汽车电子控制理论与设计carsim

轮胎建模
转向系统的建模
车轮转角
Out Out
In
In
+变形
转向器传动比 转向盘输入
+变形
转向系统的建模
制动系统的建模
车轮载荷 制动踏板输入 比例阀 ABS 控制 轮胎滑移率
制动轮缸 压力
T
制动力矩
制动系统的建模
P
车速
动力传动系的建模
油门输入
Ie
Ttcin
Ttcout
Ttcout ×Ntrans Ntrans
– CarSim 数学模型 – 硬件在环接口 – 实时硬件系统
控制器 e.g., ECU
CarSim的实时仿真系统
CarSim用于ECU的开发
控制策略的开发 CarSim CarSimRT 路面ECU试验
快速原型试验
实验室ECU试验
CarSimRT
目标代码的生成 标代 的生
CarSim用于ECU的开发
汽车电控单元的开发平台
图形化建模和离线仿真
• 在现代汽车电子开发流程中，最典型的特 点是基于图形化的建模进行控制系统的设 计，包括基于图形化的系统架构设计和基 于图形化的控制算法实现。 • 在这个阶段，汽车电子行业普遍采用了 MATLAB等工具进行控制系统的图形化建模 和仿真工作。
• 在汽车电控系统开发过程中，可以利用 Carsim、DYNAware、ASM建立整车动力学 模型或发动机动力学模型，利用MATLAB控 制工具箱开发 通过协同仿真方式在开发 制工具箱开发，通过协同仿真方式在开发 初期保证控制算法完整可靠。 • 利用MATLAB所开发设计的模型是整个V模式 开发的基础，这也反映了一种基于模型开 发的控制系统设计理念。
Itrans
Te
αe ωe
发动机
Tt i ω e Ttcin
ω tco
ωg
Tg
液力变矩器
变速器
发动机
动力传动系的建模
变速器
FxRF ×(hwc+@zRF)+MybkF ω whRF MyRF y
变速器
FxRR×(hwc+@zRR)+MybkR ω whRR TgR MyRR
差速器
Tg TgF
差速器 分动器
Simulink接口
• 160多个可导入变量
– – – – – – – – – 控制输入 轮胎/路面输入 轮胎的力和力矩 弹簧及阻尼力 转向系统的角度 传动系的力矩 制动力矩及制动压力 风的输入 任意的力和力矩
变量从 Simulink 导入到 CarSim中


可以在 Simulink中定义变量 变量可以在其它软件中定义并 导入到Simulink Si li k中 导入的变量叠加到 CarSim内 部相应的变量中 部相应的变 中
前
MyLF ω whLF
后
MyLR ω whLR
ω gF
传动轴
ω gR
FxRF (hwc+@zRF)+MybkF @zRF) MybkF ×(hwc
FxLR ×(hwc+@zLR)+MybkR
变速器
动力传动系的建模
车轮
Inertial Y Driver model Y axis Target path Origin (front axle) b a Predicted path (constant steer) Driver model X axis
CarSim模型
的扩展
CarSim模型的扩展
通过Simulink进行模型的扩展
Simulink (MATLAB工具箱) 是应 用较为广泛的仿真 具 用较为广泛的仿真工具
CarSim模型的扩展
Simulink接口
• 在CarSim环境下使用Simulink • 在Simulink环境下使用CarSim
采用二阶龙格－库塔求解方法 CarSim中的定步长算法，速度较快， 中的定步长算法 速度较快 适合于实时仿真
t1
time
+ t t1
求解方法
三维路面模型
• 用简单的数表来描述
– 水平，垂直或高度差 – 表格是独 表格是独立的 的 – 数据可以从CAD，制 表软件等得到.
三维路面模型


