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汽車電子控制系統模擬與設計課程實驗
摘要:本文以“汽車電子控制系統模擬與設計”課程為依託，以現代汽車電子控制器開發的基本流程為主要內容進行實驗設計。介紹了V型控制器開發模式的主要方法和開發步驟;並以電機調速控制為物件設計了一個簡化的實驗系統，明確了主要實驗步驟。實驗結果表明，此項實驗設計可以提升學生對控制器開發過程的理解。
關鍵詞:V型開發模式;實驗教學;電機調速控制
0引言
嵌入式控制系統在各種工業產品中，已經越來越普及。一輛現代車輛的嵌入式控制器數量一般在20～30個，而高階車上已突破150個，其價值已經佔汽車總成本的30%［1］。隨著汽車電子控制技術的日益發展，控制器開發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了與汽車控制系統模擬相關的課程，並以實踐教學方式提高學生對汽車電子控制系統設計方法的理解［2，3］。本文以我校車輛工程專業的“控制系統模擬與設計”必修課程為依託，以直流電機調速控制器設計為物件，講述V型開發流程的實驗教學。
1控制器
V型開發模式教學內容很多情況下，要縮短控制器開發時間，就要求多個開發任務的同時進行，例如並行工程。軟體開發中，並行工程意味著對一個軟體功能的分析、說明、設計、實現和整合之後進行測試和校準工作，同時還進行其它的軟體功能開發工作。不僅如此，還要針對不同的開發環境進行適當調整。控制器V型開發模式便能適應上述需求，使得軟硬體開發能並行進行，大大提高了效率［2］。控制器V型開發模式解決了傳統開發的諸多問題，已成為汽車行業廣泛採用的控制器開發模式。因此，控制器V型開發模式教學對於推廣控制器設計工程領域的先進方式和方法，培養從事機電系統開發的工程師，具有越來越重要的意義。V型開發流程分為如下5個階段:(1)功能定義與離線模擬。根據系統的功能要求，對系統的效能進行定義，包括感測器和執行器訊號介面、控制目標和控制精度等，並在數字模擬軟體中進行建模，建立控制器模型和被控物件模型，並進行離線模擬，開發符合系統功能要求的控制器和被控物件模型;(2)快速控制器原型。移除離線模擬模型的被控物件模型，接入快速控制器原型，建立實時模擬模型。所謂快速控制器原型是一類通用控制器硬體系統，包含豐富的I/O通道、AD/DA通道和相應的PWM通道等嵌入式控制器外圍介面電路，並具有類似於嵌入式控制器的CPU工作環境，能模擬控制器在嵌入式控制器中的執行和介面輸入輸出，利用快速控制器原型機替代最終的目標電子控制單元，能實現對控制器演算法的快速線上驗證，並驗證控制系統軟硬體方案的可行性;(3)自動程式碼生成。自動程式碼生成是將離線模擬設計並通過快速控制器原型驗證過的圖形化控制器程式碼自動生成嵌入式目標系統的程式碼，這種程式碼不需要進行手工修改，便可直接通過編譯器編譯下載到最終的目標系統;(4)硬體在環模擬測試。被控物件或者系統執行環境部分採用實際物體，部分採用模擬模型來模擬，進行整個系統的模擬測試。這種測試主要利用已經測試驗證過的控制器軟體演算法，針對電子控制單元的硬體進行測試;(5)系統整合與標定。標定系統允許使用者對電子控制單元進行所有的標定和測試，可在最便利的情況下及最短的時間內對控制器的引數進行最後的調整。控制系統V型開發模式的整個過程，控制物件及控制演算法並不是教學的關鍵，關鍵在於整個實踐環節的的完整性，即從V型開發模式的離線模擬到線上標定過程的完整性。只有這樣才能使學生更加深入領悟V型開發模式的意義［4］。
2實驗物件及實驗系統
控制器開發方法的實踐性很強，然而由於V型開發模式需要控制系統數字模擬軟體、快速原型裝置、自動程式碼生成工具、硬體在環模擬測試系統等工具的支援，若使用商業開發裝置進行教學顯然在資金上會遇大極大困難［5］。為此，本文設計了一套直流電機調速實驗系統，用於V型開發模式教學實驗。在實驗中，以有刷直流伺服電機為應用物件，學生需熟悉並掌握直流電機的'調速控制，理解直流電機速度反饋系統，瞭解直流電動機的工作原理，學會在Matlab/Simulink中建立以及PID控制器的數學模型，並會在該環境下離線模擬。該實驗可讓學生通過實際操作，瞭解並掌握V型開發設計流程。尤其瞭解離線模擬、快速控制器原型、自動程式碼生成等開發流程。直流電機調速實驗系統由實驗工具箱和帶I/O板卡的PC機組成。實驗工具箱如圖2所示，工具箱包含電源模組、直流電機驅動模組、目標選擇介面模組、輸入輸出模組和嵌入式系統模組。而PC機上安裝Matlab/Simulink軟體，用於離線模擬;I/O板卡用於電機控制訊號輸出和速度脈衝訊號採集。PC機與之構成了基於ＲealtimeWindowsTarget的快速控制器原型工具。嵌入式控制系統的目標板採用DSPTMS2802控制器，該晶片受Simulink嵌入式程式碼生成支援。
