1 引言
自动变速器，简称AT(Automatic Transmission)，在汽车中的应用是20世纪汽车工业的一场大革命。80年代，美国和日本AT的装车率就已超过手动变速箱(MT)。目前美国采用自动变速器的轿车达90％以上，在日本也已超过70％，欧洲人尽管偏爱手动档，也仍然有25％左右的装车率。液力式自动变速器自1939年诞生至今已有60多年历史，发展最为成熟，应用也最为广泛，具有很好的综合性能。然而目前国产车自动变速器的占有率微乎其微，国内大部分汽车均采用手动的固定轴式齿轮变速器。尽快消化和吸收国外的先进经验和技术，开发一种操作简便、性能良好、价格合理且适合我国国情的自动变速器来装备国产车，是圈内相关领域科技人员面临的重要课题之一。
1.1自动变速器的发展
随着车辆技术的发展，人们对车辆操纵方便性和舒适性提出高的要求，对于轿车而言，提高传动效率，合理利用能源一直是传动系统控制的目标。因此，车辆自动变速一直都是人们追求的目标。车辆实现传动系统的自动化会带来以下优点：
1．减轻驾驶员的劳动强度。将驾驶员从频繁的换档操作中解放出来，这样可以使驾驶员的劳动强度大为降低。
2．提高劳动生产率。通过传动系统的自动操纵可以充分发挥车辆的动力性使车辆具有良好良好的动力性，加速性能和爬坡能力，进而提高劳动生产率。 3．合理利用能源。车辆的油耗是与驾驶员的操纵水平密切相关的。有关资料表明：熟练驾驶员与非熟练驾驶员的油耗水平可相差近10％随着自动变速技术的发展，对于合理利用能源，实现动力性与经济性的统一，在能源日益紧张的今天具有非常重要的意义。
4．增加行车安全性。一方面，由于自动变速技术的采用，降低了车辆驾驶员的疲劳程度，有利于增加行车安全性；另一方面，通过传动系统的控制，可以实现巡航控制车辆编队跟踪行驶，可以提高车辆的主动安全性。
5．改善车辆排放性能。通过对传动系统的合理控制，可以改变发动机的负荷状况，使发动机处于良好的工作状态，从而改善的车辆排放性能。
由于自动变速技术有如此多的优点，再加上社会环境的要求，实现车辆动力传动系的自动控制，足车辆技术发展的必然趋势。
1.2自动变速器的分类
目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有以F3种类型：
液力机械式自动变速器(Hydraulic Mechanical Transmission简称HMT)：传动部分主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成，它仍然分多档，分几速，是实现局部无级变速的有级变速器，按控制方式分有纯液压控制式和电子控制式两种。目前它是使用最多的自动变速器，是AT的主流，已广泛应用于轿车、公共汽车、重型车辆和商用车，在美国采用液力自动变速器的轿车已达90％以上。其优越性是免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，通过脚踩油门踏板，便可巧妙地实现自动变速，使开车变得简单、省力。液力自动变速器的电子控制系统使得自动切换速度柔和、平稳，所以乘坐与驾驶都感觉很舒适。采用
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液力自动变速器无疑提高了轿车的档次，但结构复杂、重量大、制造工艺复杂等是它的缺点。
电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission简称AMT)：在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘档与挂档以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换档过程的操纵自动化。电控机械式自动变速器由于原有的机械传动结构基本不变，所以齿轮传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点被很好的继承下来，但由于先天性的性能和结构限制，使其性能无法进一步提高。AMT适用于舒适性能要求比较低的重型车辆和作为辅助的自动换档方式使用(例如：本田定轴式AT，前进档和倒档转换就采用了AMT方式)。AMT应用不是很广泛，主要应用在重型车辆上，而在轿车上几乎很少看到应用。
金属带式无级自动变速器(Continuously Variable Transmission简称CVT)：采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，即当棘轮变化槽宽时，相应改变驰动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，能实现真『F的无级变速。CVT变速器采用金属带传动，具有提速流畅、操纵便利、维修容易等优点，不论司机还是乘客都感觉良好。其操纵方便性和乘坐舒适性均可与液力变矩器相媲美，而其传动效率却远高于液力变矩器，更主要的是能更好地协调车辆外界行驶条件与发动机负载，充分发挥发动机潜力，提高整车燃油经济性。但CVT的缺点也是很明显的，就是传动带很容易损坏，无法传递大功率，金属带式无级自动变速器所装轿车发动机的排量多在0.6L到3.3L，而且CVT结构也较复杂。并且由1二CVT的性能和可靠性尚未经过充分的考验和证j；，目前大多数厂家对CVT仍抱谨慎态度，仅在作研究、实验、试用。尽管如此，世界上也已出现了一批生产金属带式无级自动变速器的厂家，将金属带式无级自动变速器商品化。虽然CVT商品化的时间不长，目前在汽车变速器中的占有率也不高，但其具有省油、降低排气污染、操纵方便、行驶舒适的机械无级传动的优良特性，只要材料科学的发展能够改善金属传送带的承受性能，CVT的发展前景是十分看好的。
1.3电控液力机械式自动变速器组成
现代汽车自动变速器普遍采用的是液力变矩器和行星齿轮变速器组合而成的电控液力机械式自动变速器。其工作原理是：节气门传感器和车速传感器将发动机节气门开度和车辆行驶速度转变为电信号，连同其他反映汽车各组成和系统工作情况的传感器信号一起，送到电子控制系统的电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)。输入信号与事先存储在电子控制单元中的控制规律进行比较计算，并由电子控制单元向相应的若干个电磁阀发出指令，接通或切断流向换档阀等的液压油路，使执行机构各离合器和制动器动作得到控制，从而精确地控制换档时机和锁止离合器的工作，并使自动变速器的换档更趋平稳。电子控制液力机械式自动变速器的组成和控制原理如图1．1所示。它主要由液力传动装置(液力变矩器)、辅助变速装置、液压控制单元和电子控制单元4部分组成。以下对各部分作简要介绍。 1．液力传动装置
汽车液力传动装嚣分为液力耦合器和液力变矩器，现代自动变速器液力传动装置大都采用液力变矩器。变矩器安装于发动机乜轮上，它通过液力传动力矩，可在～定的范围内实现增扭和无级变速。 2．变速装置
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目前普遍采用的是行星齿轮式变速器。该变速器是用行星排机构来达到变速 的目的，它依靠离合器和制动器根据行车需要来连接或制动行星排的不同元件， 从而实现变速器的不同速比。其作用是进一步增扭减速，通过变换档位实现不同 的传动比，以提高汽车的适应能力。 3．液压控制单元
液压控制单元起传递、控制、操纵、冷却和润滑等功能，主要由油泵、主调压阀、节流阀、换档阀、手控阀、电磁阀等组成。液压控制系统受电控系统的控制，按照行车要求，把液压油输入到需要1作的离合器或制动器油缸内，以改变变速器速比，达到行车要求。
4．信号输入装置：包括传感器(节气门位簧传感器、车速传感器及发动机油温传感器等)和信号开关装置(行驶模式选择开关、空档起动开关、制动灯开关及超速档开关等)。信号输入装置负责将汽车行驶的有关状态信息转变为电信号，以便后继的控制电路接受。传感器信号一般有模拟量、脉冲量、开关量等3种形态。
图1．1液力机械式自动变速器控制原理
5．ECU：电子控制单是电子控制系统的核心，接收传感器检测到的汽车行驶状态信息和驾驶员给出的干预信息，并进行比较运算。再按照某种规律发出指令，自动控制传动系统工作。ECU主要由输入通道、控制器和输出通道3部分组成。输入通道接收各种输入装置，如传感器和功能开关的输出信号，并对其进行放大或调制。控制器将这些信号与内存中的数据进行对比，根据对比结果做出是甭换档等决定，再由输出装置将控制信号处理或直接输送给电磁阀等执行机构。ECU能同时存储多种控制参数，能在不同的控制规律间切换，如最佳动力性换档规律、最佳燃油经济性换档规律及日常行驶规律等，能完成比全液压式控制系统复杂得多的自动控制，而且仅需改变输入信号及程序就可以适应不同传动系和不同换档规律的需要，不必改变机械加工工艺设备，使一种装置可以通用于各种传动系统。ECU的功能有控制换档时刻、控制锁止离合器、控制换档品质和自我诊断与失效
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防护功能。
6．执行器：主要指电磁阀，它根据ECU的命令接通或切断液流回路。按其作用分为换档电磁阀、锁止电磁阀和调压电磁阀。换档电磁阀由于控制换档油压、位置和时刻；锁止电磁阀用以控制锁止时间：调压电磁阀用于凋节执行元件卜的液压，使换档过程更顺畅。
1.4混杂系统的发展
混杂系统(hybrid systems，简称HS)的提出是由于离散事件系统的深入研究和现代工业过程控制的需要。混杂系统被定义为离散事件系统(DES)与连续变量系统(CVS)相混合而形成的统一的动态系统。狭义上可以指一个系统中既包括离散变量，又包括连续变量的系统；广义可以指系统包括相互作用的连续过程与离散过程。目前对混杂系统还没有形成一个统一的概念。
混杂系统的结构概念早在70年代末就已提出，但直到80年代末才引起学者们的广泛注意。自第28届CDC会议ll4J以来，IEEE和LFAC的重要会议上开始出现关于混杂动态系统的专题，另外，每年世界上都有关于混杂系统的国际会议召开，如1994年CornellUniv．WOHYAC．1995年的DIMACS，1996年S’96(ComellUniv)。1EEEControlSystem’s Society于1996年2月成立了以M．D．Lemmon为 主席的混杂动态系统研究组(Working Group of Hybrid Dynamic systems，并且不久IEEE Tran. On Auto. Contr．将出一期关于混杂控制系统建模、分析和设计的专刊。此外，世界上许多大学和研究机构都成立了关于混杂系统理论与应用研究小组，并形成自己的研究特色，如以区段演算(Duration Calcutus)及其扩展为工具的UNU／HST周巢尘小组；以AHS系统研究致力于混杂控制系统的应用研究的UBC的P．vayaria小组；康奈尔大学的A．Nerode小组；MIT的N．Lynch以及以色列的Pnueti小组等则致力于混杂系统的理论探索。
