汽車(chē)電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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摘要:本文以“汽車(chē)電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)”課程為依托，以現(xiàn)代汽車(chē)電子控制器開(kāi)發(fā)的基本流程為主要內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。介紹了V型控制器開(kāi)發(fā)模式的主要方法和開(kāi)發(fā)步驟;并以電機(jī)調(diào)速控制為對(duì)象設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，明確了主要實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以提升學(xué)生對(duì)控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解。

關(guān)鍵詞:V型開(kāi)發(fā)模式;實(shí)驗(yàn)教學(xué);電機(jī)調(diào)速控制

0引言

嵌入式控制系統(tǒng)在各種工業(yè)產(chǎn)品中，已經(jīng)越來(lái)越普及。一輛現(xiàn)代車(chē)輛的嵌入式控制器數(shù)量一般在20～30個(gè)，而高端車(chē)上已突破150個(gè)，其價(jià)值已經(jīng)占汽車(chē)總成本的30%［1］。隨著汽車(chē)電子控制技術(shù)的日益發(fā)展，控制器開(kāi)發(fā)方法的研究和教育變得越來(lái)越重要。為此，不少院校本科階段都開(kāi)設(shè)了與汽車(chē)控制系統(tǒng)仿真相關(guān)的課程，并以實(shí)踐教學(xué)方式提高學(xué)生對(duì)汽車(chē)電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的理解［2，3］。本文以我校車(chē)輛工程專業(yè)的“控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)”必修課程為依托，以直流電機(jī)調(diào)速控制器設(shè)計(jì)為對(duì)象，講述V型開(kāi)發(fā)流程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1控制器

V型開(kāi)發(fā)模式教學(xué)內(nèi)容很多情況下，要縮短控制器開(kāi)發(fā)時(shí)間，就要求多個(gè)開(kāi)發(fā)任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行，例如并行工程。軟件開(kāi)發(fā)中，并行工程意味著對(duì)一個(gè)軟件功能的分析、說(shuō)明、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和集成之后進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)工作，同時(shí)還進(jìn)行其它的軟件功能開(kāi)發(fā)工作。不僅如此，還要針對(duì)不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?？刂破鱒型開(kāi)發(fā)模式便能適應(yīng)上述需求，使得軟硬件開(kāi)發(fā)能并行進(jìn)行，大大提高了效率［2］?？刂破鱒型開(kāi)發(fā)模式解決了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)的諸多問(wèn)題，已成為汽車(chē)行業(yè)廣泛采用的控制器開(kāi)發(fā)模式。因此，控制器V型開(kāi)發(fā)模式教學(xué)對(duì)于推廣控制器設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域的先進(jìn)方式和方法，培養(yǎng)從事機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工程師，具有越來(lái)越重要的意義。V型開(kāi)發(fā)流程分為如下5個(gè)階段:(1)功能定義與離線仿真。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行定義，包括傳感器和執(zhí)行器信號(hào)接口、控制目標(biāo)和控制精度等，并在數(shù)字仿真軟件中進(jìn)行建模，建立控制器模型和被控對(duì)象模型，并進(jìn)行離線仿真，開(kāi)發(fā)符合系統(tǒng)功能要求的控制器和被控對(duì)象模型;(2)快速控制器原型。移除離線仿真模型的被控對(duì)象模型，接入快速控制器原型，建立實(shí)時(shí)仿真模型。所謂快速控制器原型是一類通用控制器硬件系統(tǒng)，包含豐富的I/O通道、AD/DA通道和相應(yīng)的PWM通道等嵌入式控制器外圍接口電路，并具有類似于嵌入式控制器的CPU工作環(huán)境，能模擬控制器在嵌入式控制器中的運(yùn)行和接口輸入輸出，利用快速控制器原型機(jī)替代最終的目標(biāo)電子控制單元，能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器算法的快速在線驗(yàn)證，并驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟硬件方案的可行性;(3)自動(dòng)代碼生成。自動(dòng)代碼生成是將離線仿真設(shè)計(jì)并通過(guò)快速控制器原型驗(yàn)證過(guò)的圖形化控制器代碼自動(dòng)生成嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)的代碼，這種代碼不需要進(jìn)行手工修改，便可直接通過(guò)編譯器編譯下載到最終的目標(biāo)系統(tǒng);(4)硬件在環(huán)仿真測(cè)試。被控對(duì)象或者系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境部分采用實(shí)際物體，部分采用仿真模型來(lái)模擬，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿真測(cè)試。這種測(cè)試主要利用已經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證過(guò)的控制器軟件算法，針對(duì)電子控制單元的硬件進(jìn)行測(cè)試;(5)系統(tǒng)集成與標(biāo)定。標(biāo)定系統(tǒng)允許用戶對(duì)電子控制單元進(jìn)行所有的標(biāo)定和測(cè)試，可在最便利的情況下及最短的時(shí)間內(nèi)對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行最后的調(diào)整。控制系統(tǒng)V型開(kāi)發(fā)模式的整個(gè)過(guò)程，控制對(duì)象及控制算法并不是教學(xué)的關(guān)鍵，關(guān)鍵在于整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的的完整性，即從V型開(kāi)發(fā)模式的離線仿真到在線標(biāo)定過(guò)程的完整性。只有這樣才能使學(xué)生更加深入領(lǐng)悟V型開(kāi)發(fā)模式的意義［4］。

