專(zhuān)科實(shí)驗論文格式模板
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汽車(chē)電子控制系統仿真與設計課程實(shí)驗
摘要:本文以“汽車(chē)電子控制系統仿真與設計”課程為依托，以現代汽車(chē)電子控制器開(kāi)發(fā)的基本流程為主要內容進(jìn)行實(shí)驗設計。介紹了V型控制器開(kāi)發(fā)模式的主要方法和開(kāi)發(fā)步驟;并以電機調速控制為對象設計了一個(gè)簡(jiǎn)化的實(shí)驗系統，明確了主要實(shí)驗步驟。實(shí)驗結果表明，此項實(shí)驗設計可以提升學(xué)生對控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解。
關(guān)鍵詞:V型開(kāi)發(fā)模式;實(shí)驗教學(xué);電機調速控制
0引言
嵌入式控制系統在各種工業(yè)產(chǎn)品中，已經(jīng)越來(lái)越普及。一輛現代車(chē)輛的嵌入式控制器數量一般在20～30個(gè)，而高端車(chē)上已突破150個(gè)，其價(jià)值已經(jīng)占汽車(chē)總成本的30%［1］。隨著(zhù)汽車(chē)電子控制技術(shù)的日益發(fā)展，控制器開(kāi)發(fā)方法的研究和教育變得越來(lái)越重要。為此，不少院校本科階段都開(kāi)設了與汽車(chē)控制系統仿真相關(guān)的課程，并以實(shí)踐教學(xué)方式提高學(xué)生對汽車(chē)電子控制系統設計方法的理解［2，3］。本文以我校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的“控制系統仿真與設計”必修課程為依托，以直流電機調速控制器設計為對象，講述V型開(kāi)發(fā)流程的實(shí)驗教學(xué)。
1控制器
V型開(kāi)發(fā)模式教學(xué)內容很多情況下，要縮短控制器開(kāi)發(fā)時(shí)間，就要求多個(gè)開(kāi)發(fā)任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行，例如并行工程。軟件開(kāi)發(fā)中，并行工程意味著(zhù)對一個(gè)軟件功能的分析、說(shuō)明、設計、實(shí)現和集成之后進(jìn)行測試和校準工作，同時(shí)還進(jìn)行其它的軟件功能開(kāi)發(fā)工作。不僅如此，還要針對不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行適當調整�？刂破鱒型開(kāi)發(fā)模式便能適應上述需求，使得軟硬件開(kāi)發(fā)能并行進(jìn)行，大大提高了效率［2］�？刂破鱒型開(kāi)發(fā)模式解決了傳統開(kāi)發(fā)的諸多問(wèn)題，已成為汽車(chē)行業(yè)廣泛采用的控制器開(kāi)發(fā)模式。因此，控制器V型開(kāi)發(fā)模式教學(xué)對于推廣控制器設計工程領(lǐng)域的先進(jìn)方式和方法，培養從事機電系統開(kāi)發(fā)的工程師，具有越來(lái)越重要的意義。V型開(kāi)發(fā)流程分為如下5個(gè)階段:(1)功能定義與離線(xiàn)仿真。根據系統的功能要求，對系統的性能進(jìn)行定義，包括傳感器和執行器信號接口、控制目標和控制精度等，并在數字仿真軟件中進(jìn)行建模，建立控制器模型和被控對象模型，并進(jìn)行離線(xiàn)仿真，開(kāi)發(fā)符合系統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(xiàn)仿真模型的被控對象模型，接入快速控制器原型，建立實(shí)時(shí)仿真模型。所謂快速控制器原型是一類(lèi)通用控制器硬件系統，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接口電路，并具有類(lèi)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替代最終的目標電子控制單元，能實(shí)現對控制器算法的快速在線(xiàn)驗證，并驗證控制系統軟硬件方案的可行性;(3)自動(dòng)代碼生成。自動(dòng)代碼生成是將離線(xiàn)仿真設計并通過(guò)快速控制器原型驗證過(guò)的圖形化控制器代碼自動(dòng)生成嵌入式目標系統的代碼，這種代碼不需要進(jìn)行手工修改，便可直接通過(guò)編譯器編譯下載到最終的目標系統;(4)硬件在環(huán)仿真測試。被控對象或者系統運行環(huán)境部分采用實(shí)際物體，部分采用仿真模型來(lái)模擬，進(jìn)行整個(gè)系統的仿真測試。這種測試主要利用已經(jīng)測試驗證過(guò)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)系統集成與標定。標定系統允許用戶(hù)對電子控制單元進(jìn)行所有的標定和測試，可在最便利的情況下及最短的時(shí)間內對控制器的參數進(jìn)行最后的調整�？刂葡到yV型開(kāi)發(fā)模式的整個(gè)過(guò)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(gè)實(shí)踐環(huán)節的的完整性，即從V型開(kāi)發(fā)模式的離線(xiàn)仿真到在線(xiàn)標定過(guò)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(kāi)發(fā)模式的意義［4］。
2實(shí)驗對象及實(shí)驗系統
