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在大學里，每一次實驗都能給我們帶來很多經驗，我們可以書寫一份論文來分享實驗成果。以下是小編精心準備的�？茖嶒炚撐母袷侥０澹蠹铱梢詤⒖家韵聝热菖�！
汽車電子控制系統仿真與設計課程實驗
摘要:本文以“汽車電子控制系統仿真與設計”課程為依托，以現代汽車電子控制器開發的基本流程為主要內容進行實驗設計。介紹了V型控制器開發模式的主要方法和開發步驟;并以電機調速控制為對象設計了一個簡化的實驗系統，明確了主要實驗步驟。實驗結果表明，此項實驗設計可以提升學生對控制器開發過程的理解。
關鍵詞:V型開發模式;實驗教學;電機調速控制
0引言
嵌入式控制系統在各種工業產品中，已經越來越普及。一輛現代車輛的嵌入式控制器數量一般在20～30個，而高端車上已突破150個，其價值已經占汽車總成本的30%［1］。隨著汽車電子控制技術的日益發展，控制器開發方法的研究和教育變得越來越重要。為此，不少院校本科階段都開設了與汽車控制系統仿真相關的課程，并以實踐教學方式提高學生對汽車電子控制系統設計方法的理解［2，3］。本文以我校車輛工程專業的“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型開發流程的實驗教學。
1控制器
V型開發模式教學內容很多情況下，要縮短控制器開發時間，就要求多個開發任務的同時進行，例如并行工程。軟件開發中，并行工程意味著對一個軟件功能的分析、說明、設計、實現和集成之后進行測試和校準工作，同時還進行其它的軟件功能開發工作。不僅如此，還要針對不同的開發環境進行適當調整�？刂破鱒型開發模式便能適應上述需求，使得軟硬件開發能并行進行，大大提高了效率［2］�？刂破鱒型開發模式解決了傳統開發的諸多問題，已成為汽車行業廣泛采用的控制器開發模式。因此，控制器V型開發模式教學對于推廣控制器設計工程領域的先進方式和方法，培養從事機電系統開發的工程師，具有越來越重要的意義。V型開發流程分為如下5個階段:(1)功能定義與離線仿真。根據系統的功能要求，對系統的性能進行定義，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行建模，建立控制器模型和被控對象模型，并進行離線仿真，開發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。移除離線仿真模型的被控對象模型，接入快速控制器原型，建立實時仿真模型。所謂快速控制器原型是一類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，并具有類似于嵌入式控制器的CPU工作環境，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，能實現對控制器算法的快速在線驗證，并驗證控制系統軟硬件方案的可行性;(3)自動代碼生成。自動代碼生成是將離線仿真設計并通過快速控制器原型驗證過的圖形化控制器代碼自動生成嵌入式目標系統的代碼，這種代碼不需要進行手工修改，便可直接通過編譯器編譯下載到最終的目標系統;(4)硬件在環仿真測試。被控對象或者系統運行環境部分采用實際物體，部分采用仿真模型來模擬，進行整個系統的仿真測試。這種測試主要利用已經測試驗證過的控制器軟件算法，針對電子控制單元的硬件進行測試;(5)系統集成與標定。標定系統允許用戶對電子控制單元進行所有的標定和測試，可在最便利的情況下及最短的時間內對控制器的參數進行最后的調整。控制系統V型開發模式的整個過程，控制對象及控制算法并不是教學的關鍵，關鍵在于整個實踐環節的的完整性，即從V型開發模式的離線仿真到在線標定過程的完整性。只有這樣才能使學生更加深入領悟V型開發模式的意義［4］。
2實驗對象及實驗系統
控制器開發方法的實踐性很強，然而由于V型開發模式需要控制系統數字仿真軟件、快速原型設備、自動代碼生成工具、硬件在環仿真測試系統等工具的支持，若使用商業開發設備進行教學顯然在資金上會遇大極大困難［5］。為此，本文設計了一套直流電機調速實驗系統，用于V型開發模式教學實驗。在實驗中，以有刷直流伺服電機為應用對象，學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，了解直流電動機的工作原理，學會在Matlab/Simulink中建立以及PID控制器的數學模型，并會在該環境下離線仿真。該實驗可讓學生通過實際操作，了解并掌握V型開發設計流程。尤其了解離線仿真、快速控制器原型、自動代碼生成等開發流程。直流電機調速實驗系統由實驗工具箱和帶I/O板卡的PC機組成。實驗工具箱如圖2所示，工具箱包含電源模塊、直流電機驅動模塊、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實驗教學應用
本課題的教學演示實驗，主要針對圖1所示的V型開發模式左半邊支路，即功能定義離線仿真、快速控制器原型、自動代碼生成。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，實驗中，需要完成控制器、直流單機驅動模塊等設計與連接;第三步，利用TargetSupportPackage模塊以及ＲTW工具完成自動代碼生成。
3．1功能定義離線仿真
在離線仿真環節，首先要理解直流電機速度反饋系統。本實驗教學以直流伺服電機為控制對象，采用速度單閉環反饋控制，控制器采用PID控制器,其次需要學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、時域特性、頻域特性等等。教學用實驗箱中，已經內置了直流電機，而在Simulink模型中則需根據真實直流電機參數建立相應的數學模型，并設計合適的PID控制器。學生通過建�？梢灾庇^感受到功能定義和離線仿真過程，并且運用課程所學實現系統閉環控制。
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仿真基礎之上，加入TI與Mathworks公司聯合開發的TargetSupportPackage工具，TargetSupportPackage工具包里面的子模塊已經全部由TI與Mathworks進行封裝。利用這些模塊可以搭建整個直流電機控制系統。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。實驗中，需要完成控制器、直流單機驅動模塊、顯示模塊的設計與連接。學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，并體會其實現的基本步驟。
3．3自動代碼生成
�。襎W(ＲealTimeWorkshop)是Matlab中圖形建模以及仿真環境Simulink的一個重要補充功能模塊［6］。ＲTW能直接從通過Simulink建立的數學模型中生成優化的、可移植的、可定制的C/C++代碼，從而可以創建獨立于Matlab的可執行程序。生成的程序可以在實時系統和非實時系統等眾多目標環境中運行仿真。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進行自動代碼生成步驟。通過TIC2000的ＲTW工具完成自動代碼生成，學生對控制器開發過程中代碼生成過程有更為直觀的了解。
4結語
本文結合“汽車電子控制系統仿真與設計”課程教學改革實踐，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型模式開發流程，進行教學的經驗。結果表明，在“汽車電子控制系統仿真與設計”課程中開展V型開發模式實驗教學，可以加深學生對控制器開發過程的理解.
參考文獻:
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［4］張新豐，陳慧，孟宗良，等．控制V型開發模式實驗教學探索［J］．上海:實驗室研究與探索．2012(2):131-134．
�。�5］王莉，陳虹．“自動控制原理”虛擬實驗系統開發［J］．南京:電氣電子教學學報，2011，33(4):71-73．
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