汽車電子控制系統(tǒng)的離線仿真設計精講課件

1、汽車電子控制系統(tǒng)的汽車電子控制系統(tǒng)的離線仿真設計離線仿真設計提綱提綱n“仿真仿真”與與“離線仿真離線仿真” n離線仿真技術在現代汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)中的作離線仿真技術在現代汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)中的作用用 n系統(tǒng)建模與離線仿真設計的方法系統(tǒng)建模與離線仿真設計的方法 n離線仿真設計實例離線仿真設計實例n離線仿真設計中需要注意的問題離線仿真設計中需要注意的問題 n總結總結 1. 1. “仿真仿真”與與“離線仿真離線仿真” n仿真（仿真（Simulation）：利用）：利用模型模型復現實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質復現實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或設計中的系過程，并通過對系統(tǒng)模型

2、的實驗來研究存在的或設計中的系統(tǒng)，又稱模擬。統(tǒng)，又稱模擬。 仿真模型是被仿真對象的相似物、結構形式或其參數關仿真模型是被仿真對象的相似物、結構形式或其參數關系形式，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）或者或者數學模型數學模型（數學仿真）（數學仿真）。1.1 “仿真仿真”的概念的概念 仿真的過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。仿真的過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。n離線仿真：借助計算機和仿真軟件向仿真數學模型輸入參數離線仿真：借助計算機和仿真軟件向仿真數學模型輸入參數值，從而非實時地模擬實際系統(tǒng)運行規(guī)律的仿真方法叫做離值，從而非實時

3、地模擬實際系統(tǒng)運行規(guī)律的仿真方法叫做離線仿真。線仿真。n在線仿真：指實時控制模型的仿真而非用軟件模擬。在線仿真：指實時控制模型的仿真而非用軟件模擬。1.2 離線仿真（離線仿真（off-line simulation）2.2.離線仿真技術在現代汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)中的作用離線仿真技術在現代汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)中的作用 2.1 現代汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)技術及過程簡介現代汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)技術及過程簡介 2.1.1 汽車電子控制系統(tǒng)一般的開發(fā)技術汽車電子控制系統(tǒng)一般的開發(fā)技術n一般的一般的ECU開發(fā)方法，包括下列主要步驟：開發(fā)方法，包括下列主要步驟： n（1）由系統(tǒng)工程師根據客戶要求用文字）由系統(tǒng)

4、工程師根據客戶要求用文字說明的方式定義系統(tǒng)功能和設計目標；說明的方式定義系統(tǒng)功能和設計目標； n（2）構建系統(tǒng)模型并仿真；）構建系統(tǒng)模型并仿真； n（3）確定）確定ECU硬件和軟件功能；硬件和軟件功能；n（4）由硬件人員設計開發(fā)硬件電路，完）由硬件人員設計開發(fā)硬件電路，完成電磁兼容設計與測試等工作；成電磁兼容設計與測試等工作； n（5）由控制工程師設計控制方案，并將）由控制工程師設計控制方案，并將控制規(guī)律（方程）用離散形式描述；控制規(guī)律（方程）用離散形式描述； n（6）由軟件人員采用手工編程的方式實）由軟件人員采用手工編程的方式實現控制算法，形成控制程序代碼；現控制算法，形成控制程序代碼； n

5、（7）將程序代碼下載到）將程序代碼下載到ECU硬件電路中，硬件電路中，或與仿真器一起構成在線調試系統(tǒng)；或與仿真器一起構成在線調試系統(tǒng)； n（8）用真實控制對象或試驗臺架對）用真實控制對象或試驗臺架對ECU進行靜態(tài)和動態(tài)的試驗和測試；進行靜態(tài)和動態(tài)的試驗和測試；n（9）修改設計，重復上述某些過程，直）修改設計，重復上述某些過程，直至符合要求。至符合要求。ECU產品開發(fā)流程圖產品開發(fā)流程圖2.1.2 汽車電子產品軟件開發(fā)的汽車電子產品軟件開發(fā)的“V”模式流程模式流程 功能設計快速原型目標代碼生成標定硬件在回路（HIL）仿真汽車汽車ECU的的V模式的開發(fā)流程模式的開發(fā)流程“V”模式開發(fā)流程分為五模式

6、開發(fā)流程分為五個階段，即：個階段，即： 功能設計功能設計 快速原型仿真快速原型仿真 目標代碼生成目標代碼生成 硬件在回路仿真硬件在回路仿真HIL 標定標定/實驗實驗設計循環(huán)中持續(xù)設計循環(huán)中持續(xù)verification(verification(核核實）實）& validation (& validation (確認）確認）n功能設計階段：功能設計階段： 主要使用主要使用MATLAB提供的提供的Simulink、Stateflow等工具，等工具，完成控制方案的設計、功能模塊的設計、控制算法的設計等完成控制方案的設計、功能模塊的設計、控制算法的設計等任務，并完成基于方框圖的離線仿真

