基于UM L的動力傳動系統(tǒng)軟件建模方法研究

戴筱妍 趙長祿 黃 英 郝東浩

（北京理工大學）

基于UM L的動力傳動系統(tǒng)軟件建模方法研究

戴筱妍 趙長祿 黃 英 郝東浩

（北京理工大學）

為解決動力傳動系統(tǒng)嵌入式軟件復雜、開發(fā)困難的問題，針對其功能和特點，運用面向?qū)ο蠓椒▽恿鲃酉到y(tǒng)進行了建模。 將動力傳動系統(tǒng)劃分為發(fā)動機控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)，針對每一系統(tǒng)進行了靜態(tài)和動態(tài)建模。通過軟件建模，將軟件開發(fā)的層次提升到系統(tǒng)級，對領(lǐng)域針對性更強。所建立的模型具有較好的通用性。

1前言

目前，國外汽車領(lǐng)域的模型驅(qū)動開發(fā)方法有兩種思路，一是當軟件模型建成后，將靜態(tài)模型轉(zhuǎn)換為XML語言并導入Matlab中轉(zhuǎn)化為組件模型框架，通過在Matlab下對其內(nèi)部行為進行設計，用于快速原型（Rapid Prototyping）并利用RTW工具自動生成代碼，如Mathworks公司[1]；二是借助專用軟件建模工具，對所建立的軟件模型進行仿真驗證，并直接生成代碼，如IBM公司的Rhapsody，已成熟應用于航空航天領(lǐng)域，并在汽車領(lǐng)域的巡航控制中也有應用實例[2]。 此外，Bosch、Vector等公司，都有自己的開發(fā)工具鏈[3]。

本文對動力傳動控制系統(tǒng)進行需求分析和建模研究。闡述了模型組成和建模步驟，結(jié)合轉(zhuǎn)矩控制策略，將動力傳動系統(tǒng)分為發(fā)動機控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)，然后利用模塊化思想，對每個系統(tǒng)依據(jù)建模步驟進行靜態(tài)和動態(tài)建模。

2 系統(tǒng)方法

汽車領(lǐng)域的軟件建模集中于車身控制或巡航控制等，由于系統(tǒng)的復雜性，針對動力傳動系統(tǒng)的軟件建模，國內(nèi)、外并沒有進行深入的研究工作。

軟件建模是在軟件工程實施過程中采用模型方式而非文字表達方式來進行描述。軟件建模通常采用UML語言，又稱統(tǒng)一建模語言或標準建模語言。

3 軟件建模的組成和步驟

在UML系統(tǒng)開發(fā)中有3種主要模型，如圖1所示。

a.功能模型：從用戶角度展示系統(tǒng)功能，包括用例圖。

b.靜態(tài)模型：采用對象、屬性、操作等展示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，包括類圖。

c.動態(tài)模型：展示系統(tǒng)的內(nèi)部行為，包括順序圖、狀態(tài)圖等。

用例圖是指由參與者、用例及它們之間關(guān)系構(gòu)成的用于描述系統(tǒng)功能的視圖。用例主要作用有獲取需求、指導測試及在整個過程中對其他視圖起到指導作用。

類圖顯示出類、接口及它們之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和關(guān)系。關(guān)系包括繼承、關(guān)聯(lián)和依賴。

狀態(tài)圖用于顯示狀態(tài)機、使對象達到這些狀態(tài)的事件和條件及達到這些狀態(tài)時所發(fā)生的操作。

順序圖描述對象之間發(fā)送消息的時間順序，顯示多個對象之間的動態(tài)協(xié)作。順序圖中的每條消息對應了一個類操作或狀態(tài)機中引起轉(zhuǎn)換的觸發(fā)事件。

UML對動力傳動系統(tǒng)軟件的建模過程可以歸納如下：

a.進行系統(tǒng)需求分析，建立系統(tǒng)用例圖，確定用例、參與者、泛化、包含及擴展等關(guān)系。

b.找出系統(tǒng)中的重要對象并抽象為類，將系統(tǒng)功能需求分解到各個類，確定各類的屬性及相互關(guān)系，建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型。針對具體的靜態(tài)模型還可逐步細化為詳細的靜態(tài)模型。

c.使用狀態(tài)圖、順序圖等針對對象的行為進行描述，建立系統(tǒng)動態(tài)模型，確定系統(tǒng)各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程及各對象間的交互順序。

