葛立坤，范知友

(中國北方車輛研究所，北京100072)

利用Telelogic Rhapsody軟件對電子系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，國外的相關(guān)研究比較多，國內(nèi)最近幾年來才剛剛興起.查閱了國內(nèi)外的一些關(guān)于航空電子系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)、柴油機(jī)電控系統(tǒng)、汽車電控系統(tǒng)的文章，可以得到些許借鑒.何火軍[1]利用 Rhapsody和 Simulink建立無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，將用Simulink建立的無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型通過2個(gè)軟件間的接口，采用“黑盒子”的模式，導(dǎo)入到Rhapsody，并生成產(chǎn)品級(jí)代 碼;許效寧[2]將Rhapsody所建模型在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上應(yīng)用，并通過Rhapsody自動(dòng)化測試工具分別對模型進(jìn)行了白盒和黑盒測試，證明了模型的完整性;文武紅[3]利用Rhapsody對柴油機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性;SengChong[4]建立了一種車輛電子系統(tǒng)的開發(fā)方法和開發(fā)環(huán)境——采用Rhapsody和Simulink聯(lián)合開發(fā)，并進(jìn)行了硬件在環(huán)半實(shí)物仿真驗(yàn)證.本文采用Rhapsody對電控液力自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)進(jìn)行了體系結(jié)構(gòu)的部署，并采用順序圖、狀態(tài)圖體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)主要的信息流，為變速器電控系統(tǒng)控制策略的建模做了必要的基礎(chǔ)性工作.

1 Telelogic Rhapsody的簡介

Telelogic Rhapsody是IBM公司的一款用于軟件開發(fā)的軟件，常用來開發(fā)嵌入式的軟件系統(tǒng).Rhapsody融合了Object Management Group(OMG)的系統(tǒng)建模語言 (SysML)/統(tǒng)一建模語言 (UML)環(huán)境，采用各種圖形、圖表等可視化的建模方式對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)過程中可以隨時(shí)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，避免了到最后階段才發(fā)現(xiàn)問題而導(dǎo)致高昂的修改成本.模型與C、C++、Java等語言之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化.

2 電控系統(tǒng)的信息流分析

2.1 自動(dòng)換擋控制策略

各種輸入信息輸入到電控自動(dòng)變速器控制單元(ECU)，經(jīng)過ECU計(jì)算，得出可滿足該駕駛員意圖的最佳換擋規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)智能化控制，見圖1。

圖1 自動(dòng)換擋控制原理框圖[5]

其換擋規(guī)則有5條:

1)經(jīng)濟(jì)規(guī)則，即重視燃油經(jīng)濟(jì)性的行駛規(guī)則。此規(guī)則與“運(yùn)動(dòng)規(guī)則”(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則)相比，換擋點(diǎn)向低速側(cè)偏移。

2)運(yùn)動(dòng)規(guī)則，即重視動(dòng)力性的行駛規(guī)則。每次升擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，目的是提供更大的扭矩，使車輛具有較大的加速能力，并且此規(guī)則與“經(jīng)濟(jì)規(guī)則”相比，變速點(diǎn)向高速側(cè)偏移，變速箱換擋時(shí)機(jī)延遲。

3)上緩坡規(guī)則，即自動(dòng)控制換擋時(shí)，須優(yōu)先考慮上緩坡所需的動(dòng)力。

4)上陡坡規(guī)則，即自動(dòng)控制換擋時(shí)，須優(yōu)先考慮上陡坡所需的動(dòng)力。

5)下坡規(guī)則，此規(guī)則須比平路換擋時(shí)滯后，以利于發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。

其換擋模式有2種:

1)正常模式，即在未按任何模式鍵的情況下電控單元自動(dòng)進(jìn)入此模式控制換擋。在該模式下，電控單元根據(jù)駕駛員的駕駛風(fēng)格、載荷、路面等情況，按照換擋規(guī)則進(jìn)行換擋控制。