自1986年在美国高级控制会议上提出以来，混杂系统的概念不久便成为离散事件系统研究和过程控制应用中的一个新的热点，并被公认为对生产过程自动化、自动化调度、机器人控制、计算机通讯等一系列工程技术问题具有重要的指导意义。由于混杂系统内含了连续动态和离散动态，如何描述系统、如何应用于实际过程就成为HS研究中最困难、同时也是最富创造性的活动。因此，系统建模与HS应用研究构成了HS研究中的核心内容。
1991年在法国召丌了关于HS的国际会议及1992年在月’麦召开了计算机科学问题巾的混杂系统理论专题研讨会，1994年在法国INRLA召丌DEDS’94的国际会议中就有关于HS的专题报告。从1989年起至今每年召开的IEEE／CDC大会论文集都有多篇有关HS的研究文献，例如，CDC’92和CDC’93。最近，国际刊物((Theoretical Computer Science))为此出版了专辑。近年来，有关HS文献不断增长，研究成果不断涌现。
1.5本论文的主要研究内容
本论文的工作是在前期对富康轿车自动变速器研制基础上，自行设计，开发基于大众桑塔纳2000型轿车的自动变速器的电子控制单元。根据控制要求，设计外围处理电路，并对此电路进行调试。在设计硬件电路的基础上，以摩托罗拉16位微控制器MC9S12DP256作为处理器，针对所控制的混杂系统，利用实验得出的各种条件下的换档规律，编写相应的软件程序，完成整个系统的控制功能。 第1章，分析国内外汽车自动变速器的发展和普及情况。对当今应用的变速
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器的种类做介绍，分析其优缺点。根据采用自动变速器汽车的优点，分析自动变速器的前景。针对在这次的设计研究中应用的液力机械式变速器的机械组成结构做出介绍。另对混杂系统理论的发展作简单介绍。 第z章，联系实际混杂系统应用情况。介绍混杂系统建模的一般方法和适用情况，给出自动变速器控制系统的模型。论文还单独对混杂系统理论的一些术语进行介绍，对两种控制策略详细说明，为混杂系统理论在本系统的应用做基础。 第3章，详细分析了自动变速器对周围环境的识别，对事件的判断。 第4章，对控制策略需要的各种基本要素分析，总结，给出相关的数学表达。联系第3章介绍的基本方法，理论联系本系统实际，将两种策略应用于本系统中，并对其比较分析。
第5章，完成一个控制系统的控制功能。这一章就对我们所需要控制的系统做出详细说明。特别对这次工作的重点电子控制单元ECU做出详细介绍。MC9S12DP256微控制器在汽车变速器控制中的应用。
第6章,自动变速器控制系统中各电气元器件的介绍及电路图的设计。 第7章，对论文工作情况和成果进行总结。
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2 混杂系统分析
2.1混杂系统理论概况
2.1.1混杂系统理论的应用情况
自从80年代初DES开始被人们接受其作为一个新兴学科分支以柬，大家就十分关，D它究竟有何用处?能解决些什么样的问题?在每次会议或出版书于Ⅱ中都特别注意介绍其有关应用的情况。 “史前”的应用自不待言。例如通讯(电话)交通等公共服务系统涉及的排队网络，开关电路、可编程逻辑控制器(PLC)等逻辑综合问题，系统工程、运筹学中的调度规划、PERT等技术，工厂管理中生产计划及调度等等，至今仍是重要的应用领域，而且由于计算机的使用，自动化要求的提高，更需要理论分析和实时有效的算法实现，它们对DES的研究仍然起着重要的推动作用。
计算机和通讯网络对DES理论的需求也是早已有之。事实上许多模型和方法如自动机／形式语言、Petri网、通讯序贯过程、大型复杂程序的编制和检验方法等等，都是先由计算机科学家提出，而后被移植并推广用于一般的DES。“计算机系统品质评估”已经成为一个专门的分支，而排队论或随机Petri网被认为是最重要的方法之一。Murata在他的著名综述118J中概括了Petri网的应用领域，包括：
1．成功应用：系统品质评估和通讯协议设计；
2．很有前途的应用：分布式软件系统的建模和分析，离散事件系统，分布式数据库，并发和平行程序，柔性制造和工业控制系统，多处理器存储系统，数据库汁算系统，容错系统，可编程逻辑和VLSl阵列，异步电路和结构，汇编和操作系统，办公室信息系统，形式语言等；
3．可能的应用；计算机局域网，法律系统，人类因素，神经元网络，数字滤波，决策模型。
1991年6月ACC会议之后，在麻州Amherst举行了一个DEDS(动态离散系统)讨论会，其中介绍了若干应用例：
1．FMS的生产流量控制和切换调度(Caramanis)，包括递阶层次分群、HP型流量控制和分布式反馈调度；
2．(g，S)库存系统扰动分析(M，Fu)；
3．智能车辆／公路系统的机动编队协议(varaiya)；
4．顺序电路设计和一个印刷电路板车间控制器综合(Ozverenj： 5．半导体牛产的基于交货期和缓冲区优先级的分布式调度(Kumar)
6．基于规则的专家系统的动态性质的校验(Passino)，其静态问题是对知识库中规则的相容(无冗余、无矛盾)性、完备性等等的检验，动态问题则是其推理、判断过程与系统动态要求的匹配；
7．种多功能半导体生产设备Rapid Thermal Multiprocessor的DEDS控制(Ballemi)。传统工艺是硅片在几十台机器中旅行，完成几百道加[。现改为一台具多处理功能的设备可按逻辑顺序完成所有任务，避免了装卸、传送等问题。他们基本上采用R&W的理论框架，但在控制方式、计算复杂性等方面做了较大改进，由此导出一种微工厂(MF)的概念，其中核心是一种控制编程环境，用以支持实时多任务控制系统的快速开发和可靠的CAD。
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2.1.2混杂系统理论对自动变速器系统的指导意义
电控自动变速器系统，就是一个典型的混杂系统。对于汽车而言，在马路上行驶，不可能是不停顿的行驶，也不可能是不会动的停止。尤其是在城市中，遇到红灼‘，横穿马路的行人，塞车等情况是非常普遍的。而对路况而言，也不可能是一路平地，总会遇到上坡段，下坡段，有些地方会出现汽渡，收费亭，转弯，大桥等特殊情况。针对驾驶员而占，在驾驶一辆汽车行驶中，难免会出现要超车，倒车，启动，停车等操作。在汽车行驶这1整个过程中，汽车发动机处于运行的状态，是实际的连续过程。但是，驾驶员会通过油门，刹车，离合器。方向盘等来对汽车进行操作。对踩刹车这一·动作，并不是一直踩，或者一直不踩。从控制系统的角度，这就是一个间断的离散的处理动作。对油门而言，汽车在运行中，驾驶员要一直踩油门。但是遇到红灯，或者行人时，必须踩刹车。因此，踩油门这一动作也不是连续的，是间断的离散处理。
2.2混杂系统建模
2.2.1混杂系统建模的一般方法
在混杂系统研究中，人们引进不同的模型，大都是用一组常微分方程来描述出于不同领域和研究目的，对离散特性及离散与连续部分接口的描述方式不尽相同，有各自独特的机构。
混杂系统按其“离散”和“连续”部分的耦合程度和方式可以分为两大类。‘类是层次型或者耦合的，其连续过程和离散事件过程大体可以分开，通过 个接口互相耦合。连续部分的运动可以用传统的微分／差分方程来描述，仅在达到某些条件时，由符号量(事件)控制而改变运动模式。这类系统是极普遍地，最常见的如邦一邦控制、变结构控制，复杂系统的启动、停车，对连续过程的调度、监控等。另一类系统称为关系型或紧耦合的，其中两种运动模式交互作用、密不可分，控制器同时处理并发出符号量和连续量两种信息。这类系统从本质上需要一种能同时处理两类信息的数学结构。典型的例子如计算机磁盘读取，其寻迹和译码过程是混在一起的。又如数据通讯中连续信号和离散信号也是“混编”处理的。这类系统可以说是“本质混杂”的，处理起来要难的多。
下面给出分层递阶混杂系统模型，这也是一种典型的混杂系统模型，如图2．1所示。由图中可看出混杂系统主要由三部分构成：(1)被控对象部分，一般用微分方程描述，其动态行为模式根据上层离散事件动态系统输出的控制指令发生改变；(2)控制器部分：一般用自动丰几、Pelri网、马尔可夫过程或某种逻辑程序语言来描述。(3)接El部分：主要完成控制器和被控对象之间的信息交换任务，因此，有时也称为接口信息解释器。这部分由执行器和发生器组成。
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图2.1 分层递阶混杂系统模型
被控对象连同发生器和执行器，其行为特性就如同一个离散事件系统，通过执行器接受符号指令并通过发生器来产生符号指令，这种情况有点像一个连续动态系统加装一个零阶采样保持器，而其整体看起来就像一个离散事件系统。因此把包括被控对象执行器和发生器在内的部分称为离散事件部分，而整个模型总称为离散事件系统对象模型。对混杂系统的模型的处理方法可大致分为两类：“聚合”(aggregation)和“延拓”(continuation)。“聚合”法
将整个系统斤成离散事件动态系统(如自动机)的某种扩展，只考虑系统的聚合动态特性，通过对连续系统状态空间进行分区来实现。“延拓”法将整个系统当作一个微分厅程(组)来处理，实现方式：或将离散活动“嵌入”常微分方程，或将离散活动看作微分方程的干扰(如未建模动态特性、慢变系统等)或者独立的连续系统。这两种方法都过于保守。
为了进一步分析混杂系统，归纳其一般特点如下：
1．系统存在性质不同的连续和离散两类变量。在每一个运行模态下，混杂系统的局部连续动态遵循某一受连续(或离散)事件驱动的连续变量动态系统CVDS)演化规律，当某使能条件满足时，激活运行模态转移事件。模念转移事件的使能条件由系统连续状态描述、或由系统离散状态确定、或依赖于系统混杂状态。而离散状态的变化又改变着连续变量服从的动态规律。局部状态的混杂性质是混杂系统统一的本质刻画。
2．混杂控制系统的研究起源于以计算机技术为基础的混杂控制系统，由于混杂控制系统的对象、环境和任务的复杂性，由于关联动态的多样性和并发分布式，其控制模态的转移结构是分布式的。
即使被控对象是集中式表示，在运行模态转移层，各种谐调约束、安全约束的存在决定了模态转移结构的分布式。
3．离散事件发生在离散时刻，具有顺序、选择、并发的特色，状态呈阶段性、间歇性跳跃变化，动态特征显著。
4．对系统的控制表现为对离散和连续状态的集成控制。对系统的优化表现为定性和定量双重指标下的集成优化。
