1、汽车电子控制系统的汽车电子控制系统的离线仿真设计离线仿真设计提纲提纲n“仿真仿真”与与“离线仿真离线仿真” n离线仿真技术在现代汽车电子控制系统开发中的作离线仿真技术在现代汽车电子控制系统开发中的作用用 n系统建模与离线仿真设计的方法系统建模与离线仿真设计的方法 n离线仿真设计实例离线仿真设计实例n离线仿真设计中需要注意的问题离线仿真设计中需要注意的问题 n总结总结 1. 1. “仿真仿真”与与“离线仿真离线仿真” n仿真（仿真（Simulation）：利用）：利用模型模型复现实际系统中发生的本质复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系过程，并通过对系统模型
2、的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。统，又称模拟。 仿真模型是被仿真对象的相似物、结构形式或其参数关仿真模型是被仿真对象的相似物、结构形式或其参数关系形式，因此，可以是系形式，因此，可以是物理模型（物理仿真）物理模型（物理仿真）或者或者数学模型数学模型（数学仿真）（数学仿真）。1.1 “仿真仿真”的概念的概念 仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。n离线仿真：借助计算机和仿真软件向仿真数学模型输入参数离线仿真：借助计算机和仿真软件向仿真数学模型输入参数值，从而非实时地模拟实际系统运行规律的仿真方法叫做离值，从而非实时
3、地模拟实际系统运行规律的仿真方法叫做离线仿真。线仿真。n在线仿真：指实时控制模型的仿真而非用软件模拟。在线仿真：指实时控制模型的仿真而非用软件模拟。1.2 离线仿真（离线仿真（off-line simulation）2.2.离线仿真技术在现代汽车电子控制系统开发中的作用离线仿真技术在现代汽车电子控制系统开发中的作用 2.1 现代汽车电子控制系统开发技术及过程简介现代汽车电子控制系统开发技术及过程简介 2.1.1 汽车电子控制系统一般的开发技术汽车电子控制系统一般的开发技术n一般的一般的ECU开发方法，包括下列主要步骤：开发方法，包括下列主要步骤： n（1）由系统工程师根据客户要求用文字）由系统
4、工程师根据客户要求用文字说明的方式定义系统功能和设计目标；说明的方式定义系统功能和设计目标； n（2）构建系统模型并仿真；）构建系统模型并仿真； n（3）确定）确定ECU硬件和软件功能；硬件和软件功能；n（4）由硬件人员设计开发硬件电路，完）由硬件人员设计开发硬件电路，完成电磁兼容设计与测试等工作；成电磁兼容设计与测试等工作； n（5）由控制工程师设计控制方案，并将）由控制工程师设计控制方案，并将控制规律（方程）用离散形式描述；控制规律（方程）用离散形式描述； n（6）由软件人员采用手工编程的方式实）由软件人员采用手工编程的方式实现控制算法，形成控制程序代码；现控制算法，形成控制程序代码； n
5、（7）将程序代码下载到）将程序代码下载到ECU硬件电路中，硬件电路中，或与仿真器一起构成在线调试系统；或与仿真器一起构成在线调试系统； n（8）用真实控制对象或试验台架对）用真实控制对象或试验台架对ECU进行静态和动态的试验和测试；进行静态和动态的试验和测试；n（9）修改设计，重复上述某些过程，直）修改设计，重复上述某些过程，直至符合要求。至符合要求。ECU产品开发流程图产品开发流程图2.1.2 汽车电子产品软件开发的汽车电子产品软件开发的“V”模式流程模式流程 功能设计快速原型目标代码生成标定硬件在回路（HIL）仿真汽车汽车ECU的的V模式的开发流程模式的开发流程“V”模式开发流程分为五模式
6、开发流程分为五个阶段，即：个阶段，即： 功能设计功能设计 快速原型仿真快速原型仿真 目标代码生成目标代码生成 硬件在回路仿真硬件在回路仿真HIL 标定标定/实验实验设计循环中持续设计循环中持续verification(verification(核核实）实）& validation (& validation (确认）确认）n功能设计阶段：功能设计阶段： 主要使用主要使用MATLAB提供的提供的Simulink、Stateflow等工具，等工具，完成控制方案的设计、功能模块的设计、控制算法的设计等完成控制方案的设计、功能模块的设计、控制算法的设计等任务，并完成基于方框图的离线仿真工作。任务，并完