2實(shí)驗(yàn)對(duì)象及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

控制器開(kāi)發(fā)方法的實(shí)踐性很強(qiáng)，然而由于V型開(kāi)發(fā)模式需要控制系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件、快速原型設(shè)備、自動(dòng)代碼生成工具、硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)等工具的支持，若使用商業(yè)開(kāi)發(fā)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)顯然在資金上會(huì)遇大極大困難［5］。為此，本文設(shè)計(jì)了一套直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于V型開(kāi)發(fā)模式教學(xué)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，以有刷直流伺服電機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，學(xué)生需熟悉并掌握直流電機(jī)的調(diào)速控制，理解直流電機(jī)速度反饋系統(tǒng)，了解直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，學(xué)會(huì)在Matlab/Simulink中建立以及PID控制器的數(shù)學(xué)模型，并會(huì)在該環(huán)境下離線仿真。該實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作，了解并掌握V型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程。尤其了解離線仿真、快速控制器原型、自動(dòng)代碼生成等開(kāi)發(fā)流程。直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)工具箱和帶I/O板卡的PC機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)工具箱如圖2所示，工具箱包含電源模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、目標(biāo)選擇接口模塊、輸入輸出模塊和嵌入式系統(tǒng)模塊。而PC機(jī)上安裝Matlab/Simulink軟件，用于離線仿真;I/O板卡用于電機(jī)控制信號(hào)輸出和速度脈沖信號(hào)采集。PC機(jī)與之構(gòu)成了基于RealtimeWindowsTarget的快速控制器原型工具。嵌入式控制系統(tǒng)的目標(biāo)板采用DSPTMS2802控制器，該芯片受Simulink嵌入式代碼生成支持。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

本課題的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)圖1所示的V型開(kāi)發(fā)模式左半邊支路，即功能定義離線仿真、快速控制器原型、自動(dòng)代碼生成。第一步，在Matlab/Simulink中建立直流電機(jī)和控制器，并完成離線仿真;第二步，PC機(jī)與DSP板卡構(gòu)成了基于Real-timeWindowsTarget的快速控制器原型工具，實(shí)驗(yàn)中，需要完成控制器、直流單機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等設(shè)計(jì)與連接;第三步，利用TargetSupportPackage模塊以及RTW工具完成自動(dòng)代碼生成。