7、工作。任務，并完成基于方框圖的離線仿真工作?？焖僭头抡骐A段：快速原型仿真階段： 目的是在一個實時硬件平臺上驗證功能設計階段形成控制目的是在一個實時硬件平臺上驗證功能設計階段形成控制軟件的性能，并修改控制設計、優(yōu)化控制方案。使用如軟件的性能，并修改控制設計、優(yōu)化控制方案。使用如dSPACE等開發(fā)工具提供的快速控制原型等開發(fā)工具提供的快速控制原型RCP(Rapid Control Prototyping)完成在線仿真。完成在線仿真。 在將控制原型或仿真模型從離線仿真轉到實時仿真，需要在將控制原型或仿真模型從離線仿真轉到實時仿真，需要 用用dSPCACE 的實時接口庫的實時接口庫 RTI（Real

8、-Time Interface）通過）通過圖標的方式來指定用戶圖標的方式來指定用戶 I/O。用。用RTI與與 MathWorks 的的RTW（Real-Time Workshop）共同生成）共同生成 dSPACE 硬件所需的代碼。硬件所需的代碼。實時接口實時接口 RTI通過圖標通過圖標的方式來指定用戶的方式來指定用戶 I/O。在在RCP中：中： 控制器硬件控制器硬件并非為實際產品控制器并非為實際產品控制器 控制軟件控制軟件離線仿真成果離線仿真成果 被控對象被控對象實際車輛的被控系統(tǒng)或臺架模擬系統(tǒng)實際車輛的被控系統(tǒng)或臺架模擬系統(tǒng)目的是驗證控制軟件的實時控制功能，目的是驗證控制軟件的實時控制功能，

9、dSPACE的仿真的仿真對象是控制器硬件。對象是控制器硬件?？焖僭涂刂茟糜趯嶋H車輛對象快速原型控制應用于實際車輛對象從從Matlab/Simulink/Stateflow框圖直接生成產品級代碼框圖直接生成產品級代碼;相當于手寫的相當于手寫的ANSI C代碼，支代碼，支持定點和浮點運算；持定點和浮點運算；應用應用Target Optimization Modules可以針對特定目標平可以針對特定目標平臺進行優(yōu)化；臺進行優(yōu)化；通過通過Target Simulation Module可以在目標板上測試可以在目標板上測試生成的代碼。生成的代碼。n目標代碼生成階段：目標代碼生成階段： 主要使用主要使

10、用dSPACE提供的代碼生成工具提供的代碼生成工具 TargetLink軟件軟件完成目標代碼自動生成功能。完成目標代碼自動生成功能。TargetLinkn硬件在回路（環(huán)）仿真硬件在回路（環(huán)）仿真HILS階段：階段： HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation） 真實的控制器（即產品控制器硬件真實的控制器（即產品控制器硬件+控制軟件）開發(fā)出來后，控制軟件）開發(fā)出來后，需要對其在需要對其在不同的工作條件不同的工作條件下進行更加全面的測試。這時可以下進行更加全面的測試。這時可以利用運行在實時計算機上的對象模型或環(huán)境模型，對控制器進利用運行在實時計算機上的對象模型或環(huán)境模

11、型，對控制器進行全方位測試。這個過程稱為行全方位測試。這個過程稱為 硬件在回路仿真硬件在回路仿真（HILS）。）。 “不同的工作條件不同的工作條件”指：嚴寒氣候、高溫氣候、極限測試、指：嚴寒氣候、高溫氣候、極限測試、失效測試，或在真實環(huán)境中測試費用較昂貴等，使測試難以進失效測試，或在真實環(huán)境中測試費用較昂貴等，使測試難以進行。行。在在HILS中：中： 控制器硬件控制器硬件實際產品控制器實際產品控制器 控制軟件控制軟件實際控制軟件實際控制軟件 被控對象被控對象多采用模擬系統(tǒng)及部分真實部件多采用模擬系統(tǒng)及部分真實部件該階段的仿真對象是被控對象，目的是實現對產品控制該階段的仿真對象是被控對象，目的是

12、實現對產品控制器的實時測試器的實時測試。 dSPACE dSPACE 的的 Simulator Simulator 是應用最廣泛的硬件在回路仿真器，是應用最廣泛的硬件在回路仿真器，利用它可模擬一臺虛擬的車輛作為控制的對象，在測試過程利用它可模擬一臺虛擬的車輛作為控制的對象，在測試過程中為保證仿真的實時性可加入一些真實的部件和負載，形成中為保證仿真的實時性可加入一些真實的部件和負載，形成半實物仿真并且模擬出一些故障，從而來實現對半實物仿真并且模擬出一些故障，從而來實現對 ECU ECU 的測試。的測試。 SimulatorSimulator也也是一個集成的測試環(huán)境，是一個集成的測試環(huán)境，包括：系

