7自动化设计技术

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图标定各工作模式下的工作模式选定、标定实验测试数据库设计通讯接口设计测试监控平台设计、实验测试在环仿真控制对象仿真硬件研制）、硬件在环仿真（控制功能代码编制实时操作系统软件设计控制器系统设计—驱动电路—输出信号处理电路传感器选型输入接口电路设计硬件设计设计制造、控制器原理仿真控制对象仿真硬件研制控制器仿真硬件研制）设计（并行方式快速控制原型离线仿真、控制仿真控制策略确定控制对象建模、建模及控制原理设计MAP654321HILSECURCP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软件在回路•控制器与控制对象的功能仿真EVM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-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xPC，dSPACEMicroAutoboxTargetLinkSimulink,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dSPACESimulatorOSEKMATLAB/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+DS150xMABX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I/OServedbyMasterPPC:•DACmodule•ADCmodule•ECUinterfaceunit•InterrupthandlingI/OServedbySlaveMicrocontrollers:•DigitalI/O(DIO)subsystembasedonMotorola68336microcontrollerConfigurabletimermodule(CTM)Timeprocessorunit(TPU)10-bitqueuedADCmodule(QADC)Differentmodessupported(engineorchassiscontrol)•CANsubsystembasedonSiemensSAB80C167microcontroller(2CANcontrollers,1serialI/F)DS1501I/OBoardCANSubsystemDigitalI/OSubsystemMABXHW-DS150xI/OBoard:I/OModulesDPMEMECUInterfaceUnitADCUnitDACUnitCC,PWMPPM/FPW2DEC,F2D,PW2D,PWMSlaveDIOMC68336CANControllerCANControllerBitI/OUnitADCUnitSerialInterfaceSlaveCANMCDPMEMI/OConnectorHostInterfaceDS1401BaseBoardTimer(Upcounter)InterruptControlMasterPPCDecrementer,TimebaseFlashMemoryGlobalMemoryLocalMemory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循环无缝连接TargetLink原型硬件产品ECUMATLAB/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#includemath.hif(a0)ki=0.4*x+z1;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0%50%100%150%1234timecodeFcn1Fcn2Fcn3Fcn4WorkingwithTargetLinkSimulink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EVM代码验证•检测执行时间•测试堆栈大小•测试RAM/ROM•最终验证TargetLinkblockset/*pictrl*/#definedstypes.h#defineG1(Int32)0xvoidpictrl(UInt16r{Int16e,S2,G_1,x1,UInt8i;e=(Int16)(refG_1=(Int16)(((ax1=(e4)+x1;G_2=(Int16)(((a*u=G2+G1;}C-CodeECU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executiontime通用的ANSI-CANSI-C,对SH2优化后使用汇编对SH2优化系统堆栈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/*pictrl*/#definedstypes.h#defineG1(Int32)0xvoidpictrl(UInt16r{Int16e,S2,G_1,x1,UInt8i;e=(Int16)(refG_1=(Int16)(((ax1=(e4)+x1;G_2=(Int16)(((a*u=G2