GCKontrol状态图使用案例：双离合自动变速器控制单元(TCU)模型设计与仿真

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前言

状态图是基于有限状态机的图形化编程环境。使用状态图编程可对状态机进行设计、仿真和测试，并生成状态图代码。

控制系统设计在很大程度上依赖状态机来管理复杂的逻辑。在实际应用中，小到点亮一个发光二极管的控制系统，大到汽车、大型空调的控制系统，甚至飞机、火箭等航空航天飞行器的控制系统，都可以使用状态图进行编程。尤其在汽车领域中，复杂的控制系统逻辑广泛存在于车辆的各大部件中，使用状态图可以更方便、更有效地处理这些逻辑，因此状态图在汽车领域有着非常广泛的应用。

自动变速器电子控制单元TCU（Transmission Control Unit）是装备自动变速器车辆的核心控制系统之一。TCU可以在汽车运行过程中，对各种描述当前车辆行驶状态的传感器信号进行处理，判断出驾驶员意愿，并控制当前车辆挡位。

本文将通过对双离合自动变速器(DCT)模型中TCU部分，使用状态图编程，构建一个完整的DCT模型并运行仿真、查看结果，来介绍GCKontrol中状态图编程的使用。

状态图介绍

状态机是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。在逻辑搭建过程中，任何操作对象都可抽象出很多状态，在某一状态下该对象会保持相对稳定，只有当特定的转换条件被触发时，才会从当前状态转换为另一状态。

状态图编程是基于有限状态机和流程图，构建组合和时序逻辑决策模型，并进行仿真的编程方式，是一种图形化的编程语言。它可以将复杂的逻辑简单化，可读性更高。

以水的状态转化为例，其状态为固液气三种，如下图1所示。图中方框为其状态，箭头为其状态转移过程所需条件，一般称为转移条件，即当液态状态下的水在满足气化条件后，会转变为气态状态。

在大的状态下，往往会将其进一步拆分，形成各种各样的小状态，我们将大的状态称为父状态，大状态下的小状态称为子状态，子状态下可再分化为子状态，层层嵌套。

图1.状态图示意图

注：图中气态状态上的小箭头为缺省状态设置，其作用是描述该系统从此状态开始，图中的意义可理解为该系统开始时为水蒸气状态。

在状态图建模中，常用的动作状态有三种，entry（en）、during（du）和exit（ex），其含义如下：

表1.状态图编程常见动作

类型	描述
entry (简写为en)	状态进入动作，表示发生状态转移，激活该状态时需要执行的动作
during (简写为du)	状态依然激活动作，表示原处于激活状态的状态被触发，且不存在从此状态出发的转移条件被激活，此状态依然处于激活状态时需执行的操作
exit (简写为ex)	状态退出动作，表示存在从此状态出发的转移条件被激活时，该状态退出时执行的操作

在这些动作状态中，我们可使用C代码来编写系统需要进行的操作，实现对被控对象的控制。此外，转移条件书写在中括号（[ ]）内，当转移过程中有动作发生时书写在大括号（{ }）内来表示。

图2.状态图编程示例

模型搭建

在汽车领域中，存在着大量的MCU元件，这些元件的内部逻辑通常由C代码编写而成。在实际应用中，可使用状态图来进行这些控制逻辑的搭建，再将其编译成C代码，载入硬件中使用即可。小到车灯的控制，大到发动机、变速箱等汽车三大件，均可使用状态图进行编程。使用状态图可以简化逻辑，提高可读性，提高工作效率，故这一方法也被各大汽车软件开发商青睐。在汽车的自动变速器中，其大脑核心便是TCU（Transmission Control Unit）。TCU中集成了整个变速器的控制逻辑及控制方法，是自动变速器的核心部件。

本案例将通过讲解汽车动力总成中TCU部分的状态图建模，使读者进一步熟悉状态图建模编程，了解状态图在GCKontrol中的应用。

●DCT

双离合自动变速器(Dual Clutch Transmission,DCT)广泛应用于乘用车领域，具有燃油经济性好、驾驶性能好、成本低廉以及生产继承性好等重要特性。

DCT是一种纯机械式变速器，可理解为机械式自动变速器(Automatic mechanical transmission,AMT)的改进版本，通过增加一个离合器，离合器1打开过程中结合离合器2来实现动力换挡。

下图为典型双离合变速器的机械结构：

图3.典型双离合变速器的机械结构

双离合变速器有四个同步器，换挡过程中发动机到离合器1、离合器2的功率流向可如下图所示，输出轴将力矩输出给差速器实现不同挡位下的驱动。

图4.DCT功率流向示意图

●TCU

TCU(Transmission Control Unit)是自动变速器的控制单元，其根据车速、发动机转速、油门等信息对变速箱进行控制，根据其内部逻辑计算出合适的挡位，并发送信号给执行器，从而使得车辆处在合适的挡位上。

自动变速器的换挡规律是指车辆在各挡间变换时参数变化的规律，它关系到整个车辆的动力性、经济性、驾驶性等诸多性能，是自动变速器系统的核心内容，也是TCU的主要关注点。本案例中将使用目前最常用的两参数自动换挡规律。该形式主要通过车速、油门开度、发动机转速及刹车信号进行判断，给执行器发出相应的信号，以期达到车辆整体的最佳状态。图5所示为常见的两参数换挡规律示意图，是二挡到一挡的降挡线，是二挡到三挡的升挡线。设当前挡位为二挡，若下一时刻的点落在、两曲线之间，则仍为二挡；若落在曲线左边，则降为一挡；若落在曲线右边，则升为三挡。若当前挡位为一挡，则只判断是否升挡；若当前挡位为最高挡，则只判断是否降挡。

图5.DCT常见两参数换挡曲线

●动力总成模型

汽车动力总成一般指发动机、变速器，以及集成在变速器上面的其余零件，如离合器、差速器等。为了能够更好地观察DCT的工作情况，我们加入车辆动力学模型，给出驾驶员输入的油门及刹车信号，进行整体仿真，整体模型如下图所示。

图6.DCT整体模型

●TCU模型

TCU模型整体概览如下图所示，其主要控制逻辑使用状态图搭建。

图7.TCU模型

本案例中仅考虑汽车的N挡及D挡，挂入N挡时，变速器内部输入轴和输出轴之间的动力传递被切断，两个离合器均分离；挂入D挡时，根据车速、油门开度及刹车动作进行相应动作。此外，当发动机转速过低时，无条件进入发动机保护模式，防止发动机熄火。我们将其抽象化为D挡状态、N挡状态及防止发动机熄火的发动机保护状态。在这三种状态下，又可以根据特定的条件将其划分为不同的子状态。其整体状态框图见图8：

图8.TCU状态图概览

在D挡模式下，首先进行行驶状态判断；当车速(Carspeed)小于5Km/h且刹车(BrakePedal)处于工作状态时，进入怠速状态（state0），切断动力输出；当车速小于5Km/h、油门开度（AccPedal）大于0且刹车不工作时，进入起步状态（state10），TCU应用离合器扭矩控制并对发动机转速进行控制，车辆起步加速；当车速大于5Km/h且输入轴转速(TransInputSpeed)与发动机转速(EngineSpeed)同步完成时，进入行驶状态（state20），车辆起步完成，正常行驶；如行驶过程中车速过低，则恢复到起步状态，反之则进行挡位判断，会首先根据当前挡位控制离合器1及离合器2的接合状态，再根据车速判断是否应该加减挡位，当前挡位(CurrentGear)与目标挡位(TargetGear)不匹配时进入换挡状态。