目前国际控制界关于混杂系统的建模方法主要有以下几种：①基于层次结构的模型；②基于逻辑转换的模型；③基于自动机、Peri网的模型；④基于混合逻辑动态系统MLD(Mixed Digital Dynamic)的模型。
层次结构模型I”]是最早由Antsalis等提出用来分析混杂系统的一种方法：
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系统模型可分为三部分：离散事件部分、接口界面部分和连续动态部分。离散事件部分包括对象的离散状态、对混杂对象的事件驱动、混杂对象的状态转换函数等，为一个确定的自动机模型。接口界面部分：事件生成器(generator)将连续变量转化为离散变量，执行器(actor)将离散变量转换为受控对象的连续输入信号；连续动态部分指对象的连续动力学方程的描述。由动态元件组成操作层，由逻辑／离散元件组成管理层。低层的连续控制器检验每一动态子系统，以提供标淮的跟踪特性；l二级的离散控制器监控、解决冲突、执行计划安排等任务。层次模型的基本结构如图2．2所示。
图2.2层次结构模型图
2.2.2电控自动变速器混杂系统模型
对于实际研究的自动变速器这一混杂系统，必须建立模型对其分析，具体分析见第4章的详细说明。根掘混杂系统理论中有关建模的方法，这里采用层次结构模型。将系统分为连续控制模型和离散控制模型，各自有相应的输入接口，输出接口。如图2.3。
图2.3自动变速器系统的结构模型图
由上图可以看到，转速，车速，油温，节气门等都是连续的信号，而多功能开关属于丌天量信号，或者属于数字信号。对于输出一端而言，PWM波属于连续信号，电磁阀的各种信号属于数字信号。把系统的连续信号和离散信号分开讨论，并且不存在耦合情况。顶端是驾驶员外加的控制信号，如踩刹车，加大油门等一系列对汽车操纵的信号。这些信号会对汽车自动变速器的状态产生影响。就是由于这些信号，构成了完整的混杂系统。
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2.3混杂系统控制算法
混杂系统，包含连续的控制系统和离散的控制系统。其中，连续部分，已经有相对成熟的理论支撑。针对离散系统部分，在混杂系统理论中，有很特殊的处理方法和策略。 2.3.1概念说明
先就一些术语加以概念性的说明，并对各种策略中所使用的符号加以定义。 l.实体。
实体是描述系统的三个基本要素之一。在离散事件系统中的实体分为两大类：I临时实体及永久性实体。在系统中只存在一段时间的实体叫临时实体。这类实体由系统外部到达系统，最终离开系统。永久驻留在系统中的实体称为永久实体。只要系统处于活动状态，这些实体就存在。或者说，永久实体是系统处于会活动的必要条件。在变速器系统中，汽车自动变速器和驾驶员就是永久性实体。临时实体按～定规律不断地到达(产生)，在永久实体作用下通过系统，最后离开系统，整个系统呈现出动态过程。在变速器系统中，出现的红灯，行人等就是临时实体。
2.事件。
描述离散事件系统的另一个重要概念就是“事件”。事件就是引起系统状态发生变化的行为。从某种意义上说，这类系统是由事件来驱动的。
在一个系统中，往往有许多类事件，而事件的发生一般与某～类实体相联系，某一类事件的发生还可能会引起别的事件发生，或者是另一类事件发生的条件等等。为了实现对系统中的事件进行管理，仿真模型中必须建立事件表。表中记录每一一发生了的或将要发生的事件类型，发生事件，以及与该事件相联的有关性等。在系统中，是依靠事件来驱动的。
3．活动。
离散事件系统中的活动，用于表示两个可以区分的事件之问的过程，它标志着系统状态的转移。
4．进程。
进程由若干个事件及若干活动组成，1一个进程描述了它所包含的事件及活动间的相互逻辑关系及时序关系。事件，活动，进程三者之间的关系可用图4．1描述。
2.3.2离散时间系统策略
模型作为系统的规范，两者之间既有联系的一方面，也有其区别的一方面。模型是系统的抽象，因而在模型描述中所使用的术语不可能与系统描述完全相同。在这里，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术语：
1．成分(Component)：相应于系统的实体，用于构造模型中的各个部分，根据其在模型中的作用，可分为两大类。
主动成分(Active．Type Component)：可以主动产生活动的成分。如系统中的红灯，它的出现可以产生等待活动或者通行活动。
被动成分(Passive—type Component)：本身不能激发活动，只有在主动成分作用下才产生状态变化。
2．描述变量：是成分的状态，属性的描述。
3．成分间的相互关系：描述成分之间相互影响的规则。在一个模型中，动成分对被动成分可能产生作用，而主动成分之间也可能产生作用。
一个系统的非形式模型描述包括定义成分，描述变量及成分间的相互关系。
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采用如下一些符号：
成分集合,
C={a1,a2,. ..,an } (2.1) ai 是第i个成分分量（1 Pr} (2.4) ta成分a的状态下以发生变化的时刻，值域为{R+(0,∞) }。 Da（s）成分a在状态变量值为s时的条件是否满足，Da（s）=ture, 表示满足， Da（s）=faise表示不满足。 1．事件调度法。 离散事件系统中最基本的概念是事件，事件的发生引起系统状态的变化。用事件的观点来分析真实系统，通过定义事件及每个事件发生对系统状态的变化，按时间顺序确定并执行每个事件发生时有关的逻辑关系，这就是事件调度法的基本思想。 按这种策略建立模型时，所有事件均放在事件表中。模型中设有一个事件控制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件，调用相应的事件处理模块，赢到该事件处理完成。这样，事件的选择和处理不断的进行，直到结束。 下面给出这种策略的菲形式描述： 成分集合 C={a1,a2,. ..,an } (2.5) 主动成分子集 CA={a1 ,a2 ,. ..,am } (2.6) 被动成分子集 CP={am+1,am+2 ,...,an } (2.7) 11 兰州工业高等专科学校毕业设计 描述每一主动成分a∈CP的变量。a的状态sa,值域sa。sa 下一变化时刻的 事件变量ta。描述每一个被动成分a∈CP的变量a的状态sa，值域sa 。 被动成分的状态变化只有在主动成分作用下才能发生，其发生事件由主动成分来确定，不需要时间变量。 描述所有成分的属性的变量，参数集合式(2．4)。 每个主动成分a∈CP 的影响受主在a作用下其状态变化的描述，称为事件处理流程。各成分处理的优先级，即同时发生时的处理顺序(解结规律)。在事件调度法中，一般将主动成分也同时视为被动成分，以便接受其他主动成分的作用。 2．活动扫描法。 事件调度法中的依据准则为: t(s)=min{ta∣a∈CA } (2.8) 而该事件发生的任何条件的测试则必须在该事件处理程序内部去处理。如果条件满足，该事件发生，如果条件不满足的话，则推迟或取消该事件发生。因此，从本质上来说，事件调度法是一种“预定事件发生时间”的策略。这样，模型中必须预定系统中最先发生的事件，以便启动进程。在每一类事件处理子程序中，除了要修改系统的有关状态外，还要预定本类事件的下一事件将要发生的时间，这种策略对于活动持续时间的确定性(服从某种分布的随机变量)较强的系统时比较方便的。 但是，事件的发生不仅与时间有关系，而且与其他条件有关，即只有满足某些条件时才发生。在这种情况下，采用事件调度法策略建模则显示出这种策略的弱点。原因在于，这类系统的活动持续时间的不确定性，因而无法确定活动的开始或终止时间。 活动扫描法是针对具有上述特点的系统产生的。这种策略的基本思想是：系统由成分组成，而成分包含着活动，这些活动的发生必须满足某些条件；每一个主动成分均有一个相应的活动子例程；活动的发生时间也作为条件之一，而且是较之其他条件具有更高的优先权。 设Da（s）表示a在系统状态s下的条件是否满足(Da（s）=ture则表示满足，Da（s）=faise表示不满足)，ta 表示成分a的状态下发生变化的时刻，活动扫描法每一步要对系统中的所有主动成分进行扫描，当： （1） ta ≤当前的时间值； （2） Da（s）=ture； 时，执行该成分a的活动子例程。所有主动成分扫描一遍后，则又按同样顺序继续进行扫描，直到结束。 显然，活动扫描法由于包含了对事件发生时间的扫描，因而它也具有事件调度法的功能。以活动的观点建模的活动扫描法，其核心是建立活动子例程模型，包括此活动发牛引起的状态变化(自身的)，对其他成分的状态产生的作用等，而条件处理模块则是这种策略实现的本质。 12 兰州工业高等专科学校毕业设计 3 汽车自动变速器对环境的识别 自动变速器已成为一种成熟的商业产品，以车速和节气门开度作为换档控制参数，根据平路行驶时确定的最佳燃油经济性或最佳动力性换档规律进行换档。为了解决在一些离散情况下的事件，采用混杂系统的分析方法，需以识别出路面环境为前提。 汽车的行驶环境差别很大，不仅路面类型复杂多样，有上坡、下坡、转弯等，同样的路丽类型条件下，因交通流状况(车多，人多)，路面状况(湿滑、泥泞)的差异，对换档的要求也有很大的差别。当路面状况良好，且周围行人、车辆稀少时，汽车可以迅疾飞驰，而在同样的路面条件下，当周围人、车较多时汽车不得不缓慢行驶。为了便于自动换档系统对行驶环境的识别，本文建立了一种梯阶的行驶环境识别体系，底层由路面附着的识别，行驶区域的识别，坡道、弯道识别3个平行的部分组成，进行实时识别。 3．1行驶环境识别方法研究 3．1．1路面附着的识别 路面附着的识别主要用来识别路面的湿滑程度。按照路面附着系数的不同，将常见路面分为极低附着系数路面、低附着系数路面、高附着系数路面三种类型。路面附着划分范围如表3．1所示。 表3．1路面附着划分 通过安装在前后轮上的4个轮速传感器可以实现对路面附着的识别。发前左、前右、后左、后右4个轮速传感器的测量角速度分别为wfl ,wfr ,wrl ,wrr, 则前轮驱动汽车的驱动轮滑转率可以定义为 S=wf-wr/ wr (3.1) 其中， wf=max(wfl ,wfr) （3.2） Wr=(wrl+,wrr)/2 (3.3) 路面附着识别时，实时嗡测4个车轮的角速度，计算汽车驱动轮的滑转率，当某一时刻的计算滑转率S大于设定值后，认为汽车驱动轮出现丁较大滑转，立即关闭节气门开度并持续一段时间，以此消除驱动轮的过度滑转。虽然驱动轮的速度可能会由于系统惯性短时增加，但很快就会回落。节气门关闭过程驱动轮速度的变化如图3．2所示。