隨著汽車制造商努力提供更好的燃油效率、更少排放以及更好的駕駛體驗(yàn)，Engine control unit (ECU)軟件變得越來越復(fù)雜。具體而言，更嚴(yán)格的排放規(guī)定需要精確控制空氣燃油混合物以及燃燒時(shí)間。為了避免代價(jià)高昂的返工和成本超限，在ECU開發(fā)過程中盡早得到準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型顯得至關(guān)重要。豐田汽車公司工程師開發(fā)出了用于前置開發(fā)流程的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了有關(guān)生產(chǎn)車輛計(jì)劃的模型在環(huán)(MIL)和軟件在環(huán)(SIL)測試。

“借助基于模型設(shè)計(jì)的前置開發(fā)讓我們縮短了開發(fā)周期并最大限度減少了返工，使我們能夠早于競爭對手提供產(chǎn)品。使用MATLAB、Simulink和Simscape，我們在同一環(huán)境中創(chuàng)建了控制軟件、物理對象模型以及閉環(huán)仿真器，大幅簡化了控制系統(tǒng)開發(fā)。”

—— 豐田汽車公司 Hisahiro Ito博士

挑戰(zhàn)

之前，豐田工程師僅通過相對簡單的對象模型測試了一小組ECU功能，這使得他們難以測試和優(yōu)化控制軟件。為了確保新發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳工作狀態(tài)，他們需要涵蓋整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，其中包括燃油、引擎以及廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)。工程師需要通過直接描述這些系統(tǒng)的方程式來對系統(tǒng)行為建模。

豐田工程師需要改善其SIL和MIL技術(shù)的靈活性和可擴(kuò)展性來更為有效地開發(fā)ECU。工程師需要SIL環(huán)境來支持ECU之間的CAN總線通信仿真、控制代碼的源代碼級別調(diào)試以及中斷服務(wù)例程(ISR)和定時(shí)器任務(wù)的正確執(zhí)行順序。

解決方案

豐田工程師使用Simscape來開發(fā)包含數(shù)千個(gè)方程式的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。通過基于模型的設(shè)計(jì)，該模型實(shí)現(xiàn)了ECU軟件的前置開發(fā)流程。

工程師使用Simscape語言來創(chuàng)建自定義物理域。他們創(chuàng)建了自定義組件模型來表示內(nèi)燃機(jī)缸以及空氣通路（包括EGR）。通過組合這些模型和Simscape提供的組件模型，能夠?qū)εぞ?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)變速箱以及其他傳動(dòng)系統(tǒng)組件建模。

他們使用物理網(wǎng)絡(luò)方法在Simscape中裝配這些組件來創(chuàng)造非因果關(guān)系模型。這些非因果關(guān)系模型與使用Simulink及Model-Based Calibration Toolbox開發(fā)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型組合在一起。

為了在Simulink和Stateflow中開發(fā)ECU算法的可執(zhí)行規(guī)范，他們通過Simulink采用MIL仿真來分析新控制邏輯的設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮所連接裝置的動(dòng)態(tài)特性。

在使用Simulink Coder從控制模型中生成代碼之后，豐田工程師使用SIL測試來驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)程序、ISR和定時(shí)器的準(zhǔn)確執(zhí)行順序以及其他無法通過MIL仿真測試的詳細(xì)信息。通過SIL，工程師將Microsoft Visual Studio用于控制代碼的源代碼級別調(diào)試。代碼中設(shè)置的斷點(diǎn)能夠暫停了Simulink中的仿真，讓工程師能夠在恢復(fù)執(zhí)行之前檢查控制變量的狀態(tài)。

借助模型在環(huán)和軟件在環(huán)仿真(SIL+M)，工程師開發(fā)出新的控制單元模型，然后將其與控制軟件集成。工程師能夠?qū)⑿碌目刂七壿嫾尤胝麄€(gè)控制系統(tǒng)，SIL+M可進(jìn)一步前置ECU開發(fā)。

通過在MATLAB中進(jìn)行的工作，工程師將參數(shù)優(yōu)化期間的仿真自動(dòng)化，并對仿真和測試結(jié)果執(zhí)行數(shù)據(jù)分析。

豐田目前在發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速箱控制以及混合電動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過基于模型設(shè)計(jì)進(jìn)行前置開發(fā)。

Simscape讓我們能夠創(chuàng)建適合設(shè)計(jì)任務(wù)的高精度模型，所有團(tuán)隊(duì)都可輕松理解該模型。盡早完成在Simulink中執(zhí)行的ECU和發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)仿真，這對于我們的前置開發(fā)過程至關(guān)重要。

”

—— 豐田汽車公司 Hisahiro Ito博士

結(jié)果

豐田發(fā)動(dòng)機(jī)。Simscape建模有助于豐田確保更為精確地控制精密的發(fā)動(dòng)機(jī)組件，例如渦輪增壓器和后處理系統(tǒng)。

開發(fā)出高精度發(fā)動(dòng)機(jī)模型。“與因果建模方法相比，Simscape支持的對象建模速度更快且更可靠，同時(shí)我們用Simscape構(gòu)建的對象模型以直觀和直接的方式表示物理系統(tǒng)”，Ito博士說道。“Simscape讓我們能夠創(chuàng)建并仿真包含數(shù)千個(gè)方程式的高精度發(fā)動(dòng)機(jī)模型。使用因果關(guān)系建模方法無法實(shí)現(xiàn)這種結(jié)果。”

在開發(fā)早期驗(yàn)證設(shè)計(jì)。“借助基于模型的設(shè)計(jì)以及SIL仿真，我們可提前許多時(shí)間來驗(yàn)證新的控制設(shè)計(jì)”，Ito博士說道。“例如我們通過閉環(huán)仿真驗(yàn)證了采用CAN配置的發(fā)動(dòng)機(jī)控制和變速箱控制軟件，這讓我們能夠以極大的信心繼續(xù)進(jìn)行車輛內(nèi)測試。”

仿真難以實(shí)現(xiàn)的測試條件。“我們用Simulink創(chuàng)建的SIL平臺讓工程師能夠在難以安排實(shí)際車輛或原型測試環(huán)境的各種工作條件下，執(zhí)行控制軟件的細(xì)致檢查”，Ito博士說。