3實驗教學應用
本課題的教學演示實驗，主要針對圖1所示的V型開發模式左半邊支路，即功能定義離線模擬、快速控制器原型、自動程式碼生成。第一步，在Matlab/Simulink中建立直流電機和控制器，並完成離線模擬;第二步，PC機與DSP板卡構成了基於Ｒeal-timeWindowsTarget的快速控制器原型工具，實驗中，需要完成控制器、直流單機驅動模組等設計與連線;第三步，利用TargetSupportPackage模組以及ＲTW工具完成自動程式碼生成。
3．1功能定義離線模擬
在離線模擬環節，首先要理解直流電機速度反饋系統。本實驗教學以直流伺服電機為控制物件，採用速度單閉環反饋控制，控制器採用PID控制器,其次需要學生理解控制系統設計中的各項設計指標，包括系統穩定性、引數敏感性、時域特性、頻域特性等等。教學用實驗箱中，已經內建了直流電機，而在Simulink模型中則需根據真實直流電機引數建立相應的數學模型，並設計合適的PID控制器。學生通過建模可以直觀感受到功能定義和離線模擬過程，並且運用課程所學實現系統閉環控制。
3．2快速控制器原型
在基於3．1節直流電機控制的系統模型離線模擬基礎之上，加入TI與Mathworks公司聯合開發的TargetSupportPackage工具，TargetSupportPackage工具包裡面的子模組已經全部由TI與Mathworks進行封裝。利用這些模組可以搭建整個直流電機控制系統。其控制程式流程圖如圖4所示。PC機與DSP目標板卡構成了基於ＲealtimeWindowsTarget的快速控制器原型工具。實驗中，需要完成控制器、直流單機驅動模組、顯示模組的設計與連線。學生在模組建立與連線中可以更清楚瞭解控制器原型的含義，並體會其實現的基本步驟。
3．3自動程式碼生成
ＲTW(ＲealTimeWorkshop)是Matlab中圖形建模以及模擬環境Simulink的一個重要補充功能模組［6］。ＲTW能直接從通過Simulink建立的數學模型中生成優化的、可移植的、可定製的C/C++程式碼，從而可以建立獨立於Matlab的可執行程式。生成的程式可以在實時系統和非實時系統等眾多目標環境中執行模擬。其支援TIC2000的ＲTW工具正是本課題所需要的自動嵌入式C程式碼生成的有效工具。當完成上述直流電機控制系統Simulink模擬模型後，就可以利用ＲTW進行自動程式碼生成步驟。通過TIC2000的ＲTW工具完成自動程式碼生成，學生對控制器開發過程中程式碼生成過程有更為直觀的瞭解。
4結語
本文結合“汽車電子控制系統模擬與設計”課程教學改革實踐，總結了如何對嵌入式控制系統，尤其是是控制器設計中出現的新方法流程--V型模式開發流程，進行教學的經驗。結果表明，在“汽車電子控制系統模擬與設計”課程中開展V型開發模式實驗教學，可以加深學生對控制器開發過程的理解.
參考文獻:
［1］張新豐．汽車智慧電器系統［D］．北京:清華大學，2009．
［2］盧慧芬，趙建勇，白亞男，盧琴芬．電機系統及控制探究性實驗平臺的構建［J］．南京:電氣電子教學學報，2015，37(6):71-73．
［3］周波，孫倍勇，馬旭東，戴先中．實踐驅動的“微控制器”課程教學模式探索［J］．南京:電氣電子教學學報，2015，37(5):20-24．
［4］張新豐，陳慧，孟宗良，等．控制V型開發模式實驗教學探索［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”虛擬實驗系統開發［J］．南京:電氣電子教學學報，2011，33(4):71-73．
［6］TheMathWorks，Inc．TargetSupportPackage-TC2［EB/DK］．Natick，Massachusetts:TheMathWorks，Inc．，2008．