隨著汽車制造商努力提供更好的燃油效率、更少排放以及更好的駕駛體驗，Engine control unit (ECU)軟件變得越來越復雜。具體而言，更嚴格的排放規(guī)定需要精確控制空氣燃油混合物以及燃燒時間。為了避免代價高昂的返工和成本超限，在ECU開發(fā)過程中盡早得到準確的發(fā)動機仿真模型顯得至關重要。豐田汽車公司工程師開發(fā)出了用于前置開發(fā)流程的發(fā)動機模型，實現(xiàn)了有關生產車輛計劃的模型在環(huán)(MIL)和軟件在環(huán)(SIL)測試。

“借助基于模型設計的前置開發(fā)讓我們縮短了開發(fā)周期并最大限度減少了返工，使我們能夠早于競爭對手提供產品。使用MATLAB、Simulink和Simscape，我們在同一環(huán)境中創(chuàng)建了控制軟件、物理對象模型以及閉環(huán)仿真器，大幅簡化了控制系統(tǒng)開發(fā)?！?/p>

—— 豐田汽車公司 Hisahiro Ito博士

挑戰(zhàn)

之前，豐田工程師僅通過相對簡單的對象模型測試了一小組ECU功能，這使得他們難以測試和優(yōu)化控制軟件。為了確保新發(fā)動機達到最佳工作狀態(tài)，他們需要涵蓋整個發(fā)動機的發(fā)動機模型，其中包括燃油、引擎以及廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)。工程師需要通過直接描述這些系統(tǒng)的方程式來對系統(tǒng)行為建模。

豐田工程師需要改善其SIL和MIL技術的靈活性和可擴展性來更為有效地開發(fā)ECU。工程師需要SIL環(huán)境來支持ECU之間的CAN總線通信仿真、控制代碼的源代碼級別調試以及中斷服務例程(ISR)和定時器任務的正確執(zhí)行順序。

解決方案

豐田工程師使用Simscape來開發(fā)包含數千個方程式的發(fā)動機模型。通過基于模型的設計，該模型實現(xiàn)了ECU軟件的前置開發(fā)流程。

工程師使用Simscape語言來創(chuàng)建自定義物理域。他們創(chuàng)建了自定義組件模型來表示內燃機缸以及空氣通路（包括EGR）。通過組合這些模型和Simscape提供的組件模型，能夠對扭矩轉換器、自動變速箱以及其他傳動系統(tǒng)組件建模。

他們使用物理網絡方法在Simscape中裝配這些組件來創(chuàng)造非因果關系模型。這些非因果關系模型與使用Simulink及Model-Based Calibration Toolbox開發(fā)的數據驅動模型組合在一起。

為了在Simulink和Stateflow中開發(fā)ECU算法的可執(zhí)行規(guī)范，他們通過Simulink采用MIL仿真來分析新控制邏輯的設計，同時考慮所連接裝置的動態(tài)特性。

在使用Simulink Coder從控制模型中生成代碼之后，豐田工程師使用SIL測試來驗證驅動程序、ISR和定時器的準確執(zhí)行順序以及其他無法通過MIL仿真測試的詳細信息。通過SIL，工程師將Microsoft Visual Studio用于控制代碼的源代碼級別調試。代碼中設置的斷點能夠暫停了Simulink中的仿真，讓工程師能夠在恢復執(zhí)行之前檢查控制變量的狀態(tài)。

借助模型在環(huán)和軟件在環(huán)仿真(SIL+M)，工程師開發(fā)出新的控制單元模型，然后將其與控制軟件集成。工程師能夠將新的控制邏輯加入整個控制系統(tǒng)，SIL+M可進一步前置ECU開發(fā)。

通過在MATLAB中進行的工作，工程師將參數優(yōu)化期間的仿真自動化，并對仿真和測試結果執(zhí)行數據分析。

豐田目前在發(fā)動機控制、變速箱控制以及混合電動控制系統(tǒng)中，通過基于模型設計進行前置開發(fā)。

Simscape讓我們能夠創(chuàng)建適合設計任務的高精度模型，所有團隊都可輕松理解該模型。盡早完成在Simulink中執(zhí)行的ECU和發(fā)動機的閉環(huán)仿真，這對于我們的前置開發(fā)過程至關重要。

”

—— 豐田汽車公司 Hisahiro Ito博士

結果

豐田發(fā)動機。Simscape建模有助于豐田確保更為精確地控制精密的發(fā)動機組件，例如渦輪增壓器和后處理系統(tǒng)。

開發(fā)出高精度發(fā)動機模型?！芭c因果建模方法相比，Simscape支持的對象建模速度更快且更可靠，同時我們用Simscape構建的對象模型以直觀和直接的方式表示物理系統(tǒng)”，Ito博士說道?！癝imscape讓我們能夠創(chuàng)建并仿真包含數千個方程式的高精度發(fā)動機模型。使用因果關系建模方法無法實現(xiàn)這種結果?！?/p>

在開發(fā)早期驗證設計?！敖柚谀Ｐ偷脑O計以及SIL仿真，我們可提前許多時間來驗證新的控制設計”，Ito博士說道?！袄缥覀兺ㄟ^閉環(huán)仿真驗證了采用CAN配置的發(fā)動機控制和變速箱控制軟件，這讓我們能夠以極大的信心繼續(xù)進行車輛內測試?！?/p>

仿真難以實現(xiàn)的測試條件。“我們用Simulink創(chuàng)建的SIL平臺讓工程師能夠在難以安排實際車輛或原型測試環(huán)境的各種工作條件下，執(zhí)行控制軟件的細致檢查”，Ito博士說。