導(dǎo)語：如何才能寫好一篇混合動(dòng)力能量管理策略，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：混聯(lián)式混合動(dòng)力；叉車；控制策略；能量管理

中圖分類號(hào)：TH242，TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.06.04

傳統(tǒng)的內(nèi)燃叉車以內(nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿Γm然動(dòng)力性能佳，但是尾氣排放和噪聲對(duì)環(huán)境污染大。電動(dòng)叉車雖然對(duì)環(huán)境污染較小，但是由于電池技術(shù)的限制，功率小，作業(yè)時(shí)間短?；旌蟿?dòng)力叉車結(jié)合了內(nèi)燃叉車和電動(dòng)叉車兩者的優(yōu)點(diǎn)，不僅保證了動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性也得到了提高，并且減小了對(duì)環(huán)境的危害[1] 。

混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車是一種同時(shí)具有串聯(lián)式混合動(dòng)力叉車和并聯(lián)式混合動(dòng)力叉車特征的車輛，其內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)可以分別單獨(dú)工作，或者共同工作，并且內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械能可以通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能給電池組充電或供電機(jī)使用?；炻?lián)式混合動(dòng)力叉車含有3個(gè)動(dòng)力單元：內(nèi)燃機(jī)、牽引電機(jī)、油泵電機(jī)，它們的工作模式在混合動(dòng)力叉車工作的過程中是動(dòng)態(tài)變化的，因此混合動(dòng)力叉車的運(yùn)行特性較復(fù)雜，而且混合動(dòng)力叉車包含了內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電池等多個(gè)被控對(duì)象，控制難度較大。再者，混合動(dòng)力叉車與混合動(dòng)力汽車相比多了起升下降裝置，工作模式變得復(fù)雜，能量管理的難度也隨之加大。圖1是一種混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車系統(tǒng)方案圖。叉車正常行駛時(shí)與汽車的控制策略類似，可以工作在內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或者混合驅(qū)動(dòng)3種模式下，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的最優(yōu)控制，對(duì)電池的在線充電以及制動(dòng)時(shí)的能量回收。而叉車處于作業(yè)狀態(tài)時(shí)，需要內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)或者與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，進(jìn)行起升或者下降的動(dòng)作，下降時(shí)候的勢(shì)能可以進(jìn)行回收。在行駛和作業(yè)的過程中，油泵電機(jī)都可以作為發(fā)電機(jī)給電池組充電。

混合動(dòng)力叉車的控制策略與汽車有類似之處，混合動(dòng)力汽車的控制策略是混合動(dòng)力汽車控制領(lǐng)域中研究得最多的內(nèi)容之一[2]。混合動(dòng)力叉車由于工作模式和多個(gè)被控對(duì)象協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜性，幾種在混合動(dòng)力汽車上運(yùn)算量較大的控制策略，例如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)最優(yōu)控制算法的控制策略[3-8]，在混合動(dòng)力叉車上的運(yùn)用受到很大的限制，因此目前主要還是基于規(guī)則的控制策略。根據(jù)模式分層管理[9-12]的思想，提出了分層式邏輯規(guī)則能量管理策略，并且在Matlab/Stateflow仿真環(huán)境下搭建了整車控制器的仿真模型。最終基于前向式混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車仿真平臺(tái)和JB/T 3300―92循環(huán)工況下進(jìn)行的仿真過程驗(yàn)證了混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的控制策略。

1 基于模式分層的混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車的控 制策略

模式分層控制策略可以將叉車的工作模式按照不同的層次分為多個(gè)獨(dú)立的工作模式及其子模式，各模式之間根據(jù)外界輸入和叉車狀態(tài)的改變而實(shí)現(xiàn)遷移。因此確定混合動(dòng)力叉車所有的工作狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件至關(guān)重要。提出的混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車的控制策略包括兩部分：一部分是模式管理策略，模式管理策略依據(jù)當(dāng)前整車各個(gè)部件運(yùn)行的狀態(tài)以及駕駛員的操作來決定叉車工作的最佳工作模式。另一部分是協(xié)調(diào)控制策略，協(xié)調(diào)控制策略依據(jù)混合動(dòng)力叉車不同的工作模式計(jì)算內(nèi)燃機(jī)、牽引電機(jī)、油泵電機(jī)所需求的轉(zhuǎn)矩，并且控制制動(dòng)時(shí)的能量回收。因此，混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車工作模式的劃分、模式管理策略和協(xié)調(diào)控制策略構(gòu)成了混合動(dòng)力叉車控制的基礎(chǔ)。

