張新豐， 王春濛， 李健聰， 陳 慧

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海 201804)

“汽車電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計”課程實驗設(shè)計

張新豐， 王春濛， 李健聰， 陳 慧

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海 201804)

本文以“汽車電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計”課程為依托，以現(xiàn)代汽車電子控制器開發(fā)的基本流程為主要內(nèi)容進(jìn)行實驗設(shè)計。介紹了V型控制器開發(fā)模式的主要方法和開發(fā)步驟；并以電機(jī)調(diào)速控制為對象設(shè)計了一個簡化的實驗系統(tǒng)，明確了主要實驗步驟。實驗結(jié)果表明，此項實驗設(shè)計可以提升學(xué)生對控制器開發(fā)過程的理解。

V型開發(fā)模式；實驗教學(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)越來越普及。一輛現(xiàn)代車輛的嵌入式控制器數(shù)量一般在20～30個，而高端車上已突破150個，其價值已經(jīng)占汽車總成本的30%[1]。隨著汽車電子控制技術(shù)的日益發(fā)展，控制器開發(fā)方法的研究和教育變得越來越重要。

為此，不少院校本科階段都開設(shè)了與汽車控制系統(tǒng)仿真相關(guān)的課程，并以實踐教學(xué)方式提高學(xué)生對汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計方法的理解[2，3]。

本文以我校車輛工程專業(yè)的“控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計”必修課程為依托，以直流電機(jī)調(diào)速控制器設(shè)計為對象，講述V型開發(fā)流程的實驗教學(xué)。

1 控制器V型開發(fā)模式教學(xué)內(nèi)容

很多情況下，要縮短控制器開發(fā)時間，就要求多個開發(fā)任務(wù)的同時進(jìn)行，例如并行工程。軟件開發(fā)中，并行工程意味著對一個軟件功能的分析、說明、設(shè)計、實現(xiàn)和集成之后進(jìn)行測試和校準(zhǔn)工作，同時還進(jìn)行其它的軟件功能開發(fā)工作。不僅如此，還要針對不同的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?？刂破鱒型開發(fā)模式便能適應(yīng)上述需求，使得軟硬件開發(fā)能并行進(jìn)行，大大提高了效率[2]。

控制器V型開發(fā)模式解決了傳統(tǒng)開發(fā)的諸多問題，已成為汽車行業(yè)廣泛采用的控制器開發(fā)模式。因此，控制器V型開發(fā)模式教學(xué)對于推廣控制器設(shè)計工程領(lǐng)域的先進(jìn)方式和方法，培養(yǎng)從事機(jī)電系統(tǒng)開發(fā)的工程師，具有越來越重要的意義。V型開發(fā)模式的基本內(nèi)容如圖1所示。

圖1 V型模式開發(fā)模式

V型開發(fā)流程分為如下5個階段：

(1) 功能定義與離線仿真。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行定義，包括傳感器和執(zhí)行器信號接口、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象模型，并進(jìn)行離線仿真，開發(fā)符合系統(tǒng)功能要求的控制器和被控對象模型；

(2) 快速控制器原型。移除離線仿真模型的被控對象模型，接入快速控制器原型，建立實時仿真模型。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，能實現(xiàn)對控制器算法的快速在線驗證，并驗證控制系統(tǒng)軟硬件方案的可行性；

(3) 自動代碼生成。自動代碼生成是將離線仿真設(shè)計并通過快速控制器原型驗證過的圖形化控制器代碼自動生成嵌入式目標(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)仿真測試。被控對象或者系統(tǒng)運行環(huán)境部分采用實際物體，部分采用仿真模型來模擬，進(jìn)行整個系統(tǒng)的仿真測試。這種測試主要利用已經(jīng)測試驗證過的控制器軟件算法，針對電子控制單元的硬件進(jìn)行測試；

(5) 系統(tǒng)集成與標(biāo)定。標(biāo)定系統(tǒng)允許用戶對電子控制單元進(jìn)行所有的標(biāo)定和測試，可在最便利的情況下及最短的時間內(nèi)對控制器的參數(shù)進(jìn)行最后的調(diào)整。

控制系統(tǒng)V 型開發(fā)模式的整個過程，控制對象及控制算法并不是教學(xué)的關(guān)鍵，關(guān)鍵在于整個實踐環(huán)節(jié)的的完整性，即從V 型開發(fā)模式的離線仿真到在線標(biāo)定過程的完整性。只有這樣才能使學(xué)生更加深入領(lǐng)悟V 型開發(fā)模式的意義[4]。

2 實驗對象及實驗系統(tǒng)

控制器開發(fā)方法的實踐性很強(qiáng)，然而由于V型開發(fā)模式需要控制系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件、快速原型設(shè)備、自動代碼生成工具、硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)等工具的支持，若使用商業(yè)開發(fā)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)顯然在資金上會遇大極大困難[5]。

為此，本文設(shè)計了一套直流電機(jī)調(diào)速實驗系統(tǒng)，用于V型開發(fā)模式教學(xué)實驗。在實驗中，以有刷直流伺服電機(jī)為應(yīng)用對象，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)，了解直流電動機(jī)的工作原理，學(xué)會在Matlab/Simulink中建立以及PID控制器的數(shù)學(xué)模型，并會在該環(huán)境下離線仿真。

