Система управления автоматической коробкой передач

В данном примере демонстрируется работа
автоматической коробки переключения передач
при различных сценариях движения автомобиля.

Описание модели

Модель включает в себя подсистемы двигателя, алгоритма
переключения передач, коробки переключения передач, модели автомобиля, а также блок Сценарии движения, формирующий управляющие сигналы.

Двигатель

Подсистема Двигатель содержит блок 2-D Lookup Table, который интерполирует крутящий момент
двигателя в зависимости от положения дросселя
и скорости вращения двигателя.

Входными сигналами подсистемы являются
Момент на турбинном колесе и степень
открытия дроссельной заслонки Газ, а выходным - Угловая скорость вала двигателя.

Для отображения скоростной характеристики двигателя
зададим следующие переменные:

thvec = [0, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100];                                               # Степень открытия дроссельной заслонки, %
nevec = [800, 1200, 1600, 2000, 2400, 2800, 3200, 3600, 4000, 4400, 4800];                      # Скорость вращения двигателя, об/мин
emap = [-40 -44 -49 -53 -57 -61 -65 -70 -74 -78	-82;                                            # Крутящий момент двигателя, фут-фунт 
        215	117	85	66	44	29	10	-2	-13	-22	-32;
        245	208	178	148	122	104	85	66	48	33	18;
        264	260	241	219	193	167	152	133	119	96	85;
        264	279	282	275	260	238	223	208	189	171	152;
        267	290	293	297	290	275	260	256	234	212	193;
        267	297	305	305	305	301	293	282	267	249	226;
        267	301	308	312	319	323	319	316	297	279	253;
        267	301	312	319	327	327	327	327	312	293	267;
        267	301	312	319	327	334	334	334	319	305	275];

emap_SI = emap * 0.7376;                                                                        # Крутящий момент двигателя, Н*м

Теперь отобразим скоростную характеристику двигателя:

import Pkg
Pkg.add("Plots")        # Добавление пакета PLots

using Plots

plt = plot(title="Скоростная характеристика двигателя", xlabel="Угловая скорость, об/мин", ylabel="Крутящий момент, Н*м", legend=:outertopright)

for i in 1:length(thvec)
    plot!(nevec, emap_SI[i, :], label="Дроссель $(thvec[i])%", grid=true)
end

display(plt)

Коробка переключения передач

Подсистема Коробка переключения передач, в свою очередь, состоит
из двух других подсистем: Гидротрансформатора и Передаточного
числа коробки переключения передач.

Входными сигналами подсистемы являются
Угловая скорость вала двигателя, Номер передачи
и Угловая скорость вала коробки передач, а выходными - Момент на турбинном колесе и Выходной момент.

Гидротрансформатор

Модель гидротрансформатора содержит блоки 1-D Lookup
Table
FactorK и TorqueRatio, которые интерполируют значения коэффициента момента
входного звена и коэффициента передачи крутящего момента соответственно в зависимости от кинематического
передаточного отношения Nin/Ne.

Для отображения характеристик гидротрансформатора
зададим следующие переменные:

kfactor = [137.4652089938063, 137.065019156851974, 135.864449645989055, 135.664354727511892,    # Коэффициент момента входного звена
           137.565256453044867, 140.366585311725089, 145.268910814415392, 152.87251771654735, 
           162.977311099643742, 164.277928069745201, 166.178829795278233, 167.979684061572641, 
           170.080680705582751, 172.781962105024377, 175.383196045227407, 179.585189333247655, 
           183.587087702790825, 189.89007763482121, 197.693779455430274, 215.902417036851546, 
           244.515990379084855, 301.7431370635518, 330.35671040578524];

speedratio = [0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.81, 0.82, 0.83,                      # Кинематическоге передаточное отношение
              0.84, 0.85, 0.86, 0.87, 0.88, 0.89, 0.9, 0.92, 0.94, 0.98, 1];

torqueratio = [2.232, 2.075, 1.975, 1.846, 1.72, 1.564, 1.409, 1.254, 1.096,                    # Коэффициент передачи крутящего момента
             1.08, 1.061, 1.043, 1.028, 1.012, 1.002, 1.002, 1.001, 0.998, 
             0.999, 1.001, 1.002, 0.97, 0.9];

Теперь отобразим характеристику гидротрансформатора:

using Plots.PlotMeasures

efficiency = speedratio .* torqueratio  # КПД

p1 = plot(speedratio, efficiency, 
          xlabel="Nin/Ne", 
          ylabel="КПД",
          linewidth=2, 
          color=:green,
          label="КПД",
          left_margin=10mm,
          top_margin=10mm)

p2 = plot(speedratio, torqueratio, 
          xlabel="Nin/Ne", 
          ylabel="Коэффициент трансформации",
          linewidth=2, 
          color=:blue,
          label="Коэффициент трансформации")

plot(p1, p2, layout=(2,1), bottom_margin=10mm, size=(500, 800), legend=:outertopright)

Передаточное число коробки переключения передач

Данная подсистема также содержит блок 1-D Lookup Table
Table, который определяет значение Nin/Nout в зависимости от номера передачи Gear.

Gear = [1, 2, 3, 4];
Ratio = [2.393, 1.450, 1.000, 0.677];

Представим эту зависимость в виде таблицы:

println("Gear   Ratio")
println("----------------")
for (g, r) in zip(Gear, Ratio)
    println(lpad(g, 4), "   ", lpad(r, 5))
end

Gear   Ratio
----------------
   1   2.393
   2    1.45
   3     1.0
   4   0.677

Алгоритм переключения передач

Подсистема Алгоритм переключения передач
содержит блоки Chart
Состояние текущей передачи и Переключение передач из библиотеки Конечных автоматов,
а также подсистему Расчет пороговой скорости движения.