7、成基于方框图的离线仿真工作。快速原型仿真阶段：快速原型仿真阶段： 目的是在一个实时硬件平台上验证功能设计阶段形成控制目的是在一个实时硬件平台上验证功能设计阶段形成控制软件的性能，并修改控制设计、优化控制方案。使用如软件的性能，并修改控制设计、优化控制方案。使用如dSPACE等开发工具提供的快速控制原型等开发工具提供的快速控制原型RCP(Rapid Control Prototyping)完成在线仿真。完成在线仿真。 在将控制原型或仿真模型从离线仿真转到实时仿真，需要在将控制原型或仿真模型从离线仿真转到实时仿真，需要 用用dSPCACE 的实时接口库的实时接口库 RTI（Real-Time In
8、terface）通过）通过图标的方式来指定用户图标的方式来指定用户 I/O。用。用RTI与与 MathWorks 的的RTW（Real-Time Workshop）共同生成）共同生成 dSPACE 硬件所需的代码。硬件所需的代码。实时接口实时接口 RTI通过图标通过图标的方式来指定用户的方式来指定用户 I/O。在在RCP中：中： 控制器硬件控制器硬件并非为实际产品控制器并非为实际产品控制器 控制软件控制软件离线仿真成果离线仿真成果 被控对象被控对象实际车辆的被控系统或台架模拟系统实际车辆的被控系统或台架模拟系统目的是验证控制软件的实时控制功能，目的是验证控制软件的实时控制功能，dSPACE的仿
9、真的仿真对象是控制器硬件。对象是控制器硬件。快速原型控制应用于实际车辆对象快速原型控制应用于实际车辆对象从从Matlab/Simulink/Stateflow框图直接生成产品级代码框图直接生成产品级代码;相当于手写的相当于手写的ANSI C代码，支代码，支持定点和浮点运算；持定点和浮点运算；应用应用Target Optimization Modules可以针对特定目标平可以针对特定目标平台进行优化；台进行优化；通过通过Target Simulation Module可以在目标板上测试可以在目标板上测试生成的代码。生成的代码。n目标代码生成阶段：目标代码生成阶段： 主要使用主要使用dSPACE提
10、供的代码生成工具提供的代码生成工具 TargetLink软件软件完成目标代码自动生成功能。完成目标代码自动生成功能。TargetLinkn硬件在回路（环）仿真硬件在回路（环）仿真HILS阶段：阶段： HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation） 真实的控制器（即产品控制器硬件真实的控制器（即产品控制器硬件+控制软件）开发出来后，控制软件）开发出来后，需要对其在需要对其在不同的工作条件不同的工作条件下进行更加全面的测试。这时可以下进行更加全面的测试。这时可以利用运行在实时计算机上的对象模型或环境模型，对控制器进利用运行在实时计算机上的对象模型或环境模型，对控制器进行
11、全方位测试。这个过程称为行全方位测试。这个过程称为 硬件在回路仿真硬件在回路仿真（HILS）。）。 “不同的工作条件不同的工作条件”指：严寒气候、高温气候、极限测试、指：严寒气候、高温气候、极限测试、失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等，使测试难以进失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等，使测试难以进行。行。在在HILS中：中： 控制器硬件控制器硬件实际产品控制器实际产品控制器 控制软件控制软件实际控制软件实际控制软件 被控对象被控对象多采用模拟系统及部分真实部件多采用模拟系统及部分真实部件该阶段的仿真对象是被控对象，目的是实现对产品控制该阶段的仿真对象是被控对象，目的是实现对产品控制器
12、的实时测试器的实时测试。 dSPACE dSPACE 的的 Simulator Simulator 是应用最广泛的硬件在回路仿真器，是应用最广泛的硬件在回路仿真器，利用它可模拟一台虚拟的车辆作为控制的对象，在测试过程利用它可模拟一台虚拟的车辆作为控制的对象，在测试过程中为保证仿真的实时性可加入一些真实的部件和负载，形成中为保证仿真的实时性可加入一些真实的部件和负载，形成半实物仿真并且模拟出一些故障，从而来实现对半实物仿真并且模拟出一些故障，从而来实现对 ECU ECU 的测试。的测试。 SimulatorSimulator也也是一个集成的测试环境，是一个集成的测试环境，包括：系统模型（含发动机