1.1 混合動(dòng)力叉車工作模式分層

根據(jù)圖1所示的混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車系統(tǒng)方案，確定了7種在實(shí)際作業(yè)中常出現(xiàn)的工作狀態(tài)：輕載驅(qū)動(dòng)、重載驅(qū)動(dòng)（定義叉取的貨物大于2 t時(shí)為重載）、怠速、輕載起升、重載起升、輕載下降、重載下降。混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車的一個(gè)主要特征是能夠?qū)崿F(xiàn)在線充電的功能，電池是一個(gè)重要的被控對(duì)象，要求內(nèi)燃機(jī)、牽引電機(jī)、油泵電機(jī)等關(guān)鍵部件在不同的電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）水平下有不同的工作模式，因此基于電池充分發(fā)揮性能和最大使用壽命的原則，將SOC分為3個(gè)層次，混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車就有了21個(gè)基本子模式。為了在實(shí)際叉車運(yùn)行的過程中能夠有效地實(shí)現(xiàn)這21個(gè)子模式的控制，采用分層決策的思想，將21個(gè)子模式分層。驅(qū)動(dòng)模式、起升模式、下降模式控制量以及能量流動(dòng)路徑有很大的區(qū)別，定為3個(gè)一級(jí)子模式。在驅(qū)動(dòng)模式中為了更好地控制內(nèi)燃機(jī)，將怠速這一模式單獨(dú)劃分出來。各個(gè)模式又依據(jù)有無負(fù)載和SOC的狀態(tài)逐級(jí)向下劃分，達(dá)到能量的最優(yōu)控制。具體的分層模式如圖2所示。在混合動(dòng)力叉車實(shí)際的作業(yè)過程中，控制策略根據(jù)駕駛員對(duì)驅(qū)動(dòng)力、起升下降力以及制動(dòng)力的需求、車輛當(dāng)前狀態(tài)、電池狀態(tài)等條件來決定叉車的工作狀態(tài)。

1.2 各模式能量管理

正常行駛模式下內(nèi)燃機(jī)為主要的動(dòng)力源，牽引電機(jī)作為輔助動(dòng)力源使用，在較高的SOC水平下，它與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)叉車行駛。牽引電機(jī)的工作點(diǎn)與SOC的值有關(guān)，當(dāng)SOC處于0.8～1.0之間時(shí)，牽引電機(jī)在加速踏板行程大于0.5時(shí)開始工作，而在SOC處于0.3～0.8之間時(shí)，工作點(diǎn)提高到了0.6。在SOC處于0.3以下時(shí)，牽引電機(jī)停止工作，并且內(nèi)燃機(jī)的油門開度只有踏板模擬量的一半，強(qiáng)制減小車速，及時(shí)提醒駕駛員應(yīng)該停車充電。內(nèi)燃機(jī)除了驅(qū)動(dòng)叉車外，在輕載行駛和SOC低于0.8的情況下，拖動(dòng)油泵電機(jī)給電池組充電，充電的程度依據(jù)SOC值的不同而不同，SOC高于0.3時(shí)，表征充電程度的充電系數(shù)為-0.05，SOC低于0.3時(shí)，此系數(shù)達(dá)到了-0.15。充電過程只有在電磁離合器閉合的狀態(tài)才能進(jìn)行，而電磁離合器只有在內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 200 r/min時(shí)才閉合。在重載驅(qū)動(dòng)模式中，需要大量的能量用于驅(qū)動(dòng)，因此，內(nèi)燃機(jī)不給電池組充電。

怠速模式下牽引電機(jī)不工作，加速踏板行程通常情況下較小，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速很低，但是為了能夠在較低SOC水平下拖動(dòng)油泵電機(jī)給電池組充電，在SOC低于0.8時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)提升至1 100 r/min。充電的程度與SOC的值相關(guān)，當(dāng)SOC高于0.3時(shí)，充電系數(shù)為-0.1，而SOC低于0.3時(shí)，充電系數(shù)為-0.5。在充電的情況下，電磁離合器閉合。

起升模式下依據(jù)載荷情況分為輕載起升和重載起升，這兩種模式下牽引電機(jī)都不工作。輕載起升時(shí)，內(nèi)燃機(jī)一方面帶動(dòng)兩個(gè)液壓泵進(jìn)行起升的動(dòng)作，另一方面在SOC小于0.8時(shí)拖動(dòng)油泵電機(jī)給電池組充電，充電系數(shù)在SOC大于0.3時(shí)為-0.1，小于0.3時(shí)為-0.2，充電過程中控制內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速小于1 200 r/min。電磁離合器始終處于閉合的狀態(tài)。特別的是，在SOC小于0.3時(shí)，油門開度只有踏板量的一半，強(qiáng)制減小起升速度，提醒駕駛員應(yīng)該停止工作。重載起升時(shí)，內(nèi)燃機(jī)和油泵電機(jī)各帶一個(gè)液壓泵工作，油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與起升拉桿的開度近似成正比。因需要更多的能量進(jìn)行起升的工作，內(nèi)燃機(jī)不給泵電機(jī)充電，電磁離合器一直處于斷開的狀態(tài)。在SOC小于0.3時(shí)，強(qiáng)制減小節(jié)氣門開度。

