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动力系统自动化设计技术 ECU控制策略与实现 计算机辅助控制系统设计 快速地建立控制对象及控制器模型 并对整个控制系统进行多次的 离线的及在线的试验来验证控制系统软 硬件方案的可行性 这个过程称为快速控制原型 RCP 已设计完的控制器投入生产后 在投放市场前必须对其进行详细的测试 现在普遍采用的方法就是 在系统测试时 控制器是真实的 其余部分能采用实际的产品就用实际的 不能采用实际的产品 就采用实时数字模型来模拟控制器的外环境 进行整个系统的测试 这个过程称为硬件在环仿真 HILS 计算机辅助控制系统设计 用于发动机电控单元开发的典型产品之一是德国dSPACE公司开发的dSPACE实时仿真系统 26 它是基于MATLAB Simulink RTW的控制系统开发和半实物仿真的软硬件工作平台 它将ECU的开发 编程 测试集成在一个统一的环境下 从而可以加速与简化开发流程 快速实现控制参数的修改 并能与OSEK标准的实时操作系统链接 电控单元的开发流程 汽车控制的解决方案 目标代码生成 硬件在回路仿真 标定 RapidPrototyping 功能设计 通用汽车公司的燃料电池车欧宝的开发流程 目标 在开发过程中使用统一的软硬件平台在办公室作离线仿真在实验室进行原型测试在车上进行标定MATLAB dSPACE被用于ECU开发的所有阶段 当今的开发流程 快速控制原型与硬件在回路仿真 快速控制原型与硬件在回路仿真 功能错误 编程错误 编译器错误 速度 内存问题 实时响应问题 I O软件 软件在回路仿真 原型控制器在回路仿真 硬件在回路仿真 ECU开发商需要的工作 ECU的购买者需要在做实验时应用 结果的精度 当今的开发流程 V循环 功能设计 目标代码生成 Hardware in the Loop Calibration 快速控制原型 基于模型的设计流程 模型被修改 细化 实施 原型代码 嵌入式代码 系统仿真 快速原型 硬件在回路仿真 嵌入式系统 算法 系统设计与分析 数据分析 建模与可视化 行为 数学模型 工程问题 数据I O 代码生成 实施 测试 任务 验证与优化 基于模型的控制系统设计 控制对象模型 xPC dSPACEMicroAutobox TargetLink 在集成的设计环境中开发嵌入式系统 设计流程中使用的工具 dSPACESimulator OSEK MATLAB Simulink是基本环境 工程计算的标准软件基于模型的控制器设计用Simulink对非线性动态系统仿真大量与定义的图块 Stateflow 描述有限状态机 控制逻辑 的交互式工具集成于MATLAB Simulink对事件驱动系统进行仿真 例子 发动机控制 在Simulink中进行功能设计 标准的设计描述文件仿真的基础快速控制原型的基础产品代码生成的基础硬件在回路仿真的基础控制单元开发人员的 可执行技术规范 当今的开发流程 V循环 目标代码生成 Hardware in the Loop 标定 功能设计 Real TimeInterface 实时接口 ControlDesk 实验控制台 硬件管理硬件配置下载 实验控制开始 停止 虚拟仪器可视化的测量变量可视化的模型参数在线调参数据获取 参数编辑 实验管理收集实验数据 典型的开发流程 为控制对象建立理论模型 初步建立控制规律 通过离线仿真测试控制系统的设计 生成模型的实时代码 配置ControlDesk 实验控制台获取数据并监视与改变参数 在模型中加入I O 快速原型的组件系统 用AutoBox配置模块化的dSPACE系统 用于车载实验 用笔记本来控制或PCMCIA自启动系统独立运行可选择浮点处理器的性能 或使用多处理器可扩展的I O板外部信号调理新的PowerPC750处理器板 MicroAutoBox MABX 介绍 与组件系统的区别 自启动选项实时的数据获取与记录功能 可达到13 5MByte 抗震与电磁干扰可与笔记本连接 速率达100MBit s 自动保护功能的ZIFI O连接器 实时的硬件 200MHzPPC 内置的I O与信号调理两种型号DS1401 DS150 x MABX硬件 通用DS1401 DS1501 实时处理器 PowerPC603e 300MHz ZIFPlug InConnector I O接口 用于汽车的标准配置基本的信号调理 无须电源驱动ECU旁路 bypass 接口两种I O板 DS1501与DS1504 PC接口 PCMCIAorISA卡 支持热插拔 I OServedbyMasterPPC DACmoduleADCmoduleECUinterfaceunitInterrupthandlingI OServedbySlaveMicrocontrollers DigitalI O DIO subsystembasedonMotorola68336microcontrollerConfigurabletimermodule CTM Timeprocessorunit TPU 10 bitqueuedADCmodule QADC Differentmodessupported engineorchassiscontrol CANsubsystembasedonSiemensSAB80C167microcontroller 