控制器開(kāi)發(fā)方法的實(shí)踐性很強，然而由于V型開(kāi)發(fā)模式需要控制系統數字仿真軟件、快速原型設備、自動(dòng)代碼生成工具、硬件在環(huán)仿真測試系統等工具的支持，若使用商業(yè)開(kāi)發(fā)設備進(jìn)行教學(xué)顯然在資金上會(huì )遇大極大困難［5］。為此，本文設計了一套直流電機調速實(shí)驗系統，用于V型開(kāi)發(fā)模式教學(xué)實(shí)驗。在實(shí)驗中，以有刷直流伺服電機為應用對象，學(xué)生需熟悉并掌握直流電機的調速控制，理解直流電機速度反饋系統，了解直流電動(dòng)機的工作原理，學(xué)會(huì )在Matlab/Simulink中建立以及PID控制器的數學(xué)模型，并會(huì )在該環(huán)境下離線(xiàn)仿真。該實(shí)驗可讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作，了解并掌握V型開(kāi)發(fā)設計流程。尤其了解離線(xiàn)仿真、快速控制器原型、自動(dòng)代碼生成等開(kāi)發(fā)流程。直流電機調速實(shí)驗系統由實(shí)驗工具箱和帶I/O板卡的PC機組成。實(shí)驗工具箱如圖2所示，工具箱包含電源模塊、直流電機驅動(dòng)模塊、目標選擇接口模塊、輸入輸出模塊和嵌入式系統模塊。而PC機上安裝Matlab/Simulink軟件，用于離線(xiàn)仿真;I/O板卡用于電機控制信號輸出和速度脈沖信號采集。PC機與之構成了基于ＲealtimeWindowsTarget的快速控制器原型工具。嵌入式控制系統的目標板采用DSPTMS2802控制器，該芯片受Simulink嵌入式代碼生成支持。
3實(shí)驗教學(xué)應用
本課題的教學(xué)演示實(shí)驗，主要針對圖1所示的V型開(kāi)發(fā)模式左半邊支路，即功能定義離線(xiàn)仿真、快速控制器原型、自動(dòng)代碼生成。第一步，在Matlab/Simulink中建立直流電機和控制器，并完成離線(xiàn)仿真;第二步，PC機與DSP板卡構成了基于Ｒeal-timeWindowsTarget的快速控制器原型工具，實(shí)驗中，需要完成控制器、直流單機驅動(dòng)模塊等設計與連接;第三步，利用TargetSupportPackage模塊以及ＲTW工具完成自動(dòng)代碼生成。
3．1功能定義離線(xiàn)仿真
在離線(xiàn)仿真環(huán)節，首先要理解直流電機速度反饋系統。本實(shí)驗教學(xué)以直流伺服電機為控制對象，采用速度單閉環(huán)反饋控制，控制器采用PID控制器,其次需要學(xué)生理解控制系統設計中的各項設計指標，包括系統穩定性、參數敏感性、時(shí)域特性、頻域特性等等。教學(xué)用實(shí)驗箱中，已經(jīng)內置了直流電機，而在Simulink模型中則需根據真實(shí)直流電機參數建立相應的數學(xué)模型，并設計合適的PID控制器。學(xué)生通過(guò)建�？梢灾庇^(guān)感受到功能定義和離線(xiàn)仿真過(guò)程，并且運用課程所學(xué)實(shí)現系統閉環(huán)控制。
3．2快速控制器原型
在基于3．1節直流電機控制的系統模型離線(xiàn)仿真基礎之上，加入TI與Mathworks公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的TargetSupportPackage工具，TargetSupportPackage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(gè)直流電機控制系統。其控制程序流程圖如圖4所示。PC機與DSP目標板卡構成了基于ＲealtimeWindowsTarget的快速控制器原型工具。實(shí)驗中，需要完成控制器、直流單機驅動(dòng)模塊、顯示模塊的設計與連接。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(huì )其實(shí)現的基本步驟。
3．3自動(dòng)代碼生成
�。襎W(ＲealTimeWorkshop)是Matlab中圖形建模以及仿真環(huán)境Simulink的一個(gè)重要補充功能模塊［6］。ＲTW能直接從通過(guò)Simulink建立的數學(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的可執行程序。生成的程序可以在實(shí)時(shí)系統和非實(shí)時(shí)系統等眾多目標環(huán)境中運行仿真。其支持TIC2000的ＲTW工具正是本課題所需要的自動(dòng)嵌入式C代碼生成的有效工具。當完成上述直流電機控制系統Simulink仿真模型后，就可以利用ＲTW進(jìn)行自動(dòng)代碼生成步驟。通過(guò)TIC2000的ＲTW工具完成自動(dòng)代碼生成，學(xué)生對控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程中代碼生成過(guò)程有更為直觀(guān)的了解。
4結語(yǔ)
本文結合“汽車(chē)電子控制系統仿真與設計”課程教學(xué)改革實(shí)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(kāi)發(fā)流程，進(jìn)行教學(xué)的經(jīng)驗。結果表明，在“汽車(chē)電子控制系統仿真與設計”課程中開(kāi)展V型開(kāi)發(fā)模式實(shí)驗教學(xué)，可以加深學(xué)生對控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解.
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