13、統(tǒng)模型（含發(fā)動機，汽車動包括：系統(tǒng)模型（含發(fā)動機，汽車動力學和路面模型等），實時硬件，信力學和路面模型等），實時硬件，信號調理、故障模擬單元，負載模擬單號調理、故障模擬單元，負載模擬單元，實驗軟件（具有實驗管理、硬件元，實驗軟件（具有實驗管理、硬件管理、自動化測試等功能）。管理、自動化測試等功能）。dSPACE 的的 Simulator一個自主開發(fā)的電動汽車控制一個自主開發(fā)的電動汽車控制器硬件在環(huán)實時仿真平臺器硬件在環(huán)實時仿真平臺硬件在環(huán)實時仿真平臺硬件在環(huán)實時仿真平臺n標定階段：標定階段： 該階段，針對實際應用的車輛控制對象采用標定系統(tǒng)對該階段，針對實際應用的車輛控制對象采用標定系統(tǒng)對ECU

14、進行最后的參數調整。進行最后的參數調整。 dSPACE的標定系統(tǒng)允許用戶對的標定系統(tǒng)允許用戶對ECU進行所有的標定和測試。進行所有的標定和測試。 開發(fā)步驟 MATLAB/Simulink 建立對象數學模型 設計控制方案 進行離線仿真第一步第一步開發(fā)步驟 保留需要下載到dSPACE中的模塊 用硬件接口關系代替原來的邏輯連接關系 對I/O進行配置 設定軟硬件中斷優(yōu)先級第二步第二步開發(fā)步驟dSPACE硬件硬件C代碼代碼C編編譯譯器器目目標標代代碼碼LoaderdSPACE實時硬件實時硬件MATLABSIMULINKRTW用戶C代碼Real Time Interface 利用RTW及dSPACE 提供

15、的RTI和自動生成代碼并下載第三步第三步開發(fā)步驟ControlDeskMatlab4 數據獲取數據獲取4 在線調參在線調參外接外接實物實物三維動畫三維動畫 dSPACE綜合實驗和測試環(huán)境第四步第四步創(chuàng)建被控對象的模型創(chuàng)建被控對象的模型控制對象理論模型的建立控制對象理論模型的建立初步控制系統(tǒng)設計初步控制系統(tǒng)設計通過離線仿真對控制系統(tǒng)測試通過離線仿真對控制系統(tǒng)測試生成模型實時代碼生成模型實時代碼通過通過ControlDesk 采集采集數據及觀測、修改變量數據及觀測、修改變量定義模型定義模型 I/OMatlab/dSPACE 集成開發(fā)環(huán)境n集成了機電閉環(huán)控制系統(tǒng)開發(fā)中所有的階段n代碼自動生成（Tar

16、getLink）n直接訪問實時系統(tǒng)CDPMATLABSIMULINKRTWRTIdSPACE tools 分析，設計，優(yōu)化 離線數據處理 基于方框圖的建模 離線仿真 從方框圖生成C代碼 針對 I/O HW 集成的模塊庫 自動代碼插入 ControlDesk: 實驗控制和自動測試 針對 MATLAB MLIB/MTRACE的接口CDP （控制系統(tǒng)開發(fā)包）軟件組件2.2 2.2 離線仿真的地位和作用離線仿真的地位和作用 在控制器開發(fā)過程中所處地位：在控制器開發(fā)過程中所處地位： 無論是傳統(tǒng)的控制器開發(fā)技術還是較為先進的無論是傳統(tǒng)的控制器開發(fā)技術還是較為先進的“V”模式模式開發(fā)技術，都離不開離線仿真環(huán)

17、節(jié)，都必須在設計的最初階段開發(fā)技術，都離不開離線仿真環(huán)節(jié)，都必須在設計的最初階段完成。是整個控制系統(tǒng)開發(fā)過程的第一步，在開發(fā)過程中具有完成。是整個控制系統(tǒng)開發(fā)過程的第一步，在開發(fā)過程中具有很重要的地位。在兩種開發(fā)技術流程中，系統(tǒng)功能設計完成后，很重要的地位。在兩種開發(fā)技術流程中，系統(tǒng)功能設計完成后，必須構建控制系統(tǒng)模型并利用計算機計算模擬技術，從理論上必須構建控制系統(tǒng)模型并利用計算機計算模擬技術，從理論上分析、判斷控制系統(tǒng)功能實現的可行性、控制方案選擇的正確分析、判斷控制系統(tǒng)功能實現的可行性、控制方案選擇的正確性，以便進一步給出控制器硬件和軟件設計功能要求。性，以便進一步給出控制器硬件和軟件設