2)運(yùn)動(dòng)模式，即按下“S”鍵后，電控單元便進(jìn)入該模式進(jìn)行換擋控制。在該模式下，電控單元優(yōu)先選擇并執(zhí)行換擋規(guī)則第2條，再按“S”鍵后則停止執(zhí)行此換擋規(guī)則。

本文論述的電控液力自動(dòng)變速器有6種換擋模式 (P、R、N、D、S、L)、一個(gè)Hold模式、4個(gè)前進(jìn)擋，換擋模式、Hold模式、擋位與換擋電磁閥關(guān)系見表1。

表1 電磁閥工作狀態(tài)與擋位

2.2 輸入和輸出信息

電控液力自動(dòng)變速器ECU接收發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器上各種傳感器的輸入信號(hào)，根據(jù)制定的各種車速和負(fù)荷條件下最佳擋位的數(shù)據(jù)即換擋規(guī)律，輸出換擋信號(hào)，更換理想擋位。輸入輸出信息匯總見表2。

表2 輸入輸出信息

駕駛員通過加速踏板表達(dá)對車速變化的意圖和通過換擋桿選擇要求的運(yùn)行狀態(tài)后，變速器自行完成擋位切換。駕駛員可以選擇優(yōu)化控制程序，得到“動(dòng)力”或“保持”2種擋位模式?！皠?dòng)力”模式使每次升擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，提供更大的扭矩。“保持”模式使變速器ECU保持在已選擋的位置，在山區(qū)和比較差的路面行駛時(shí)很有用，以防止頻繁換擋。

3 電控系統(tǒng)UML模型的建立

3.1 用例建模

3.1.1 用例建模的主要目的

通過用例建模來分析變速器電控系統(tǒng)的功能性需求，表達(dá)駕駛員 (執(zhí)行者actor)與變速箱電控系統(tǒng)之間的信息交互，為后續(xù)的系統(tǒng)建模提供綱領(lǐng)性指導(dǎo)，并用來檢驗(yàn)最終模型是否完成預(yù)期要求.變速器電控系統(tǒng)用例建模主要包含以下幾點(diǎn):

1)需求分析，即駕駛員在與變速箱電控系統(tǒng)交互過程中，駕駛員需要完成哪些操作，變速箱電控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)哪些功能，并將需求細(xì)化.

2)建立從功能需求到系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)等各階段的度量標(biāo)準(zhǔn)，即以需求分析為依據(jù)，來完成后續(xù)各個(gè)階段的建模.

3)為最終的變速箱電控系統(tǒng)模型測試提供基準(zhǔn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到功能要求.

3.1.2 用例建模的步驟

用例建模是要建立起變速器電控系統(tǒng)的用例圖(Use Case Diagram，UCD)，包括執(zhí)行者、用例、系統(tǒng)，步驟如下:

1)確定系統(tǒng)的范圍和邊界.

明確什么在系統(tǒng)內(nèi)，什么在系統(tǒng)外，例如:駕駛員在變速箱電控系統(tǒng)外，控制單元 (ECU)在系統(tǒng)內(nèi).

2)確定電控系統(tǒng)的執(zhí)行者.

執(zhí)行者 (Actor)是指在系統(tǒng)外并與系統(tǒng)交互的人或其它系統(tǒng)，例如駕駛員.

3)確定電控系統(tǒng)的用例.

用例 (Use Case)用來描述電控系統(tǒng)所提供的功能.

4)確定用例之間的關(guān)系.

用例之間有以下4種關(guān)系:擴(kuò)展關(guān)系，使用關(guān)系，繼承關(guān)系，包含關(guān)系.

3.1.3 建立系統(tǒng)的需求模型

在Rhapsody軟件中建立系統(tǒng)的需求模型.見圖2、圖3.