下降模式下牽引電機(jī)停止工作，此模式依據(jù)載荷情況同樣可以分為輕載下降和重載下降。下降模式下，一般通過下降的勢(shì)能來給電池組充電，并且此時(shí)的油門開度較小[13-14]。但是，輕載下降時(shí)，由于勢(shì)能較小，僅僅依靠勢(shì)能不足以給電池組充電，因此在SOC小于0.8的情況下，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速被提升到1 100 r/min，電磁離合器閉合，內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)油泵電機(jī)給電池組充電。在SOC大于0.3時(shí)，充電系數(shù)為-0.1，SOC小于0.3時(shí)，充電系數(shù)為-0.5。在重載下降模式中，內(nèi)燃機(jī)在SOC大于0.3時(shí)提供一定的動(dòng)力，電磁離合器一直處于斷開狀態(tài)。電池組的充電依靠重物下降時(shí)液壓泵反拖油泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)這一過程。下降的快慢與下降拉桿的開度近似成正比。

1.3 協(xié)調(diào)控制策略

模式管理器確定了在不同的混合動(dòng)力叉車工作狀態(tài)的切換條件以及在特定的工作狀態(tài)下各個(gè)部件的工作模式，輸出的為節(jié)氣門開度因子、電機(jī)工作點(diǎn)、充電系數(shù)、離合器開關(guān)狀態(tài)，因此模式管理器不能完全直接地對(duì)能量進(jìn)行控制，需要依靠協(xié)調(diào)控制器中的協(xié)調(diào)控制策略來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的分配，制動(dòng)能量的回收。協(xié)調(diào)控制模塊以加速踏板位置信號(hào)、制動(dòng)踏板位置信號(hào)、節(jié)氣門開度因子、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)工作點(diǎn)、SOC為輸入，輸出為內(nèi)燃機(jī)油門開度信號(hào)、電機(jī)占空比、機(jī)械制動(dòng)信號(hào)。節(jié)氣門開度因子作為權(quán)重與加速踏板信號(hào)一起決定油門開度的大小。在正常行駛時(shí)，節(jié)氣門開度因子的值為1。需要強(qiáng)制減少車速時(shí)，此值為0.5。當(dāng)?shù)∷倌Ｊ脚c輕載下降模式在中SOC狀態(tài)下，此值為2，作為一個(gè)開關(guān)量切換到調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的PI控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)的控制節(jié)氣門開度，從而控制內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速在1 100 r/min左右；電機(jī)占空比是表征電機(jī)在整個(gè)工作過程中所占有的比例，它依據(jù)電機(jī)工作點(diǎn)來進(jìn)行換算。車輛減速制動(dòng)或下坡時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中，當(dāng)需求的減速度大于電機(jī)所能提供的最大減速度時(shí)，不足部分由機(jī)械制動(dòng)提供，共同完成減速停車。

2 仿真和結(jié)果分析

2.1 前向式混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車系統(tǒng)建模

整個(gè)前向仿真模型是依據(jù)整車動(dòng)力學(xué)，各個(gè)部件的工作原理以及能量在整個(gè)前向回路的流動(dòng)狀態(tài)，基于Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立的。前向式混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車仿真系統(tǒng)包括駕駛員、整車控制器、內(nèi)燃機(jī)、起升下降裝置、油泵電機(jī)、牽引電機(jī)、電池、整車動(dòng)力系統(tǒng)共8個(gè)模塊，這8個(gè)模塊又可以分為控制器、部件、動(dòng)力系統(tǒng)和起升下降系統(tǒng)4個(gè)部分，其中最重要的為控制器?；旌蟿?dòng)力叉車的控制器具有分層結(jié)構(gòu)，頂層為駕駛員的操作，中間層為整車控制器，底層為各個(gè)部件控制器。中間層的整車控制器依據(jù)頂層駕駛員的操作和整車動(dòng)力系統(tǒng)以及各個(gè)部件的狀態(tài)，根據(jù)混合動(dòng)力叉車的控制策略，向底層部件控制器發(fā)出指令，由部件控制器對(duì)各個(gè)部件實(shí)行控制，并且返回整車控制器的模式管理策略和協(xié)調(diào)控制策略所需要的狀態(tài)參數(shù)[15]。