图中点b是驱动轮速度最大的点，点c和点b的时间间隔是△t。△t时间内驱动轮的平均减速度减以表示为 a=(wb-wc)/ △t (3.4) 由于a由路面附着决定，因而可以从平均减速度a推知路面附着的大小。 13 兰州工业高等专科学校毕业设计 图3．2驱动轮速度变化过程 3.1.2行驶区域的识别 不同的行驶区域具有不同的道路结构特征和交通流特征。行驶区域识别主要识别“市区”，“郊区”，“高速公路”三种情况。以车速v，节气门开度a，档位ia作为行驶区域的识别参数，则识别特征矢量可以定义为 x=(xv,xa,xi) (3.5) 三种行驶区域可以用其矢量均值xj表示， xj=(xjv,xja,xji), (3.6) 定义采样特征矢量为 x′=(xv′,xa′,xj′) (3.7) dj的最小值对应的行驶区域就是当前行驶环境识别的输出，即 E0=mindj(x′, xi), (j=1,2,3) (3.8) (j=1,2,3) 3.1.3坡道和弯道的识别 自动变速器在坡道和弯道条件下行驶时，很容易出现换档频繁等问题，这将不仅不能省油或提高动力性，可能还会由于换档时的无用能力消耗和动力切断时间比例过高而损失汽车的经济性、动力性，同时频繁换档还将加剧传动系和换档执行机构的部件磨损。为了避免这些问题的出现，对路形的识别很重要的。坡道的识别可以通过汽车行驶时所受到道路阻力的变化来获得。将坡道分为“大上坡”、“小上坡”、“平路”、“大下坡”和“小下坡”5种类型。在坡度为卢的坡道上行驶时，汽车所受到的道路阻力F为 F=Fr+Fs=fmgcos+mgsin (3.9) 其中，Fr—滚动阻力，Fs—坡度阻力，f—滚动阻力系数，m—汽车质量，g—重 14 兰州工业高等专科学校毕业设计 力加速度。 设汽车的滚动阻力系数f和m质量均为常数，则 F=F() (3.10) 可以通过汽车的行驶方程获得 F=Fd-Fa-Fac (3.11) 其中Fd—驱动阻力， Fa—空气阻力，Fac—加速阻力。 汽车行驶时实时计算当前的F，并与自动变速器电控单元内存的不同坡道下的路阻力进行比较，就可以推知汽车当前行驶的坡度大小。汽车转弯时，可以根据节气门开度的变化率a、车速v、是否有制动踏板操作br来推理驾驶员的减速意图，并利用推理得到的减速意图和转向灯操作la进行弯道的判断。在此基础上，可以对标准换档规律进行相应修正。 3．2多模式换档系统 自动变速器的换档规律，无论是最佳动力性还是最佳经济性换档规律，都是根据平路行驶工况制定的，因而在其他一些特殊的离散事件条件下，就可能出现一些问题。图3．3是自动变速器汽车和手动变速器汽车以60km／h的速度在平均坡度为10％的坡道上行驶时的档位对比图。由该图可以清楚地看到，坡道上转弯时，由于驾驶员收油门，自动变速器汽车多了一次不应该地换4档操作，这显然是因为没有考虑到转弯这一离散事件而产生的。在这类特殊的事件发生时，应根据相应的混杂系统理论指导换档。此外，采用通常换档规律的自动变速器汽车转弯时，很容易出现频繁换挡问题和湿滑路况下打滑问题，也都是因为没有考虑环境中所出现的特殊事件而产生的。 图3.3 通常自动变速汽车和手动变速汽车在坡道上行驶的档位对比剧 针对以上出现的问题，根据汽车行驶的外界环境，合理的利用混杂系统理论，选择相应的换档规律，对减轻驾驶员的工作强度、提高汽车的行驶稳定性和安全性都具有重要的意义。 多模式换档系统就是按照不同的行驶环境，获知各类不同的特殊事件，按照具体要求，在混杂系统理论指导下，根据汽车的最佳动力性和最佳经济性换档规律与熟练驾驶员在不同事件下的驾驶特性，制定符合不同事件的多个换档规律内 15 兰州工业高等专科学校毕业设计 存于自动变速器电子控制单元，根据对环境识别的结果，选用相应的换档规律。如图3．3所示，自动变速器对行驶环境识别的结构，对环境的准确识别，才能更好的利用混杂控制理论指导换档。图3．4中虚线框部分是底层实时识别部分，上部是采用混杂系统理论推理、决策和修正的部分。 图3．4对环境识别的系统结构图 该系统环境识别的工作过程和主要原则如下： 第一，当汽车行驶时，底层的路面附着、行驶区域、坡道和弯道识别实时行， 当汽车停止时，电控单元记忆当前识别结果，作为下一次启动时的行驶环境。 第二，当路面附着识别为低或极低路面对，忽略行驶区域的识别结果，按或极低路面F的识别结果作为当前行驶环境，按相应的内存换档表换档。 第三，3个底层识别子系统只有当识别结果为同‘行驶环境的次数超过指定的次数时，才向决策层输出识别结果。 第四，底层识别时，若其他行驶环境与当前行驶环境识别的差别不超过指定限度时，系统保持当前识别结果。 第五，若不包含当f狮行驶环境的几种识别结果的差别在指定的范围内时，系统自动根据内存的环境优先级，决策识别结果。见4．3有关优先级的内容。 第六，上坡时换档的主要原则是避免频繁换档，下坡时换档的主要原则是充分利用发动机的牵阻力作用控制车速。 图3．5是汽车在不同大小的坡道行驶时的降档规律实时修正过程示意图。图中换档曲线的修正量 △v=f(,a) (3.12) 其中，—当前坡度，a—节气门开度。 16 兰州工业高等专科学校毕业设计 图3．5坡道换档曲线示意图 因而坡道换档时，节气门开度为a时的换档速度Vs为 Vs=f0(a)+f(,a) (3.13) 式中，f0(a)—电子控制单元内的普通换档规律。 只有当车速v′> Vs 。时，汽车才执行换档操作。由图可以看出，如果下坡过程中，仍然采用一般的换档规律，会出现多余的换档操作。采用下坡的换档规律，避免爬坡的频繁换档并充分利用发动机的牵阻作用，减少驾驶员的脚制动操作。 图3.6是普通换档规律与针对坡道指定的坡道换档规律在下坡过程中的档位分布和制动操作次数对比图。可见相对通常的换档规律，坡道换档规律能够充分利用发动机的牵阻作用控制车速，减少驾驶员的制动操作。 图3.6普通换档规律与下坡换档规律实验比较 17 兰州工业高等专科学校毕业设计 4 基于混杂系统理论的自动变速器控制方法 4.1自动变速器系统在混杂系统理论中的基本要素 自动变速器系统，是一典型的混杂系统。因此，它同样具备混杂系统研究所必须的实体、活动、事件、进程以及状态等各个成分。 4.1.1汽车行驶过程中的事件 汽车行驶过程中，会遇到各种不同的事件。这里的事件是指混杂系统中专用的事件。这里主要讨论城市中的车辆在行驶中会出现的各种事件。 首先，马路上会出现红灯。这是一类典型的事件，也是在城市中一定会出现的事件。路口的出现是离散的，到路口时，出现红灯也是离散的。也就是说，汽车不是一直在路口行驶，也不是到路口时每次都是绿灯或者红灯。下面将会对这类事件做详细分析，用符号标记这类事件维M1。 其次，在城市中，横穿马路的行人也有时会出现。遇到这一事件，驾驶员必须作应急反应，这也是优先级最高的一类事件，记为M2。 城市中的高峰时间，汽车会遇上堵车这类事件，记为M3。行驶中，驾驶员也有时会有想超车的想法，于是就引发了超车这一事件，记为M4。 路面的状况也会影响到汽车的行驶。出现上坡的路面，下坡的路面，分别记为M5，M6；或者出现雪天或者雨天等，记为M7，。在有些地区还有可能会出现汽渡或者收费点等事件，记为M8。这些是由于路面引发的一类事件。 最后，汽车要启动，行驶，制动这类事件都为离散的，不是一直存在于这一系统中，分别记为M9，M10，M11。因此都可以归纳为系统的离散事件。 总结系统出现的事件，构成了事件集合 M={M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8,M9,M10,M11} (4.1) 分别代表以上的一些事件。 4.1.2离散事件系统中的实体 在汽车行驶过程中，汽车由始至终是存在于整个系统中。因此，汽车是这一系统中的永久实体。在事件发生的过程中，汽车是主动实体与被动实体的结合体。 在遇上红灯这事件M1中，红灯就是主动实体，汽车为被动实体。因为红灯的出现改变了系统的状态，影响了汽车的驾驶。 对于超车这一事件M4，汽车就成为主动实体，被超车就是被动实体。 因此，不同的事件中，汽车所扮演的实体是不一样的。实体是针对某一种事件而言的。 4.1.3汽车在事件驱动下的连续活动 活动也就是在事件中，实体所做的动作。 在红灯事件M1中，驾驶员在驶入路口的过程中，发现了红灯。于是，他必须采取一种反映，使汽车获知前方为红灯，那么这种动作就是一种活动。汽车获知前方路口有红灯这一情况后，自动变速器也会采取相应的变速动作。这一动作也是一种活动。 针对遇到横穿马路的行人这一事件M2，驾驶员必须做应急反映，这种反映也是一种活动。 当遇上堵车这一事件M3，此时路面状况迫使汽车会出现频率高的停车等待。 18 兰州工业高等专科学校毕业设计 因此，变速器也必须采取相应的换档措施，以保护汽车设旌省油等角度来换档。这也是一种活动。 当路面出现上坡的路段这一事件M5出现时，汽车要以一定角度往上。因此，换档时，必须根据需要加大动力性。变速器也会对此产生动作，即活动。 4.1.4系统在离散事件下的进程 针对每一个具体的事件，都会有一个完整的进程。如图4.1，即为遇到红灯这一事件的一个完整的进程图。 汽车驶向红灯路几，驾驶员会发现前方有路口，而且可以发现路口为红灯或者即将转为红灯，此时汽车就进入了整个进程的起始点，即图4.1中的最左端的点。由红灯这一离散事件驱动，汽车将采取一系列的连续活动，使汽车慢慢驶入路口。到达路口的点，即为红灯的开始。当红灯转为绿灯，再次驱动汽车，慢慢驶离路口，最终这一连续活动完全结束，开始一般行驶事件下的行驶。 4.1.5系统的实体 状态即为系统中的各类实体在事件发生前后所处的情况。遇到红灯这一事件，在驾驶员发现前方有红灯时，汽车在逐渐减速。这就是汽车所处的状态。当汽车驶入到路口的等待队列中时，汽车处于停止状态。当交通灯由红变绿以后，汽车又启动逐渐加速驶出路口。可参见图4.1所示。 图4.1事件，活动，进程三者关系图 4.2采用混杂系统理论建模及其策略 汽车行驶这一混杂系统，由离散事件驱动系统中的实体，引起实体发生连续的活动和动作，构成了一个完整的进程。因此，离散事件的处理方法是整个事件的关键。根据事件，选择不同的控制规律和方法。在此，对汽车连续活动的处理不作详述。 4.2.1建立离散事件中随机变量模型 以路口遇上红灯为典型例子，来分析系统的离散事件中随机变量模型的研究和确立。 汽车经过路口时，并不是每一次都是红灯，也并不是每一次都是绿灯。红灯，可以把它看成系统的一个随机变量。于是转化为研究这一随机变量的特性。在这一事件中，路口是固定不动的，即路口的交通灯是固定不动的，而汽车是向路口行驶的。在这种情况下，分析随机变量的分布模型比较困难。因此，可以采用“换位”的方式将汽车和路口的交通灯的状态换位。即利用运动相对的理论，可以将汽车看为静止不动的，则路口便成为一个不断向汽 车方向出现的一个物体。那么红灯也就可以看成在一定的时间问隔内，向汽车靠近最后接近的一个物体。 