圖2中P、L、S、N、D的意義同第2章.圖3中D1代表D擋“經(jīng)濟(jì)規(guī)則”下的一擋，S1代表S擋“運(yùn)動(dòng)規(guī)則”下的一擋，L1代表L擋“經(jīng)濟(jì)規(guī)則”下的一擋.

圖2 電控系統(tǒng)一級(jí)用例圖

圖3 電控系統(tǒng)二級(jí)用例圖

3.2 靜態(tài)建模

在靜態(tài)建模階段，首先分析并提煉出變速箱電控系統(tǒng)中的類 (Class)和對象 (Object)，其次用內(nèi)嵌包圖 (Package Diagram)的對象圖 (Object Model Diagram)建立系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，最后再逐步細(xì)化以確定類與類之間的關(guān)系，并用類圖(Class Diagram)描述電控系統(tǒng)的算法，最終建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型.靜態(tài)建模主要是對電控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)建模，以建立系統(tǒng)的類圖和對象圖，等等.

用Rhapsody建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型，類圖及對象圖，見圖4、圖5.

圖4 電控系統(tǒng)對象圖

圖5 電控系統(tǒng)類圖

3.3 動(dòng)態(tài)建模

動(dòng)態(tài)模型主要描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和控制結(jié)構(gòu).

動(dòng)態(tài)行為包括系統(tǒng)中對象生存期內(nèi)可能的狀態(tài)、事件 (Event)發(fā)生時(shí)狀態(tài)的遷移、對象之間的動(dòng)態(tài)交互.控制結(jié)構(gòu)指用動(dòng)態(tài)圖來描述系統(tǒng)的控制算法.UML動(dòng)態(tài)模型主要包括狀態(tài)圖(Statechart)、活動(dòng)圖 (Activitychart)、順序圖(Sequence Diagram)、合作圖 (Collaboration Diagram)等4種圖.

用Rhapsody建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，狀態(tài)圖、順序圖，見圖6、圖7.

圖6 電控系統(tǒng)1擋順序圖

圖7 電控系統(tǒng)狀態(tài)圖

3.4 模型測試

在完成電控液力自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)數(shù)字化模型設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行系統(tǒng)仿真測試，測試方式有3種:

1)利用GMR(G代碼生成、M表示編譯、R表示運(yùn)行)方式檢測模型的語法語義;

2)基于人機(jī)交互界面的交互式仿真，測試系統(tǒng)行為和功能.在VC軟件模塊上設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，用于模擬系統(tǒng)的各種輸入和輸出;

3)進(jìn)行半物理仿真.

本文只對電控系統(tǒng)進(jìn)行了語法語義的測試，隨后的工作將進(jìn)行第二和第三種測試.

4 結(jié)束語

未來車輛綜合電子信息系統(tǒng)將是一個(gè)信息共享系統(tǒng)，變速器電控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、ABS、ESP、車身電子系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)之間會(huì)實(shí)現(xiàn)信息的共享和交互，需要信息流規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)綜合電子信息系統(tǒng)的合理性和可行性.本文基于IBM Telelogic Rhapsody用UML語言對電控液力自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)進(jìn)行了信息流規(guī)劃、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)、數(shù)字化建模、語法語義檢測，對未來綜合電子信息系統(tǒng)的信息流規(guī)劃設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

[1] 何火軍.基于Rhapsody的飛行控制系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2010.

[2] 許效寧.基于UML的CTCS-2級(jí)列控車載設(shè)備的建模及實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué)，2008.

[3] 文武紅.Rhapsody在柴油機(jī)電子控制上的應(yīng)用研究[D].太原:中北大學(xué)，2005.

[4] SengChong.ModelDriven System Engineering for Vehicle System utilizing Model Driven Architecture approach and Hardware-in-the-Loop Simulation[D].英國:迪蒙福特大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2011.

[5] 王紹銧.汽車電子學(xué) [M].北京:清華大學(xué)出版社，2011.