18、計功能要求。 作用：作用：（1）是可以在理論設計階段就能判斷設計方案是否合理、可行，）是可以在理論設計階段就能判斷設計方案是否合理、可行，從而節(jié)省時間，使其后設計工作少走彎路，避免資金浪費，節(jié)從而節(jié)省時間，使其后設計工作少走彎路，避免資金浪費，節(jié)省開發(fā)費用。省開發(fā)費用。（2）在控制系統(tǒng)的構成、控制方法等方面的理論創(chuàng)新思想是否）在控制系統(tǒng)的構成、控制方法等方面的理論創(chuàng)新思想是否可行，可通過此階段做個理論仿真驗證?？尚?，可通過此階段做個理論仿真驗證。 3. 3. 系統(tǒng)建模與離線仿真設計的方法系統(tǒng)建模與離線仿真設計的方法 3.1 被控對象建模與特性分析被控對象建模與特性分析 建立被控對象模型的目的有

19、建立被控對象模型的目的有3個：個：（1）根據被控對象的結構和參數間關系構建控制系統(tǒng)，確）根據被控對象的結構和參數間關系構建控制系統(tǒng)，確定控制參數，選擇傳感器類型和執(zhí)行器的種類；定控制參數，選擇傳感器類型和執(zhí)行器的種類；（2）根據被控對象動態(tài)仿真結果分析其動態(tài)特性，選擇合）根據被控對象動態(tài)仿真結果分析其動態(tài)特性，選擇合適的控制方案；適的控制方案；（3）利用數學模型定量計算在控制器控制信號作用下，被）利用數學模型定量計算在控制器控制信號作用下，被控對象的輸出響應，以評判控制效果，優(yōu)選控制策略?？貙ο蟮妮敵鲰憫?，以評判控制效果，優(yōu)選控制策略。3.1.1 被控對象建模方法被控對象建模方法 在汽車電子控

20、制系統(tǒng)開發(fā)中，模型建立分為兩步：在汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)中，模型建立分為兩步： 建立數學模型；建立數學模型； 如根據驅動車輪建立的動力學方程：如根據驅動車輪建立的動力學方程： 根據數學模型構建圖形結構化仿真模型。根據數學模型構建圖形結構化仿真模型。（1）被控對象數學建模方法被控對象數學建模方法 一般而言，被控對象的數學建模方法有多種：機理分析法、直接相似一般而言，被控對象的數學建模方法有多種：機理分析法、直接相似法、系統(tǒng)辨識法、概率統(tǒng)計法、定性推理法、層次分析法等等。法、系統(tǒng)辨識法、概率統(tǒng)計法、定性推理法、層次分析法等等。()ZWwwxtdJTFF f Rdt 為了利用為了利用Simulink軟

21、件進行圖形化建立仿真計算模型，軟件進行圖形化建立仿真計算模型，同時便于根據被控對象的結構和參數間關系構建控制系統(tǒng)，同時便于根據被控對象的結構和參數間關系構建控制系統(tǒng)，確定控制參數，選擇傳感器類型和執(zhí)行器的種類，多以確定控制參數，選擇傳感器類型和執(zhí)行器的種類，多以機機理分析法理分析法建立其數學模型。建立其數學模型。 機理分析法機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：它是在若干簡若干簡化假定條件下化假定條件下，以，以各學科專業(yè)知識為基礎各學科專業(yè)知識為基礎，通過分析系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)變量間的關系和運動規(guī)律，而獲得解析型數學模型的方法。變量間的關系和運動規(guī)律，而獲得解析型數學

22、模型的方法。 n機理分析法建立數學模型步驟：機理分析法建立數學模型步驟：（1）分析系統(tǒng)功能、原理，對系統(tǒng)做出與建模目標相關的描述；）分析系統(tǒng)功能、原理，對系統(tǒng)做出與建模目標相關的描述；（2）找出系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量；）找出系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量；（3）按照系統(tǒng)（部件、元件）遵循的理論規(guī)律列寫出各部分微）按照系統(tǒng)（部件、元件）遵循的理論規(guī)律列寫出各部分微分方程或傳遞函數等；分方程或傳遞函數等；（4）消除中間變量，得到初步數學模型；）消除中間變量，得到初步數學模型；（5）進行模型標準化。如對于微分方程，應使：）進行模型標準化。如對于微分方程，應使： 輸入量與輸出量多項式分別處于方程兩端；輸入

23、量與輸出量多項式分別處于方程兩端； 變量按降階排列；變量按降階排列； 最高階項的系數等于最高階項的系數等于1。（6）進行檢驗，必要時修改模型。）進行檢驗，必要時修改模型。 建模舉例建模舉例 建立用輪轂電機（或電機加輪邊減速器）驅動的電建立用輪轂電機（或電機加輪邊減速器）驅動的電動轎車在轉向時，后輪的差速模型。動轎車在轉向時，后輪的差速模型。1212sinsin11sin22sinllrr轉向時，左右兩輪的理論轉速關系：轉向時，左右兩輪的理論轉速關系：2121sinsin即即問題：能否直接用車輪轉角作為控制參數？問題：能否直接用車輪轉角作為控制參數？車輛坐標系車輛坐標系第一步：建立數學模型第一步