19 兰州工业高等专科学校毕业设计 基于这种假设，此模型就成为在某一个固定地点上，另外一种物体出现的模型。汽车是这一模型中的固定物体，在一段时间内出现的红灯次数为随机变量。这一变量服从泊松分布。而且，一段时间内出现的红灯次数，与选择的时间点没有关系，只与这段时间的长短有关系。因此，可以近似认为此随机过程为一个平稳的泊松过程，是一马尔可夫链。可以描述为： 在(t，t+s)内出现红灯数k的概率为 P{N(t+s)-N(t)-k}=ecs(cs)k/k! (4.2) 其中N(t)表示在区间(O，t)内出现的红灯的个数，t≥0,s≥0,k=0,1,2,...；c为红灯出现的速率。 红灯出现是一随机过程，服从平稳的泊松分布，其概率密度函数为 P(x)=e-c cx/x! x∈{0,1,2,...} (4.3) 当i∈{0,1,2,...}, P(i)= e-cci/i!=c/iP(i-1), (4.4) 红灯出现这一随机变量的分布函数，记为Fi，为当x=i时的概率，即红灯出现i次的概率，有 Fi=Fi-1+P(i) (4.5) 4.2.2事件调度法和活动扫描法在离散事件系统中的应用 根据策略建立模型，将所有的事件放于事件表中。事件表记为式(4.1)。模型中设一时间控制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件。该事件处理完以后返回。由于红灯出现这一随机过程服从平稳的泊松分布，可以估计下一次红灯出现的时间。在保证没有其他事件发生的情况下，针对红灯事件M1，可以采用事件调度法，但这也只是一种理想的状态。 根据两次红灯出现的时间间隔分布，估计出下一次红灯出现的时间，变速器采取相应的红灯即将出现的策略。 但是，其他的10类事件的发生时间，在这里无法推断或估计。利用事件调度法的必要条件是能够按时问顺序确定并执行每个事件其逻辑关系，即“预定事件发生的时间”。基于这种条件，在这里无法采用事件调度法，而采用活动扫描法。 活动扫描法，如第2章介绍，基本思想是系统由成分组成，而成分包含着活动，这些活动的发生必须满足一些条件；每个主动成分均有一个相应的活动子例程。同时也必须确定优先权级别。 事件表M={M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8,M9,M10,M11}，根据实际情况，可以确定其优先权级别为 M2>M1>M8>M7>M3>M4>M5>M6>M11>M9>M10 (4.6) 即遇上横穿马路的行人M2这一事件优先级为最高，路口出现红灯M1其次，接下来分别为汽渡或收费点M8，雨雪天M7，堵车M5，超车M4，上坡M3，下坡M6，制动M11，启动M9，行驶M10。 设Da(S)表示a在系统状态s下的条件是否满足(Da(s)=true则表示满足， 20 兰州工业高等专科学校毕业设计 Da(s)=false则表示不满意)。 如果遇上红灯事件M，，要使变速器能够处理前方有红灯这一事件，条件 Da(S)1={没有出现横穿马路的行人} (4.7) 高优先级的事件未出现。活动扫描法中执行事件所需要的两个条件： (1) ta≤当前的时间值 (2) Da(s)=true 条件l，在此事件上，即为前方出现红灯，或者是此时为出现红灯的时间。条件2，在这里记为Da(s)。只有条件1与条件2同时满足，汽车才会有相应的处理措施。 因此，事件表M中的l1种事件，只有在满足以上两个条件时汽车才会采取相应策略，或者说只有在满足优先级要求时才能执行。 4.3控制策略综述 假设系统在工作过程中，可能出现的1l类事件，如式(4.1)所示。 当事件发生时，系统需要采取相应的策略，即相应的连续活动——换档，踩刹车或者油门。下面对每一类事件的策略做一一介绍。 在整个系统中，汽车根据驾驶员踩油门和刹车两方面的动作来或者汽车现处于哪一事件中。 红灯事件M1。前方路口即将出现红灯，汽车必须减速并且停下来进入路口 的等待队列中。变速器可将汽车档位降至1档位，驾驶员踩刹车。 横穿马路的行人事件M2，为优先级最高的一类事件。此时，只有采用驾驶员紧急制动的策略。 堵车事件M3。如果堵车时等待时问比较久，可以将变速器换到空档，使驾驶员用于踩离合器的脚可以休息。如果堵车等待时间比较短，可以将变速器换到启动档，即一档，驾驶员脚踩离合器，随时准备启动。 超车事件M4。超车时，汽车将尽可能提高动力性。此时，变速器将档位逐步换到最高档，并且升梢过程采用一次升高2档的方法，便于更快的提高汽车的动力性。 上坡事件M5。上坡时，汽车也必须满足一定的动力性要求，另一方面，应避免汽车频繁换档。因此，通过驾驶员踩油门的程度，变速器可根据车速利坡度，将档位由平路行驶的一档升高至二档或者三档。如果在三档的情况下，汽车在普通的换档规律下，会可能将档位提高到四档，然后再回到三档。而在上坡事件中，可以设定程序，使汽车没有必要换档，可见3.2节内容。 下坡事件M6下坡时，可以充分利用发动机的牵阻力作用，避免驾驶员长时间脚踩刹车。变速器判断出汽车所处状态后，将档位降至一档或者空档，以节省汽油为目的，满足经济性要求，直到汽车至平路，驾驶员松开刹车。 雪天或者雨天事件M7。在这种情况下，路面较滑，车速不宜太高。变速器可强制低档，保持1档位，以免档位过高，动力过大，车速过高。 21 兰州工业高等专科学校毕业设计 汽渡或者收费点事件M8。前方出现汽渡或者收费点，汽车必须减慢速度，最后停下来。这个过程与红灯事件M1相似，因此，采取的策略也与红灯相同。变速器可将汽车档位降至1档位，驾驶员踩刹车，最后使汽车停下来。 启动M9事件。刚启动时，变速器将档位定于一档。待汽车启动以后，可以将变速器升档至二档，或者根据速度要求，可以继续将档位升至三档或其他高档位。启动时采用一档位，可以避免对汽车发动机造成较大的损伤。 行驶M10事件。在做最为普通的平路行驶过程中，经济性是首要的。因此，启动以后，汽车达到一定的速度以后，变速器可将档位降至一档或者较低的档位，保证速度的同时，满足经济性要求。 制动M11事件。汽车制动，一方面通过驾驶员踩刹车这一动作，变速器也需要将档位降至一档或者空档。 4.4系统软件设计 4.4.1软件组成和主控流程 ECU系统软件采用模块化设计，由丰程序和各个功能模块子程序组成。卡程序是一个封闭的循环，首先通过采集外围物理信号模块读取汽车的整体状态，接着根据采集的外围数据确定汽车的换档规律和汽车的档位，最后进入液力变矩器锁止控制程序进行变短器锁止控制。各功能模块主要包括换紧急故障处理、非前进档的杆位处理及前进档的换档处理程序、液力变矩器锁止控制程序等。 每次开机后程序自动开始运行，ECU首先采集汽车当前状态和驾驶员意愿等外围信号。如果汽车运行状态正常，ECU就根据变速操纵杆位置作相应处理，在P、R、N杆位时分别作驻车、倒车和空档处理。若处于前进档位(D、3、2)，就要进入自动换档控制程序。该部分主要是根据外围输入信号选择汽车的换档规律，确定汽车是否换档以及如何换档。进入自动换档程序后首先进行相应的模式判断。若是雪地或是运动模式，就根据相应的换档规律进行闽值设嚣和换档程序，在各换档规律模块中根据节气门开度、车速两个参数进行档位决策。图中开机初始化包括处理器初始化、初始置P档位、油压调节阀初始化、置减小发动机扭矩信号无效等。 4.4.2各功能模块程序设计 1检测汽车状态程序 功能是采集ECU系统的输入信号并作一些简单处理。采集的信号有节气门开度、油温、油压、变速器输出转速、发动机转速、程序选择(雪地、运动、强制1档)及杆位和制动信号。 该程序在采集信号并将数据存储在MCU内存后，还进行一些简单处理。如行驶模式的识别、根据节气门开度和发动机转速得到发动机扭矩、由变速器输出转速计算得到车速等。 2紧急故障处理程序采集汽车当前状态程序后有一简单的紧急故障处理程序。当检测到某一路信号为空，或与上一时刻相比有很大的跳跃，系统认为有故障存在，立即切换至3档，这样可以协助驾驶员把车开到维修站进行维修。l档车速上限值太小，速度太慢，而4档传递的扭矩太小，可能无法起步。3档是既可以保证起步所需的扭矩，车速又不致太低的传动比。 3非前进档的处理程序 该程序是针对变速操作杆处于P、R、N位置时的处理程序。P、R、N杆位分别对应P、R、N档，即停车档、倒车档、空档。如果检测到是P、R、N杆位，就执行相应的档位处理程序。处于这些杆位时不需控制变速器换档，只将相应电磁阀接通，通过油路作用改变行星齿轮系状态来实现各自 22 兰州工业高等专科学校毕业设计 的力矩传递。另外这三个档位处理子程序中还都有显示相应杆位的功能。除了控制电磁阀动作和显示外，P杆处理程序中还包括变速杆解锁控制。当车辆处于停车状态，即P杆位时，由于机械作用变速杆被锁止，无法移动操纵杆手柄。当驾驶员踩下制动踏板，ECU就控制变速朴锁止驱动器解除变速杆锁止。 4自动换档程序 该程序功能是根据采集的外围信号确定汽车的换档规律和汽车的档位。首先进行行驶模式判别，若已选择雪地或运动模式，就根据相应的雪地规律或运动规律进行换档控制，否则迸入平地换档程序。选定换档规律后的档位决策即如何实现某一换档规律也是本系统软件设计的关键之一。图4.3即为自动换档程序流程图。 图4.3 自动换档模块程序流程图 4液力变矩器锁止控制程序 由泵轮、涡轮和导轮三个主要部分组成。泵轮与发动机曲轴相联系，涡轮与自动变速器中的行星齿轮变速器输入轴相连接，导轮在液力变矩器中起导向作用，使自涡轮流出的油液改变方向后流向导轮，形成液体循环。采用液力变矩器的液力传动具有自动变矩、减少起步和换挡时冲击等一系列优点，但泵轮通过油液流动带动涡轮旋转，总存在转速差，因此转动效率低，为了提高变矩器传动效率，充分利用发动机制动，将液力变矩器锁止，即将涡轮和泵轮连接在一起，实现发动机和变速器直接机械连接。变矩器锁止通过控制锁止电磁阀实现。该程序根据车速、节气门位置、发动机转速与输入转速的差值、油温、制动信号等决定液力变矩器是否锁IE。锁止时控制变矩器锁止电磁阀EVLU开度从0变化到100％，解锁时控制其开度从100％变化到0。 23 兰州工业高等专科学校毕业设计 5 自动变速器电子控制系统实现 5.1自动变速器电子控制单元(ECU)模块 自动变速器电子控制单元，简称电子控制单元(以下简称ECU)，需要完成信号采集，信号处理，信号分析，完成控制等一系列功能。也就是说，采集路面情况，汽车行驶状况和驾驶员的意图，根据制定的～系列换档规律，发出换档控制信号，通过外部的执行机构，对汽车自动换档。原理设计图见附录B中图B1。 5.1.1信号采集模块 整个系统需要完成控制功能的前提条件，就是准确的采集汽车的各种运行状态参数，汽车行驶的路面状态以及驾驶员的意图。汽车运行参数，主要是指与自动变速箱有关的各项参数，包括了模拟信号，开关量信号和频率信号。 第一，模拟信号。 