2CANcontrollers 1serialI F MABXHW DS150 xI OBoard I OModules DS1401BaseBoard MicroAutoBox MABXHWGenericDS1401 DS1504 Real TimeProcessor PowerPC603e 200MHz ZIFPlug InConnector AnalogIn24xADC NEW NEW NEW DS1401 DS1504DigitalI OonCo ProcessorstaysNoDAC andECU I FModuleSecondADCModule 8newchannels SecondCANModule withoutUART 快速控制原型 MicroAutoBox 用于发动机或底盘的管理 HIL和RCP并行应用HIL 虚拟发动机和车体 模型开发用了一个月RCP 燃油喷射逻辑 考虑湿壁补偿 的设计在10天之内完成 Toyota 控制原型与硬件在回路 目标代码生成 Hardware in the Loop 标定 快速控制原型 功能设计 当今的开发流程 V循环 无缝连接 TargetLink 原型硬件 产品ECU MATLAB Simulink Stateflow 实时代码生成工具Real TimeWorkshop 传统的方法 问题 无法交流规范模糊资源冲突 很长的循环周期 产品代码 规范 功能开发人员 算法知识 软件专家 实施 代码知识 Time 采用代码生成方法 软件专家 实现的知识 代码知识 ANSI C扩展的语言汇编语言处理器的结构 并且知道怎样根据这些特点来优化 TargetLink 代码生成器 代码知识 功能开发人员 算法知识 效率对比 手工代码 从现有的ECU中得到的 TargetLink生成的Motorola68332定点 整型 C代码 WorkingwithTargetLink TargetLinkblockset ECU 代码 生成 TargetLink的工作流程 前端独立于目标机 后端通用ANSI C 后端指定目标的ANSI C 后端指定目标的C 汇编 代码生成内核 模型分析 关联模块优化 TargetLink代码生成的层次 模型 可执行的规范 可以携带 很容易移植到下一代处理器上 效率检查 处理器在回路 在PC上仿真 S function 评估板 RS232 TargetLink 编译工具或集成环境 遗留的代码 文件输出工具目标目录ModelCfilesandHfiles makefilefragment addedfiles IncludeSystemHfiles LibTargetcodelibraries ToolsASAP2makefile infofile filelist DocHTML文档 TargetLink模型 项目集成 Make ToolorCompilerIDE TargetLink模型 OSEKSystemGenerator TargetLink LegacyCode OILImplementationSection OILApplicationSection 在TargetLink中集成OSEKRTOS 任务配置 优先级 抢占 自动运行 等等 事件 资源 等等任务激活 enabled triggered cyclicenabledortriggered ActivateTask ChainTask WaitEvent 无限循环 etc 外部激活任务间通信 队列消息或非队列消息 缓存 全局变量仿真 主机与目标机仿真 在目标机原有的实时操作系统上仿真 仿真时间与事件 对所有的OSEK实时操作系统进行了测试 TargetLink中支持的OSEK特点 TargetLink模型 TargetLinkASAP2生成器 编译工具 标定系统 ASAP2项目文件 includemodule TargetLinkASAP2File ASAP2文件生成 TargetLink模块 已有的TargetLink优化模块Motorola683xxwiththeMicroteccompilerMotorolaMPC555withtheDiab SDSandGreenHillscompilerInfineonC16xwiththeTaskingcompilerInfineonTriCorewiththeTaskingcompilerMotorolaHC12withtheCosmiccompiler 已有的TargetLink仿真模块Motorola683xxwiththeMicroteccompilerandwiththeDiab SDScompilerMotorolaHC12withtheCosmiccompilerMotorolaMPC555withtheDiab SDScompilerInfineonC16xwiththeTaskingcompilerInfineonTriCorewiththeTaskingcompilerTexasInstrumentsTMS470withtheTIcompiler NEW NEW 控制器 实时操作系统的选择 控制器芯片的选择MotorolaMPC555 32位40MHz 26kBytesStaticRAM448kBytesFlash