24、：建立數學模型224113sincos()yxiiyiiyiiiixFFFmvv 224113222111143sin( 1)cos( 1)22 coscos( 1)sin22fiirzzxiixiixifiiiffiyiiyiiyiifiiiryiiddIlFFFddlFFFlF（1）轉彎時的側向動力學方程：）轉彎時的側向動力學方程：（2）轉彎時的橫擺運動的動態(tài)方程：）轉彎時的橫擺運動的動態(tài)方程：2241132221111431(sin( 1)cos( 1)22 coscos( 1)sin22 )fiirxiixiixifiiizzffiyiiyiiyiifiiiryiiddlFFFIddl

25、FFFlF2241131(sincos)xiiyiiyixiiiFFFm v 利用關系利用關系 對上兩式簡化后，有對上兩式簡化后，有arctanyyxxvvvv1234()cos()sin2()cos()sin222fxywffffxywfffrxwrxwdvvvldvvvldvvdvv（3）各車輪的線速度）各車輪的線速度()xiiziyiiiFFFC 22()2ipppii （3）車輪切向力與側向力）車輪切向力與側向力地面附著系數采用：地面附著系數采用：123422222222y rsxsrzfy rsxsrzfysffxszrysffxszrm a l hm a hm glFlldlm a

26、 l hm a hm glFlldlm glm a l hm a hFlldlm glm a l hm a hFlldl（4）車輪法向力）車輪法向力12342222ffffffy rsrzy rsrzyszryszrm a l hm glFlldm a l hm glFlldm a l hm glFlldm a l hm glFlldyydvydtav當轉向無加速無制動時，可簡化為當轉向無加速無制動時，可簡化為其中：其中：()(1,2,3,4)()WWWiWWwiwiwiwiwiwiwiwiwiwiRvvRRivRvRv（5）車輪的滑動率（滑轉率和滑移率的通稱）車輪的滑動率（滑轉率和滑移率的通

27、稱）112234fxfxxrlvlvlv （5）車輪側偏角）車輪側偏角 在側向力作用下，各輪胎側向變形所引起在側向力作用下，各輪胎側向變形所引起的側偏角近似按下式計算：的側偏角近似按下式計算：2cossin21.15xxdtC AdVFmgfVmgmdt （6）汽車運動方程）汽車運動方程221.15xxdtC AdVFmgfVmdt在水平路面轉彎時在水平路面轉彎時3333331()WZWWwxtdRTFFfJJdt4444441()WZWWwxtdRTFFfJJdt（7）車輪的運動方程）車輪的運動方程第二步：確定被控系統(tǒng)的輸入參數和輸出參數第二步：確定被控系統(tǒng)的輸入參數和輸出參數 輸入參數：車

28、輪轉向角輸入參數：車輪轉向角1（或（或2） 左右后車輪驅動力矩左右后車輪驅動力矩Tt3和和Tt4 輸出參數：輸出參數： 左右后左右后車輪轉速車輪轉速3和和4 系統(tǒng)中的狀態(tài)參數：其余的變量參數系統(tǒng)中的狀態(tài)參數：其余的變量參數第三步：根據數學模型，用第三步：根據數學模型，用Simulink建立仿真計算模型建立仿真計算模型 整車后輪差速整車后輪差速仿真模型仿真模型前輪左右轉向角關系模型前輪左右轉向角關系模型左右輪無滑轉無滑移的期望轉速計算模型左右輪無滑轉無滑移的期望轉速計算模型四個車輪的側偏角仿真計算模型四個車輪的側偏角仿真計算模型整車驅動力仿真計算模型整車驅動力仿真計算模型車身縱向速度仿真計算模型

29、（車輛動力學方程）車身縱向速度仿真計算模型（車輛動力學方程）車輪法向力仿真計算模型車輪法向力仿真計算模型左右車輪滑移和滑轉率仿真計算模塊左右車輪滑移和滑轉率仿真計算模塊 為方便大家進一步學習對象建模方法，推薦為方便大家進一步學習對象建模方法，推薦幾本有關被控對象建模的圖書：幾本有關被控對象建模的圖書：1. 動力學系統(tǒng)建模與仿真動力學系統(tǒng)建模與仿真黎明安黎明安 編著編著n國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社n出版時間出版時間 20122. 喻凡喻凡,林逸林逸.汽車系統(tǒng)動力學汽車系統(tǒng)動力學. 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社,2005年年3. MATLAB/Simulink建模與仿真建模與仿真n張德豐張德豐

