动力系统自动化设计技术概论

02四月2024动力系统自动化设计技术概论01四月2024动力系统自动化设计技术概论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快速地建立控制对象及控制器模型，并对整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。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3电控单元的开发流程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RapidPrototyping快速控制原型功能设计汽车控制的解决方案目标代码生成硬件在回路仿真标定Rapid5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6快速控制原型与硬件在回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虚拟仿真控制对象快速控制原型与硬件在回路仿真软件在回路原型控制器在回路硬件在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的购买者需要在做实验时应用结果的精度

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／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当今的开发流程-V循环功能设计目标代码生成Hardware9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模型对象与环境模型/算法模型设计与设计的方法KNOW-HOW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10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模型控制器模型数据分析,控制系统测量的数据用户模型环境模型11xPC，dSPACEMicroAutobox

TargetLink

Simulink,StateflowMATLABControlToolboxes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dSPACESimulatorOSEKxPC，dSPACEMicroAutoboxSim12MATLAB/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MATLAB/Simulink是基本环境工程计算的标准软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Stateflow描述有限状态机（控制逻辑）的交互式工具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”例子:发动机控制–在Simulink中进行功能设计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要求当今的开发流程-V循环快速控制原型目标代码生成Hardwa16生成I/O代码激活编译/连接器下载应用程序实时硬件Real-TimeInterface/实时接口Real-TimeInterface/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生成I/O代码激活编译/连接器下载应用程序实时硬件Real17ControlDesk/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ControlDesk/实验控制台硬件管理实验控制虚拟仪器参18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/O典型的开发流程为控制对象初步建立通过离线仿真生成模型的配置19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处理器板快速原型的组件系统用AutoBox配置模块化的dSPACE20MicroAutoBox(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+DS150xMicroAutoBox(MABX)介绍与组件系统的区别:21MABX硬件–通用DS1401/DS1501LocalRAM2MByteSyncSRAM实时处理器PowerPC603e300MHzCommunicationCo-Processor2xCAN,2xUARTDigitalI/OCo-ProcessorMC68336AnalogI/O16xADC,8xDACBypassInterface64kByteDPRAM数据记录内存16MByteFlashClock,Calendar,Watchdog汽车电源6-40VPCInterface2MByte/secZIFPlug-InConnectorI/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MABX硬件–通用DS1401/DS1501Loca22I/OServedbyMasterPPC:DACmoduleADCmoduleECUinterfaceunitInterrupthandlingI/OServedbySlaveMicrocontrollers:DigitalI/O(DIO)subsystembasedonMotorola68336microcontrollerConfigurabletimermodule(CTM)Timeprocessorunit(TPU)10-bitqueuedADCmodule(QADC)Differentmodessupported(engineorchassiscontrol)CANsubsystembasedonSiemensSAB80C167microcontroller

(2CANcontrollers,1serialI/F)DS1501I/OBoardCANSubsystemDigitalI/OSubsystemMABXHW-DS150xI/OBoard:I/OModulesDPMEMECUInterfaceUnitADCUnitDACUnitCC,PWM

PPM/FPW2DEC,F2D,

PW2D,PWMSlaveDIO

MC68336CAN

ControllerCAN

ControllerBitI/OUnitADCUnitSerial

InterfaceSlaveCANMCDPMEMI/OConnectorHostInterfaceDS1401BaseBoardTimer

(Upcounter)Interrupt

ControlMasterPPCDecrementer,

TimebaseFlash

MemoryGlobal

MemoryLocal

MemoryI/OServedbyMasterPPC:DS15023MicroAutoBox-MABXHWGenericDS1401/DS1504LocalRAM2MByteSyncSRAMReal-TimeProcessorPowerPC603e200MHzCommunicationCo-Processor2xCAN,2xUARTDigitalI/OCo-ProcessorMC68336BypassInterface64kByteDPRAMFlightRecorder16MByteFlashClock,Calendar,WatchdogAutomotivePowerSupply6-40VPCInterface2MByte/secZIFPlug-InConnectorAnalogIn24xADCCommunicationCo-Processor2xCANNEWNEWNEW:

DS1401/DS1504DigitalI/OonCo-ProcessorstaysNoDAC-andECU-I/FModuleSecondADCModule(8newchannels)SecondCANModule(withoutUART)MicroAutoBox-MABXHWGeneric24快速控制原型（MicroAutoBox）用于发动机或底盘的管理快速控制原型（MicroAutoBox）用于发动机或底盘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HIL和RCP并行应用原型发动机模型:传动车体曲柄脉冲26目标代码生成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循环目标代码生成Hardware-in-the-Loop标定快速27无缝连接TargetLink原型硬件产品ECUMATLAB/Simulink/Stateflow实时代码生成工具

Real-TimeWorkshop无缝连接TargetLink原型硬件产品ECUMATLAB28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#include<math.h>if(a>0)ki=0.4*x+z1;软件专家

实施

+代码知识Time传统的方法问题:产品代码规范功能开发人员#include<29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

