7自动化设计技术

1、动力系统自动化设计技术ECU控制策略与实现1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屡次的、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，其余局部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）。2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

2、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。 3电控单元的开发流程 4汽车控制的解决方案目标代码生成硬件在回路仿真标定Rapid Prototyping快速控制原型功能设计5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6快速控制原型与硬件在回

3、路仿真软件在回路 控制器与控制对象的功能仿真原型控制器在回路 真实的原型控制器 虚拟仿真控制对象硬件在回路真实的ECU虚拟仿真控制对象7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的购置者需要在做实验时应用结果的精度8当今的开发流程- V循环功能设计目标代码生成Hardware-in-the-LoopCalibration快速控制原型MATLAB/Simulink/Stateflow/RTW建模与仿真的平台，首先用于离线仿真把框图作为可执行的技术规范9基于模型的设计流程模型

4、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模型对象与环境模型/算法模型设计与设计的方法KNOW-HOW10模型控制器模型数据分析, 建模与可视化控制系统设计与分析测量的数据用户模型环境模型嵌入式系统文档报告生成快速控制原型硬件在回路仿真代码生成验证与优化可执行的技术规范使用者厂商 客户仿真基于模型的控制系统设计控制对象模型测试向量测试11xPC ，dSPACE MicroAutobox TargetLink Simulink, StateflowMATLAB Con

5、trol Toolboxes在集成的设计环境中开发嵌入式系统嵌入式代码仿真控制系统设计与分析工程问题行为模型数据分析, 建模与可视化测量数据快速原型RTW嵌入式系统硬件在回路仿真代码生成设计流程中使用的工具dSPACE SimulatorOSEK12MATLAB / Simulink是根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13Stateflow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14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

6、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“可执行技术标准15当今的开发流程- V循环快速控制原型目标代码生成Hardware-in-the-Loop标定功能设计dSPACE 原型实验室与车载测试的可靠方案通过自动代码生成工具可以在几分钟内把框图变成实时的实验多种规格的硬件适用于不同的计算能力与I/O要求16生成 I/O代码激活编译/连接器下载应用程序实时硬件Real-Time Interface/实时接口Real-Time Interface/实时接口自动生成实时接口程序:- 代码生成加入实时操作系统下载应用程序生成数据表用于监视数据与参数调节17Cont

7、rolDesk/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 18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/O19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 PowerPC 750 处理器板2

8、0MicroAutoBox (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 (可到达 13.5 MByte)抗震与电磁干扰可与笔记本连接 (速率达100 MBit/s)自动保护功能的 ZIF I/O连接器实时的硬件 (200 MHz PPC), 内置的I/O与信号调理 两种型号 DS1401 + DS150 x21MABX 硬件 通用 DS1401/DS1501Local RAM2 MByteSyncSRAM实时处理器PowerPC603e300 MHzCommunicationCo-Processor2 x CAN, 2 x UARTDigital I/OCo-Proc

9、essorMC68336Analog I/O16 x ADC, 8 x DACBypass Interface64 kByte DPRAM数据记录内存16 MByte FlashClock, Calendar,Watchdog 汽车 电源6 - 40V PC Interface2 MByte/secZIF Plug-In ConnectorI/O接口:用于汽车的标准配置根本的信号调理,无须电源驱动 ECU 旁路（bypass）接口两种 I/O 板 (DS1501 与 DS1504) PC接口:PCMCIA or ISA 卡, 支持热插拔22I/O Served by Master PPC:DA

10、C moduleADC moduleECU interface unitInterrupt handlingI/O Served by Slave Microcontrollers:Digital I/O (DIO) subsystem based on Motorola 68336 microcontrollerConfigurable timer module (CTM)Time processor unit (TPU)10-bit queued ADC module (QADC)Different modes supported (engine or chassis control)CA

11、N subsystem based on Siemens SAB 80C167 microcontroller (2 CAN controllers, 1 serial I/F)DS1501 I/O BoardCANSubsystemDigital I/OSubsystemMABX HW - DS150 x I/O Board: I/O ModulesDPMEMECU InterfaceUnitADC UnitDAC UnitCC, PWMPPM/FPW2DEC, F2D, PW2D, PWMSlaveDIO MC68336CANControllerCANControllerBitI/O Un