30、編著編著n電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社n出版時間出版時間 20094. MATLAB建模與仿真應用建模與仿真應用 n王中鮮王中鮮主編主編n機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社n出版時間出版時間 20103.2 控制方法和控制模型控制方法和控制模型 3.2.1 控制方法及其選擇控制方法及其選擇 控制方法的多樣化有利于控制的應用，但卻增加了設控制方法的多樣化有利于控制的應用，但卻增加了設計應用時的選擇困難。根據什么原則和方法進行選擇呢？計應用時的選擇困難。根據什么原則和方法進行選擇呢？大體可從以下幾個主要方面考慮大體可從以下幾個主要方面考慮 ： ( 1 ) 考慮系統(tǒng)的控制任務；考慮系統(tǒng)的控制任務； ( 2

31、 ) 考慮系統(tǒng)的應用需要；考慮系統(tǒng)的應用需要； ( 3 ) 考慮系統(tǒng)的性能指標；考慮系統(tǒng)的性能指標； ( 4 ) 考慮系統(tǒng)的實現手段；考慮系統(tǒng)的實現手段； ( 5 ) 考慮系統(tǒng)的綜合性能?？紤]系統(tǒng)的綜合性能。 以簡單有效、控制實時性強、設計容易為原則。以簡單有效、控制實時性強、設計容易為原則。 首先根據具體的應用問題確定采用的控制方式是傳統(tǒng)控首先根據具體的應用問題確定采用的控制方式是傳統(tǒng)控制還是智能控制制還是智能控制 。 傳統(tǒng)的反饋控制和自適應控制在理論和技術上是比較成傳統(tǒng)的反饋控制和自適應控制在理論和技術上是比較成熟的，熟的， 但在復雜的對象控制中傳統(tǒng)的控制就顯得無能為力而但在復雜的對象控制

32、中傳統(tǒng)的控制就顯得無能為力而智能控制在解決諸如不確定的或難定義的過程控制、非線性智能控制在解決諸如不確定的或難定義的過程控制、非線性被控對象控制、被控對象控制、 隨時間變化的過程控制等復雜過程控制方面隨時間變化的過程控制等復雜過程控制方面具有獨特的能力具有獨特的能力 。 根據應用系統(tǒng)的控制任務的復雜程度來確定采用傳統(tǒng)控根據應用系統(tǒng)的控制任務的復雜程度來確定采用傳統(tǒng)控制還是采用智能控制方式相對比較容易。可是，往往會出現制還是采用智能控制方式相對比較容易。可是，往往會出現這樣的情況，同樣確定的非線性系統(tǒng)既可用傳統(tǒng)控制也可用這樣的情況，同樣確定的非線性系統(tǒng)既可用傳統(tǒng)控制也可用智能控制，這時可考慮各方

33、面的因素綜合選擇。智能控制，這時可考慮各方面的因素綜合選擇。 n(1) (1) 傳統(tǒng)控制理論和技術比較成熟，系統(tǒng)設計和實現手段此較容易，但傳統(tǒng)控制理論和技術比較成熟，系統(tǒng)設計和實現手段此較容易，但控制系統(tǒng)缺乏適應各種變化的能力；控制系統(tǒng)缺乏適應各種變化的能力； n(2) (2) 智能控制理論和技術比較新，很多理論和技術需要不斷地改進和完智能控制理論和技術比較新，很多理論和技術需要不斷地改進和完善，但用智能控制技術所構成的控制系統(tǒng)可有各種不同程度的智能，即善，但用智能控制技術所構成的控制系統(tǒng)可有各種不同程度的智能，即參數、結構、環(huán)境的自適應控制、最優(yōu)控制、自組織控制、自學習控制、參數、結構、環(huán)境

34、的自適應控制、最優(yōu)控制、自組織控制、自學習控制、甚至自創(chuàng)造控制等，這有利于提高控制系統(tǒng)的應用和解決復雜系統(tǒng)的控甚至自創(chuàng)造控制等，這有利于提高控制系統(tǒng)的應用和解決復雜系統(tǒng)的控制；制； n(3) (3) 在不增加成本或少增加成本的前提下，采用智能控制技術可大大改在不增加成本或少增加成本的前提下，采用智能控制技術可大大改善系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的性能價格比，有利于產品參與市場競爭。智善系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的性能價格比，有利于產品參與市場競爭。智能控制是未來控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。能控制是未來控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 (4)(4)以學習控制為例：學習的速度、學習的復雜性以學習控制為例：學習的速度、學習的復雜性