13、，汽车动包括：系统模型（含发动机，汽车动力学和路面模型等），实时硬件，信力学和路面模型等），实时硬件，信号调理、故障模拟单元，负载模拟单号调理、故障模拟单元，负载模拟单元，实验软件（具有实验管理、硬件元，实验软件（具有实验管理、硬件管理、自动化测试等功能）。管理、自动化测试等功能）。dSPACE 的的 Simulator一个自主开发的电动汽车控制一个自主开发的电动汽车控制器硬件在环实时仿真平台器硬件在环实时仿真平台硬件在环实时仿真平台硬件在环实时仿真平台n标定阶段：标定阶段： 该阶段，针对实际应用的车辆控制对象采用标定系统对该阶段，针对实际应用的车辆控制对象采用标定系统对ECU进行最后的参数调
14、整。进行最后的参数调整。 dSPACE的标定系统允许用户对的标定系统允许用户对ECU进行所有的标定和测试。进行所有的标定和测试。 开发步骤 MATLAB/Simulink 建立对象数学模型 设计控制方案 进行离线仿真第一步第一步开发步骤 保留需要下载到dSPACE中的模块 用硬件接口关系代替原来的逻辑连接关系 对I/O进行配置 设定软硬件中断优先级第二步第二步开发步骤dSPACE硬件硬件C代码代码C编编译译器器目目标标代代码码LoaderdSPACE实时硬件实时硬件MATLABSIMULINKRTW用户C代码Real Time Interface 利用RTW及dSPACE 提供的RTI和自动生
15、成代码并下载第三步第三步开发步骤ControlDeskMatlab4 数据获取数据获取4 在线调参在线调参外接外接实物实物三维动画三维动画 dSPACE综合实验和测试环境第四步第四步创建被控对象的模型创建被控对象的模型控制对象理论模型的建立控制对象理论模型的建立初步控制系统设计初步控制系统设计通过离线仿真对控制系统测试通过离线仿真对控制系统测试生成模型实时代码生成模型实时代码通过通过ControlDesk 采集采集数据及观测、修改变量数据及观测、修改变量定义模型定义模型 I/OMatlab/dSPACE 集成开发环境n集成了机电闭环控制系统开发中所有的阶段n代码自动生成（TargetLink）
16、n直接访问实时系统CDPMATLABSIMULINKRTWRTIdSPACE tools 分析，设计，优化 离线数据处理 基于方框图的建模 离线仿真 从方框图生成C代码 针对 I/O HW 集成的模块库 自动代码插入 ControlDesk: 实验控制和自动测试 针对 MATLAB MLIB/MTRACE的接口CDP （控制系统开发包）软件组件2.2 2.2 离线仿真的地位和作用离线仿真的地位和作用 在控制器开发过程中所处地位：在控制器开发过程中所处地位： 无论是传统的控制器开发技术还是较为先进的无论是传统的控制器开发技术还是较为先进的“V”模式模式开发技术，都离不开离线仿真环节，都必须在设计
17、的最初阶段开发技术，都离不开离线仿真环节，都必须在设计的最初阶段完成。是整个控制系统开发过程的第一步，在开发过程中具有完成。是整个控制系统开发过程的第一步，在开发过程中具有很重要的地位。在两种开发技术流程中，系统功能设计完成后，很重要的地位。在两种开发技术流程中，系统功能设计完成后，必须构建控制系统模型并利用计算机计算模拟技术，从理论上必须构建控制系统模型并利用计算机计算模拟技术，从理论上分析、判断控制系统功能实现的可行性、控制方案选择的正确分析、判断控制系统功能实现的可行性、控制方案选择的正确性，以便进一步给出控制器硬件和软件设计功能要求。性，以便进一步给出控制器硬件和软件设计功能要求。 作
18、用：作用：（1）是可以在理论设计阶段就能判断设计方案是否合理、可行，）是可以在理论设计阶段就能判断设计方案是否合理、可行，从而节省时间，使其后设计工作少走弯路，避免资金浪费，节从而节省时间，使其后设计工作少走弯路，避免资金浪费，节省开发费用。省开发费用。（2）在控制系统的构成、控制方法等方面的理论创新思想是否）在控制系统的构成、控制方法等方面的理论创新思想是否可行，可通过此阶段做个理论仿真验证。可行，可通过此阶段做个理论仿真验证。 3. 3. 系统建模与离线仿真设计的方法系统建模与离线仿真设计的方法 3.1 被控对象建模与特性分析被控对象建模与特性分析 建立被控对象模型的目的有建立被控对象模型