混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車的模式管理器是以混合動(dòng)力叉車的狀態(tài)分類分層為基礎(chǔ)的，狀態(tài)切換過程具有離散事件的特征，因此整車控制器中的模式管理器仿真模型是基于Matlab/Stateflow建立的[15-16]。圖3建立了模式管理器的Stateflow模型。當(dāng)仿真開始執(zhí)行時(shí)，所有的系統(tǒng)都進(jìn)行初始化，默認(rèn)的狀態(tài)是正常行駛模式，隨后依次判斷轉(zhuǎn)移條件是否滿足從而執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移?；炻?lián)式混合動(dòng)力叉車控制策略的控制參數(shù)有起升信號(hào)（Lift_signal）、負(fù)載信號(hào)（Load_signal）、方向開關(guān)信號(hào)（Direction_signal）、當(dāng)前SOC。用形式語言來描述這4個(gè)參數(shù)，例如圖3中起升信號(hào)（Lift_signal）可以區(qū)分為3個(gè)輸入數(shù)據(jù)。（1）數(shù)據(jù)CL1：Lift_signal>0；（2）數(shù)據(jù)CL2：Lift_signal=0；（3）數(shù)據(jù)CL3：Lift_signal

在Simulink中構(gòu)建的整車模型的仿真平臺(tái)如圖4所示，Stateflow模型生成的控制邏輯可以直接嵌入到Simulink中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸與驅(qū)動(dòng)。圖中，最上方為循環(huán)工況模塊，駕駛員模型（包括起升信號(hào)、負(fù)載信號(hào)、方向開關(guān)信號(hào)的給定）和整車控制器模型；中間為內(nèi)燃機(jī)模塊、傳動(dòng)系統(tǒng)模塊以及整車動(dòng)力學(xué)模塊；最下方為起升下降裝置模塊、油泵電機(jī)模塊、牽引電機(jī)模塊以及電池模塊（電池模塊采用的是內(nèi)阻模型）

2.2 仿真研究

為了驗(yàn)證分層式規(guī)則邏輯能量控制策略對(duì)于混聯(lián)式混合動(dòng)力叉車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，使用JB/T 3300―92中的能耗試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定仿真循環(huán)工況，整個(gè)仿真時(shí)間為112 s，如圖5所示，進(jìn)行了仿真。整車參數(shù)見表1，另外內(nèi)燃機(jī)額定功率為46.9 kW，電池的額定電壓為80 V，容量為100 Ah。

圖6是目標(biāo)車速與最高車速的跟蹤圖，從圖中可以看出跟蹤效果很好，駕駛員模型中的PI控制發(fā)揮了很好的作用，能很好地反映真實(shí)的行駛狀況。

圖7是電池組初始SOC設(shè)定為0.7時(shí)，仿真循環(huán)中SOC變化的曲線圖，反映了能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作狀況。圖8是內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速變化曲線圖。圖9是內(nèi)燃機(jī)、牽引電機(jī)和油泵電機(jī)的功率曲線圖，圖中正值表示輸出功率，負(fù)值表示吸收功率，反映了內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)在整個(gè)工作循環(huán)下的工作狀況。從這3幅圖中可以看出如下變化趨勢(shì)。

（1）重載驅(qū)動(dòng)（0～22 s和35～57 s），內(nèi)燃機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，牽引電機(jī)提供輔助動(dòng)力，在加速行駛時(shí)內(nèi)燃機(jī)與牽引電機(jī)共同輸出功率，減速和制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)吸收功率給電池組充電，SOC值上升，由于牽引電機(jī)消耗電能，SOC值整體趨于下降。油泵電機(jī)在這個(gè)工況中不工作。

（2）重載起升（22～28 s），內(nèi)燃機(jī)和油泵電機(jī)共同輸出起升所需的功率，牽引電機(jī)不工作，此時(shí)沒有多余的功率可以吸收，油泵電機(jī)消耗電能SOC值下降。

（3）重載下降（28～35 s），油泵電機(jī)吸收重物下降時(shí)的勢(shì)能，給電池組充電，SOC值上升。此時(shí)牽引電機(jī)不工作。

（4）輕載驅(qū)動(dòng)（57～78 s和91～112 s），內(nèi)燃機(jī)和牽引電機(jī)共同提供行駛功率，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 200 r/min時(shí)，電磁離合器吸合，內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)油泵電機(jī)給電池組充電，SOC值有上升的過程，但總體呈下降趨勢(shì)。

（5）輕載起升（78～84 s），內(nèi)燃機(jī)輸出起升所需的功率，并且將富余的功率用于拖動(dòng)油泵電機(jī)給電池組充電，SOC呈上升趨勢(shì)，牽引電機(jī)不工作。