样条插值与线性插值 相结合 仿真器自动创建仿真 图像 路面可以是非环形路 面或环形路面
硬件在环仿真
• • • • 验证控制算法。 验证控制算法 ECU标定 ECU网络的集成测试 测试诊断功能
标定
CarSim 介绍
Mechanical Simulation
建于1996年 是从UMTRI（密西根大
学交通运输研究所)脱离 出来的 专门研究汽车动力学软 件的专业公司
专门针对车辆动力学的仿真软
簧载质量的移动自由度 (X,Y,Z) 簧载质量的转动自由度(X Y Z) 簧载质量的转动自由度(X,Y,Z) 非簧载质量自由度 车轮旋转自由度 传动系旋转自由度 轮胎瞬态特性自由度 制动压力自由度 总数 3 3 4 4 1 8 4 27
1 4 4 1 10
选择悬架的类型
悬架的建模
• 不同的悬架采用不同的数学模型 – 独立悬架 – 非独立悬架 • 非线性、非对称的三维悬架运动 • 由轮胎力和力矩引起的悬架变形由变形系数来表征 • 弹簧的迟滞现象由额外的状态变量来处理
汽车电子控制系统设计
主讲人： 张素民
• • • • • •
现代汽车电子开发流程 代汽车电子 发流程 车辆动力学模型（CarSim） 系统辨识与模型参数辨识 车辆状态估计 控制系统控制器与控制策略设计 控制系统开发、测试与验证
现代汽车电子开发流程
V模式
• 基 基于V模式的整个设计开发流程分为五个阶 模式的整个设计 发流程分为 个阶 段： • 功能设计的离线仿真阶段 • 快速控制原型实现RCP • 目标代码生成 • 硬件在环仿真HIL • 标定
图形用户界面
车辆数学模型求解器 仿真器
CarSim的主要结构
图形用户界面用于定义车辆的特性参 数及仿真工况 数学模型用来仿真求解 用仿真器进行三维动画回放 真 维 放 专门的仿真曲线绘图软件
CarSim的结构
计算结果的绘图软件
CarSim的
数学模型
CarSim的数学模型
建立在UMTRI三十多年的研究基础之上
CarSim 驾驶员模型
后轮转向
预瞄时间 (常量或 常 与速度有关)
最大转向盘转角及 角速度
驾驶员控制选项

Driver sensors
预瞄时间 最大转向盘转角及角速度设置 考虑后轮转向的驾驶员模型 驾驶员模型传感器
Brake control parameters
CarSim 驾驶员模型
悬架的建模
轮胎