算法知识采用代码生成方法软件专家代码知识:TargetLink代码生30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Fcn1Fcn2Fcn3Fcn4效率对比手工代码TargetLink生成的Motorola31WorkingwithTargetLink

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WorkingwithTargetLinkSimuli32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executiontime通用的ANSI-CANSI-C,对SH2优化后使用汇编对SH2优化前端后端

通用

ANSI-C

后端

指定目标的ANSI-C33系统堆栈userstack执行时间效率检查:处理器在回路在PC上仿真S-function评估板RS232系统堆栈userstack执行时间效率检查:处理器在回路34TargetLinkFiles编译工具或集成环境输入到C:\ECU\Torque_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

ModelCfilesandHfiles,makefilefragment,addedfiles_Include

SystemHfiles_Lib

Targetcodelibraries_Tools

ASAP2makefile,infofile,filelist_Doc

HTML文档TargetLink

模型项目集成TargetLinkFiles编译工具或集成环境输入到C:\35Make-ToolorCompilerIDETASKcontroller{PRIORITY=2;RESOURCE={res1};...}TargetLink模型OSEKSystem

GeneratorTargetLinkOILFilesCodeFiles生成TASKcontroller(void){GetResources(res1);controller();...}CodeFiles*.c*.c*.cLegacy

CodeOIL

Implementation

SectionOILApplicationSectiongenerates输入到输入到*.oilreadsout在TargetLink中集成OSEKRTOSMake-ToolorCompilerIDETASK36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特点任务配置

-优先级,抢占,自动运行,等等

-事件,资37TargetLink模型TargetLinkASAP2生成器

/beginMODULE/beginCHARACTERISTIC.../beginMEASUREMENT.../beginRECORD_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项目文件/includemodule外部的ASAP2文件*.a2lTargetLinkASAP2File*.c*.a2l*.a2lASAP2文件生成TargetLink模型TargetLink38TargetLink模块已有的TargetLink优化模块Motorola683xxwiththeMicroteccompilerMotorolaMPC555withtheDiab-SDSandGreenHillscompilerInfineonC16xwiththeTaskingcompilerInfineonTriCorewiththeTaskingcompilerMotorolaHC12withtheCosmiccompiler已有的TargetLink仿真模块Motorola683xxwiththeMicroteccompilerandwiththeDiab-SDScompilerMotorolaHC12withtheCosmiccompilerMotorolaMPC555withtheDiab-SDScompilerInfineonC16xwiththeTaskingcompilerInfineonTriCorewiththeTaskingcompilerTexasInstrumentsTMS470withtheTIcompilerNEWNEWTargetLink模块已有的TargetLink仿真39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控制器/实时操作系统的选择控制器芯片的选择OSEK实时操作系40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个月完成项目戴姆勒克莱斯勒:用TargetLink进行混合动力车开发41IKA: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IKA:使用TargetLink进行欧盟项目研究新的并连42TargetLink-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TargetLink-代码上路NissanSentraC43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快速控制原型功能设计当今的开发流程-V循环目标代码生成硬件在回路仿真标定Rap44什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()实时硬件实时仿真器ECU什么是硬件在回路仿真?离线仿真:硬件在回路仿真:可编程的45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46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ECU例题:ECU实际的ECU与虚拟的发动机节气门点火提前48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MercedesSClass点火开关CANB/CANCGateway发动机ECU传动车辆动力学......门安全系统空调......CANC500kBdCANB83kBdECU#1ECU#10ECU#1ECU#24声音/视频/通信诊断(K-line)例题:ECU网络19.10.99几个ECU连网Mer49ECU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ECU网络CAN消息的发送与接受正确吗?对整个系统的功能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51仿真模型基本结构技术要求例题介绍仿真模型基本结构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

-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lambdaMVEMsimple

vehiclemodel车辆速度TESIS发动机模型en-DYNA4-8缸V型发动机节气门点火53TESISen-DYNA发动机实时模型TESISen-DYNA发动机实时模型54enDYNA发动机部件库endynaDYNAwareTESISenDYNA发动机部件库endynaDYNAwareTES55enDYNA基于SimulinkendynaDYNAwareTESISenDYNA基于SimulinkendynaDYNAwar56ve-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,maneuverandroadselectionTESISve-DYNA车辆动力学实时模型非线性参数化的车辆模型T57dSPACESimulator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dSPACESimulator实时仿真机简介System58HIL的处理器性能:DS1005PPCBoardHIL仿真的基本组件NEW:PowerPC750,480MHz发动机或车辆动力学模型

enDYNA:230µs(3000rpm,包括I/O)39个自由度

veDYNA:600µs(包括I/O)可插入光纤连接器GigalinkmodulesHIL的处理器性能:DS1005PPCBoardHI59dSPACESimulator: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:HIL的I/O硬件仿60dSPACESimulator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TESISendyna

Simulink模型

发动机增压机共轨直喷dSPACESimulator典型方案dSPACESi61dSPACESimulator典型方案dSPACESimulator车辆动力学交钥匙工程实时动画显示(MotionDesk)TESIS

Simulink模型

发动机

车辆动力学液压刹车系统dSPACESimulator典型方案dSPACESi62Audi：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