Входными сигналами подсистемы являются степень открытия дроссельной заслонки
Газ и Скорость автомобиля, а выходным - Номер передачи.

Состояние текущей передачи

Данная диаграмма представлена четырьмя состояниями
в соответствии с количеством передач, переключение
между которыми происходит посредством сигнала gear_state_change.
При переходе в новое состояние значение выходной переменной Gear
обновляется.

Расчет пороговой скорости движения

Подсистема Расчет пороговой скорости движения
состоит из двух блоков 2-D Lookup Table, которые
определяют текущие верхние up_th и нижние down_th
значения пороговой скорости.

Зададим эти зависимости:

UP_TH_BP = [0,25,35,50,90,100];                 # Степень открытия дроссельной заслонки, %

UP_TABLE = [10  30	50	1000000;        # Значение верхней пороговой скорости, мили/ч
        10	30	50	1000000;
        15	30	50	1000000;
        23	41 	60      1000000;
        40	70	100	1000000;
        40	70	100	1000000];

UP_TABLE_kmph = UP_TABLE*1.609;                 # Значение верхней пороговой скорости, км/ч

DOWN_TH_BP = [0,5,40,50,90,100];                # Степень открытия дроссельной заслонки, %

DOWN_TABLE = [0	5	20	35;             # Значение нижней пороговой скорости, мили/ч
        0	5	20	35;
        0	5	25	40;
        0	5	30	50;
        0	30	50	80;
        0	30	50	80];

DOWN_TABLE_kmph = DOWN_TABLE*1.609;             # Значение нижней пороговой скорости, км/ч

Построим графики зависимости скорости автомобиля
от степени открытия дроссельной заслонки при всех возможных
переключениях передач:

plt = plot(xlabel="Степень открытия дроссельной заслонки, %", 
           ylabel="Скорость автомобиля, км/ч", 
           legend=:outertopright)

for i in 1:(length(Gear)-1)
    plot!(UP_TH_BP, UP_TABLE_kmph[:, i], 
          label="Переключение передачи $(Gear[i])-$(Gear[i+1])", 
          grid=true,
          markershape=:utriangle,
          markersize=5, 
          markerstrokewidth=1.5)
end

for i in 2:(length(Gear))
    plot!(DOWN_TH_BP, DOWN_TABLE_kmph[:, i], 
          label="Переключение передачи $(Gear[i])-$(Gear[i-1])", 
          grid=true,
          markershape=:dtriangle,
          markersize=5, 
          markerstrokewidth=1.5)
end

display(plt)

Переключение передач

Данная диаграмма содержит три состояния: исходное
состояние steady_state, повышение передачи upshifting и
понижение передачи downshifting. Переключение между состояниями
зависит от текущей скорости автомобиля VehicleSpeed и пороговых значений скорости
движения up_th и down_th: при превышении верхнего порогового значения выходной
сигнал gear_state_change принимает значение 1, соответствующее
повышению передачи, при снижении скорости ниже нижнего порогового значения
сигнал gear_state_change принимает значение -1, соответствующее
понижению передачи.

Автомобиль

Подсистема Автомобиль содержит модель
изменения Скорости автомобиля и Угловой скорости вала коробки передач. Входными сигналами
являются Выходной момент коробки переключения передач
и Тормоз.

Сценарии движения

Блок Сценарии движения является маскированным
блоком Engee Function.
Блок позволяет выбрать сценарии изменения управляющих сигналов
Газ и Тормоз из предложенных вариантов:

движение накатом,
постепенное ускорение,
резкое торможение,
обгон

Симуляция модели

Для выполнения симуляции модели зададим значения остальных переменных:

Iei = 0.021991;
Rfd = 3.23;
Iv = 12.094;
N20 = 0;
rload0 = 40;
rload2 = 0.02;
TWAIT = 2;
Rw = 1;

Далее запустим симуляцию модели:

if "autotrans" in [m.name for m in engee.get_all_models()]
    m = engee.open( "autotrans" )
else
    m = engee.load( "autotrans.engee" )
end
results = engee.run(m, verbose=true)

t = results["Газ"].time;                                        # Время, с
Throttle  = results["Газ"].value;                               # Степень открытия дроссельной заслонки, %
Ne  = results["Угловая скорость вала двигателя"].value;         # Угловая скорость вала двигателя, об/мин
VehicleSpeed  = results["Скорость автомобиля"].value*1.609;     # Скорость автомобиля, км/ч

Наконец, построим графики результата симуляции:

using Plots.PlotMeasures

p1 = plot(t, Ne, 
          xlabel="Время, с", 
          ylabel="Угловая скорость вала двигателя, об/мин",
          linewidth=2, 
          color=:green,
          label="Угловая скорость вала двигателя")

p2 = plot(t, Throttle, 
          xlabel="Время, с", 
          ylabel="Газ, %",
          linewidth=2, 
          color=:blue,
          label="Газ")

p3 = plot(t, VehicleSpeed, 
          xlabel="Время, с", 
          ylabel="Скорость автомобиля, км/ч",
          linewidth=2, 
          color=:red,
          label="Скорость автомобиля")

plot(p1, p2, p3, layout=(3,1), left_margin=10mm, size=(800, 1000), bottom_margin=10mm, legend=:outertopright)

Система управления автоматической коробкой передач

Описание модели

Двигатель

Коробка переключения передач

Алгоритм переключения передач

Автомобиль

Сценарии движения

Симуляция модели

Тип

Краткое описание

Связанные материалы

Теги

Категории

Языки

Форматы

Уровень

Статус

Опубликовано

Обновлено

Источник