ROM Motorola68376 32bit24MHz 8kBytesStaticRAM256kBytesFlash ROM SiemensTriCore 32bit OSEK实时操作系统WindriverOsekWorksVectorOsek 戴姆勒克莱斯勒 用TargetLink进行混合动力车开发 客车 卡车混合动力系统新型的混合动力系统使用TargetLink生成控制策略代码 InfineonC167 3个月完成项目 IKA 使用TargetLink进行欧盟项目 研究新的并连混合动力概念样车用MATLAB Simulink进行仿真与原型开发使用TargetLink生成控制策略代码 TargetLink 代码上路 NissanSentraCA 第一台零排放车辆 符合加州零排放车辆的规定 TargetLink用于新的空气 燃油混合控制器项目只用了3个月的时间就完成了项目 当今的开发流程 V循环 目标代码生成 硬件在回路仿真 标定 RapidPrototyping 功能设计 什么是硬件在回路仿真 离线仿真 整个系统都是软件模型不需要保证实时性 硬件在回路仿真 一些部件是硬件要保证实时闭环 可编程的信号发生器 数据记录 激励信号 响应 开环仿真 仅仅验证激励信号与响应的关系开环 开发的任务 实时硬件 电控单元 硬件在回路仿真的要素 实际的ECU 仿真器的输出 仿真器的输入 实际的硬件输出 实际的硬件输入 仿真模型与适当的处理器硬件 例题 ECU 实际的ECU与虚拟的发动机 进行软件测试 功能 诊断 发动机模型 车辆模型 ECU 例题 ECU网络 19 10 99 几个ECU连网每个实现不同的功能来源于不同的厂商 ECU网络 CAN消息的发送与接受正确吗 如果有噪音将会怎样 对整个系统的功能的影响会怎样 总线仿真 对不在回路的ECU进行CAN消息的仿真把仿真生成的消息与其它的消息建立参数化的联系 用于生成CAN消息的工具 硬件在回路仿真 虚拟车辆 硬件在回路仿真的层次 设计 快速原型 软件开发 单元测试 系统测试 集成于发布 测试 标定 单元测试开发商测试新的功能ECU原型系统测试ECU原型集成并对技术环节进行测试车辆部件如发动机或传动系集成 产品发布测试ECUs产品集成于虚拟车辆网络功能测试系统是否满足所有功能测试电子系统是否可以发布并批量生产 仿真模型 基本结构技术要求例题介绍 发动机模型en DYNA 4 8缸V型发动机发动机均值模型 MVEM 共轨或单缸喷射 4lambda传感器 可变的凸轮轴与可变的进气室可扩展的功能 熄火诊断的扭矩波动 OBDII 节气门 点火提前角 点火时间 发动机速度 曲轴转角 发动机扭矩 空燃比 空气质量流量 lambda MVEM TESISen DYNA发动机实时模型 enDYNA发动机部件库 enDYNA基于Simulink ve DYNA车辆动力学实时模型 非线性参数化的车辆模型弹性动力学架构模型39自由度tiremodel drivermodel roadmodel MATLABGUIsforvehicleconfiguration maneuverandroadselection dSPACESimulator实时仿真机简介 Systemsetup 用于软件功能测试 实际的功能测试 例如I O功能在开环或闭环环境下仿真与生成真实的传感器信号 HIL的处理器性能 DS1005PPCBoard HIL仿真的基本组件NEW PowerPC750 480MHz发动机或车辆动力学模型enDYNA 230 s 3000rpm 包括I O 39个自由度veDYNA 600 s 包括I O dSPACESimulator HIL的I O硬件 仿真基本的发动机功能曲轴与凸轮轴传感器仿真爆震信号生成点火角测量喷射角与时间测量 DS2210 硬件在回路I O板 传感器 执行器接口16模拟输入12模拟输出16数字输入16数字输出阻抗仿真 6通道 PWM生成与测量 通讯接口串口2CAN总线控制器 用于汽车的硬件在回路仿真单板用于6缸发动机 两块板用于12缸 含有信号调理可以与dSPACE其它I O板组合综合的RTI图块库 dSPACESimulator典型方案 dSPACESimulator发动机为开发商提供的交钥匙工程用于6缸发动机 dSPACESimulator典型方案 dSPACESimulator车辆动力学交钥匙工程实时动画显示 MotionDesk Simulink模型发动机车辆动力学液压刹车系统 Audi 发动机HIL仿真 交互式 自动化测试发动机ECU6 缸V型发动机带有完备的OBDII功能的新型ECU只能在闭环状态下运行 诊断功能 模拟计算生成 曲轴信号 爆震信号 CAN信息每当供应商修改ECU时 须对软 硬件进行测试和考核测试ECU车载诊断 OBDII 能力所有ECU运行模式的操作测试可以在一个晚上自动完成 发动机模型 模型参数 项目实施 模型集成 硬件 信号调理 模型参数 当今的开发流程 V循环 目标代码生成 硬件在回路仿真 标定 RapidPrototyping 功能设计 基于模型的标定工具箱 帮助制定实验计划模型拟合 基于模型的标定工具箱 标定MAP与优化参数表交互式的图表编辑功能 标定工具的硬件 使标定工程师可以简捷地操作多种配置通过内存仿真器或NEXUS NBD CCP对