4 動力傳動控制系統(tǒng)軟件建模

4.1 動力傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)

動力傳動系統(tǒng)有多種組合方式，本文主要研究單體泵柴油機與電液式自動變速器組合的動力傳動系統(tǒng)。

目前動力傳動系統(tǒng)控制普遍采用基于轉(zhuǎn)矩的控制策略構(gòu)架。基于轉(zhuǎn)矩控制的框架可分為轉(zhuǎn)矩需求部分、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)部分和轉(zhuǎn)矩執(zhí)行部分等3部分，各部分間以轉(zhuǎn)矩作為接口變量進行相互協(xié)調(diào)，使得各子系統(tǒng)之間的耦合性大大減弱。控制過程：首先獲得駕駛員駕駛意圖及整車各子系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩；通過轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)模塊判斷各個轉(zhuǎn)矩需求優(yōu)先級，根據(jù)當前的車輛行駛工況和發(fā)動機運行工況，對各個轉(zhuǎn)矩需求進行協(xié)調(diào)管理，確定總的發(fā)動機目標輸出轉(zhuǎn)矩；最終通過轉(zhuǎn)矩執(zhí)行將目標轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為具體的控制參數(shù)，實現(xiàn)對發(fā)動機、離合器和變速器等執(zhí)行機構(gòu)的整體協(xié)調(diào)控制。

整個動力傳動控制系統(tǒng)可以分為發(fā)動機控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)（PTC）3個部分。其中，發(fā)動機控制系統(tǒng)負責發(fā)動機內(nèi)部需求轉(zhuǎn)矩采集、駕駛員意圖翻譯等相關(guān)轉(zhuǎn)矩需求模塊、轉(zhuǎn)矩執(zhí)行模塊和發(fā)動機執(zhí)行器控制；變速器控制系統(tǒng)負責變速器轉(zhuǎn)矩需求、換擋轉(zhuǎn)矩需求采集以及離合器、變速器的執(zhí)行器控制；轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)負責整個動力傳統(tǒng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)工作。動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

4.2 動力傳動系統(tǒng)用例建模

用例圖在UML語言中主要是對所建立系統(tǒng)的功能和所要達到的目的進行明確劃分，為以后的建模過程進行指導。根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以建立如圖3所示的動力傳動系統(tǒng)用例圖。系統(tǒng)邊界用一個矩形框表示。駕駛員對車輛的駕駛行為即駕駛意圖，反映在駕駛員需求轉(zhuǎn)矩上，并通過傳感器信號體現(xiàn)。整個系統(tǒng)由傳感器（包含駕駛意圖）、執(zhí)行器、上位機和外部系統(tǒng)4類組成。上位機負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)標定與監(jiān)控，外部系統(tǒng)包含與動力傳動系統(tǒng)通信并提供轉(zhuǎn)矩需求的部件。

由于動力傳動系統(tǒng)要求軟件組件具有良好的可移植性和復用性，而用例設計會指導下一步靜態(tài)模型的建立，所以在建立用例圖過程中引入了模塊化思想。動力傳動系統(tǒng)每部分都是獨立的復雜系統(tǒng)，針對每部分展開了詳細用例圖的設計，建立了如圖4所示的發(fā)動機電控系統(tǒng)用例圖。其中，狀態(tài)獲取、標定和信息交互都是通信用例的子用例。考慮到發(fā)動機的控制大量依賴于數(shù)據(jù)，在用例圖搭建中，將數(shù)據(jù)庫作為一個核心用例，一方面方便數(shù)據(jù)流的監(jiān)控，另一方面方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理。同理，針對變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本功能，建立了如圖5和圖6所示的變速器、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)用例圖。

