7自動化設計技術

1、動力系統(tǒng)自動化設計技術ECU控制策略與實現(xiàn)1計算機輔助控制系統(tǒng)設計快速地建立控制對象及控制器模型，并對整個控制系統(tǒng)進行屢次的、離線的及在線的試驗來驗證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性，這個過程稱為 快速控制原型（RCP）。已設計完的控制器投入生產(chǎn)后，在投放市場前必須對其進行詳細的測試?，F(xiàn)在普遍采用的方法就是：在系統(tǒng)測試時，控制器是真實的，其余局部能采用實際的產(chǎn)品就用實際的，不能采用實際的產(chǎn)品，就采用實時數(shù)字模型來模擬控制器的外環(huán)境，進行整個系統(tǒng)的測試，這個過程稱為硬件在環(huán)仿真（HILS）。2計算機輔助控制系統(tǒng)設計用于發(fā)動機電控單元開發(fā)的典型產(chǎn)品之一是德國dSPACE公司開發(fā)的dSPACE實時仿真系

2、統(tǒng)26。它是基于MATLAB / Simulink /RTW的控制系統(tǒng)開發(fā)和半實物仿真的軟硬件工作平臺，它將ECU的開發(fā)、編程、測試集成在一個統(tǒng)一的環(huán)境下，從而可以加速與簡化開發(fā)流程，快速實現(xiàn)控制參數(shù)的修改，并能與OSEK標準的實時操作系統(tǒng)鏈接。 3電控單元的開發(fā)流程 4汽車控制的解決方案目標代碼生成硬件在回路仿真標定Rapid Prototyping快速控制原型功能設計5通用汽車公司的燃料電池車歐寶的開發(fā)流程目標:在開發(fā)過程中使用統(tǒng)一的軟硬件平臺 在辦公室作離線仿真在實驗室進行原型測試在車上進行標定MATLAB/dSPACE 被用于 ECU開發(fā)的所有階段當今的開發(fā)流程6快速控制原型與硬件在回

3、路仿真軟件在回路 控制器與控制對象的功能仿真原型控制器在回路 真實的原型控制器 虛擬仿真控制對象硬件在回路真實的ECU虛擬仿真控制對象7快速控制原型與硬件在回路仿真功能錯誤編程錯誤編譯器錯誤速度內存問題實時響應問題I/O 軟件軟件在回路仿真原型控制器在回路仿真硬件在回路仿真ECU開發(fā)商需要的工作ECU的購置者需要在做實驗時應用結果的精度8當今的開發(fā)流程- V循環(huán)功能設計目標代碼生成Hardware-in-the-LoopCalibration快速控制原型MATLAB/Simulink/Stateflow/RTW建模與仿真的平臺，首先用于離線仿真把框圖作為可執(zhí)行的技術規(guī)范9基于模型的設計流程模型

4、被修改, 細化，實施原型代碼嵌入式代碼系統(tǒng)仿真快速原型硬件在回路仿真嵌入式系統(tǒng)算法系統(tǒng)設計與分析數(shù)據(jù)分析, 建模與可視化行為數(shù)學模型工程問題數(shù)據(jù) I/O代碼生成實施測試任務模型對象與環(huán)境模型/算法模型設計與設計的方法KNOW-HOW10模型控制器模型數(shù)據(jù)分析, 建模與可視化控制系統(tǒng)設計與分析測量的數(shù)據(jù)用戶模型環(huán)境模型嵌入式系統(tǒng)文檔報告生成快速控制原型硬件在回路仿真代碼生成驗證與優(yōu)化可執(zhí)行的技術規(guī)范使用者廠商 客戶仿真基于模型的控制系統(tǒng)設計控制對象模型測試向量測試11xPC ，dSPACE MicroAutobox TargetLink Simulink, StateflowMATLAB Con

5、trol Toolboxes在集成的設計環(huán)境中開發(fā)嵌入式系統(tǒng)嵌入式代碼仿真控制系統(tǒng)設計與分析工程問題行為模型數(shù)據(jù)分析, 建模與可視化測量數(shù)據(jù)快速原型RTW嵌入式系統(tǒng)硬件在回路仿真代碼生成設計流程中使用的工具dSPACE SimulatorOSEK12MATLAB / Simulink是根本環(huán)境工程計算的標準軟件基于模型的控制器設計用Simulink對非線性動態(tài)系統(tǒng)仿真大量與定義的圖塊13Stateflow描述有限狀態(tài)機（控制邏輯）的交互式工具集成于 MATLAB/Simulink對事件驅動系統(tǒng)進行仿真14例子: 發(fā)動機控制 在 Simulink中進行功能設計 標準的設計描述文件 仿真的基礎 快