12、itADC UnitSerial InterfaceSlaveCAN MCDPMEMI/O ConnectorHost InterfaceDS1401 Base BoardTimer(Upcounter)Interrupt ControlMasterPPCDecrementer, TimebaseFlash MemoryGlobal MemoryLocal Memory23MicroAutoBox - MABX HW Generic DS1401/DS1504Local RAM2MByteSyncSRAMReal-Time ProcessorPowerPC603e200 MHzCommunic

13、ationCo-Processor2 x CAN, 2 x UARTDigital I/OCo-ProcessorMC68336Bypass Interface64 kByte DPRAMFlight Recorder16MByte FlashClock, Calendar,Watchdog AutomotivePower Supply6 - 40VPC Interface2MByte/secZIF Plug-In ConnectorAnalog In24 x ADCCommunicationCo-Processor2 x CANNEWNEWNEW: DS1401/DS1504Digital

14、I/O on Co-Processor staysNo DAC - and ECU-I/F ModuleSecond ADC Module (8 new channels) Second CAN Module (without UART)24快速控制原型 （MicroAutoBox） 用于发动机或底盘的管理25HIL 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天之内完成原型ECU发动机模型:发动机速度压力燃油喷射传动模型车体模型曲柄脉冲传感器信号喷射脉冲虚拟发动机和车辆节气阀Toyota：控制原型与硬件在回路26目标

15、代码生成Hardware-in-the-Loop标定快速控制原型功能设计TargetLink从MATLAB/Simulink/Stateflow生成定点代码可靠性、效率、可读性能与手工代码媲美对于不同的控制器与编译器可选择不同的优化方法自动定标 （scaling） 当今的开发流程- V循环27无缝连接TargetLink原型硬件产品ECUMATLAB / Simulink / Stateflow实时代码生成工具 Real-Time Workshop28传统的方法问题:无法交流标准模糊资源冲突 很长的循环周期!产品代码标准功能开发人员 算法知识#include if (a 0) ki = 0.4

16、*x+z1;软件专家 实施+ 代码知识Time29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30效率比照手工代码(从现有的ECU中得到的)TargetLink 生成的Motorola 68332定点 (整型) C代码Fcn1Fcn2Fcn3Fcn431Working with TargetLink Simulink 标准模块blockset 自动替换主机浮点仿真算法设计行为验证定标 (自动或手动)溢出指示参考轨迹主机定点仿真定点效果量化误差饱和与

17、溢出实现选项目标机定点仿真代码验证检测执行时间测试堆栈大小测试 RAM / ROM最终验证TargetLinkblocksetECU代码 生成TargetLink 的工作流程32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 (= 可执行的标准) 可以携带! 很容易移植到下一代处理器上execution time通用的 ANSI-CANSI-C, 对 SH2优化后使用汇编对 SH2优化33系统堆栈user stack执行时间效率检查: 处理器在回路在 PC上仿真S-fu

18、nction评估板RS 23234TargetLinkFiles编译工具或集成环境输入到C:ECUTorque_Control_Include_Lib_Tools_Doc生成文件输出到Files遗留的代码文件输出工具目标目录Model C files and H files, make , added files_IncludeSystem H files _LibTarget code libraries_ToolsASAP2 make file, info file, _DocHTML 文档TargetLink模型工程集成35Make-Tool or Compiler IDETASK co

19、ntroller PRIORITY = 2; RESOURCE = res1; .TargetLink 模型OSEK System GeneratorTargetLink OIL FilesCode Files生成TASK controller(void) GetResources(res1); controller(); .Code Files*.c*.c*.cLegacyCodeOILImplementationSectionOIL Application Sectiongenerates输入到输入到*.oilreads out在 TargetLink中集成 OSEK RTOS36任务配置

20、- 优先级,抢占, 自动运行,等等 - 事件,资源,等等 任务激活- enabled, triggered, cyclic enabled or triggered, - 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37TargetLink 模型 TargetLink ASAP2 生成器 /begin MODULE