4.3 發(fā)動機控制系統(tǒng)靜、動態(tài)建模

利用面向?qū)ο蠓治龇椒ǜ鶕?jù)用例圖建立系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，該靜態(tài)模型對軟件開發(fā)過程中后續(xù)環(huán)節(jié)的軟件組件劃分及設計具有指導意義。系統(tǒng)動態(tài)行為模型主要由狀態(tài)圖、順序圖組成。由狀態(tài)圖可以清楚得到系統(tǒng)甚至組件內(nèi)部狀態(tài)流轉(zhuǎn)，為系統(tǒng)及組件內(nèi)部行為設計提供了參考。順序圖展現(xiàn)了組件之間的交互消息，清晰界定了組件接口。

4.3.1 發(fā)動機控制系統(tǒng)靜態(tài)建模

針對發(fā)動機控制系統(tǒng)建立了如圖7所示的類圖。數(shù)據(jù)采集類通過采集傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送給數(shù)據(jù)庫類。控制類首先查詢狀態(tài)類，然后從數(shù)據(jù)庫中查詢參數(shù)變量，通過調(diào)用計算類將數(shù)據(jù)庫中的原始參數(shù)計算成所需數(shù)值，最后向數(shù)據(jù)庫類中發(fā)送信息。驅(qū)動類查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，作為驅(qū)動執(zhí)行器的控制參數(shù)，驅(qū)動執(zhí)行器工作。通訊類通過標定類獲得協(xié)議等內(nèi)容，然后查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給其他系統(tǒng)。

部分大的類還可以拆分成更小的類，如發(fā)動機控制類包括不同工況下的不同控制策略。每種工況的控制類依賴于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，通過調(diào)用計算類的子類、一維和二維查表函數(shù)確定轉(zhuǎn)矩及對應的油量，如圖8所示。當遇到更高的控制要求或更精確的控制算法且有必要細化工況時，可以通過“并行擴展方式”[6]實現(xiàn)，即原來的靜態(tài)模型可以保持不變或少量調(diào)整，不會出現(xiàn)整個系統(tǒng)需要重建的情況，減輕了工作量，縮短了開發(fā)時間。

4.3.2 發(fā)動機控制系統(tǒng)動態(tài)建模

發(fā)動機系統(tǒng)的運行過程是工況狀態(tài)遷移過程，狀態(tài)遷移條件是判斷系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和控制策略程序編寫的依據(jù)。因此，建立系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖9所示。針對發(fā)動機控制系統(tǒng)的各工況控制策略建立了順序圖，以圖10所示怠速工況為例，首先由冷卻水溫確定怠速轉(zhuǎn)速目標值，獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并根據(jù)PID算法獲得基本的指示轉(zhuǎn)矩。根據(jù)冷卻水溫、發(fā)動機轉(zhuǎn)速，確定發(fā)動機內(nèi)部轉(zhuǎn)矩需求并將其送入PTC系統(tǒng)，同時PTC系統(tǒng)接收外部轉(zhuǎn)矩需求并進行轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)，最終將協(xié)調(diào)后轉(zhuǎn)矩送回發(fā)動機控制系統(tǒng)，通過查轉(zhuǎn)矩油量MAP，確定最終噴油量。

發(fā)動機控制系統(tǒng)可在廣度和深度兩個方向進行擴展。廣度指增加系統(tǒng)功能，深度指控制上對工況的區(qū)分更細致，控制策略更具有針對性，如增加加減速狀態(tài)；針對整車控制，還可以加入轉(zhuǎn)向狀態(tài)等。

4.4 變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)靜、動態(tài)建模

4.4.1 變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)靜態(tài)建模

針對變速器控制系統(tǒng)建立了如圖11所示的類圖。變速器控制系統(tǒng)需要檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、變速器輸出軸轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、換擋手柄位置等信息，計算得到當前狀態(tài)、離合器所需轉(zhuǎn)矩；與PTC進行通信，獲得分配后的轉(zhuǎn)矩；通過控制離合器執(zhí)行器、變速器執(zhí)行器等來完成換擋功能。

針對轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)建立了如圖12所示的類圖。轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是轉(zhuǎn)矩控制策略的核心。首先要獲取各系統(tǒng)或輔助部件對發(fā)動機的需求轉(zhuǎn)矩。當同時出現(xiàn)多個轉(zhuǎn)矩需求時，經(jīng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級判斷出最終需求轉(zhuǎn)矩。通過對發(fā)動機進氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、離合器執(zhí)行機構(gòu)和變速器執(zhí)行機構(gòu)（擋位開關(guān)）的精確控制，控制發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩。與發(fā)動機控制類相同，轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級判斷又分為換擋和非換擋2個子類，如圖13所示。