反映汽车油温的模拟信号，来自汽车油温传感器。采集油温信号的主要目的，是编制软件的过程中，需要根据汽车的油温大小，来选择需要采用换档规律。不同的外界条件，采用不同换档规律。如果油温过高，采用高温下的换档规律。油温过低，采用低温换档规律。因此，油温的准确采集，是所需要的一个关卡。 汽车的节气门传感器的油压信号也是需要采集的一个关键模拟信号，它的大小直接影响着汽车是否需要换档，它是换档的决定条件之一。节气门信号，是反映驾驶员给予汽车的油门开度。 本系统中需要采集的模拟信号为油温信号，节气门信号。这两种信号分别来自于汽车上的油温传感器和节气门传感器。节气门信号直接影响着换档。是否需要换档，是升档还是降档，需要相应换到几档，都取决于节气门信号的大小。节气门信号的大小，是决定换档的两个关键因素之一。ECU系统中采用MCU的是Motorolal6位微控制器MC9S12DP256，具有A／D转换功能，但是此MCU能够安全通过的电流值很小，而通过节气门传感器输入的信号电流相对较大，不满足MCU的安全电流的要求。另一方面，采集的节气门模拟信号是一个电压信号，即输入到MCU中的电压值保持稳定不变，能够使MCU准确的读入节气门状态信息。基于以上要求，ECU电路采用分流方法，电压基本保持不变，电流大幅度减小后输入到MCU的A／D口上。电路如图5 1． 图5.1节气门信号处理分流电路 如图5.1可以看出，R35的阻值远小于R34的阻值，通过传感器的电流绝大 24 兰州工业高等专科学校毕业设计 部分经由R35回路，因此，通过R34流入到微控制器的电流就很小，达到了安全保护性。 油温信号的处理方法与节气门信号处理方法一样，都采用分流稳压的方法讲电压信号输入到A／D口上。 第二，频率信号。 为了提供换档的决定条件，必须测出自动变速器转速信号和发动机转速信号。转速信号，是周期信号，系统需要采集到周期信号的周期。因此，必须设计一个模块，采集并处理输入的转速信号，将此周期或者频率读入微控制器中，供给程序处理。 图5.2频率信号处理电路 ECU根据换档和闭锁的要求，采集3个频率信号，分别是车速，发动机转速，变速箱转速。其中发动机转速，变速箱转速返两个转速的采集主要是用来判断此时汽车是否需要闭锁，来保持汽车良好的传动比。 车速，发动机转速，变速箱转速信号分别是通过车速传感器，发动机转速传感器，变速箱车速传感器采集。ECU读入这三个传感器信号，经过滤波，整形以后输入到微控制器(MCU)的输入捕捉功能管脚。处理电路如图5.2。 这里采用的滤波是R．C滤波，除去高频噪音。经过滤波以后。为了保证输 入到比较器的电压值在一定范围内稳定，采用了D1和D2两个钳位二极管，方 向相反，确保比较器LM339的管脚4上的电压为2．5±0．6V。经过比较器LM339 整形成规则的方波，输入到微控制器处理，读入转速的周期。由于比较器的参考 电压为+5V，因此经过比较器输出的信号就是规则的峰值为+5V方波，达到了 微控制器能够读入分析的电位值。这套滤波整形的电路，不改变周期信号的频率， 只要读入了整形以后规则的方波的频率，相应的车速，发动机转速和变速箱转速 的频率也可以获知。 第三，开关信号 25 兰州工业高等专科学校毕业设计 图5.3开关信号处理电路 换档前，必须决定何时换档，如何换档，因此必须得到汽车当前的杆位状态。杆位信号由4个多功能开关输入，组合成能够识别的杆位信号。如下表5.3。 对于换档中，有时候在考虑动力性的条件下有必要采用强制低档。这就需要有一个供给驾驶员的强制低档开关。驾驶员可以对这个开关进行操作。ECU采集这个开关的信号，可以得到当前驾驶员是否需要强制低档的意图。 驻车／空挡信号，驾驶员外加给汽车的开关信号，决定现在是否需要停车或者空档。 制动指示灯开关，也是ECU采集得到的制动信号，微控制器根据采集来的这个信号判断是否是制动状态。 杆位信息，也代表着汽车当前运行的状态。杆位分为P，N，R，3，2，1这6种信息。P档为驻车档，N为空档，R为停车档。3，2，1这三档为直接档D档。在判断换档之前，必须获悉汽车所处的杆位。根据杆位，分别采用不同的换档行为。 四个多功能开关，属于开关信号，它们组合代表着杆位信息。多功能开关有开与合两种状态。MCU能够读入的数字信号为“O”、“1”两种状态。因此，必须通过硬件电路，处理4个多功能开关的信号，使之能够成为MCU能够读入处理的“0”和“1”信号。处理电路如图5．3。 可以由上图5.3看出，图右方为7个开关量的输入，其中上面4个输入即为四个多功能丌关的输入。图中的电阻组成的电路，专为MCU设计的“0”、“1”判别电路。图中下方的信号分别输入到MCU的普通1／o口，读入MCU，由MCU判别“0’和“l”。例如，在R82和R83之间，有一个多功能开关信号输入。多功能开关工作时即为闭合状态，也就是接地状态，不工作时为悬空状态。当此多功能开关闭合时，图下方连接MCU的I／O的那一端信号，即为地信号，也就是电压为0V，读入“0’信号。当此多功能开关不工作，悬空状态，也就是没有任 26 兰州工业高等专科学校毕业设计 何信号进来。通过R82和R83这条线路，输入到MCU管脚上的电压为5V左右，即“1’状态。通过这种方式，MCU判别多功能开关的输入信号特征。根据这些特征，汽车来实行换档。 由图5．3看出，除多功能开关以外，还有几个其他的开关信号。其中，与整个汽车有直接关系的是强制低档开关。强制低档开关，意义就在于动力性需求下使汽车处于1档状态，不允许换档。MCU采集到强制低档丌关为有效时，根据相应的程序，限制换到高档位。 第四，电源信号。 整个电路需要供电，就必须有电源模块，对应于电源模块，ECU也必须有电源信号，对整个电路中的各个电器元件供电。 5.1.2发出控制信号模块 发出的控制信号作用在执行部件——5个电磁阀，2个PWM阀上。所需要发出的控制信号，实际就是需要电磁阀如何动作。因此，输出信号包括5个丌关量的信号，作用在5个普通的电磁阀；2个PWM信号，其中一个PWM阀作用是为了调节油压，另一个是用于闭锁。 由于从微控制器(MCU)输出信号电流很小，无法使电磁阀正常工作。因此在发出控制信号模块中，必须进行外围驱动，使ECU上通过电磁阀的电流增大，驱动能力增大，MCU发出的相应的控制信号，能够致使电磁阀难常工作，实现换档。驱动电路，分为一般电磁阀的驱动和PWM阀的驱动两部分。 5.2自动变速器ECU控制功能实现 5.2.1执行部件介绍 整个自动变速器系统共有7个电磁阀，其中电磁阀1、2、4、5、7为一般的电磁阀，电磁阀3，6为PWM阀。这两种电磁阀分别在执行控制信号中有不同的作用。 首先，电磁阀1、2、4、5、7这5个普通的电磁阀的组合，直接决定着换档的执行。表5．1显示了汽车在P，R，N，3，2，1这6个档位所对应的以上5个电磁阀状态。5个电磁阀的控制信号，分别由MCU的FO端发出信号，经过驱动后，进入到电磁阀上。 通过为了测试自动变速器整个功能搭建的实验台上5个电磁阀工作的指示灯，可以很容易得到这5个电磁阀的工作状态，对照表5．1，就可以分析出汽车现在所处的档位，进而检测我们设计的换档是否可靠。 表5.1 5个电磁阀与档位关系表 其中，表中的“0”表示相应的电磁阀动作，“1”表示相应的电磁阀不动作。其次，电磁阀3和电磁阀6为PWM阀，通过MCU发出控制信号——一定占空比PWM波，调节油压。要将由MCU发出的PWM波通过PWM阀来执行，同样需要驱动 27 兰州工业高等专科学校毕业设计 部件。经过一定电流的驱动后，可以用来调节汽车变速箱的油压，达到油压的平衡。 5.2.2换档功能的实现 整个系统的最终目的就是在适合的情况下，汽车进行升档和降档。根据的输入信号模块，测得汽车当前的档位以及各种状态。由于对换档做好分析，可以得出各种情况下的换档规律。在采集到信号以后，调用写在MCU中的换档规律。需要换档的情况下，不是跳跃换档，即如果需要从3档换到1档，通常情况下，只是从3档换到2档，到了2档位以后，再做一次判断，是否需要换到1档，如果需要，就继续换到1档。表示出来即3->2->1的过程。 为了提高换档品质，在由3档换到2档的过程中，也不是直接一次动作各个电磁阀，将电磁阀动作到2档位。在由3档换到l档的过程，分为5个小的过程，通过5次分别动作这5个电磁阀，逐步换档，第五次电磁阀动作最终达到2档位状态。这样换档的方式达到换档的平滑，进而提高了换档品质。 第一，PWM波输出通道。 PWM波，也就是可调节有效宽度的方波，占空比是其最关键的因素。通过调节其占空比，来达到调节实际参数的目的。在此电路设计中，采用两路PWM输出，对应于微控制器的PP0通道和PPl通道。PP0发出的PWM波用来调节油压，PPl发出的PWM波用来控制闭锁。 图5.4 PWM输出通道 PWM阀的供电电路与普通电磁阀的供电电路一致，在下面做分析。 由于微控制器发出的PWM波无法直接作用在执行结构PWM阀上，因此在输出过程中，必须设计输出通道，采取驱动的方法。这里，采用STA401驱动。驱动电路如图5．4。 EV3为电磁阀3，属于PWM阀，由PPl发出的PWM波，经由STA401路通道驱动。主要控制汽车运行中的闭锁问题，以保证运行中的传动性能。 EV6为电磁阀6，属于PWM阀，由PP0发出的PWM波，绎由STA401一路通道驱动。主要是调节汽车自动变速箱的油压，防止油压过高或哲过低。 STA401骆动主要采用晶体三极管放大电路，原理如图5．5。图中，2和3分别为STA401的管脚2和3，组成了一路驱动通道，由2输入，3驸动输出。 第二，普通电磁阀信号输出通道。 电路中总有7个电磁阀，其中EV3和EV6为PWM阀，其余均为普通的电磁阀。EVl，EV2，EV4，EV5和Ev7这5个普通电磁阀。电磁阀动作与档位关系见表5.1。 28 兰州工业高等专科学校毕业设计 图5.5 STA401驱动原理 5个电磁阀供电电压为+12V，利用BTS621，独立供电。BTS621为可控芯片，电磁阀需要工作时，利用BTS621，直接将汽车+12V电源供给5个电磁阎。但是，电磁阀也不是一直处于工作状态，因此，为了减少能耗，保护电磁阀，在其他电路需要一[作而电磁阀不需要工作时，利用BTS621切断电磁阀的供电。BTS621的供电电路如图5.6。BTS621的OUTl给PWM阀供电，它受INl控制，利用INl来决定PWM阀是否供电。同样，利用IN2控制OUT2，决定是否给5个普通电磁阀供电。 图5.6电磁阀供电电路 5个普通电磁阀动作H样需要相应的驱动电路，也就构成了电磁阀的输出通道。这里，采用驱动能力一路为500mA的2803驱动。由于2803一路驱动能力不能够达到电磁阀工作时的最大电流，采用两路驱动一个电磁阀的办法，将驱动能力提升为一路1A。驱动电路如图5．7。2803左端为输入端，与微控制器的I／O相连，直接控制电磁阀的动作与否。