（6）輕載下降（84～91 s），內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速小于1 200 r/min時(shí)，電磁離合器吸合，內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)油泵電機(jī)給電池組充電，牽引電 機(jī)不工作，SOC有上升的趨勢(shì)。

整個(gè)循環(huán)過程中牽引電機(jī)起到了削峰填谷的作用，油泵電機(jī)發(fā)揮了發(fā)電機(jī)的作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組的充電，內(nèi)燃機(jī)大部分的時(shí)間都工作在最優(yōu)工作區(qū)，說明制定的控制策略能夠有效控制內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)域。SOC有明顯的上升過程，實(shí)現(xiàn)了在線充電的功能。仿真112 s結(jié)束后，SOC從初始值0.7變化到0.682 8，可以計(jì)算出在該工況下，每小時(shí)耗電量為55.29 Ah。與此同時(shí)循環(huán)過程中叉車所消耗的燃油量為7.18 L/h，而傳統(tǒng)內(nèi)燃叉車所消耗的燃油量為12.98 L/h，混合動(dòng)力叉車燃油消耗量比傳統(tǒng)內(nèi)燃叉車減少了5.80 L/h，但是混合動(dòng)力叉車比內(nèi)燃叉車消耗了更多的電量，從廣義油耗（即將耗電量折算成燃油消耗量后與內(nèi)燃機(jī)實(shí)際的燃油消耗量相加后得到的油耗量）的角度出發(fā)，依據(jù)能量守恒的換算關(guān)系，計(jì)算出總的燃油消耗量為8.90 L/h，節(jié)油率為31.4%。

動(dòng)力性仿真是在目標(biāo)車速提高2倍之后測(cè)得的，整個(gè)循環(huán)過程中，滿載最高車速為17.74 km/h，空載最高車速為18.31 km/h，這兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足了設(shè)計(jì)值，說明提出的分層式邏輯規(guī)則能量管理控制策略保證了叉車的動(dòng)力性。

篇2

關(guān)鍵詞：快速原型、集成開發(fā)環(huán)境（LDE）、汽車電子

1、應(yīng)用背景

（1）汽車電子在汽車工業(yè)中的重要位置

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車在工藝和制造技術(shù)上越來越復(fù)雜和精密，同時(shí)人們也希望汽車更安全、更經(jīng)濟(jì)、操作性更加靈活方便。傳統(tǒng)的機(jī)械控制由于速度慢，可靠性低已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代需要，因此現(xiàn)代汽車大量采用電子控制技術(shù)來提高整車性能。國際上汽車電子產(chǎn)品在整車成本中所占的比例平均超過30并呈快速上升趨勢(shì)，汽車電子在現(xiàn)代汽車工業(yè)中已經(jīng)有越來越重要的地位。

（2）快速原型方法提出的背景

現(xiàn)代市場對(duì)產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣性和快速性的趨勢(shì)，對(duì)控制系統(tǒng)安全必和可靠性的要求也與日俱增，為了在激烈的市場競爭中取勝，必須不斷地縮短新產(chǎn)品開發(fā)與投入市場的周期，這就出現(xiàn)了企業(yè)新產(chǎn)品面臨著多樣性的需求和快速開發(fā)之間的矛盾。為了設(shè)計(jì)可靠的控制系統(tǒng)，滿足用戶的多樣化需求，縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，需要采用先進(jìn)的開發(fā)工具來加速設(shè)計(jì)流程，從而找到新的途徑獲得技術(shù)上的突破。使用快速原型方法與集成開發(fā)環(huán)境技術(shù)來進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)的目的就是為了縮短開發(fā)周期，在行業(yè)競爭中能夠快速開發(fā)新產(chǎn)品，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和市場益。

2、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)過程與使用快速原型方法進(jìn)行開發(fā)的比較

快速原型方法是現(xiàn)代控制系統(tǒng)開發(fā)方式催生的產(chǎn)物，通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)方法的比較，我們可以看出快速控制原型方法在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中的優(yōu)越性和先性性。

（1）圖1所示是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)方法流程，開發(fā)步驟如下：

根據(jù)需求用文字說明的方式提出設(shè)計(jì)目標(biāo)；

根據(jù)以往開發(fā)經(jīng)驗(yàn)提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