21、 /begin CHARACTERISTIC . /begin MEASUREMENT . /begin RECORD_LAYOUT .代码文件编译工具ASAP2模板标定系统生成生成输入到输入到ASAP2 工程文件/include module外部的ASAP2 文件*.a2lTargetLink ASAP2 File*.c*.a2l*.a2lASAP2 文件生成38TargetLink 模块已有的 TargetLink 优化模块Motorola 683xx with the Microtec compilerMotorola MPC555 with the Diab-SDS and Green

22、 Hills compilerInfineon C16x with the Tasking compilerInfineon TriCore with the Tasking compilerMotorola HC12 with the Cosmic compiler已有的 TargetLink 仿真模块Motorola 683xx with the Microtec compiler and with the Diab-SDS compilerMotorola HC12 with the Cosmic compiler Motorola MPC555 with the Diab-SDS co

23、mpilerInfineon C16x with the Tasking compilerInfineon TriCore with the Tasking compilerTexas Instruments TMS470 with the TI compiler NEWNEW39控制器/实时操作系统的选择控制器芯片的选择Motorola MPC 555 (32 位 40 MHz)26 kBytes Static RAM448 kBytes Flash (ROM)Motorola 68376 (32 bit 24 MHz)8 kBytes Static RAM256 kBytes Flash

24、(ROM)Siemens TriCore (32 bit)OSEK实时操作系统Windriver OsekWorksVector Osek40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 （Infineon C167） 3个月完成工程41IKA: 使用TargetLink进行欧盟工程 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42TargetLink-代码上路Nissan Sentra CA: 第一台零排放车辆

25、(符合加州零排放车辆的规定 )TargetLink 用于新的空气/燃油混合控制器工程只用了3个月的时间就完成了工程43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Rapid Prototyping快速控制原型功能设计44什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鼓励信号响应开环仿真: 仅仅验证鼓励信号与响应的关系开环()实时硬件实时仿真器ECU45开发的任务实时硬件仿真模型I/OI/O传感器执行器信号调理故障仿真负载仿真电控单元软件控制诊断与标定.模型开发实时 I/O信号采集实验定义4

26、6硬件在回路仿真的要素?实际的 ECU仿真过程处理用户与自动测试程序界面输出处理输入处理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47例题: ECU 实际的 ECU 与虚拟的发动机进行软件测试 (功能 + 诊断)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充气量空气质量流量Lambda发动机模型车辆模型车辆速度ECU48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Mercedes S Class点火开关CAN B / CAN C Gateway发动机 ECU传动车辆动力学.门安全系统空调.CAN C 500

27、 kBdCAN B 83 kBdECU #1ECU #10ECU #1ECU # 24声音 / 视频 /通信诊断 (K-line)49ECU 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50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

28、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51仿真模型根本结构技术要求例题介绍52发动机模型 en-DYNA4-8 缸 V 型发动机发动机均值模型 (MVEM)- 共轨或单缸喷射- 4 lambda 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 (OBD II)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lambdaMVEMsimplevehiclemodel车辆速度TESIS53TESIS en-DYNA 发动机实时模型54enDYNA 发动机部件库endynaDYNAwareTESIS55enDYNA 基

29、于SimulinkendynaDYNAwareTESIS56ve-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tire model, driver model, road model, .MATLAB GUIs for vehicle configuration, maneuver and road selectionTESIS57dSPACE Simulator 实时仿真机简介System setup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58 HIL的处理器性能: DS1005 PPC Board

30、HIL 仿真的根本组件NEW: PowerPC 750, 480 MHz发动机或车辆动力学模型 enDYNA: 230 s (3000 rpm, 包括 I/O) 39个自由度veDYNA: 600 s (包括 I/O)可插入光纤连接器Gigalink modules59dSPACE Simulator: HIL的 I/O 硬件仿真根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2 CAN 总线控制器用于汽

31、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60dSPACE Simulator 典型方案dSPACE Simulator 发动机为开发商提供的交钥匙工程用于6缸发动机TESISendyna Simulink 模型 发动机 增压机 共轨 直喷61dSPACE Simulator 典型方案dSPACE Simulator 车辆动力学交钥匙工程实时动画显示(Motion Desk)TESIS Simulink 模型 发动机 车辆动力学 液压刹车系统62Audi：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 OBD II 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、