matlab半物理仿真,一种基于Matlab的半物理仿真方法与流程

本发明属于物理建模技术领域，具体涉及一种基于Matlab的半物理仿真方法。

背景技术：

当今汽车行业，经过多年探索，业界普遍采用基于模型的控制器开发“V”模式，如图5所示。该模式可以很大程度地减少反复过程、缩短开发周期，以节省成本。该模式除应用于汽车用ECU开发外，也已成功应用到航空、国防、“白色”家电、医疗设备、工业过程控制等领域。

控制器开发“V”模式采用以下工作模式：

系统定义：根据控制系统设计要求，完成设计规范，如控制算法、控制对象参数等；往往需要以往的设计经验、试验数据作参考。

设计、仿真：根据控制系统定义，将整个系统在计算机软件环境下实现，即对控制器的控制逻辑、控制对象环境进行建模仿真，以帮助设计者在先期就对系统指标、误差等进行快速评估；仿真工具主要有NI LabVIEW、The MathWorks,Inc.Matlab\Simulink、MATRIXx等。

快速原型：因为软件仿真不能完全体现实际的动态环境，需要开发一个控制器硬件原型用以在真实环境下验证算法，即将控制器模型下载到一个实时硬件平台，并通过I/O连接至真实环境中的传感器、执行器并进行测试，该过程即快速原型，也常称为软件在环。选用实时硬件平台是为了仿真的时效性、确定性和稳定性。

代码生成与软件测试：控制器模型在通过快速原型环节验证之后，将该模型自动或手工生成C代码或其它支持类型的代码，并下载到ECU的微控制器。并对所产生的目标代码进行测试。

硬件在环：硬件在环(Hardware in the Loop)是指将已下载目标代码的ECU通过I/O连接至先前建立的环境模型(硬件在环仿真器)，并测试该ECU在各种工况下的功能性和稳定性。硬件在环是一个闭环的测试系统，可重复地进行动态仿真；可在试验室里仿真夏季和冬季的道路试验，无需真实的测试环境组件，节约测试成本；可进行临界条件测试和模拟极限工况，如发动机水温和油温、ABS试验时车速和道路附着系数，没有实际风险；并可通过软件(模型)、硬件(故障输入模块)来模拟开路、与地短接、ECU引脚间短接等错误，以及模拟传感器、执行器出错情况。

系统标定和测试：在完成关键的硬件在环之后，将修正后的控制器连接至真实I/O环境，并进行台架试验、道路试验，直至最后生产出厂。

目前在基于V字型模型开发方式中，物理硬件在环仿真主要针对复杂的的控制，其控制对象多使用现成的或者商业的物理或者数学模型，运行在HIL设备上，这些HIL及控制对象的物理学模型价格不菲，对小企业或者比较简单的控制对象来说，使用成本非常高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于Matlab的半物理仿真方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于Matlab的半物理仿真方法，包括以下步骤：

步骤1)、根据控制对象的物理原理或数学原理，建立控制对象的物理模型；

步骤2)、根据控制对象的物理模型建立控制对象控制器控制策略的架构和流程；

步骤3)、标定功能的实现：根据控制对象控制器控制策略的架构和流程使用支持CCP协议的第三方标定工具完成仿真系统的标定和数据观测。

进一步的，步骤1)中采用MATLAB软件建立控制对象对象的物理模型。

进一步的，所建立的控制对象的物理模型使用控制对象控制器控制周期时间。

进一步的，PC系统和控制对象控制器采用CAN网络发送数据和同步帧以达到控制周期同步。

进一步的，控制模型每收到一次同步帧，则执行一次物理模型的刷新，利用CAN网络实现控制同步和数据交换。

进一步的，步骤2)中，控制对象控制器完成对执行器的控制和传感器信息的采集，同时完成控制对象物理模型同步信号的发送。

进一步的，采用控制系统的半物理实物环境包括真实控制对象物理环境和整车虚拟控制对象环境；真实控制对象物理环境包括控制对象执行器、传感器和执行负载；整车虚拟控制对象环境采用运行在PC机上的Matlab物理模型来实现。

