关于复杂发动机控制系统软件的开发的分析和加快

随着汽车制造商努力提供更好的燃油效率、更少排放以及更好的驾驶体验，Engine control unit (ECU)软件变得越来越复杂。具体而言，更严格的排放规定需要精确控制空气燃油混合物以及燃烧时间。为了避免代价高昂的返工和成本超限，在ECU开发过程中尽早得到准确的发动机仿真模型显得至关重要。丰田汽车公司工程师开发出了用于前置开发流程的发动机模型，实现了有关生产车辆计划的模型在环(MIL)和软件在环(SIL)测试。

“借助基于模型设计的前置开发让我们缩短了开发周期并最大限度减少了返工，使我们能够早于竞争对手提供产品。使用MATLAB、Simulink和Simscape，我们在同一环境中创建了控制软件、物理对象模型以及闭环仿真器，大幅简化了控制系统开发。”

—— 丰田汽车公司 Hisahiro Ito博士

挑战

之前，丰田工程师仅通过相对简单的对象模型测试了一小组ECU功能，这使得他们难以测试和优化控制软件。为了确保新发动机达到最佳工作状态，他们需要涵盖整个发动机的发动机模型，其中包括燃油、引擎以及废气再循环(EGR)系统。工程师需要通过直接描述这些系统的方程式来对系统行为建模。

丰田工程师需要改善其SIL和MIL技术的灵活性和可扩展性来更为有效地开发ECU。工程师需要SIL环境来支持ECU之间的CAN总线通信仿真、控制代码的源代码级别调试以及中断服务例程(ISR)和定时器任务的正确执行顺序。

解决方案

丰田工程师使用Simscape来开发包含数千个方程式的发动机模型。通过基于模型的设计，该模型实现了ECU软件的前置开发流程。

工程师使用Simscape语言来创建自定义物理域。他们创建了自定义组件模型来表示内燃机缸以及空气通路（包括EGR）。通过组合这些模型和Simscape提供的组件模型，能够对扭矩转换器、自动变速箱以及其他传动系统组件建模。

他们使用物理网络方法在Simscape中装配这些组件来创造非因果关系模型。这些非因果关系模型与使用Simulink及Model-Based Calibration Toolbox开发的数据驱动模型组合在一起。

为了在Simulink和Stateflow中开发ECU算法的可执行规范，他们通过Simulink采用MIL仿真来分析新控制逻辑的设计，同时考虑所连接装置的动态特性。

在使用Simulink Coder从控制模型中生成代码之后，丰田工程师使用SIL测试来验证驱动程序、ISR和定时器的准确执行顺序以及其他无法通过MIL仿真测试的详细信息。通过SIL，工程师将Microsoft Visual Studio用于控制代码的源代码级别调试。代码中设置的断点能够暂停了Simulink中的仿真，让工程师能够在恢复执行之前检查控制变量的状态。

借助模型在环和软件在环仿真(SIL+M)，工程师开发出新的控制单元模型，然后将其与控制软件集成。工程师能够将新的控制逻辑加入整个控制系统，SIL+M可进一步前置ECU开发。

通过在MATLAB中进行的工作，工程师将参数优化期间的仿真自动化，并对仿真和测试结果执行数据分析。

丰田目前在发动机控制、变速箱控制以及混合电动控制系统中，通过基于模型设计进行前置开发。

Simscape让我们能够创建适合设计任务的高精度模型，所有团队都可轻松理解该模型。尽早完成在Simulink中执行的ECU和发动机的闭环仿真，这对于我们的前置开发过程至关重要。

”

—— 丰田汽车公司 Hisahiro Ito博士

结果

丰田发动机。Simscape建模有助于丰田确保更为精确地控制精密的发动机组件，例如涡轮增压器和后处理系统。

开发出高精度发动机模型。“与因果建模方法相比，Simscape支持的对象建模速度更快且更可靠，同时我们用Simscape构建的对象模型以直观和直接的方式表示物理系统”，Ito博士说道。“Simscape让我们能够创建并仿真包含数千个方程式的高精度发动机模型。使用因果关系建模方法无法实现这种结果。”

在开发早期验证设计。“借助基于模型的设计以及SIL仿真，我们可提前许多时间来验证新的控制设计”，Ito博士说道。“例如我们通过闭环仿真验证了采用CAN配置的发动机控制和变速箱控制软件，这让我们能够以极大的信心继续进行车辆内测试。”

仿真难以实现的测试条件。“我们用Simulink创建的SIL平台让工程师能够在难以安排实际车辆或原型测试环境的各种工作条件下，执行控制软件的细致检查”，Ito博士说。