内部的轮胎模型采用试验数据插值的办法确定轮胎的纵向力及侧向力 内部的轮胎模型采用近似的办法处理不同的路面摩擦系数 内部的轮胎模型采用Pacejka “复合滑移 复合滑移” 理论 可以使用Magic Formula模型 可以使用外部的轮胎模型（郭源自文库辉教授的统一轮胎模型已成功与CarSim 连接 连接）
CarSim的实时仿真系统
C Si 的实时仿真系统 CarSim
实时操作系统 QNX, Linux, etc. 控制计算机 Windows
• 主机&Windows Windo s系统
– 数据库 – 仿真器&绘图器 仿真器 绘图器 – 用户界面
Ethernet 电子适配器
• 目标机 标机&实时操作系 统
• 简单的特性参数
模型参数
• 可以测量 • 即使不是专家也很容易理 解这些参数的具体意义
模型参数
具有实际的物理意义 在屏幕上显示具体的参数位置 尺寸，质量，比率等
模型参数的获取
CarSim提供很多样车（Sedan，SUV，Race Car） 模型参数可以由试验测得或者由设计软件（如SuspensionSim） 由简单易测的参数在CarSim中组装样车 • 尺寸参数（轮距，轴距等） • 质量 • 弹簧的刚度特性 • 传动系参数（发动机功率，变速器速比等） 确定复杂的模型参数 • 转动惯量信息 • 悬架的特性参数 仿真得到
导入变量
变量从CarSim导出到Simulink中
• 输出变量可以应用于用户自定义的Simulink模型 • 560多个输出变量 – 位置和姿态 – 运动变量 • 速度和加速度 • 力元状态（弹簧、阻尼等） – 刚体的力和力矩 – 控制变量 – 路面及空气动力学的参数
导出变量
CarSim的 实时仿真系统
件 车辆对驾驶员输入、路面输入 及空气动力学输入的响应 车辆动力学：操纵稳定性、动 力性、经济性、制动性、平顺性 在 Windows环境下运行 实时的硬件在环测试
C Sim Car Si 软件的特点
使用方便 运算迅速 仿真精确 有良好的扩展性 价格较低 行业标准软件
CarSim软件的特点
快速控制原型（RCP）
• 通过离线仿真后，控制算法模型已经得到了初步的验证， 过离线仿真 控制算法模型 得到 初步的验 可进一步通过和真实的被控对象相连接来验证控制原型在 真实情况下的反应 从而向真实控制器控制算法的实现过 真实情况下的反应，从而向真实控制器控制算法的实现过 渡。 • 该过程同时包括了实际系统中可能包括的各种I/O、软件 及硬件中断等实时特性，然后就可以利用计算机辅助试验 测试管理工具软件进行各种试验，以检验控制方案对实际 对象的控制效果，并随时修改控制参数，直到得到满意的 结果为止。即使是模型需要相当大的修改，从修改到下一 次对原型的测试也只需要几分钟的时间 从而在最终实现 次对原型的测试也只需要几分钟的时间。从而在最终实现 控制方案之前，就已经对可能的结果有了相当的把握，避 免了资源浪费和时间消耗。
C Sim Car Si 驾驶模拟器
CarSim驾驶模拟器
驾驶模拟器
• 科学研究 • 产品开发 • 驾驶员培训
驾驶模拟器
系统辨识与模型参 数辨识
系统辨识
• 在大部分实际系统中 在大部分实际系统中，如工业控制过程，为了设计 如工业控制过程 为了设计 一个有效的控制方案，如优化设计、鲁棒控制设计、 自适应控制设计等 都需要建立系统的数学模型 自适应控制设计等，都需要建立系统的数学模型。 • 对于简单系统，可以利用物理、化学、生物规律， 采用解析的方法建立起系统的数学模型； • 但对于复杂的系统，特别是有关系统及其环境的先 验信息不充分情况下，就必须采用实验研究的方法 确定系统的等价数学模型，包含用试验方法确定某 些重要的物理参数，如传热系数、化学反应率、阻 尼系数等，这种试验方法，称之为系统辨识方法。
自动代码生成
• 在完成快速控制原型（RCP）的开发后，就可以借组功 ）的开发后 就可以借组功 能强大的自动代码生成工具进行产品控制器C代码的生 成，以便快速完成产品控制器的开发。 • 在这个阶段，可采用产品级代码生成工具将RCP阶段开 发完成的算法模型直接生成C代码。 • 同时对于服战的控制系统，还需要集成功能强大的实时 同时对于服战的控制系统 还需要集成功能强大的实时 操作系统完成整个嵌入式系统软件的设计。 对 部分 子产 需要图形用户界面 利用嵌 式图 • 对于部分电子产品，需要图形用户界面，利用嵌入式图 形界面自动代码生成软件可以将主机上开发的交互式图 形界面生成嵌入式代码。 • 在完成软件算法代码的生成和系统的集成后，还需要通 在完成软件算法代码的生成和系统的集成后 还需要通 过功能强大的代码测试工具，保证软件的功能完整性和 可靠性。
整车的虚拟仿真 模型运算稳定 在PC机上能达到实时的运算速度 所有的模型参数都可以通过测试的手段获取
CarSim的车辆模型
后
非簧载质量自由度 簧上质量的六 个自由度 非簧载质量自由度 车轮旋转
侧偏角 前
车辆模型的简化
刚体
簧载质量 非簧载质量 车轮 发动机 总数
CarSim的车辆模型（续）
自由度
建模、算法 建模 算法 及仿真 轮胎测试 参数测量
测试与分析 惯量测试
悬架测试 架测试
Lateral G
0.5 20 10 0 0 -10 050 -0.5 10 20
Yaw rate—deg/s
20 0 -20
10
面向系统的建模
Road Test CarSim
20
模型的复杂程度适合于底盘控制系统的开发及
模型参数（续）
CarSim的求解方法
x(time)
•
slope = x(t 1)
•
复杂的方程很难求出解析解，数值算 法能得到近似解 多体软件如ADAMS的模型方程为微分 －代数方程，通常采用变步长的积分算 法 CarSim C Si 中的方程为微分方程
.1) x(t1 ) + t•x(t x(t1 + t) x(t ( 1) True function x(t)
Inertial X Mass center
Xv, Yv (inertial coordinates)
MacAdam’s d ’ 驾驶员模型
target path driver model Full response uc Full vehicle dynamics simulation u fo X v , Y v, V x , V y , , u fo , u ro