35、( (即學習容易和不容即學習容易和不容易易) )、學習的類型、學習的穩(wěn)定性、學習的精度等進行的選擇。、學習的類型、學習的穩(wěn)定性、學習的精度等進行的選擇。 3.2.2 控制仿真模型設計控制仿真模型設計 （1）能建立數學模型的控制模型）能建立數學模型的控制模型 根據數學模型用根據數學模型用Simulink搭建控制仿真模型結構搭建控制仿真模型結構 以以PID控制為例，其控制器輸出（控制量）控制為例，其控制器輸出（控制量）u(t)與輸出與輸出控制量的實際輸出值控制量的實際輸出值c(t)和期望值和期望值r(t) 的偏差的偏差e(t)=r(t)c(t) 間間的關系為的關系為01d ( )( )( )( )

36、ddtpdie tu tke tetTTt其PID控制仿真模型為：控制仿真模型為： 控制模型參數設置控制模型參數設置 控制算法效果好壞不僅取決于控制方法的選擇，還決定控制算法效果好壞不僅取決于控制方法的選擇，還決定與控制模型參數選擇是否恰當，如與控制模型參數選擇是否恰當，如PID控制模型中的參數控制模型中的參數KP、Ti、Td對控制性能影響很大，準確的選擇需要在方法上、經對控制性能影響很大，準確的選擇需要在方法上、經驗上的積累，因此，在離線仿真和后階段的實時在線仿真期驗上的積累，因此，在離線仿真和后階段的實時在線仿真期間，必須認真且耐心地反復選擇、整定參數和試驗驗證。間，必須認真且耐心地反復選

37、擇、整定參數和試驗驗證。 就就PID而言，參數整定的方法很多，有試湊法、臨界比而言，參數整定的方法很多，有試湊法、臨界比例法、衰減曲線法、例法、衰減曲線法、Ziegler-Nichols整定法等，各種方法大整定法等，各種方法大都按照都按照“先先P后后I再再D”的順序調整相應的參數，直至最佳值。的順序調整相應的參數，直至最佳值。例如：采用齊格勒尼科爾斯方法例如：采用齊格勒尼科爾斯方法 (Ziegler-NicholsZiegler-Nichols法法) )整定整定PIDPID參數的步驟為參數的步驟為(l)(l)將控制器的積分時間常數將控制器的積分時間常數T Ti i置于最大置于最大(T(Ti i

38、=),=),微分時間常數微分時間常數T Td d置零置零(T(Td d=0),=0),比例比例系數系數K KP P置于適當值置于適當值, ,運行系統(tǒng)。運行系統(tǒng)。(2)(2)將比例增益將比例增益K KP P逐漸減小逐漸減小, ,直至得到等幅震蕩過程直至得到等幅震蕩過程, ,記下此時的臨界增益記下此時的臨界增益K Ku u和臨界和臨界震蕩周期震蕩周期T Tu u。(3)(3)根據根據K Ku u和和T Tu u值值, ,按照下表中的經驗公式按照下表中的經驗公式, ,計算出控制器各參數計算出控制器各參數, ,即即K KP P、T Ti i、T Td d值。值。(4)(4)通過試驗，對所定參數作進一步

39、的微調，直至最佳。通過試驗，對所定參數作進一步的微調，直至最佳?？刂破黝愋蚄PTiTdP0.5K Ku u0PI0.455K Ku u0.833T Tu u0PID0.6K Ku u0.5T Tu u0.125T Tu u（2）不能用數學表達式描述的控制模型）不能用數學表達式描述的控制模型 模糊控制、專家控制就是屬于這類情況。模糊控制、專家控制就是屬于這類情況。 如模糊控制規(guī)則：如模糊控制規(guī)則： 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 a

40、nd EC is ZO then CU is NB L4： If E is ZO and EC is PB then CU is PB 可以用以下辦法建模：可以用以下辦法建模： 利用利用SimulinkSimulink模型庫中的表格模塊庫（模型庫中的表格模塊庫（Lookup Lookup TablesTables），通過映射方式，以），通過映射方式，以n n維輸入的條件確定控制的模糊量。維輸入的條件確定控制的模糊量。 利用利用MATLAB中的模糊邏輯控制工具箱來建模，在模中的模糊邏輯控制工具箱來建模，在模糊推理系統(tǒng)編輯器中完成模糊控制器設計，再在糊推理系統(tǒng)編輯器中完成模糊控制器設計，再在Sim

41、ulinkSimulink環(huán)境環(huán)境下調用該模糊控制器模塊來建模。下調用該模糊控制器模塊來建模。（3）多種控制方法組合應用的控制模型）多種控制方法組合應用的控制模型 由于被控對象運動規(guī)律的復雜性和單一控制方法的局限性，由于被控對象運動規(guī)律的復雜性和單一控制方法的局限性，實際控制設計中往往考慮把多種控制方法相結合所構成的控實際控制設計中往往考慮把多種控制方法相結合所構成的控制方案。如：神經網絡與制方案。如：神經網絡與PID復合控制、模糊與復合控制、模糊與PID的復合控的復合控制等等。制等等。 模糊與模糊與PID的復合控制原理圖的復合控制原理圖模糊與模糊與PID的復合控制仿真模型的復合控制仿真模型（