如果需要电磁阀7工作，相应的将微控制器的PB0置为“l”，如果需要电磁阀4不工作，相应的将微控制器的PB2置为“0”。利用微控制器的B口资源来控制电磁阀的动作。 由图5.7可以看出，2803不仅驱动了执行部件——5个普通的电磁阀，还驱动了换档杆锁止电磁阀，而且利用2803的三路驱动，驱动电流达到1．5A的。在实际运行中，汽车可能会出现需要换档杆锁止的情况，则需要动作换档杆锁止电磁阀。置PB5为“1”，此阀就动作。 29 兰州工业高等专科学校毕业设计 图5.7 普通电磁阀驱动电路 第三，普通电磁阀信号反馈通道。 在换档程序执行中，微控制器要获悉汽车当前的档位，根据相应的换档曲线换档。收集5个换档电磁阀的状态，根据预先编制的电磁阀状态和档位相对应的表，可以得到汽车当前的档位。获得档位后，根据曲线，是否符合升档或降档条件。若符合，则升档或者降档。因此，准确获取电磁阀的状态对于汽车的自动换档也是至关重要的。电磁阀的反馈电路如图5.8。反馈后的数据由微控制器的A口输入。如果电磁阀7动作，相应的PA5信号为“0’，如果电磁阀2没有动作，相应的PAl信号为“1’。采集得到的电磁阀状态的逻辑与对电磁阀施加控制的逻辑相反。因此，采集到A口的信号以后，必须先将数据取反，再与电磁阀状态和档位相对应的表作比较，确定汽车当前的档位。为了方便，可以根据PA口数据和挡位关系编制一张新表，在程序中查询。 图5.8电磁阀反馈电路 30 兰州工业高等专科学校毕业设计 5.3自动变速器ECU信号分析 5.3.1管脚信号分析 研究的自动变速器ECU，外部有68个管脚，但在实际控制中有确切意义的仅30个管脚。各个管脚浣明及其代表的意义见下表5.2。 表5.2 ECU管脚定义 管脚号 管脚说明 特性 备注 1 接地 接线柱31 3 数据总线低电平输入和输出信号 6 变速箱油温（ATF）传感器-G93 输入模拟量 9 电磁阀3-N90 PWM 10 电磁阀7-N94 输出开关量 工作电压13V左右 11 驻车/空挡信号 输入开关量 15 制动指示灯F-信号电压 输入开关量 16 换低档开关-F8 输入开关量 18 多功能开关F125（5号插脚） 输入开关量 20 车速传感器-G68 输入脉冲量 2.5V 21 变速箱转速传感器-G38 输入脉冲量 2.5V 22 电磁阀6-N93-供电电压 23 供电电压 电源 （接线柱15） 24 诊断导线，K线 25 数据总线高电平输入和输出信号 29 换挡杆锁止电磁阀-N10 输出开关量 36 L线 40 多功能开关F125-(2号管脚) 输入开关量 43 车速传感器-G68(屏蔽) 输入脉冲量 0V 44 变速箱转速传感器-G38(屏蔽) 输入脉冲量 OV 45 供电电压 电源 （接线柱30） 47 电磁阀4-N91 输出开关量 工作电压13V左右 54 电磁阀2-N89 输出开关量 工作电压13V左右 55 电磁阀1-N8 输出开关量 工作电压13V左右 56 电磁阀5-N92 输出开关量 工作电压13V左右 58 电磁阀6-N93 PWM 62 多功能开关-F125（插脚6） 输出开关量 63 多功能开关-F125（插脚1） 输出开关量 65 车速传感器-G68 输入脉冲量 2.5V 66 变速箱转速传感器-G38 输入脉冲量 2.5V 67 电磁阀供电电压 13v以上 表中仅列出了有实际意义的30个管脚，另外的38个管脚，作为以后设计扩展管脚，在这里仅为空。 可以看出，这些信号，包括电源信号，输入信号，输出信号。 第一，整个ECU的电源信号来自于汽车的车载蓄电池，电压为12V。经过ECU中的电源模块，稳压成5V。 31 兰州工业高等专科学校毕业设计 第二，输入信号，包括输入开关量，输入模拟量，输入脉冲量(即频率量)。输入开关量，包括4个多功能开关的输入信号，换低档开关，驻车／空挡信号，制动指示灯开关。 输入模拟量，包括油温传感器信号，节气门传感器信号。 输入脉冲量，包括两个转速信号——车速传感器，变速箱转速传感器。 第三，输出信号，即所要发出的控制信号，主要加在执行部件——5个电磁阀和2个PWM阀。 5.3.2杆位信号分析 在换档过程中，控制程序必须判断汽车的自动变速器当前处T-什么柙位。汽车状态包括P、R、N、D、3、2利1共七个市T位。杆位是ECU需要读入的信号，是反映汽车变速器当前的状态。读入杆位后，结合其他的状态量，就要根据换档规律是否需要换档。因此杆位信号对换档是非常重要的。这些杆位信号是由多功能开关提供，根据多功能丌关的电压高低，对他们组合成我们所需要的杆位信号。见表5-3。 P杆对应停车档，在汽车完全停止或启动发动机时使用，具有锁住传动输出轴的功能，但在行驶中不能当作刹车用，否则会严熏损坏机件或车辆失控； R杆对应倒车档，操纵杆置于此位时，液压系统倒档油路被接通，驱动轮反转，实现倒档行驶。在汽车停稳后方可用此档倒车； N杆对应空档，行星齿轮系统空转，不能输出动力，可方便汽车作短暂停止时使用： D为前进档，挂在此位置，实现1、2、3、4四个档位的自动升降； 3为前进档，挂在此位置，实现1、2、3三个档位的自动升降； 2为前进档，挂在此位置，实现1、2两个档位的自动升降。 表5.3杆位信号 管脚＼杆位 1 2 3 D N R P 18 低 低 低 低 高 高 高 40 高 高 低 低 低 高 高 62 低 低 低 高 高 高 高 63 低 高 高 高 高 高 低 上表的高或者低，是指我们的微控制器I／O端口读入的信号。高，即代表“1”信号，低，即代表“0”。根据端口信号的高低，读入微控制器的I／O口后，经过程序判断，汽车现在所处的杆位，作为换档规律选择的条件之一。 5.3.3各个管脚信号的电气特性 经过对停车状态，1档和2档状态三个状态下的汽车做测车实验，得出各个管脚的电气特性。从以下各表可以看出，各个管脚在不同的工作状态下的电压值。停车状态下测得的管脚特性如附录A中表A1。 在1杆位下运行得到的各个管脚的电气特性。在一杆位，做了三次实验，测m三次数据。可以看出，每次测出的数据从实验的角度上讲是一致的。 在2杆位下运行得到的各个管脚的电气特性。包括低速小油门状态和高速大油门状态，在这两种状态下，都分别测了两次，可以对这两次的数据进行比较，差别非常小，为实验误差，基本上是稳定的数据。 5.4 MC9S12DP256微控制器在汽车变速器控制中的应用 5.4.1 Mcgsl2DP256资源 32 兰州工业高等专科学校毕业设计 微控制器(Microcontroller Unit，简称MCU)，也就是我们俗称的单片机，应用范围非常广。自1930年摩托罗拉发明汽车无线电产品以来，一直致力于汽车电子产品的研究和开发工作。其汽车电子产品或解决方案已广泛应用于奔驰、富豪、宝马、奥迪、福特、通用和大众等众多品牌，市场份额一直居全球第一。MC9S12DP256(以下简称M12，属于摩托罗拉产品)集成了许多专业控制功能，通过在汽车自动变速器电控单元控制中的应用显示出强大先进的特点。 MC9S12DP256是16位的微处理器，具有112个引脚，其时钟为16MHz。它基于16位HCSl2CPU及0．25微米、高速、高性能5．OVFLASH存储器技术的中档芯片。其较高的性能价格比非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统，同时令开发成本更低、现场开发与系统升级更方便。 第一，内存资源非常丰富，256K字节的flash EEPROM，可以快速的擦写：12K字节的ROM；4K字节的EEPROM，可以存放4K的客户程序。 第二，M12方便与其他外围设备通信，集成了2个异步通信口(SCI)，3个串行通信口(SPI)。 第三，为了读耿输入的模拟信号，又内置了16位的八通道～D口。 第四，针对频率信号的处理，又自带8通道的捕捉定时器(ECT)，八通道的脉宽调制PWM。最后，普通I／O资源也非常丰富，29个离散的数字输入输出口I／0(A，B，K，E)。为了方便运行客户程序，它又包含了20个离散的中断使能口。M12是对汽车控制针对性非常强的处理器，也集成了5个CAN通信功能。在对桑塔纳2000型轿车自动变速器控制中，用到了M12的flash EEPROM，EEPROM，SPI，ECT，ADC，PWM以及普通的I／O口等资源。 鉴于此，利用先进的摩托罗拉16位微控制器(MCU)MC9S12DP256丰富功能实现基于桑塔纳2000型轿车的自动变速器的电子控制单元ECU控制。 5.4.2 以M12为中心的控制方案的实现 (1)模拟量的采集处理 通过M12的两路A／D13(AD0--ADl)采集油温传感器和节气门传感器的模拟信号，转换位数字信号后进入处理。再进入A／D口之前，电路上利用了小电阻接地分流来减小进入到M12的电流。客户的A／D转换程序中，必须设定A／D转换的方式，转换的触发频率， 对其中的一系列控制寄存器进行编程，在结果寄存器中得到转换结果。M12的A／D转换El(ADC)，首先耍根据控制字的内容，依次对每个通道进行采样保持，再通过A／D转换，将结果保存在结果寄存器中，提供用户转换结束信息，用户便可以读取结果。其原理如图5．9。其中VDDA、VSSA，VRH、VRL为参考电压。M12是16位的A／D转换器，这里只需要用到8位，但是可以在需要的场合下进行16位的A／D转换。 33 兰州工业高等专科学校毕业设计 图5.9 A／D转换框图 (2)开关量处理 对于需要处理反映丰T位的四个多功能开关和一些驾驶者控制的一些开关量，可以通过电阻分压，转变成M12的I／O口可以读入的数字量，进入处理。 (3)脉冲频率信号的处理 利用MC9S12DP256的输入捕捉柴油发动机转速传感器信号，1个车速传感器信号。首先要将这5路脉冲信号滤波整形，成为一定频率的方波，才可以读入输入捕捉口ECT，采集到方波的周期，其上升沿和下降沿。其ECT中有4个16位输入通道，带16位寄存器，可以有4路16位计时器。并且还有4个带有8位入缓冲寄存器的8位输入累加器。我们只用到了其中的5路8位讨。时器(PT0--PT4)。通过MC9S12DP256可以采集到我们需要的频率信号，分析周期。M12将采集来的数据，输入到输入捕捉寄存器(当采用输出比较功能时，为输出比较寄存器)，并利用M12的主定时器，捕捉到脉冲的宽度及其周期，得到用户想要的数据。 (4)控制功能的实现方案 MC9S12DP256对采集来的信号进行处理分析后，根据设计的控制规律。出控制信号，作用在外部的普通电磁阀和PWM阀。 第一，普通电磁阀的驱动 出于从M12出来的信号较弱，电流不足，电压也有5V左右，无法使电磁阀正常工作，必须进行驱动。在MC9S12DP256与一般的电磁阀采用串行转并行的驱动芯片2803并行输出。利用M12普通I/O资源，发出一系列的信号，输出到2800的输入口，经其驱动，输出到5个电磁阀。 