由硬件人員設(shè)計(jì)并制造硬件電路；

由控制工程師設(shè)計(jì)控制方案，并將控制模型用方程的形式描述出來；

由軟件人員采用手工編程的方式實(shí)現(xiàn)控制模型；

由系統(tǒng)工程師或電子技術(shù)專家將代碼集成到硬件電路中；

圖1偉統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)方法流程

用真實(shí)控制對(duì)象或測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)存在的不足；

在對(duì)控制規(guī)律的控制特性或控制效果還沒有把握的情況下，已經(jīng)完成硬件電路的制造，這時(shí)，由于還無法確定所設(shè)計(jì)的方案能在多大程度滿足需求，或根本不能滿足需求的情況下，就已經(jīng)產(chǎn)生了較大的硬件投入；

手工編制的控制程序容易造成系統(tǒng)可靠性降低，一旦在測(cè)試過程中出現(xiàn)故障，就很難確定是控制方案不理想還是軟件代碼有錯(cuò)誤。更重要的是手工編程將會(huì)占用大量的時(shí)間，導(dǎo)致雖然有了控制方案，卻要等待很長時(shí)間才能對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，從而在不知道方案是否可行的情況下就浪費(fèi)了大量的時(shí)間，人才和物力，給開發(fā)帶來了不必要的開支和經(jīng)濟(jì)損失；

即使軟件編程不存在問題，如果在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)控制方案不理想，需要進(jìn)行修改，則新一輪開發(fā)工作又將開始。大量的時(shí)間又將耗費(fèi)在軟硬件的修改和調(diào)試上。另外，由于涉及的部門多，再加上管理不善所引入的種種不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致開發(fā)周期長，最終可能出現(xiàn)產(chǎn)品雖然研制成功了，但初始需求已經(jīng)發(fā)生了變化，市場的機(jī)會(huì)已經(jīng)錯(cuò)過，產(chǎn)品已沒有了銷路，從而使整個(gè)開發(fā)以失敗告終。

（2）快速原型開發(fā)方法及流程

基于模型設(shè)計(jì)面向目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的快速原型開發(fā)方法最重要的特征就是采用計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即將計(jì)算機(jī)支持的工具貫穿于控制系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試的全過程。應(yīng)用快速原型方法進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)，一般由下列步驟組成（如圖2所示）：

系統(tǒng)需求與分析

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，這一過程通常是幾千字甚至幾萬字的文字說明。在快速原型開發(fā)方法中為了避免文字說明的模糊性及理解性錯(cuò)誤，詳細(xì)說明將采用模型方式。可以用信號(hào)流圖來進(jìn)行定義。

控制方案設(shè)計(jì)

控制方案的設(shè)計(jì)不再采用過去的那種先將對(duì)象模型簡化成手工可以處理的形式，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工設(shè)計(jì)的方式，而是用諸如MATLAB/SIMULINK等計(jì)算機(jī)輔建模及分析軟件，建立盡可能準(zhǔn)確的控制模型，并進(jìn)行離線仿真分析，從而避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中由于模型過于簡化，在沒有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具支持情況下，完成了大量的工作而到了試驗(yàn)階段才發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的方案根本不能滿期足實(shí)際對(duì)象的控制要求。

圖2應(yīng)用快速原型方法進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)

硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)是快速原型方法的重要組成部分，它由CPU與擴(kuò)展電路組成，通過外部功能接口與目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行交互，也可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的控制。

自動(dòng)代碼生成

用戶進(jìn)行控制算法模型設(shè)計(jì)后，無須再像過去那樣來等待軟件工程師進(jìn)行手工編程，而是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具自動(dòng)將控制模型框圖轉(zhuǎn)換為目標(biāo)系統(tǒng)代碼，從而快速實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型。自動(dòng)生成的代碼可以節(jié)省大量的系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，可靠性高，但是運(yùn)行效率比手工編程低。對(duì)大多數(shù)工程師而言，如果能夠加快開發(fā)速率，損失代碼的部分實(shí)時(shí)運(yùn)行效率是可以接受的。而且這個(gè)問題可以通過后期進(jìn)行的自動(dòng)代碼優(yōu)化功能得以改善。

實(shí)時(shí)仿真與測(cè)試

在系統(tǒng)開發(fā)階段完成之后，就可以利用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)測(cè)試工具軟件進(jìn)行各種試驗(yàn)，以檢驗(yàn)控制方案對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制效果，并隨時(shí)修改控制參數(shù)，直到得到滿意的結(jié)果為止。即使需要對(duì)模型作很大修改，從修改到下一次對(duì)原型的測(cè)試也只需要幾分鐘的時(shí)間。從而在最終實(shí)現(xiàn)控制方案之前，就已經(jīng)對(duì)可能得到的結(jié)果有了相當(dāng)?shù)陌盐?，避免了過多的資源浪費(fèi)和時(shí)間消耗。