19、的目的有3个：个：（1）根据被控对象的结构和参数间关系构建控制系统，确）根据被控对象的结构和参数间关系构建控制系统，确定控制参数，选择传感器类型和执行器的种类；定控制参数，选择传感器类型和执行器的种类；（2）根据被控对象动态仿真结果分析其动态特性，选择合）根据被控对象动态仿真结果分析其动态特性，选择合适的控制方案；适的控制方案；（3）利用数学模型定量计算在控制器控制信号作用下，被）利用数学模型定量计算在控制器控制信号作用下，被控对象的输出响应，以评判控制效果，优选控制策略。控对象的输出响应，以评判控制效果，优选控制策略。3.1.1 被控对象建模方法被控对象建模方法 在汽车电子控制系统开发中，模
20、型建立分为两步：在汽车电子控制系统开发中，模型建立分为两步： 建立数学模型；建立数学模型； 如根据驱动车轮建立的动力学方程：如根据驱动车轮建立的动力学方程： 根据数学模型构建图形结构化仿真模型。根据数学模型构建图形结构化仿真模型。（1）被控对象数学建模方法被控对象数学建模方法 一般而言，被控对象的数学建模方法有多种：机理分析法、直接相似一般而言，被控对象的数学建模方法有多种：机理分析法、直接相似法、系统辨识法、概率统计法、定性推理法、层次分析法等等。法、系统辨识法、概率统计法、定性推理法、层次分析法等等。()ZWwwxtdJTFF f Rdt 为了利用为了利用Simulink软件进行图形化建立
21、仿真计算模型，软件进行图形化建立仿真计算模型，同时便于根据被控对象的结构和参数间关系构建控制系统，同时便于根据被控对象的结构和参数间关系构建控制系统，确定控制参数，选择传感器类型和执行器的种类，多以确定控制参数，选择传感器类型和执行器的种类，多以机机理分析法理分析法建立其数学模型。建立其数学模型。 机理分析法机理分析法也叫直接分析法或解析法：它是在也叫直接分析法或解析法：它是在若干简若干简化假定条件下化假定条件下，以，以各学科专业知识为基础各学科专业知识为基础，通过分析系统，通过分析系统变量间的关系和运动规律，而获得解析型数学模型的方法。变量间的关系和运动规律，而获得解析型数学模型的方法。 n
22、机理分析法建立数学模型步骤：机理分析法建立数学模型步骤：（1）分析系统功能、原理，对系统做出与建模目标相关的描述；）分析系统功能、原理，对系统做出与建模目标相关的描述；（2）找出系统的输入变量和输出变量；）找出系统的输入变量和输出变量；（3）按照系统（部件、元件）遵循的理论规律列写出各部分微）按照系统（部件、元件）遵循的理论规律列写出各部分微分方程或传递函数等；分方程或传递函数等；（4）消除中间变量，得到初步数学模型；）消除中间变量，得到初步数学模型；（5）进行模型标准化。如对于微分方程，应使：）进行模型标准化。如对于微分方程，应使： 输入量与输出量多项式分别处于方程两端；输入量与输出量多项式
23、分别处于方程两端； 变量按降阶排列；变量按降阶排列； 最高阶项的系数等于最高阶项的系数等于1。（6）进行检验，必要时修改模型。）进行检验，必要时修改模型。 建模举例建模举例 建立用轮毂电机（或电机加轮边减速器）驱动的电建立用轮毂电机（或电机加轮边减速器）驱动的电动轿车在转向时，后轮的差速模型。动轿车在转向时，后轮的差速模型。1212sinsin11sin22sinllrr转向时，左右两轮的理论转速关系：转向时，左右两轮的理论转速关系：2121sinsin即即问题：能否直接用车轮转角作为控制参数？问题：能否直接用车轮转角作为控制参数？车辆坐标系车辆坐标系第一步：建立数学模型第一步：建立数学模型2
24、24113sincos()yxiiyiiyiiiixFFFmvv 224113222111143sin( 1)cos( 1)22 coscos( 1)sin22fiirzzxiixiixifiiiffiyiiyiiyiifiiiryiiddIlFFFddlFFFlF（1）转弯时的侧向动力学方程：）转弯时的侧向动力学方程：（2）转弯时的横摆运动的动态方程：）转弯时的横摆运动的动态方程：2241132221111431(sin( 1)cos( 1)22 coscos( 1)sin22 )fiirxiixiixifiiizzffiyiiyiiyiifiiiryiiddlFFFIddlFFFlF224
25、1131(sincos)xiiyiiyixiiiFFFm v 利用关系利用关系 对上两式简化后，有对上两式简化后，有arctanyyxxvvvv1234()cos()sin2()cos()sin222fxywffffxywfffrxwrxwdvvvldvvvldvvdvv（3）各车轮的线速度）各车轮的线速度()xiiziyiiiFFFC 22()2ipppii （3）车轮切向力与侧向力）车轮切向力与侧向力地面附着系数采用：地面附着系数采用：123422222222y rsxsrzfy rsxsrzfysffxszrysffxszrm a l hm a hm glFlldlm a l hm a