該實驗可讓學(xué)生通過實際操作，了解并掌握V型開發(fā)設(shè)計流程。尤其了解離線仿真、快速控制器原型、自動代碼生成等開發(fā)流程。

直流電機(jī)調(diào)速實驗系統(tǒng)由實驗工具箱和帶I/O板卡的PC機(jī)組成。實驗工具箱如圖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)控制信號輸出和速度脈沖信號采集。PC機(jī)與之構(gòu)成了基于Realtime Windows Target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DSP TMS2802控制器，該芯片受Simulink嵌入式代碼生成支持。

3 實驗教學(xué)應(yīng)用

本課題的教學(xué)演示實驗，主要針對圖1所示的V型開發(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；

圖2 直流電機(jī)調(diào)速實驗工具箱

第二步， PC機(jī)與DSP板卡構(gòu)成了基于Realtime Windows Target的快速控制器原型工具，實驗中，需要完成控制器、直流單機(jī)驅(qū)動模塊等設(shè)計與連接；

第三步，利用 Target Support Package模塊以及RTW工具完成自動代碼生成。

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)。本實驗教學(xué)以直流伺服電機(jī)為控制對象，采用速度單閉環(huán)反饋控制，控制器采用PID控制器，由此閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 直流電機(jī)速度反饋控制系統(tǒng)框圖

其次需要學(xué)生理解控制系統(tǒng)設(shè)計中的各項設(shè)計指標(biāo)，包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、參數(shù)敏感性、時域特性、頻域特性等等。

教學(xué)用實驗箱中，已經(jīng)內(nèi)置了直流電機(jī)，而在Simulink模型中則需根據(jù)真實直流電機(jī)參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計合適的PID控制器。學(xué)生通過建?？梢灾庇^感受到功能定義和離線仿真過程，并且運用課程所學(xué)實現(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)合開發(fā)的Target Support Package工具，Target Support Package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Realtime

圖4 電機(jī)驅(qū)動流程圖

Windows Target的快速控制器原型工具。實驗中，需要完成控制器、直流單機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊的設(shè)計與連接。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，并體會其實現(xiàn)的基本步驟。

3.3 自動代碼生成

RTW(Real Time Workshop )是Matlab中圖形建模以及仿真環(huán)境Simulink的一個重要補(bǔ)充功能模塊[6]。RTW能直接從通過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)建獨立于Matlab的可執(zhí)行程序。生成的程序可以在實時系統(tǒng)和非實時系統(tǒng)等眾多目標(biāo)環(huán)境中運行仿真。其支持TI C2000的RTW工具正是本課題所需要的自動嵌入式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)行自動代碼生成步驟。

通過TI C2000的RTW工具完成自動代碼生成，學(xué)生對控制器開發(fā)過程中代碼生成過程有更為直觀的了解。

4 結(jié)語

本文結(jié)合“汽車電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計”課程教學(xué)改革實踐，總結(jié)了如何對嵌入式控制系統(tǒng)，尤其是是控制器設(shè)計中出現(xiàn)的新方法流程--V型模式開發(fā)流程，進(jìn)行教學(xué)的經(jīng)驗。結(jié)果表明，在“汽車電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計”課程中開展V型開發(fā)模式實驗教學(xué)，可以加深學(xué)生對控制器開發(fā)過程的理解。

(張新豐等文)

[1] 張新豐. 汽車智能電器系統(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)及控制探究性實驗平臺的構(gòu)建[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2015, 37(6): 71-73.

[3] 周波, 孫倍勇, 馬旭東, 戴先中. 實踐驅(qū)動的“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, 2015,37(5):20-24.

[4] 張新豐, 陳慧, 孟宗良, 等. 控制V型開發(fā)模式實驗教學(xué)探索[J]. 上海：實驗室研究與探索. 2012(2):131-134.

[5] 王莉, 陳虹. “自動控制原理”虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2011,33(4):71-73.

[6] The MathWorks, Inc. Target Support Package- TC2 [EB/DK]. Natick, Massachusetts: The MathWorks, Inc. , 2008.

Experiment Design for Automotive Electronics Control System Simulation and Design Course

ZHANG Xin-feng, WANG Cun-meng, LI Jian-cong, CHEN Hui

(SchoolofAutomotivestudies,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Based on the course of Automotive Electronics Control System Simulation and Design, it introduces experiment design for the development methodology of modern automotive electronics. This paper introduces the V model development method and process. A simplified teaching experimental box is designed of DC motor speed control, as well as experimental teaching process. An experimental teaching class is carried out and the result shows that living experiment had better effect than lectures, which helps to give good understanding of complicated technology.

V model development; teaching of experiments; motor speed control

2016-04-29;

2016-07-16

同濟(jì)大學(xué)實驗教學(xué)改革項目；國家重大儀器開發(fā)專項(2012YQ15025602)

張新豐(1980-)，男，講師，主要從事汽車電子電器系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用，E-mail：zhangxinfeng@#edu.cn

TP29

A

1008-0686(2017)02-0117-04