3．1功能定義離線仿真

在離線仿真環(huán)節(jié)，首先要理解直流電機(jī)速度反饋系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)以直流伺服電機(jī)為控制對(duì)象，采用速度單閉環(huán)反饋控制，控制器采用PID控制器,其次需要學(xué)生理解控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、參數(shù)敏感性、時(shí)域特性、頻域特性等等。教學(xué)用實(shí)驗(yàn)箱中，已經(jīng)內(nèi)置了直流電機(jī)，而在Simulink模型中則需根據(jù)真實(shí)直流電機(jī)參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)合適的PID控制器。學(xué)生通過(guò)建?？梢灾庇^感受到功能定義和離線仿真過(guò)程，并且運(yùn)用課程所學(xué)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

3．2快速控制器原型

在基于3．1節(jié)直流電機(jī)控制的系統(tǒng)模型離線仿真基礎(chǔ)之上，加入TI與Mathworks公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的TargetSupportPackage工具，TargetSupportPackage工具包里面的子模塊已經(jīng)全部由TI與Mathworks進(jìn)行封裝。利用這些模塊可以搭建整個(gè)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。其控制程序流程圖如圖4所示。PC機(jī)與DSP目標(biāo)板卡構(gòu)成了基于RealtimeWindowsTarget的快速控制器原型工具。實(shí)驗(yàn)中，需要完成控制器、直流單機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊的設(shè)計(jì)與連接。學(xué)生在模塊建立與連接中可以更清楚了解控制器原型的含義，并體會(huì)其實(shí)現(xiàn)的基本步驟。

3．3自動(dòng)代碼生成

RTW(RealTimeWorkshop)是Matlab中圖形建模以及仿真環(huán)境Simulink的一個(gè)重要補(bǔ)充功能模塊［6］。RTW能直接從通過(guò)Simulink建立的數(shù)學(xué)模型中生成優(yōu)化的、可移植的、可定制的C/C++代碼，從而可以創(chuàng)建獨(dú)立于Matlab的可執(zhí)行程序。生成的程序可以在實(shí)時(shí)系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)系統(tǒng)等眾多目標(biāo)環(huán)境中運(yùn)行仿真。其支持TIC2000的RTW工具正是本課題所需要的自動(dòng)嵌入式C代碼生成的有效工具。當(dāng)完成上述直流電機(jī)控制系統(tǒng)Simulink仿真模型后，就可以利用RTW進(jìn)行自動(dòng)代碼生成步驟。通過(guò)TIC2000的RTW工具完成自動(dòng)代碼生成，學(xué)生對(duì)控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程中代碼生成過(guò)程有更為直觀的了解。

4結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合“汽車(chē)電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革實(shí)踐，總結(jié)了如何對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)，尤其是是控制器設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的新方法流程--V型模式開(kāi)發(fā)流程，進(jìn)行教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)果表明，在“汽車(chē)電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)”課程中開(kāi)展V型開(kāi)發(fā)模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以加深學(xué)生對(duì)控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解.

參考文獻(xiàn):

［1］張新豐．汽車(chē)智能電器系統(tǒng)［D］．北京:清華大學(xué)，2009．

［2］盧慧芬，趙建勇，白亞男，盧琴芬．電機(jī)系統(tǒng)及控制探究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建［J］．南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(6):71-73．

［3］周波，孫倍勇，馬旭東，戴先中．實(shí)踐驅(qū)動(dòng)的“微控制器”課程教學(xué)模式探索［J］．南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(5):20-24．

［4］張新豐，陳慧，孟宗良，等．控制V型開(kāi)發(fā)模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索［J］．上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索．2012(2):131-134．

［5］王莉，陳虹．“自動(dòng)控制原理”虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］．南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(4):71-73．

［6］TheMathWorks，Inc．TargetSupportPackage-TC2［EB/DK］．Natick，Massachusetts:TheMathWorks，Inc．，2008．

作者:張新豐 王春濛 李健聰 陳慧 單位:同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院