6、速控制原型的基礎 產(chǎn)品代碼生成的基礎 硬件在回路仿真的基礎 控制單元開發(fā)人員的“可執(zhí)行技術標準15當今的開發(fā)流程- V循環(huán)快速控制原型目標代碼生成Hardware-in-the-Loop標定功能設計dSPACE 原型實驗室與車載測試的可靠方案通過自動代碼生成工具可以在幾分鐘內把框圖變成實時的實驗多種規(guī)格的硬件適用于不同的計算能力與I/O要求16生成 I/O代碼激活編譯/連接器下載應用程序實時硬件Real-Time Interface/實時接口Real-Time Interface/實時接口自動生成實時接口程序:- 代碼生成加入實時操作系統(tǒng)下載應用程序生成數(shù)據(jù)表用于監(jiān)視數(shù)據(jù)與參數(shù)調節(jié)17Cont

7、rolDesk/實驗控制臺硬件管理硬件配置下載 實驗控制開始, 停止, .虛擬儀器可視化的測量變量可視化的模型參數(shù)在線調參數(shù)據(jù)獲取 參數(shù)編輯 實驗管理收集實驗數(shù)據(jù) 18典型的開發(fā)流程為控制對象建立理論模型初步建立控制規(guī)律通過離線仿真測試控制系統(tǒng)的設計生成模型的實時代碼配置 ControlDesk/實驗控制臺獲取數(shù)據(jù)并監(jiān)視與改變參數(shù)在模型中加入 I/O19快速原型的組件系統(tǒng)用AutoBox 配置模塊化的dSPACE 系統(tǒng) (用于車載實驗) 用筆記本來控制或 PCMCIA 自啟動系統(tǒng)獨立運行可選擇浮點處理器的性能,或使用多處理器可擴展的 I/O板外部信號調理新的 PowerPC 750 處理器板2

8、0MicroAutoBox (MABX)介紹與組件系統(tǒng)的區(qū)別:自啟動選項實時的數(shù)據(jù)獲取與記錄功能 (可到達 13.5 MByte)抗震與電磁干擾可與筆記本連接 (速率達100 MBit/s)自動保護功能的 ZIF I/O連接器實時的硬件 (200 MHz PPC), 內置的I/O與信號調理 兩種型號 DS1401 + DS150 x21MABX 硬件 通用 DS1401/DS1501Local RAM2 MByteSyncSRAM實時處理器PowerPC603e300 MHzCommunicationCo-Processor2 x CAN, 2 x UARTDigital I/OCo-Proc

9、essorMC68336Analog I/O16 x ADC, 8 x DACBypass Interface64 kByte DPRAM數(shù)據(jù)記錄內存16 MByte FlashClock, Calendar,Watchdog 汽車 電源6 - 40V PC Interface2 MByte/secZIF Plug-In ConnectorI/O接口:用于汽車的標準配置根本的信號調理,無須電源驅動 ECU 旁路（bypass）接口兩種 I/O 板 (DS1501 與 DS1504) PC接口:PCMCIA or ISA 卡, 支持熱插拔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） 用于發(fā)動機或底盤的管理25HIL 和 RCP 并行應用HIL: 虛擬發(fā)動機和車體, 模型開發(fā)用了一個月RCP: 燃油噴射邏輯(考慮濕壁補償) 的設計在10天之內完成原型ECU發(fā)動機模型:發(fā)動機速度壓力燃油噴射傳動模型車體模型曲柄脈沖傳感器信號噴射脈沖虛擬發(fā)動機和車輛節(jié)氣閥Toyota：控制原型與硬件在回路26目標

15、代碼生成Hardware-in-the-Loop標定快速控制原型功能設計TargetLink從MATLAB/Simulink/Stateflow生成定點代碼可靠性、效率、可讀性能與手工代碼媲美對于不同的控制器與編譯器可選擇不同的優(yōu)化方法自動定標 （scaling） 當今的開發(fā)流程- V循環(huán)27無縫連接TargetLink原型硬件產(chǎn)品ECUMATLAB / Simulink / Stateflow實時代碼生成工具 Real-Time Workshop28傳統(tǒng)的方法問題:無法交流標準模糊資源沖突 很長的循環(huán)周期!產(chǎn)品代碼標準功能開發(fā)人員 算法知識#include if (a 0) ki = 0.4

16、*x+z1;軟件專家 實施+ 代碼知識Time29采用代碼生成方法軟件專家 實現(xiàn)的知識代碼知識: ANSI-C 擴展的語言 匯編語言 處理器的結構 并且知道怎樣根據(jù)這些特點來優(yōu)化!TargetLink代碼生成器 代碼知識功能開發(fā)人員 算法知識30效率比照手工代碼(從現(xiàn)有的ECU中得到的)TargetLink 生成的Motorola 68332定點 (整型) C代碼Fcn1Fcn2Fcn3Fcn431Working with TargetLink Simulink 標準模塊blockset 自動替換主機浮點仿真算法設計行為驗證定標 (自動或手動)溢出指示參考軌跡主機定點仿真定點效果量化誤差飽和與

