使用综合发动机模型和SIL+M的丰田发动机控制系统的前负荷开发
“Simscape使我们能够为我们的设计任务创建一个全面的引擎模型，所有团队都很容易理解。尽早在Simulink中完成ECU和发动机的闭环仿真，对我们的前置开发过程至关重要。”
伊藤久博博士，丰田汽车公司
随着汽车制造商努力提高燃油效率、减少排放和更好的驾驶体验，发动机控制单元(ECU)软件正变得越来越复杂。特别是，更严格的排放法规要求对空气-燃料混合物和燃烧时间进行精确控制。
对于这样复杂的系统和严格的要求，在开发后期发现的缺陷或设计缺陷可能导致重大的返工和成本超支。为了避免这些问题，在ECU开发过程中尽早建立准确的发动机仿真模型至关重要。丰田汽车公司的工程师开发了一种发动机模型，用于前置开发过程，实现了在量产汽车项目上的模型在环(MIL)和软件在环(SIL)测试。
“基于模型设计的前端开发使我们能够缩短开发周期，最大限度地减少返工，这使我们能够比竞争对手更早地交付产品，”丰田助理经理Hisahiro Ito博士说。2022世界杯八强谁会赢？“通过MATLAB、Simulink和Simscape，我们在单一环境中创建了控制软件、工厂模型和闭环模拟器，这大大简化了控制系统的开发。”
挑战
此前，丰田工程师仅使用相对简单的工厂模型测试了ECU功能的一小部分，这使得他们无法测试和优化控制软件。为了确保新发动机的最佳运行，他们需要一个涵盖整个发动机的发动机模型，包括燃料、燃烧和废气再循环(EGR)系统。工程师们需要通过直接实现描述这些系统的方程来模拟系统行为。
丰田工程师需要提高SIL和MIL技术的灵活性和可扩展性，以更有效地开发ECU。工程师需要SIL环境来支持ecu之间的模拟CAN总线通信、控制代码的源代码级调试以及中断服务例程(ISR)和定时器任务的正确执行顺序。
解决方案
丰田工程师使用Simscape™开发了一个包含数千个方程的发动机模型。该模型为ECU软件提供了基于基于模型的设计的前置开发过程。
工程师使用Simscape语言创建了一个由多种气体类型组成的自定义物理域，包括空气、燃料蒸汽和燃烧的气体。他们创建了定制的组件模型来代表燃烧缸和空气路径(包括EGR)。通过将这些模型与Simscape中提供的组件模型相结合，他们能够对液力变矩器、自动变速器和其他传动系统组件进行建模。
他们使用物理网络方法在Simscape中组装这些组件，以创建因果模型。这些因果模型与使用Simulink开发的燃烧动力学数据驱动因果模型相结合®和基于模型的校准工具箱™。
在Simulink和Stateflow中开发ECU算法的可执行规范®，他们使用Simulink的MIL仿真来分析新控制逻辑的设计，同时考虑到连接工厂的动态。
在使用Simulink Coder™从控制模型生成代码后，丰田工程师使用SIL测试来验证低级驾驶员、isr和计时器的精确执行顺序，以及其他无法通过MIL模拟测试的细节。对于SIL，工程师使用微软®Visual Studio®用于控制代码的源代码级调试。代码中设置的断点暂停了Simulink中的模拟，使工程师能够在恢复执行之前检查控制变量的状态。
使用模型和软件在环仿真(SIL+M)，工程师开发了一个新的控制模块作为模型，然后将其与控制软件集成。SIL+M通过使工程师能够将新的控制逻辑集成到完整的控制系统中，有望进一步推进前载ECU的开发。
MATLAB工作®，工程师在参数优化过程中进行了自动化仿真，并对仿真和测试结果进行了数据分析。
丰田目前在发动机控制、传动控制和混合动力电气控制系统的开发中采用基于模型的前置开发技术。
结果
研制出发动机综合模型．Ito博士说:“与因果建模方法相比，由Simscape支持的植物建模工作流更快、更健壮，我们用Simscape构建的植物模型以直观和直接的方式表示物理系统。”“Simscape使我们能够创建和模拟一个包含数千个方程的综合引擎模型。使用因果关系的方法是不可能实现的。”
设计在开发早期得到验证．Ito博士说:“通过基于模型的设计和SIL仿真，我们可以更早地验证新的控制设计。”例如，我们已经通过闭环仿真验证了CAN配置的发动机控制和传动控制软件，这使我们能够满怀信心地进行车载测试。”
模拟了难以测试的条件．伊藤博士说:“我们与Simulink一起创建的SIL平台使工程师能够在各种操作条件下对控制软件进行细致的检查，这在真实车辆或原型测试环境中是很难安排的。
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