硬件在環(huán)仿真

硬件在環(huán)仿真的目的是通過對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬從而對(duì)控制模型在各種條件下做出全面測(cè)試。它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過在對(duì)故障情況和極限條件下的測(cè)試找出控制裝置的設(shè)計(jì)缺陷，從而縮短開發(fā)周期，降低相關(guān)維護(hù)費(fèi)用。

3、集成開發(fā)環(huán)境技術(shù)

3.1集成開發(fā)環(huán)境的功能

在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，開發(fā)的不同階段需要用到不同的軟件，開發(fā)者必須在幾種軟件間來回切換操作，效率比較低。而隨著市場需求的增長，系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜度愈來愈高，特別在大型控制系統(tǒng)的開發(fā)中，企業(yè)必須選擇優(yōu)秀的開發(fā)工具以保證工程質(zhì)量，從而能夠按時(shí)交付和實(shí)現(xiàn)成本控制。集成開發(fā)環(huán)境正是這樣一個(gè)將編輯、編譯、調(diào)試、仿真等功能集成在一個(gè)桌面環(huán)境中，既方便了用戶，又提高了工程質(zhì)量和開發(fā)速度。

基于快速原型方法的集成開發(fā)環(huán)境功能包括：提供控制操作界面；建立控制模型；通過上位機(jī)與目標(biāo)CPU的接口瀏覽目標(biāo)CPU硬件平臺(tái)狀態(tài)和信息；集成MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真建模；集成RTM對(duì)SIMULINK所構(gòu)建的模型進(jìn)行自動(dòng)代碼生成;集成編譯器、鏈接器、調(diào)試器等對(duì)生產(chǎn)的代碼進(jìn)行交叉編譯，調(diào)試，從而對(duì)目標(biāo)CPU進(jìn)行控制；集成控制界面，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)所給定參數(shù)的測(cè)試和優(yōu)化；模擬仿真應(yīng)用系統(tǒng)控制算法；通過硬件調(diào)試接口將生成的目標(biāo)CPU的機(jī)器代碼下載到硬件平臺(tái)；實(shí)時(shí)調(diào)試運(yùn)行應(yīng)用程序等等。

3.2使用集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行快速原型控制系統(tǒng)開發(fā)的特點(diǎn)

使用集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行快速原型控制系統(tǒng)開發(fā)這種開發(fā)模式方便、快捷。通過使用圖形化界面的模型框圖，輸入計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)公式來編制開發(fā)程序，再由系統(tǒng)自動(dòng)將其編譯成目標(biāo)代碼的方式可以大大提高效率。應(yīng)用程序經(jīng)過反復(fù)模擬仿真、實(shí)時(shí)調(diào)試運(yùn)行成功后被裝入硬件平臺(tái)。一些特定、重復(fù)任務(wù)的應(yīng)用程序被生成模塊化的庫文件以備調(diào)用。模塊化的應(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)在線導(dǎo)入導(dǎo)出而絲毫不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這樣使用集成開發(fā)環(huán)境對(duì)快速開發(fā)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)了從想法提出到建模直至進(jìn)行控制的一體化過程。

4.國外汽車電子行業(yè)快速原型集成開發(fā)環(huán)境的情況

4.1dSPACE

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/SIMULINK的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)。廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車電子、電力、機(jī)車、機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)及工業(yè)控制等領(lǐng)域。該系統(tǒng)由硬件組成和基于這些硬件組件的軟件開發(fā)工具集組成。它通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)組件，提供組件的不同組合來適應(yīng)不同的應(yīng)用系統(tǒng)；通過使用MATLAB、SIMULINK、RTW來提供對(duì)硬件接口的支持；使用自動(dòng)代碼生成和下載工具，減少了軟件代碼編寫和修改的時(shí)間，體現(xiàn)了現(xiàn)代開發(fā)方法的快速性；同時(shí)提品控制器與dSPACE系統(tǒng)納入閉環(huán)測(cè)試中，易于原型設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換。

dSPACE為控制工程項(xiàng)目的開發(fā)和測(cè)試提供軟硬件平臺(tái)，應(yīng)用十分廣泛，許多汽車工業(yè)的用戶都使用dSPACE作為開發(fā)測(cè)試的工具，如Audi公司用dSPACE實(shí)現(xiàn)了ABS控制器測(cè)試臺(tái)；Ford、GeneralMotors、Honda、ToyotaMotor、Nissa、MazdaMotor等公司用dSPACE進(jìn)行動(dòng)力控制原型的開發(fā)；德國Adtranz公司則用dSPACE實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的仿真。