第二，PWM阀的驱动 PEM阀需要的PWM波就直接可以出 M12独特的自带专业PWM功能，由PWM发出一定占空比的PWM波，通过STA401驱动。作用到PWM阀。M12可以发出一定频率范围的PWM波。用户可以对其中的控制字进行编写，并写入控制寄存器，对要发出PWM占空比进行控制。MC9S12DP256的时钟频率16MHz，PWM波的分频，可以由1分频到128分频。 34 兰州工业高等专科学校毕业设计 6 控制系统电气原件的布置及电路图的设计 6.1 传感器系统 各控制参数主要由传感器系统采集与检测。传感器系统一般包括车速传感器、节气门位置传感器等,用来检测车速、节气门开度及其它一些状态信号。在电控机械式控制系统中,节气门开度用节气门位置传感器,车速常用磁感应式、霍尔式、光电式车速传感器等。 6.1.1 传感器的结构及原理 自动变速器输入速度传感器通过测量液力变矩器涡轮转速，提供给AL4 电控单元变速器输入速度；自动变速器输出速度传感器通过测量二轴停车轮的转速提供给AL4 电控单元变速器输出速度，以便使电控单元计算液力变矩器的滑动、决定换档及液力变矩器锁止状态、选择相应的换档规则以及换档时根据离合器和制动器的滑动来调整换档时间。自动变速器输入和输出速度传感器见图6.1 所示。 图6.1 自动变速器输入输出速度传感器 如图6.2所示，自动变速器输入和输出速度传感器为电磁感应式，它们分别通过45 、46和47 、48 脚输给电控单元两个随转速变化的电压，即BVA 输入速度和BVA 输出速度。 35 兰州工业高等专科学校毕业设计 图6.2 自动变速器输入和输出速度传感器的连接 自动变速器输入和输出速度传感器与信号齿的间隙为1. 5 mm（不可调整）；输入（涡轮）速度传感器的电阻为R=300 ±40 Ω，最小电压=0.3V(850r/m in)，最大电压=1.5V/(6 30r/ mi n) ；输出速度传感器的电阻R=1200 ±200 Ω，最小电压=0.5 V/ (850 r/ mi n ) ，最大电压=6V / (630r/min)。 变速器油温度传感器提供变速器油温信号给变速器电控单元，可以让电控单元修正主油压、选择高温保护规则，使液力变矩器锁止并通过自诊灯的闪烁告诉驾驶员油温过高。变速器油温度传感器是一种负温度系数的热敏电阻，由电控单元供给5V电源，通过油温变化再反馈回电控单元一个随油温连续变化的电压。其控制电路见图6.3 所示，变速器油温度传感器的电阻随温度的变化规律见表6.1。更换变速器油温度传感器时必须更换B 插接器上的整根线束。 图6.3 变速器油温度传感器电路 36 兰州工业高等专科学校毕业设计 温度(℃) -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 25 30 40 45 电阻(Ω) 误差（%） 温度(℃) 电阻(Ω) 误差（%） 93917 50 810 50484 60 577 28237 70 419 16380 75 359 9826 80 309 6079 90 292 3869 100 176 2528 110 135 2063 120 105 1693 130 83 1159 140 66 966 150 53 155 48 表6.1 变速器油温度传感器的电阻随温度的变化规律 变速器油压力传感器将主油道压力信号传给变速器电控单元，电控单元收到此压力信号后通过电控单元控制压力调节电磁阀校正主油道压力值。变速器油压力传感器包含一个受到压力时变形的应力测量片。电控单元通过24、25 脚提供给传感器一个5V 电源，随着主油道压力变化，传感器向电控单元55 脚反馈回一个0. 5V～4.5V 连续变化的电压，如图6.4所示。 图6.4 变速器油压力传感及其特性 （a）外型图 (b)特性图 （c）电路图 节气门电位计向变速器电控单元传递一个节气门所处位置的信号。电控单元根据该信号可以判断驾驶习惯、选择换档规律、提供kick-dow n 功能以及进行换档。节气门电位计为双输出滑动电阻型，既向变速器电控单元提供节气门开度信号，又向发动机电控单元提供节气门开度信号，这样保证了数据的一致性。变速器电控单元通过51、52脚向传感器提供5V电源，传感器通过56脚向电控单元反馈回0.5V ～4 .5 V 随节气门开度变化的电压，如图6.5所示。节气门电位计是不可调整的，当油门踏板抬起时，V56-5 1 ≈0.5V ，R56-51≈1.1k Ω；当油门踏板踩到底时，V56-51≈4 .5V ，R56-51≈1.5k Ω。 37 兰州工业高等专科学校毕业设计 图6.5 节气门电位计及连接电路 6.2 自动变速器各档位的设计 6.2.1 自动变速器各档位控制电路图 各档位的执行元件一般由3～4个电磁阀构成,根据ECU的控制信号而开闭油路。ECU通过控制1号和2号两个电磁阀的通、断电,来控制油路的通、断,使各换挡阀动作而变换挡位。3号电磁阀用来控制液力变矩器内锁止离合器的结合与分离;4号电阀是EAT增设的电磁阀,它可控制各蓄压器的背压,也就是控制各离合器和制动器油缸的油路接通速度,降低换挡时的冲击,使换挡更平顺。当变速器工作时,微机根据来自传感器的信息进行演算、判断、处理,发出控制指令以控制油压控制装置的4个电磁阀,因此需要控制暖冲离合器和变速机构。变速时根据湿式离合器、制动器的油压调节,使运转状态或变速换挡圆滑。油压的大小及其变化程度是根据变速状态(升挡、减挡,手动换挡等)和节气门开度大小来决定。微机是以频率为35Hz的占空比信号控制电磁阀,由此改变油压的大小,并通过此油压驱动压力控制阀。 CPU是ECU中的核心部分,其主要功能主要包括接受反映驾驶员驾驶意图的信号;实时采集并处理各种传感器输入信号和各执行机构的动作反馈信号;完成各种控制运算和过程控制,运行各种功能软件;驱动各执行机构动作,实现自动变速操作。本文所采用的87C196CA单片机属于MCS96微控制器的一种, 是Intel 公司专门为车辆控制系统设计的工业级16bit 单片机,适用于引擎控制、安全气囊、悬架系统、防抱死系统等高速实时控制场合。其存储器便于应用高级语言编程、大容量程序的场合,非常适用于自动变速器这样比较复杂的控制系统。 在档位转化时主要分析元件就是ECU,ECU在档位转化时扮演着“大脑”的角色。 P 档时，多功能开关的工作原理见图6.6 所示。P 位置时，P/N、S2触点闭 38 兰州工业高等专科学校毕业设计 合，使电控单元31 脚、34 脚搭铁，电控单元识别到P 档位置，同时由于P/N 闭合，可以起动发动机。 图6.6 P档时多功能开关工作原理 （2 ）R 档时，多功能开关的工作原理见图6.7 所示。R 档时，S4、S3、S2、R 触点闭合，电控单元31、32 、33 脚搭铁，识别到R 档位置，同时由于R 触点闭合（仅仅在R 档时，R 触点闭合），倒车灯亮，P/N 触点断开，禁止起动发动机。 39 兰州工业高等专科学校毕业设计 图6.7 R档时多功能开关工作原理 （3 ）N 档时，多功能开关的工作原理见图6.8所示。N 档时，多功能开关S3、P/N 触点闭合，电控单元32 脚、34脚搭铁，识别到N 档位置，由于P/N 触点闭合，可以起动发动机。 40 兰州工业高等专科学校毕业设计 图6.8 N档时多功能开关工作原理 （4 ）D 档时，多功能开关的工作原理见图6.9 所示。D 档位置，S4触点闭合，电控单元33脚搭铁识别D 档位，此时禁止起动发动机。 41 兰州工业高等专科学校毕业设计 图6.9 D档时多功能开关工作原理 （5 ）3 档时多功能开关的工作原理见图6.10 所示。变速杆在3 位置，S1、S3、S4触点闭合，电控单元37脚、32脚、33脚搭铁识别变速杆在3 位置，此时禁止起动发动机。 42 兰州工业高等专科学校毕业设计 图6.10 3档时多功能开关工作原理 （6 ）2 档位置时多功能开关的工作原理见图6.11 所示。变速杆在2 位置时：S1、S2、S3触点闭合，电控单元37 脚、32 脚、31脚搭铁识别变速杆在2 位置，此时禁止起动发动机。 43 兰州工业高等专科学校毕业设计 图6.11 2档时多功能开关工作原理 44 兰州工业高等专科学校毕业设计 7 结论 汽车自动变速器电子控制是汽车电控技术的一项重要内容。本设计参考富康AL4自动变速器作为参考，确定了相关参数，以便进行设计计算，该系统实现了根据车辆行驶环境选择合适换档规律进行正确而及时的换档控制和液力变矩器锁止控制。论文所完成的主要工作可以总结如下： 1．应用混杂系统理论之前，汽车自动变速器必须获知汽车所处的环境。因此，汽车对环境的识别也在本文中做一定的研究，通过前期实验可以得到证明。 2．完成了以混杂系统理论为基础的离散系统控制策略与方法的研究。研究系统中的离散事件处理方法。 3.根据控制要求设计出外围电路，针对所控制的混杂系统得到各种条件下的换挡规律，完成整个系统的控制功能。 4. 控制策略需要的各种基本要素分析，总结，给出相关的数学表达。并建立了系统所需的各种数学模型。 在设计完成过程中，应用绘图软件AUTO CAD 2007对所需电路图进行绘制完成，以及在整个控制回路中对CAN总线的有效应用。整个设计过程中，对所学理论知识应用于设计实践，使本次设计的控制系统能体现出合理性，从而提高系统在应用中的安全性。 毕业设计虽已完成了，但由于实际经验缺乏，知识水平的局限，加上时间较仓促，设计中还存在很多不足之处，有许多地方还需要改进，在此感谢老师的批评指导。 45 兰州工业高等专科学校毕业设计 参考文献 [1] 刘军民，现代汽车自动变速器的正确使用与维护，汽车与配件，1999(5)：21-22 [2]宋金声，目前的儿神汽车自动变速器及发展前景，云南交通科技，2000，16(3)：3-4 [3]麻友良，汽车底盘电子控制系统原理与检修．沈阳：辽宁科学技术出版社，1999．9 [4] 郭建君，新型富康轿车维修问答．沈附：辽宁科学技术出版社，2001．6 [5] 徐安，自动变速器换档的电子控制．汽车研究与开发，2001(3)：35-38 [6] 宋世文，雷诺AR4自动变速器介绍．汽车电器，1998(1)：27-30 [7] 彭瑞，汽车自动变速器电子控制单元的研究与实现，2003．1 [8] 刘文煌 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毕业设计虽已完成了，但由于知识水平的局限，实际经验缺乏，设计还存在许多不足，有很多地方需要改进。对于这些不足，我会在今后的工作、生活中努力去改正，并利用自已所学到的知识，为社会作更多的贡献，成为一个对社会有用的人。 最后预祝发展越来越好，前程似锦！ 47 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容