26、hm glFlldlm glm a l hm a hFlldlm glm a l hm a hFlldl（4）车轮法向力）车轮法向力12342222ffffffy rsrzy rsrzyszryszrm a l hm glFlldm a l hm glFlldm a l hm glFlldm a l hm glFlldyydvydtav当转向无加速无制动时，可简化为当转向无加速无制动时，可简化为其中：其中：()(1,2,3,4)()WWWiWWwiwiwiwiwiwiwiwiwiwiRvvRRivRvRv（5）车轮的滑动率（滑转率和滑移率的通称）车轮的滑动率（滑转率和滑移率的通称）112234
27、fxfxxrlvlvlv （5）车轮侧偏角）车轮侧偏角 在侧向力作用下，各轮胎侧向变形所引起在侧向力作用下，各轮胎侧向变形所引起的侧偏角近似按下式计算：的侧偏角近似按下式计算：2cossin21.15xxdtC AdVFmgfVmgmdt （6）汽车运动方程）汽车运动方程221.15xxdtC AdVFmgfVmdt在水平路面转弯时在水平路面转弯时3333331()WZWWwxtdRTFFfJJdt4444441()WZWWwxtdRTFFfJJdt（7）车轮的运动方程）车轮的运动方程第二步：确定被控系统的输入参数和输出参数第二步：确定被控系统的输入参数和输出参数 输入参数：车轮转向角输入参数
28、：车轮转向角1（或（或2） 左右后车轮驱动力矩左右后车轮驱动力矩Tt3和和Tt4 输出参数：输出参数： 左右后左右后车轮转速车轮转速3和和4 系统中的状态参数：其余的变量参数系统中的状态参数：其余的变量参数第三步：根据数学模型，用第三步：根据数学模型，用Simulink建立仿真计算模型建立仿真计算模型 整车后轮差速整车后轮差速仿真模型仿真模型前轮左右转向角关系模型前轮左右转向角关系模型左右轮无滑转无滑移的期望转速计算模型左右轮无滑转无滑移的期望转速计算模型四个车轮的侧偏角仿真计算模型四个车轮的侧偏角仿真计算模型整车驱动力仿真计算模型整车驱动力仿真计算模型车身纵向速度仿真计算模型（车辆动力学方程
29、）车身纵向速度仿真计算模型（车辆动力学方程）车轮法向力仿真计算模型车轮法向力仿真计算模型左右车轮滑移和滑转率仿真计算模块左右车轮滑移和滑转率仿真计算模块 为方便大家进一步学习对象建模方法，推荐为方便大家进一步学习对象建模方法，推荐几本有关被控对象建模的图书：几本有关被控对象建模的图书：1. 动力学系统建模与仿真动力学系统建模与仿真黎明安黎明安 编著编著n国防工业出版社国防工业出版社n出版时间出版时间 20122. 喻凡喻凡,林逸林逸.汽车系统动力学汽车系统动力学. 机械工业出版社机械工业出版社,2005年年3. MATLAB/Simulink建模与仿真建模与仿真n张德丰张德丰 编著编著n电子工
30、业出版社电子工业出版社n出版时间出版时间 20094. MATLAB建模与仿真应用建模与仿真应用 n王中鲜王中鲜主编主编n机械工业出版社机械工业出版社n出版时间出版时间 20103.2 控制方法和控制模型控制方法和控制模型 3.2.1 控制方法及其选择控制方法及其选择 控制方法的多样化有利于控制的应用，但却增加了设控制方法的多样化有利于控制的应用，但却增加了设计应用时的选择困难。根据什么原则和方法进行选择呢？计应用时的选择困难。根据什么原则和方法进行选择呢？大体可从以下几个主要方面考虑大体可从以下几个主要方面考虑 ： ( 1 ) 考虑系统的控制任务；考虑系统的控制任务； ( 2 ) 考虑系统的
31、应用需要；考虑系统的应用需要； ( 3 ) 考虑系统的性能指标；考虑系统的性能指标； ( 4 ) 考虑系统的实现手段；考虑系统的实现手段； ( 5 ) 考虑系统的综合性能。考虑系统的综合性能。 以简单有效、控制实时性强、设计容易为原则。以简单有效、控制实时性强、设计容易为原则。 首先根据具体的应用问题确定采用的控制方式是传统控首先根据具体的应用问题确定采用的控制方式是传统控制还是智能控制制还是智能控制 。 传统的反馈控制和自适应控制在理论和技术上是比较成传统的反馈控制和自适应控制在理论和技术上是比较成熟的，熟的， 但在复杂的对象控制中传统的控制就显得无能为力而但在复杂的对象控制中传统的控制就显