4.2MOBIES

MOBIES是由美國國防部國防高技術(shù)研究項(xiàng)目局的信息處理技術(shù)辦公室（IPTO）資助的項(xiàng)目。旨在為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供一個(gè)基于模型的軟件組成件集成技術(shù)。此項(xiàng)目注重建模工具、系統(tǒng)分析和代碼生成技術(shù)的研究。在建模工具的使用、軟件規(guī)范性和通用性等方面提出了很多先進(jìn)的思想。

MOBIES項(xiàng)目試圖從更抽象的層面上來建立組件庫，同時(shí)定義整個(gè)嵌入式軟件工具集中通用的內(nèi)部規(guī)范格式，貫穿于從需求分析、建模、仿真分析到代碼生成的各個(gè)階段，以此達(dá)到滿足多領(lǐng)域的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的目的。

4.3OpenECU

OpenECU系統(tǒng)主要面向汽車電子領(lǐng)域的軟硬件開發(fā)，由英國PiTechnology公司開發(fā)研制，該系統(tǒng)通過使用MATLAB/SIMULINK來快速開發(fā)控制系統(tǒng)。

OpenECU系統(tǒng)包括：ECU硬件開發(fā)板，ECU硬件小批量生產(chǎn)板，配套開發(fā)軟件，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制策略，自動(dòng)代碼生成以及一些其他工具。它的典型應(yīng)用包括：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)ECU開發(fā)（適用于1~8缸），變速箱控制開發(fā)，混合動(dòng)力能量管理控制系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)等。

4.4國內(nèi)快速原型與集成開發(fā)環(huán)境技術(shù)研究情況

國內(nèi)在快速原型與集成開發(fā)環(huán)境技術(shù)方面的開發(fā)研制基本上是一片空白。在汽車電子領(lǐng)域中以使用國外相關(guān)產(chǎn)品，主要是dSPACE為主，還未形成研制、生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品的局面。同國外快速原型系統(tǒng)與集成開發(fā)環(huán)境的開發(fā)相比還存在著很大的距離，開發(fā)出自主系統(tǒng)對(duì)我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

5.技術(shù)路線和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上介紹，可以看出在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域，基于快速原型集成開發(fā)環(huán)境的開發(fā)方法比傳統(tǒng)的開發(fā)方法具有較大的優(yōu)勢(shì)。不僅具有快速開發(fā)、實(shí)時(shí)性和可靠性高的特點(diǎn)，而且能夠做到模塊化、自動(dòng)化和可定制化。

5.1采用的技術(shù)路線

要實(shí)現(xiàn)快速控制原型，必須有集成良好便于使用的建模、設(shè)計(jì)、離線仿真、實(shí)時(shí)開發(fā)及測(cè)試工具，允許用戶反復(fù)修改模型設(shè)計(jì)，進(jìn)行離線及實(shí)時(shí)仿真。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們?cè)诩砷_發(fā)環(huán)境當(dāng)中使用MATLAB/SIMULINK等工具建立控制系統(tǒng)模型，利用RTW（Realtimeworkshop）產(chǎn)生控制算法的C代碼，與我們自己編寫的目標(biāo)環(huán)境相關(guān)的代碼同時(shí)通過目標(biāo)系統(tǒng)的交叉編譯器進(jìn)行編譯生成目標(biāo)系統(tǒng)可執(zhí)行文件，下載到快速控制原型的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試分析，進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，并通過硬件的實(shí)時(shí)測(cè)試不斷修改控制方案和算法，從而達(dá)到最優(yōu)控制效果。（如圖3）

圖3基于快速原型與集成開發(fā)環(huán)境技術(shù)的系統(tǒng)原理框圖

5.2硬件平臺(tái)

由于車載CPU處于一個(gè)強(qiáng)振動(dòng)，高電磁輻射的環(huán)境當(dāng)中，這就要求硬件平臺(tái)要有很強(qiáng)的搞振動(dòng)，抗高溫，抗電磁干擾的能力，并具有高度的靈活性和可靠性，能夠在高速移動(dòng)的苛刻環(huán)境下工作，而且考慮到當(dāng)今汽車電子應(yīng)用的主流，我們選用了專為汽車電子、航空航天、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的32位微控制器MPC555為基礎(chǔ)的硬件平臺(tái)。同時(shí)，用戶還可以根據(jù)實(shí)際需求選擇接口電路，從而達(dá)到可定制的要求。

5.3集成開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)以集成開發(fā)環(huán)境為基本的軟件平臺(tái)，在此平臺(tái)上集成以下組件和模塊：

基于PowerPC平臺(tái)的交叉編譯器；

基于交叉編譯器的C語言庫函數(shù)；

基于MATLAB/SIMULINK的建模枋真的控制軟件；

基于RTW的自動(dòng)代碼生成工具；

標(biāo)準(zhǔn)I/O驅(qū)動(dòng)模塊。