42、4）同一過程的多模式控制模型）同一過程的多模式控制模型 在設計控制模型的時候，應該分析被控過程在不同在設計控制模型的時候，應該分析被控過程在不同階段的性能特性，然后針對性的選擇不同的控制方法和模型。階段的性能特性，然后針對性的選擇不同的控制方法和模型。 例例1 1：異步電動機軟起動模糊：異步電動機軟起動模糊+PID+PID的組合控制原理就是一個雙模式控制的典的組合控制原理就是一個雙模式控制的典型例子。型例子。 異步電動機調速是采用改變晶閘管導通角的異步電動機調速是采用改變晶閘管導通角的PIDPID控制方法，在正常運行調速控制方法，在正常運行調速階段，控制效果良好。但由于電動機和晶閘管交流調壓裝

43、置的數學模型是非線性階段，控制效果良好。但由于電動機和晶閘管交流調壓裝置的數學模型是非線性的，起動過程中反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數學模型，的，起動過程中反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數學模型，PIDPID參數整參數整定比較困難，部分參數會隨工作點的變化而變化。因此，啟動階段控制效果不好，定比較困難，部分參數會隨工作點的變化而變化。因此，啟動階段控制效果不好，瞬間沖擊電流大。采用模糊控制來實現電機軟起動控制后，效果明顯改善。瞬間沖擊電流大。采用模糊控制來實現電機軟起動控制后，效果明顯改善。 模糊模糊PIDPID雙模式控制器的設計思想是雙模式控制器的設計思想是: : 在起動的初期

44、和中期在起動的初期和中期(t(tt t0 0) ) ，采用模糊控制使起動電流限制在指定的范圍內，系統(tǒng)按模糊控制方法進行采用模糊控制使起動電流限制在指定的范圍內，系統(tǒng)按模糊控制方法進行有關的模糊推理和決策來確定晶閘管的觸發(fā)角有關的模糊推理和決策來確定晶閘管的觸發(fā)角。在起動過程后期。在起動過程后期(tt(tt0 0) ) 為了克服模糊控制出現的振蕩現象，加快響應速度和消除靜差采用為了克服模糊控制出現的振蕩現象，加快響應速度和消除靜差采用PIDPID控制控制來確定晶閘管的觸發(fā)角來確定晶閘管的觸發(fā)角 。模糊模糊PID雙模式控制原理框圖雙模式控制原理框圖模糊模糊PID雙模式控制雙模式控制Simulink

45、仿真結構圖仿真結構圖例例2：汽車自適應巡航系統(tǒng)的多模式切換控制：汽車自適應巡航系統(tǒng)的多模式切換控制 在復雜交通環(huán)境下，由于前車運動狀態(tài)和駕駛意圖的不可預知性，使得現有的自適應巡航控制(Adaptive cruise system , ACC)的應用受到限制，現有 ACC 系統(tǒng)大多由于控制模式單一，算法及其參數并不具有自適應性，僅適用穩(wěn)態(tài)跟車工況。 多模式自適應巡航控制是在現有ACC控制器的基礎上增加模式切換層，將車輛縱向運動狀態(tài)劃分為六種情況：定速巡航、穩(wěn)態(tài)跟隨、接近前車、強加速、強減速和避撞，且分別設計了六種控制模式，使控制器根據實際工況條件選擇最優(yōu)的控制模式，并采用加速度加權平均算法提高模

46、式切換的準確性和輸出連續(xù)性?；诿糠N模式側重的控制目標，設計相應的上位控制器并對其控制參數進行整定，從而改善了系統(tǒng)整體的控制品質。有關控制設計的參考書目：韋巍,何衍編.智能控制基礎.清華大學出版社,2008年趙景波編.MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計.機械工業(yè)出版社,2010年張聚.基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真及應用.電子工業(yè)出版社,2012年夏瑋等. MATLAB控制系統(tǒng)仿真與實例詳解.人民郵電出版社,2008年張秀峰等. MATLAB機電控制系統(tǒng)技術與應用.清華大學出版社,2011年洪乃剛.電力電子電機控制系統(tǒng)仿真技術.機械工業(yè)出版社,2013年3.3 電子控制系統(tǒng)的離線仿真實現手段電子控制系統(tǒng)的離線仿真實現手段（1） dSPACE公司的實時仿真系統(tǒng)公司的實時仿真系統(tǒng) 該系統(tǒng)是基于MATLAB/Simulink開發(fā)的半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接，可提供離線仿真功能。（2）采用）采用MATLAB/Simulink商業(yè)軟件商業(yè)軟