32、得无能为力而智能控制在解决诸如不确定的或难定义的过程控制、非线性智能控制在解决诸如不确定的或难定义的过程控制、非线性被控对象控制、被控对象控制、 随时间变化的过程控制等复杂过程控制方面随时间变化的过程控制等复杂过程控制方面具有独特的能力具有独特的能力 。 根据应用系统的控制任务的复杂程度来确定采用传统控根据应用系统的控制任务的复杂程度来确定采用传统控制还是采用智能控制方式相对比较容易。可是，往往会出现制还是采用智能控制方式相对比较容易。可是，往往会出现这样的情况，同样确定的非线性系统既可用传统控制也可用这样的情况，同样确定的非线性系统既可用传统控制也可用智能控制，这时可考虑各方面的因素综合选择
33、。智能控制，这时可考虑各方面的因素综合选择。 n(1) (1) 传统控制理论和技术比较成熟，系统设计和实现手段此较容易，但传统控制理论和技术比较成熟，系统设计和实现手段此较容易，但控制系统缺乏适应各种变化的能力；控制系统缺乏适应各种变化的能力； n(2) (2) 智能控制理论和技术比较新，很多理论和技术需要不断地改进和完智能控制理论和技术比较新，很多理论和技术需要不断地改进和完善，但用智能控制技术所构成的控制系统可有各种不同程度的智能，即善，但用智能控制技术所构成的控制系统可有各种不同程度的智能，即参数、结构、环境的自适应控制、最优控制、自组织控制、自学习控制、参数、结构、环境的自适应控制、最
34、优控制、自组织控制、自学习控制、甚至自创造控制等，这有利于提高控制系统的应用和解决复杂系统的控甚至自创造控制等，这有利于提高控制系统的应用和解决复杂系统的控制；制； n(3) (3) 在不增加成本或少增加成本的前提下，采用智能控制技术可大大改在不增加成本或少增加成本的前提下，采用智能控制技术可大大改善系统的性能，提高系统的性能价格比，有利于产品参与市场竞争。智善系统的性能，提高系统的性能价格比，有利于产品参与市场竞争。智能控制是未来控制系统的发展趋势。能控制是未来控制系统的发展趋势。 (4)(4)以学习控制为例：学习的速度、学习的复杂性以学习控制为例：学习的速度、学习的复杂性 ( (即学习容易
35、和不容即学习容易和不容易易) )、学习的类型、学习的稳定性、学习的精度等进行的选择。、学习的类型、学习的稳定性、学习的精度等进行的选择。 3.2.2 控制仿真模型设计控制仿真模型设计 （1）能建立数学模型的控制模型）能建立数学模型的控制模型 根据数学模型用根据数学模型用Simulink搭建控制仿真模型结构搭建控制仿真模型结构 以以PID控制为例，其控制器输出（控制量）控制为例，其控制器输出（控制量）u(t)与输出与输出控制量的实际输出值控制量的实际输出值c(t)和期望值和期望值r(t) 的偏差的偏差e(t)=r(t)c(t) 间间的关系为的关系为01d ( )( )( )( )ddtpdie
36、tu tke tetTTt其PID控制仿真模型为：控制仿真模型为： 控制模型参数设置控制模型参数设置 控制算法效果好坏不仅取决于控制方法的选择，还决定控制算法效果好坏不仅取决于控制方法的选择，还决定与控制模型参数选择是否恰当，如与控制模型参数选择是否恰当，如PID控制模型中的参数控制模型中的参数KP、Ti、Td对控制性能影响很大，准确的选择需要在方法上、经对控制性能影响很大，准确的选择需要在方法上、经验上的积累，因此，在离线仿真和后阶段的实时在线仿真期验上的积累，因此，在离线仿真和后阶段的实时在线仿真期间，必须认真且耐心地反复选择、整定参数和试验验证。间，必须认真且耐心地反复选择、整定参数和试
37、验验证。 就就PID而言，参数整定的方法很多，有试凑法、临界比而言，参数整定的方法很多，有试凑法、临界比例法、衰减曲线法、例法、衰减曲线法、Ziegler-Nichols整定法等，各种方法大整定法等，各种方法大都按照都按照“先先P后后I再再D”的顺序调整相应的参数，直至最佳值。的顺序调整相应的参数，直至最佳值。例如：采用齐格勒尼科尔斯方法例如：采用齐格勒尼科尔斯方法 (Ziegler-NicholsZiegler-Nichols法法) )整定整定PIDPID参数的步骤为参数的步骤为(l)(l)将控制器的积分时间常数将控制器的积分时间常数T Ti i置于最大置于最大(T(Ti i=),=),微分
