消耗，在升档和降档之间设置区间；区间的下线为降档线，上线为升档线；在计算驾驶员的扭矩需求时，通过延时和滤波对扭矩需求进行判断，当高于升档线时，选择升档，当低于降档线时选择将档。

在系统仿真中，仿真精度与响应实时性是相互矛盾的，要获得高精度的模型解算需要小的步长和复杂的运算，在常规应用中实时解算存在困难，本实施方式兼顾了这两个方面，仿真精度与响应实时性的大幅提高，是借助于高性能的软硬件平台实现的，软件上采用了QNX实时系统和高精度的模型库，硬件上采用高性能的Intel i7处理器及采样时间小于5us的高速IO。

此外，本实施方式对双离合变速器不同的换档规律进行了模拟仿真，建立了考虑双离合动态特性的传动系统及整车模型，并且在实时平台上进行测试。其中，六档双离合车辆传动系统及整车模型可在高级工程系统仿真建模(AMESIM)环境中搭建，模型的搭建主要基于AMESIM提供的模型库，需要有相关的专业知识，且为了权衡模型精度与计算量的问题，通常要对模型进行优化。档位及离合器控制模型在矩阵实验室软件中的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境(MATLAB/SIMULINK)中建立，主要借助SIMULINK中的模块，搭建上文所述的具体算法。

本发明的第二实施方式涉及一种六档双离合车辆的实时仿真系统的建立方法，如图4所示，具体包含以下步骤：

在高级工程系统仿真建模(AMESIM)环境中建立双离合车辆的传动系统及整车模型；

在AMESIM环境中添加SIMULINK接口模块，生成所述双离合车辆的传动系统及整车模型对应的系统函数(C-Sfunction)；

在矩阵实验室软件中的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境(MATLAB/SIMULINK)中建立双离合车辆的传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型；

在实时仿真平台(RT-LAB)中调用RTW(Real-time Workshop，实时工作间)，生成SIMULINK模型基于目标平台的C代码，进而将C编译成实时目标平台的可执行代码。

值得说明的是，运行在开发主机上的SC_Console子系统是不被编译的，仅编译的是SM_Compuation子系统，其可执行代码的生成是在RT-LAB软件中完成的。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，包含：主SM_Computation子系统和操控界面SC_Console子系统；

所述SC_Console子系统运行于开发主机，用于将控制命令下发到SM_Computation子系统，并显示车辆的仿真结果；

所述SM_Computation子系统运行于实时目标机，用于运行六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型，根据SC_Console子系统下发的控制命令，对六档双离合车辆传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型进行实时高速解算，并将仿真结果传送至所述SC_Console子系统；

所述目标机与所述开发主机之间进行信息交互，实现SM_Computation子系统和SC_Console子系统之间信号的传递。

2.根据权利要求1所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，所述SC_Console子系统包含第一通讯模块、显示模块以及指令下发模块；

所述第一通讯模块用于接收所述SM_Computation子系统传送的仿真结果，并传送至Display模块；

所述显示模块用于将所述第一通讯模块接收的仿真结果作为车辆运行状态显示，供查看；

所述指令下发模块用于下发控制命令至所述SM_Computation子系统。

3.根据权利要求1所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，所述SM_Computation子系统包含：齿轮选择模块、离合器指令模块、压力调节模块、车辆模型、第二通讯模块、传感器与执行器；

所述第二通讯模块用于接收来自所述SC_Console子系统的控制指令；

所述传感器与执行器用于对加速踏板信号和刹车踏板信号进行采样，并进行处理，将选择信号传送给齿轮选择模块，加速踏板信号传送给齿轮选择模块和车辆模型，刹车踏板信号传送给车辆模型；

所述齿轮选择模块用于根据所述传感器与执行器传送的选择信号和加速踏板信号，以及车辆模型反馈的车速，进行档位选择，并将换档需求信号输出至离合器指令模块；其中，所述换档需求信号包含：档位信号、预选的偶数档位和预选的奇数档位；

所述离合器指令模块用于根据所述齿轮选择模块输出的换档需求信号，考虑驾驶的平顺性和驾驶需求，来对离合器的状态进行调节，产生离合器的控制信号；

所述压力调节模块用于进行液压管理，包含：液压离合器的稳压；

所述车辆模型用于根据使能信号、奇数档位连接的离合器的控制信号、保证离合器能够正常工作的液压压力、偶数档位连接的离合器的控制信号、制动踏板信号、驾驶踏板信号、偶数变速箱目标需求档位以及奇数变速箱目标需求档位，考虑到扭矩的耦合和解耦过程，对汽车传动系统的动态进行实时计算，产生车速、制动扭矩、驱动扭曲以及发动机转速，并输出至所述SC_Console子系统。

4.根据权利要求1所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，所述SC_Console子系统下发到SM_Computation子系统的控制命令包含：驾驶循环指令、加速指令、刹车指令。

所述SM_Computation子系统传送至SC_Console子系统的仿真结果包含：车速、偶数档、奇数档以及发动机转速。

5.根据权利要求1所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，所述六档双离合车辆传动系统及整车模型集成了准静态模型和动态模型；其中，准静态模型用于系统的解析，动态模型用于描述离合器和变速箱的运行信息和动态行为。

6.根据权利要求5所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，在所述准静态模型和动态模型的建立和运行过程中，采用多种步长并行计算。

7.根据权利要求1所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，所述档位及离合器控制模型根据发动机万有特性，先计算出当前车速和整车需求扭矩的情况下，可允许的档位对应的燃油消耗，通过与当前档位的对比，规划出基本的升档线和降档线。

8.根据权利要求7所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，所述档位及离合器控制模型还根据换档过程带来的额外消耗，在升档和降档之间设置区间；所述区间的下线为降档线，上线为升档线；

在计算驾驶员的扭矩需求时，通过延时和滤波对扭矩需求进行判断，当高于升档线时，选择升档，当低于降档线时选择将档。

9.根据权利要求1所述的六档双离合车辆的实时仿真系统，其特征在于，所述六档双离合车辆传动系统及整车模型在高级工程系统仿真建模AMESIM环境中搭建；

所述档位及离合器控制模型在矩阵实验室软件中的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境MATLAB/SIMULINK中建立。

10.一种如权利要求1所述的六档双离合车辆的实时仿真系统的建立方法，其特征在于，包含以下步骤：

在高级工程系统仿真建模AMESIM环境中建立双离合车辆的传动系统及整车模型；

在AMESIM环境中添加Simulink接口模块，生成所述双离合车辆的传动系统及整车模型对应的系统函数C-Sfunction；

在矩阵实验室软件中的动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境MATLAB/Simulink中建立双离合车辆的传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型；

在实时仿真平台RT-LAB中调用RTW，生成所述在MATLAB/Simulink中建立的双离合车辆的传动系统及整车模型、档位及离合器控制模型的C代码，进而将C代码编译成实时目标平台的可执行代码。