进一步的，真实控制对象物理环境和基于PC机的Matlab物理模型通过CAN总线网络实现通讯和时间的同步。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于Matlab的半物理仿真方法，根据控制对象的物理原理或数学原理，建立控制对象的物理模型；然后根据控制对象的物理模型建立控制对象控制器控制策略的架构和流程；最后根据控制对象控制器控制策略的架构和流程使用支持CCP协议的第三方标定工具完成仿真系统的标定和数据观测，通过采用仿真平台Matlab\Simulink软件和CAN收发工具实现了一种简单快捷、成本低廉的半物理仿真方法，客户可以使用Simulink平台中丰富的软件工具，搭建自己的物理或者数学模型，在Simulink的Normal模式下，进行仿真既可实现简单半物理仿真。传统的物理在环相比，成本和功能简单，实现方法简单、快捷、易实现，适合用于简单控制对象的仿真控制领域，不需要使用价格昂贵的HIL设备。通过这种简单快捷、成本低廉的半物理仿真的方法，使得大部分客户在使用V字型开发过程中，对不是太复杂的控制，不使用HIL或者快速原型机也能快速实现控制模型的仿真和标定，减少真实环境实验的成本，加快开发进度。本方法是对物理在环仿真的一种简化低成本使用。

附图说明

图1为本发明系统框架图。

图2为PC上物理模型的软件架构示意图。

图3为控制器中控制策略的软件架构示意图。

图4为现有基于模型的控制器开发“V”模式图。

图5为现有基于模型的控制器开发“V”模式图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于Matlab的半物理仿真方法，包括以下步骤：

步骤1)：根据控制对象的物理原理或数学原理，利用MATLAB软件平台，建立控制对象的物理模型；该物理模型根据控制对象的不同而不同，由于该模型仿真运行于Normal模式，因此simulink模型中的采样时间和控制对象控制器控制周期时间是不同的时间单位，因此在建立控制对象模型时，必须使用控制对象控制器控制周期时间，而不能使用系统自带的采样时间；控制对象的物理模型软件流程和架构如图3和图5所示；由于PC系统的运行时间快，为了和控制对象控制器的控制周期同步，采用使用CAN网络发送数据和同步帧。控制模型每收到一次同步帧，则执行一次物理模型的刷新，利用CAN网络实现控制同步和数据交换。

步骤2)：控制对象控制器控制策略的架构和流程。控制对象控制器完成对执行器的控制和传感器信息的采集，同时完成控制对象物理模型同步信号的发送；具体如图3和图4所示。

步骤3)：标定功能的实现：控制对象控制器支持标准CCP协议，因此使用支持CCP协议的第三方标定工具即可完成仿真系统的标定和数据观测。

同时由于PC的物理模型可以使用Matlab工具箱，完成对CCP协议的支持，因此可以使用支持CCP协议的第三方工具，完成对物理实时模型和控制器(支持CCP协议)实现数据的标定和观测。

一种基于Matlab的半物理仿真方法采用控制系统的半物理实物环境根据不同的仿真测试对象不同而不同，具体包含了控制对象执行器、传感器和执行负载，属于真实的执行器和传感器，使用这些真实的执行器和传感器来仿真控制对象所处的环境和所控制的对象；控制对象的控制器也是根据不同的控制对象而不同，控制器完成对控制对象的控制。PC机用采用工控计算机，用来运行控制对象的物理模型。CANking为MATLAB支持的一种性价比极高的CAN通讯工具，CANking用来在控制对象模型和控制器之间进行数据通讯。

运行在控制器中的控制策略以及运行在PC上的控制对象模型，控制逻辑关系如图2所示，

控制对象模型和控制器的控制策略根据仿真不同控制对象而不同，控制对象模型和控制策略通过CAN网络来传输数据和同步帧，实现模型和控制策略的同步。

控制对象模型用来对那些比较难以用真实环境模拟的物理环境，如整车的运行状况和车辆的紧急刹车，采用运行在PC上的Matlab物理模型来实现；

控制对象真实的控制器则完成对控制对象的真实控制，控制器、真实物理控制对象、基于PC的Matlab仿真模型则通过CAN总线网络实现通讯和时间的同步。

下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：

当需要对ATM、缓速器或者TCU控制器等研发过程中需硬件在环进行物理仿真的时候，可以通过该方法，以极低的成本实现简单半物理、物理仿真，加快产品研发进度，提高产品调试效率。

该项目的难点是基于Matlab建立被控对象的简单物理模型，实现控制对象的物理模型和控制对象的控制模型同步，实现实时仿真。同时可以利用支持CCP标定的标定观测工具对控制模型和物理模型进行标定和观测。以极低的成本实现了半硬件在环仿真设计，提高了产品开发周期和测试效率，节约了成本。