38、时间常数微分时间常数T Td d置零置零(T(Td d=0),=0),比例比例系数系数K KP P置于适当值置于适当值, ,运行系统。运行系统。(2)(2)将比例增益将比例增益K KP P逐渐减小逐渐减小, ,直至得到等幅震荡过程直至得到等幅震荡过程, ,记下此时的临界增益记下此时的临界增益K Ku u和临界和临界震荡周期震荡周期T Tu u。(3)(3)根据根据K Ku u和和T Tu u值值, ,按照下表中的经验公式按照下表中的经验公式, ,计算出控制器各参数计算出控制器各参数, ,即即K KP P、T Ti i、T Td d值。值。(4)(4)通过试验，对所定参数作进一步的微调，直至最佳
39、。通过试验，对所定参数作进一步的微调，直至最佳。控制器类型KPTiTdP0.5K Ku u0PI0.455K Ku u0.833T Tu u0PID0.6K Ku u0.5T Tu u0.125T Tu u（2）不能用数学表达式描述的控制模型）不能用数学表达式描述的控制模型 模糊控制、专家控制就是属于这类情况。模糊控制、专家控制就是属于这类情况。 如模糊控制规则：如模糊控制规则： L1： If E is PB and EC is ZO then CU is PB L2： If E is ZO and EC is NB then CU is NB L3： If E is NB and EC is
40、 ZO then CU is NB L4： If E is ZO and EC is PB then CU is PB 可以用以下办法建模：可以用以下办法建模： 利用利用SimulinkSimulink模型库中的表格模块库（模型库中的表格模块库（Lookup Lookup TablesTables），通过映射方式，以），通过映射方式，以n n维输入的条件确定控制的模糊量。维输入的条件确定控制的模糊量。 利用利用MATLAB中的模糊逻辑控制工具箱来建模，在模中的模糊逻辑控制工具箱来建模，在模糊推理系统编辑器中完成模糊控制器设计，再在糊推理系统编辑器中完成模糊控制器设计，再在SimulinkSim
41、ulink环境环境下调用该模糊控制器模块来建模。下调用该模糊控制器模块来建模。（3）多种控制方法组合应用的控制模型）多种控制方法组合应用的控制模型 由于被控对象运动规律的复杂性和单一控制方法的局限性，由于被控对象运动规律的复杂性和单一控制方法的局限性，实际控制设计中往往考虑把多种控制方法相结合所构成的控实际控制设计中往往考虑把多种控制方法相结合所构成的控制方案。如：神经网络与制方案。如：神经网络与PID复合控制、模糊与复合控制、模糊与PID的复合控的复合控制等等。制等等。 模糊与模糊与PID的复合控制原理图的复合控制原理图模糊与模糊与PID的复合控制仿真模型的复合控制仿真模型（4）同一过程的多
42、模式控制模型）同一过程的多模式控制模型 在设计控制模型的时候，应该分析被控过程在不同在设计控制模型的时候，应该分析被控过程在不同阶段的性能特性，然后针对性的选择不同的控制方法和模型。阶段的性能特性，然后针对性的选择不同的控制方法和模型。 例例1 1：异步电动机软起动模糊：异步电动机软起动模糊+PID+PID的组合控制原理就是一个双模式控制的典的组合控制原理就是一个双模式控制的典型例子。型例子。 异步电动机调速是采用改变晶闸管导通角的异步电动机调速是采用改变晶闸管导通角的PIDPID控制方法，在正常运行调速控制方法，在正常运行调速阶段，控制效果良好。但由于电动机和晶闸管交流调压装置的数学模型是非
43、线性阶段，控制效果良好。但由于电动机和晶闸管交流调压装置的数学模型是非线性的，起动过程中反馈电流与晶闸管触发角之间没有精确的数学模型，的，起动过程中反馈电流与晶闸管触发角之间没有精确的数学模型，PIDPID参数整参数整定比较困难，部分参数会随工作点的变化而变化。因此，启动阶段控制效果不好，定比较困难，部分参数会随工作点的变化而变化。因此，启动阶段控制效果不好，瞬间冲击电流大。采用模糊控制来实现电机软起动控制后，效果明显改善。瞬间冲击电流大。采用模糊控制来实现电机软起动控制后，效果明显改善。 模糊模糊PIDPID双模式控制器的设计思想是双模式控制器的设计思想是: : 在起动的初期和中期在起动的初
44、期和中期(t(tt t0 0) ) ，采用模糊控制使起动电流限制在指定的范围内，系统按模糊控制方法进行采用模糊控制使起动电流限制在指定的范围内，系统按模糊控制方法进行有关的模糊推理和决策来确定晶闸管的触发角有关的模糊推理和决策来确定晶闸管的触发角。在起动过程后期。在起动过程后期(tt(tt0 0) ) 为了克服模糊控制出现的振荡现象，加快响应速度和消除静差采用为了克服模糊控制出现的振荡现象，加快响应速度和消除静差采用PIDPID控制控制来确定晶闸管的触发角来确定晶闸管的触发角 。模糊模糊PID双模式控制原理框图双模式控制原理框图模糊模糊PID双模式控制双模式控制Simulink仿真结构图仿真结