4.4.2 變速器和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)動態(tài)建模

對變速器狀態(tài)進行建模如圖14所示。變速器狀態(tài)在1～4擋之間切換，系統(tǒng)上電后，首先進入空擋狀態(tài)，接收到自動換擋信號時轉(zhuǎn)入自動擋狀態(tài)。自動換擋狀態(tài)時，根據(jù)車輛的實時狀態(tài)（當前的車速、油門開度、車輛加速度等）計算最佳擋位，完成自動換擋。針對轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級判斷建立了順序圖，以換擋情況為例展現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩優(yōu)先級策略，如圖15所示。

5 應用

利用該方法建立的動力傳動控制系統(tǒng)軟件模型可以轉(zhuǎn)化為Simulink模型。在與對象模型連接后進行仿真，仿真結(jié)果如圖16所示。圖中虛線代表車速，實線代表擋位，該仿真完成了從1擋到4擋連續(xù)升擋過程。仿真結(jié)果表明，基于UML建立的動力傳動控制系統(tǒng)模型能夠正確反映控制系統(tǒng)的功能。

6 結(jié)束語

利用模型驅(qū)動開發(fā)思想對動力傳動系統(tǒng)進行了軟件建模方法研究，闡述了動力傳動控制系統(tǒng)開發(fā)中軟件建模所處的位置及軟件建模流程。

a.針對領(lǐng)域特點，結(jié)合基于轉(zhuǎn)矩的控制理論，將系統(tǒng)分為3部分，并對每部分展開了軟件建模。

b.選用5種類型的UML圖，涵蓋了系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)和行為。由于動力傳動系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)復雜，功能眾多，為了達到可移植性和復用性，在用例圖建模階段即采用模塊化設計。

c.考慮到組件功能的復用及優(yōu)化程度、修改的簡便容易程度等，對3部分系統(tǒng)建立了各自的靜態(tài)模型，均以數(shù)據(jù)庫為核心。建立了系統(tǒng)動態(tài)模型，通過狀態(tài)圖和順序圖反映了系統(tǒng)中對象的操作行為和功能的具體實現(xiàn)過程，實現(xiàn)了控制策略的建模。

d.模型可以增加更多的控制對象和控制功能，從而分出更多更細致的工況，且針對不同工況設置專門的控制策略。

1 Guido Sandmann，Richard Thompson.Development of AUTOSAR Software Components within Model-Based Design.In-Vehicle Networks and Software，2008.

2 Jin-Shyan Lee，Yuan-Ming Wang.A UML-based approach to automatic cruise control modeling for smart vehicles. Industrial Electronics and Applications(ICIEA)，2012.

3 Gwangmin Park，Daehyun Kum，Sungho Jin，et al.Implementation of AUTOSAR I/O Driver Modules for a SSPS System.International Conference on Control，Automation and Systems，2008.

4莊繼德.汽車電子控制系統(tǒng)工程.北京：北京理工大學出版社，1998.

5 Roger S.Pressman.Software Engineering，A Practitioner's Approach（Fourth Edition）McGraw-Hill，1997.

6李鐵軍.柴油機電控技術(shù)實用教程.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Research on the Method of UM L-based Software Modeling for Powertrain

Dai Xiaoyan，Zhao Changlu，Huang Ying，Hao Donghao
（Beijing Institute of Technolog）

The powertrain embedded software is complex and difficult to be developed.In order to solve this problem，the object-oriented approach has been used for powertrain modeling according to the functions and features of powertrain control software.The powertrain is divided into engine control system，transmission control and torque coordination system.The static and dynamic modeling has been established for each system.The development level of software is upgraded to the system level by software modeling，and has more focus on the domain.The model has good versatility.

Powertrain,UM L language,Software modeling

動力傳動系統(tǒng)UML語言 軟件建模

U463.2

A

1000-3703（2014）08-0032-06