17、溢出實現(xiàn)選項目標機定點仿真代碼驗證檢測執(zhí)行時間測試堆棧大小測試 RAM / ROM最終驗證TargetLinkblocksetECU代碼 生成TargetLink 的工作流程32前端獨立于目標機后端通用ANSI-C后端指定目標的 ANSI-C后端指定目標的 C &匯編代碼生成內核- 模型分析- 關聯(lián)模塊優(yōu)化TargetLink 代碼生成的層次 模型 (= 可執(zhí)行的標準) 可以攜帶! 很容易移植到下一代處理器上execution time通用的 ANSI-CANSI-C, 對 SH2優(yōu)化后使用匯編對 SH2優(yōu)化33系統(tǒng)堆棧user stack執(zhí)行時間效率檢查: 處理器在回路在 PC上仿真S-fu

18、nction評估板RS 23234TargetLinkFiles編譯工具或集成環(huán)境輸入到C:ECUTorque_Control_Include_Lib_Tools_Doc生成文件輸出到Files遺留的代碼文件輸出工具目標目錄Model C files and H files, make , added files_IncludeSystem H files _LibTarget code libraries_ToolsASAP2 make file, info file, _DocHTML 文檔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輸入到輸入到*.oilreads out在 TargetLink中集成 OSEK RTOS36任務配置

20、- 優(yōu)先級,搶占, 自動運行,等等 - 事件,資源,等等 任務激活- enabled, triggered, cyclic enabled or triggered, - ActivateTask, ChainTask, WaitEvent + 無限循環(huán), etc.- 外部激活任務間通信 - 隊列消息或非隊列消息 - 緩存，全局變量仿真 - 主機與目標機仿真- 在目標機原有的實時操作系統(tǒng)上仿真- 仿真時間與事件 對所有的 OSEK實時操作系統(tǒng)進行了測試TargetLink 中支持的 OSEK特點37TargetLink 模型 TargetLink ASAP2 生成器 /begin MODULE

21、 /begin CHARACTERISTIC . /begin MEASUREMENT . /begin RECORD_LAYOUT .代碼文件編譯工具ASAP2模板標定系統(tǒng)生成生成輸入到輸入到ASAP2 工程文件/include module外部的ASAP2 文件*.a2lTargetLink ASAP2 File*.c*.a2l*.a2lASAP2 文件生成38TargetLink 模塊已有的 TargetLink 優(yōu)化模塊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 仿真模塊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/實時操作系統(tǒng)的選擇控制器芯片的選擇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實時操作系統(tǒng)Windriver OsekWorksVector Osek40戴姆勒克萊斯勒: 用TargetLink進行混合動力車開發(fā) 客車卡車混合動力系統(tǒng) 新型的混合動力系統(tǒng) 使用 TargetLink生成控制策略代碼 （Infineon C167） 3個月完成工程41IKA: 使用TargetLink進行歐盟工程 研究新的并連混合動力概念樣車 用 MATLAB/Simulink進行仿真與原型開發(fā) 使用 TargetLink生成控制策略代碼42TargetLink-代碼上路Nissan Sentra CA: 第一臺零排放車輛

25、(符合加州零排放車輛的規(guī)定 )TargetLink 用于新的空氣/燃油混合控制器工程只用了3個月的時間就完成了工程43當今的開發(fā)流程- V循環(huán)目標代碼生成硬件在回路仿真標定Rapid Prototyping快速控制原型功能設計44什么是硬件在回路仿真?離線仿真: 整個系統(tǒng)都是軟件模型不需要保證實時性硬件在回路仿真: 一些部件是硬件要保證實時閉環(huán)可編程的信號發(fā)生器數(shù)據(jù)記錄鼓勵信號響應開環(huán)仿真: 僅僅驗證鼓勵信號與響應的關系開環(huán)()實時硬件實時仿真器ECU45開發(fā)的任務實時硬件仿真模型I/OI/O傳感器執(zhí)行器信號調理故障仿真負載仿真電控單元軟件控制診斷與標定.模型開發(fā)實時 I/O信號采集實驗定義4