45、构图例例2：汽车自适应巡航系统的多模式切换控制：汽车自适应巡航系统的多模式切换控制 在复杂交通环境下，由于前车运动状态和驾驶意图的不可预知性，使得现有的自适应巡航控制(Adaptive cruise system , ACC)的应用受到限制，现有 ACC 系统大多由于控制模式单一，算法及其参数并不具有自适应性，仅适用稳态跟车工况。 多模式自适应巡航控制是在现有ACC控制器的基础上增加模式切换层，将车辆纵向运动状态划分为六种情况：定速巡航、稳态跟随、接近前车、强加速、强减速和避撞，且分别设计了六种控制模式，使控制器根据实际工况条件选择最优的控制模式，并采用加速度加权平均算法提高模式切换的准确性和
46、输出连续性。基于每种模式侧重的控制目标，设计相应的上位控制器并对其控制参数进行整定，从而改善了系统整体的控制品质。有关控制设计的参考书目：韦巍,何衍编.智能控制基础.清华大学出版社,2008年赵景波编.MATLAB控制系统仿真与设计.机械工业出版社,2010年张聚.基于MATLAB的控制系统仿真及应用.电子工业出版社,2012年夏玮等. MATLAB控制系统仿真与实例详解.人民邮电出版社,2008年张秀峰等. MATLAB机电控制系统技术与应用.清华大学出版社,2011年洪乃刚.电力电子电机控制系统仿真技术.机械工业出版社,2013年3.3 电子控制系统的离线仿真实现手段电子控制系统的离线仿真
47、实现手段（1） dSPACE公司的实时仿真系统公司的实时仿真系统 该系统是基于MATLAB/Simulink开发的半实物仿真的软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接，可提供离线仿真功能。（2）采用）采用MATLAB/Simulink商业软件商业软件 4. 4. 离线仿真设计实例离线仿真设计实例 设计一辆以后轮轮毂电机（或电机加轮边减速器）设计一辆以后轮轮毂电机（或电机加轮边减速器）驱动的电动轿车在水平路面恒速转向时，后轮的差速驱动的电动轿车在水平路面恒速转向时，后轮的差速控制系统的离线仿真模型。控制系统的离线仿真模型。 对象模型前面已建立，只需要再建立驱动
48、电机和对象模型前面已建立，只需要再建立驱动电机和控制器模型。控制器模型。 转速传感器转速传感器转速传感器转速传感器控制器控制器车辆车辆模型模型左后轮左后轮毂电机毂电机右后轮右后轮毂电机毂电机前轮转前轮转向角向角3344433434T3T434后轮毂电机转向差速控制方案后轮毂电机转向差速控制方案()()()AAAABBBBCCCCdiuR iLMedtdiuR iLMedtdiuR iLMedt（1）电压平衡方程式）电压平衡方程式0 00000000 000AAAABBBBcCCcuiieRL MduRiL MiedtRL Muiie 其矩阵形式：其矩阵形式：电机模型建立如下：电机模型建立如下：
49、AABBCCeeieieiT（2）直流无刷电机的电磁转矩）直流无刷电机的电磁转矩Te e方程：方程：DJeLdJTBTdt（3）电机的动力学方程）电机的动力学方程直流无刷电机仿真模型直流无刷电机仿真模型无刷直流电机仿真模块图无刷直流电机仿真模块图无刷直流电机控制模块仿真模型无刷直流电机控制模块仿真模型逆变器逆变器PI控制器模型控制器模型三相逆变器脉冲控制信号形成与分配仿真模型三相逆变器脉冲控制信号形成与分配仿真模型无刷电机三相绕组脉冲电流分配仿真计算模型无刷电机三相绕组脉冲电流分配仿真计算模型车轮控制器仿真模型车轮控制器仿真模型轮毂电机转向差速控制系统仿真模型轮毂电机转向差速控制系统仿真模型车
50、辆模型车辆模型左后轮毂电机模型左后轮毂电机模型右后轮毂电机模型右后轮毂电机模型左电机控制模块左电机控制模块右电机控制模块右电机控制模块左后轮转速左后轮转速右后轮转速右后轮转速 5. 5.离线仿真设计中需要注意的问题离线仿真设计中需要注意的问题 （1 1）建立被控对象模型时，考虑不同的主要因素或者忽略不同）建立被控对象模型时，考虑不同的主要因素或者忽略不同的次要因素，结果会有所差异。如：汽车在转弯时，考虑有加速的次要因素，结果会有所差异。如：汽车在转弯时，考虑有加速或有制动时的车轮地面反力与运行状态可能与恒速转向就有差异，或有制动时的车轮地面反力与运行状态可能与恒速转向就有差异，若再考虑车身侧倾
