为提高车辆使用性能,电控产品在车辆上得到了广泛的应用,据统计目前车辆90%以上的技术革新都与车辆电控技术相关,是车辆研发的重点方向之一。利用车辆仿真技术实现车辆电控系统的开发与验证是国际上车辆研发机构及生产厂家普遍应用的技术方案,虽然模型仿真分析只是接近真实,但为电控系统软件的开发提供了一个十分便利的平台,极大提高了控制软件的开发效率,建模与仿真技术已经成为电控系统开发中的核心技术之一。我国对电控产品的开发尚处于研究与设计阶段,特别是对于车辆关键总成控制器,还没有自主开发的电控产品在车辆上得到应用,因此利用建模与仿真技术的便捷方法,实现对我们电控产品的开发具有特别重要的意义。国际上对电控系统的开发普遍采用“V”型开发流程,建模与仿真技术主要应用于该流程中的三个阶段。首先是控制软件功能开发阶段,在计算机上建立控制策略模型并将该模型集成于车辆离线模型中,通过仿真计算实现控制软件功能的分析与验证;然后进入软件代码测试与验证阶段,将设计完成控制策略模型编译为程序代码,下载到通用的商业控制器硬件——快速原型系统,实现控制功能在车辆实时模型环境甚至开发原型车辆的功能测试与验证;最后是真实控制器测试、验证与初步标定阶段,将开发完成的真实控制器与利用模型仿真技术和部分真实负载建立的虚拟车辆仿真平台上实现实时闭环运行,进行控制器的功能与特性自动测试,完成控制器安全验证和功能初步标定。上述不同阶段工作组成了电控系统开发“V”型流程的主体部分,建模与仿真技术是该流程重要组成部分及关键。车辆自动变速器的开发与应用是当前国内研究的热点方向之一,是车辆关键总成的机电一体化技术,但我国还没有形成自动变速器产品自主开发和生产能力,目前各生产厂家依然处于自动变速车辆的产品化研发阶段。为促进自动变速器技术的快速发展,提高自动变速器电控系统设计、测试和验证能力,利用上述流程实现控制软件开发是行之有效的方案。为实现这一方案,首先需要具备针对自动变速器技术的车辆建模与仿真技术,包括离线仿真应用的非实时模型和硬件在环仿真系统(简称HIL系统)应用的实时模型,特别HIL系统已经成为控制器自主开发与测试的高效手段,使得建模与仿真技术成为电控产品开发过程一个重要组成。本文结合自动变速器电控产品开发及其开发工具HIL系统的应用进行自动变速器相关的建模与仿真技术及应用研究,解决了产品化过程中部分问题,对自动变速电控系统的开发具有重要意义。全文主要内容如下:1、研究电控系统在车辆上的开发及应用流程,分析了仿真模型在开发流程中的应用。结合目前正在自主开发的机械式自动变速器(AMT)和HIL系统应用技术,分析国外成熟自动变速器(AMT)的应用及其电控系统开发技术,确定了建模与仿真技术在自动变速车辆控制系统开发中的应用,明确研究方向。2、详细分析了物体摩擦的力学理论与模型研究进程与成果,完成了离合器摩擦特性试验,根据实验结果分析了滑摩速度和温度对离合器传递扭矩的影响,在LuGre模型的基础上建立了有温度因素影响的离合器摩擦模型。完成离合器温度预测模型的开发,该模型作为控制器新增功能应用于自动变速控制器和HIL系统。首先根据自动变速器控制器(简称TCU:Transmission Control Unit)对离合器扭矩精确控制及过热保护的要求,分析了离合器温度对传递扭矩的影响及实际应用中离合器摩擦片的烧结等失效形式;然后研究并建立了离合器温度模型理论,利用Matlab/Simulink软件建立了基本的离合器温度模型;再者进行了离合器温度的实际台架测试,利用测试结果对模型进行初步参数标定和模型验证,确定了模型建立的合理性;最后分析车辆实际应用环境和工况,对模型进行了改进和调整,应用快速原型技术实现了温度预测模型在实车上的测试、标定与应用。3、建立了车辆机械式变速器的仿真模型。结合实际测试结果,详细并深入分析了变速器的同步过程并建立了合理的同步器模型,实现了精确模拟变速器换挡过程的目的,解决了变速器仿真的难点之一——同步过程仿真。4、自动变速控制器模型建立技术。为离线与在线仿真应用需求,建立了基本的控制器模型;为实现整车性能仿真分析和自动测试,研究并开发了控制器模型的重要控制功能——换挡规律的体系结构与基本换挡规律计算技术。首先完成发动机万有特性数据处理,作为换挡计算的基础。然后详细分析驾驶员操纵影响、车辆行驶交通环境和车辆的自身性能等因素对车辆换挡规律的需求与影响,规划了离散化的不同模式换挡规律的体系结构,并设计了不同模式换挡规律的优先级确定方案。最后结合实际产品项目开发了换挡规律计算程序,包括动力性换挡规律的升降挡规律计算方法和经济性换挡的图表方法。5、进行了自动变速器模型离线与实时系统的集成应用技术研究,完成了离线模型在实时应用定步长求解环境下的稳定性分析技术和模型实时稳定求解算法及应用技术研究。首先研究了自动变速器控制系统离线仿真需要的车辆传动系一维建模理论,建立了用于初步集成与仿真的车辆纵向力学模型,在该模型中,实现了包括离合器、变速器、车辆纵向动力学及自动变速控制器等各子系统模型的集成,进行仿真并得到了合理的结果;为得到自动运行需要的驾驶员及道路模型,在成熟的商用仿真平台上实现了建立自动变速器模型的离线集成,扩展了自主开发模型的实际应用范围;在HIL仿真系统上的集成,实现了自主开发变速器模型的实时应用。再者分析了离散模型的实时化基本方法,详细研究了基于线性系统分析理论建立实时模型的稳定性分析技术,提出了分析实时模型稳定性的准则,为简化模型提供了理论依据与实际方法,结合建立的车辆传动系模型实现了稳定性求解方法的应用。最后研究了HIL系统模型在保证求解精度时的隐式欧拉稳定性求解算法,并将该算法进行了实际的理论分析与测试,证明了该方法的有效性。该方法不仅可应用于实时模型开发而且其使用方法为应用更高阶的算法提供了分析依据。6、参与建立了国内第一套大型综合HIL系统,深入研究HIL系统的测试技术并建立了自动变速控制器的测试方案。结合参与建立的国内第一个综合HIL测试系统,系统总结了HIL系统的建立过程,对HIL仿真系统调试后与实车测试结果进行了精度对比,达到了基本测试需要;研究了HIL系统的测试过程,分析了测试中需要建立的关键技术;针对自动变速车辆开发了控制器测试应用程序,利用HIL系统模型实现了自动变速器辅助自动测试技术和换挡表初步标定技术的开发。