26、6硬件在回路仿真的要素?實際的 ECU仿真過程處理用戶與自動測試程序界面輸出處理輸入處理仿真器的輸出仿真器的輸入實際的硬件輸出實際的硬件輸入仿真模型與適當?shù)奶幚砥饔布?7例題: ECU 實際的 ECU 與虛擬的發(fā)動機進行軟件測試 (功能 + 診斷)節(jié)氣門點火提前角點火時間發(fā)動機速度曲軸轉角發(fā)動機扭矩充氣量空氣質量流量Lambda發(fā)動機模型車輛模型車輛速度ECU48例題: ECU 網(wǎng)絡19.10.99幾個 ECU 連網(wǎng)每個實現(xiàn)不同的功能來源于不同的廠商Mercedes S Class點火開關CAN B / CAN C Gateway發(fā)動機 ECU傳動車輛動力學.門安全系統(tǒng)空調.CAN C 500

27、 kBdCAN B 83 kBdECU #1ECU #10ECU #1ECU # 24聲音 / 視頻 /通信診斷 (K-line)49ECU 網(wǎng)絡CAN 消息的發(fā)送與接受正確嗎?如果有噪音將會怎樣?對整個系統(tǒng)的功能的影響會怎樣? “總線仿真對不在回路的ECU進行 CAN消息的仿真 把仿真生成的消息與其它的消息建立參數(shù)化的聯(lián)系 用于生成CAN 消息的工具 硬件在回路仿真 虛擬車輛50硬件在回路仿真的層次設計快速原型軟件開發(fā)單元測試系統(tǒng)測試集成于發(fā)布測試標定單元測試開發(fā)商測試新的功能ECU 原型系統(tǒng)測試ECU 原型集成并對技術環(huán)節(jié)進行測試車輛部件如發(fā)動機或傳動系集成/產(chǎn)品發(fā)布測試ECUs 產(chǎn)品集成

28、于虛擬車輛網(wǎng)絡功能測試系統(tǒng)是否滿足所有功能測試電子系統(tǒng)是否可以發(fā)布并批量生產(chǎn)51仿真模型根本結構技術要求例題介紹52發(fā)動機模型 en-DYNA4-8 缸 V 型發(fā)動機發(fā)動機均值模型 (MVEM)- 共軌或單缸噴射- 4 lambda 傳感器- 可變的凸輪軸與可變的進氣室可擴展的功能: 熄火診斷的扭矩波動 (OBD II)節(jié)氣門點火提前角點火時間發(fā)動機速度曲軸轉角發(fā)動機扭矩空燃比空氣質量流量lambdaMVEMsimplevehiclemodel車輛速度TESIS53TESIS en-DYNA 發(fā)動機實時模型54enDYNA 發(fā)動機部件庫endynaDYNAwareTESIS55enDYNA 基

29、于SimulinkendynaDYNAwareTESIS56ve-DYNA 車輛動力學實時模型非線性參數(shù)化的車輛模型 彈性動力學架構模型39 自由度tire model, driver model, road model, .MATLAB GUIs for vehicle configuration, maneuver and road selectionTESIS57dSPACE Simulator 實時仿真機簡介System setup用于軟件功能測試:實際的功能測試,例如 I/O 功能在開環(huán)或閉環(huán)環(huán)境下仿真與生成真實的傳感器信號58 HIL的處理器性能: DS1005 PPC Board

30、HIL 仿真的根本組件NEW: PowerPC 750, 480 MHz發(fā)動機或車輛動力學模型 enDYNA: 230 s (3000 rpm, 包括 I/O) 39個自由度veDYNA: 600 s (包括 I/O)可插入光纖連接器Gigalink modules59dSPACE Simulator: HIL的 I/O 硬件仿真根本的發(fā)動機功能曲軸與凸輪軸傳感器仿真爆震信號生成點火角測量噴射角與時間測量DS2210: 硬件在回路 I/O 板傳感器/執(zhí)行器接口16 模擬輸入12 模擬輸出16 數(shù)字輸入16 數(shù)字輸出阻抗仿真 (6 通道)PWM 生成與測量通訊接口串口2 CAN 總線控制器用于汽

31、車的硬件在回路仿真單板用于 6缸發(fā)動機, 兩塊板用于 12 缸.含有信號調理可以與 dSPACE 其它I/O板組合綜合的 RTI 圖塊庫60dSPACE Simulator 典型方案dSPACE Simulator 發(fā)動機為開發(fā)商提供的交鑰匙工程用于6缸發(fā)動機TESISendyna Simulink 模型 發(fā)動機 增壓機 共軌 直噴61dSPACE Simulator 典型方案dSPACE Simulator 車輛動力學交鑰匙工程實時動畫顯示(Motion Desk)TESIS Simulink 模型 發(fā)動機 車輛動力學 液壓剎車系統(tǒng)62Audi：發(fā)動機 HIL仿真交互式，自動化測試發(fā)動機 ECU6-缸 V型發(fā)動機帶有完備的 OBD II 功能的新型ECU只能在閉環(huán)狀態(tài)下運行 (診斷功能)模擬計算生成 ：曲軸信號、爆震信號、