基于Telelogic Rhapsody的电控液力自动变速器电控系统信息流设计

葛立坤，范知友

(中国北方车辆研究所，北京100072)

利用Telelogic Rhapsody软件对电子系统进行开发，国外的相关研究比较多，国内最近几年来才刚刚兴起.查阅了国内外的一些关于航空电子系统、轨道交通系统、柴油机电控系统、汽车电控系统的文章，可以得到些许借鉴.何火军[1]利用 Rhapsody和 Simulink建立无人机的飞行控制系统，将用Simulink建立的无人机动力学模型通过2个软件间的接口，采用“黑盒子”的模式，导入到Rhapsody，并生成产品级代 码;许效宁[2]将Rhapsody所建模型在VxWorks实时操作系统上应用，并通过Rhapsody自动化测试工具分别对模型进行了白盒和黑盒测试，证明了模型的完整性;文武红[3]利用Rhapsody对柴油机电控系统进行开发，以改善发动机的动力性、经济性;SengChong[4]建立了一种车辆电子系统的开发方法和开发环境——采用Rhapsody和Simulink联合开发，并进行了硬件在环半实物仿真验证.本文采用Rhapsody对电控液力自动变速器电控系统进行了体系结构的部署，并采用顺序图、状态图体现系统内主要的信息流，为变速器电控系统控制策略的建模做了必要的基础性工作.

1 Telelogic Rhapsody的简介

Telelogic Rhapsody是IBM公司的一款用于软件开发的软件，常用来开发嵌入式的软件系统.Rhapsody融合了Object Management Group(OMG)的系统建模语言 (SysML)/统一建模语言 (UML)环境，采用各种图形、图表等可视化的建模方式对系统进行开发，开发过程中可以随时对模型进行验证，及时发现问题，避免了到最后阶段才发现问题而导致高昂的修改成本.模型与C、C++、Java等语言之间可以进行相互转化.

2 电控系统的信息流分析

2.1 自动换挡控制策略

各种输入信息输入到电控自动变速器控制单元(ECU)，经过ECU计算，得出可满足该驾驶员意图的最佳换挡规律，以实现智能化控制，见图1。

图1 自动换挡控制原理框图[5]

其换挡规则有5条:

1)经济规则，即重视燃油经济性的行驶规则。此规则与“运动规则”(标准规则)相比，换挡点向低速侧偏移。

2)运动规则，即重视动力性的行驶规则。每次升挡时发动机转速保持不变，目的是提供更大的扭矩，使车辆具有较大的加速能力，并且此规则与“经济规则”相比，变速点向高速侧偏移，变速箱换挡时机延迟。

3)上缓坡规则，即自动控制换挡时，须优先考虑上缓坡所需的动力。

4)上陡坡规则，即自动控制换挡时，须优先考虑上陡坡所需的动力。

5)下坡规则，此规则须比平路换挡时滞后，以利于发动机制动。

其换挡模式有2种:

1)正常模式，即在未按任何模式键的情况下电控单元自动进入此模式控制换挡。在该模式下，电控单元根据驾驶员的驾驶风格、载荷、路面等情况，按照换挡规则进行换挡控制。

2)运动模式，即按下“S”键后，电控单元便进入该模式进行换挡控制。在该模式下，电控单元优先选择并执行换挡规则第2条，再按“S”键后则停止执行此换挡规则。

本文论述的电控液力自动变速器有6种换挡模式 (P、R、N、D、S、L)、一个Hold模式、4个前进挡，换挡模式、Hold模式、挡位与换挡电磁阀关系见表1。

表1 电磁阀工作状态与挡位

2.2 输入和输出信息

电控液力自动变速器ECU接收发动机和变速器上各种传感器的输入信号，根据制定的各种车速和负荷条件下最佳挡位的数据即换挡规律，输出换挡信号，更换理想挡位。输入输出信息汇总见表2。

表2 输入输出信息

驾驶员通过加速踏板表达对车速变化的意图和通过换挡杆选择要求的运行状态后，变速器自行完成挡位切换。驾驶员可以选择优化控制程序，得到“动力”或“保持”2种挡位模式。“动力”模式使每次升挡时发动机转速保持不变，提供更大的扭矩。“保持”模式使变速器ECU保持在已选挡的位置，在山区和比较差的路面行驶时很有用，以防止频繁换挡。

3 电控系统UML模型的建立

3.1 用例建模

3.1.1 用例建模的主要目的

通过用例建模来分析变速器电控系统的功能性需求，表达驾驶员 (执行者actor)与变速箱电控系统之间的信息交互，为后续的系统建模提供纲领性指导，并用来检验最终模型是否完成预期要求.变速器电控系统用例建模主要包含以下几点:

1)需求分析，即驾驶员在与变速箱电控系统交互过程中，驾驶员需要完成哪些操作，变速箱电控系统需要实现哪些功能，并将需求细化.

2)建立从功能需求到系统分析、设计、实现等各阶段的度量标准，即以需求分析为依据，来完成后续各个阶段的建模.

3)为最终的变速箱电控系统模型测试提供基准，以验证系统是否达到功能要求.

3.1.2 用例建模的步骤

用例建模是要建立起变速器电控系统的用例图(Use Case Diagram，UCD)，包括执行者、用例、系统，步骤如下:

1)确定系统的范围和边界.

明确什么在系统内，什么在系统外，例如:驾驶员在变速箱电控系统外，控制单元 (ECU)在系统内.

2)确定电控系统的执行者.

执行者 (Actor)是指在系统外并与系统交互的人或其它系统，例如驾驶员.

3)确定电控系统的用例.

用例 (Use Case)用来描述电控系统所提供的功能.

4)确定用例之间的关系.

用例之间有以下4种关系:扩展关系，使用关系，继承关系，包含关系.

3.1.3 建立系统的需求模型

在Rhapsody软件中建立系统的需求模型.见图2、图3.

图2中P、L、S、N、D的意义同第2章.图3中D1代表D挡“经济规则”下的一挡，S1代表S挡“运动规则”下的一挡，L1代表L挡“经济规则”下的一挡.

图2 电控系统一级用例图

图3 电控系统二级用例图

3.2 静态建模

在静态建模阶段，首先分析并提炼出变速箱电控系统中的类 (Class)和对象 (Object)，其次用内嵌包图 (Package Diagram)的对象图 (Object Model Diagram)建立系统的体系结构，最后再逐步细化以确定类与类之间的关系，并用类图(Class Diagram)描述电控系统的算法，最终建立系统的静态模型.静态建模主要是对电控系统的体系结构建模，以建立系统的类图和对象图，等等.

用Rhapsody建立系统的静态模型，类图及对象图，见图4、图5.

图4 电控系统对象图

图5 电控系统类图

3.3 动态建模

动态模型主要描述系统的动态行为和控制结构.

动态行为包括系统中对象生存期内可能的状态、事件 (Event)发生时状态的迁移、对象之间的动态交互.控制结构指用动态图来描述系统的控制算法.UML动态模型主要包括状态图(Statechart)、活动图 (Activitychart)、顺序图(Sequence Diagram)、合作图 (Collaboration Diagram)等4种图.

用Rhapsody建立系统的动态模型，状态图、顺序图，见图6、图7.

图6 电控系统1挡顺序图

图7 电控系统状态图

3.4 模型测试

在完成电控液力自动变速器电控系统数字化模型设计之后，进行系统仿真测试，测试方式有3种:

1)利用GMR(G代码生成、M表示编译、R表示运行)方式检测模型的语法语义;

2)基于人机交互界面的交互式仿真，测试系统行为和功能.在VC软件模块上设计人机交互界面，用于模拟系统的各种输入和输出;

3)进行半物理仿真.

本文只对电控系统进行了语法语义的测试，随后的工作将进行第二和第三种测试.

4 结束语

未来车辆综合电子信息系统将是一个信息共享系统，变速器电控系统、发动机电控系统、ABS、ESP、车身电子系统等各个系统之间会实现信息的共享和交互，需要信息流规划以实现综合电子信息系统的合理性和可行性.本文基于IBM Telelogic Rhapsody用UML语言对电控液力自动变速器电控系统进行了信息流规划、系统分析设计、数字化建模、语法语义检测，对未来综合电子信息系统的信息流规划设计打下坚实基础.

[1] 何火军.基于Rhapsody的飞行控制系统数字化设计研究[D].南京:南京航空航天大学，2010.

[2] 许效宁.基于UML的CTCS-2级列控车载设备的建模及实现[D].北京:北京交通大学，2008.

[3] 文武红.Rhapsody在柴油机电子控制上的应用研究[D].太原:中北大学，2005.

[4] SengChong.ModelDriven System Engineering for Vehicle System utilizing Model Driven Architecture approach and Hardware-in-the-Loop Simulation[D].英国:迪蒙福特大学机电工程学院，2011.

[5] 王绍銧.汽车电子学 [M].北京:清华大学出版社，2011.