車載CAN網(wǎng)絡建模及其介入對底盤控制性能影響的研究.pdf

1、近年來,基于網(wǎng)絡通信的控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中廣泛應用,并逐漸形成一門針對通信網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)進行綜合研究的前沿學科——網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(Network ControlSystem,NCS)。專為車載控制器間數(shù)據(jù)交換而設計開發(fā)的控制器局域網(wǎng)(Controller AreaNetwork,CAN)從出現(xiàn)開始就備受關(guān)注,是目前車載網(wǎng)絡的主流通信協(xié)議。CAN網(wǎng)絡介入控制系統(tǒng)不可避免地給系統(tǒng)性能帶來不同程度影響。網(wǎng)絡規(guī)模較小、通信負載較低時,控制系統(tǒng)

2、的設計和性能評價通常不考慮網(wǎng)絡因素的影響。現(xiàn)如今,電控技術(shù)發(fā)展日新月異,車輛電控系統(tǒng)功能多樣、數(shù)量飛增,車載網(wǎng)絡的規(guī)模和通信負載也呈現(xiàn)快速增長趨勢。車輛底盤是汽車性能的重要體現(xiàn)機構(gòu),它的性能表現(xiàn)直接影響著整個車輛的系統(tǒng)可靠性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性,因此充分考慮網(wǎng)絡因素對車輛底盤控制性能影響的研究具有迫切的現(xiàn)實意義,也是底盤分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計和分析的關(guān)鍵。
　　 因此,本文以CAN網(wǎng)絡通信的底盤控制系統(tǒng)為研究對象,首先對CA

3、N網(wǎng)絡模型的建立方法、建模軟件的選擇及模型的具體實現(xiàn)進行了深入的探討和分析,基于StateFlow和TrueTime兩種工具建立了面向車輛控制的CAN網(wǎng)絡通信模型。然后以典型的底盤控制系統(tǒng)為研究目標,仿真考察了CAN網(wǎng)絡介入對系統(tǒng)控制性能的影響。根據(jù)車輛底盤的分層控制架構(gòu),提出了模塊化網(wǎng)絡分布集成控制策略,聯(lián)合MATLAB/Simulink平臺和TrueTime工具箱對系統(tǒng)性能進行仿真分析。最后基于dSPACE實時工具構(gòu)建了CAN網(wǎng)絡通

4、信的車輛底盤分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)HIL仿真平臺,并對所建系統(tǒng)進行了試驗驗證。論文的主要研究工作包括:
　　 (1)根據(jù)有限狀態(tài)機理論定義了CAN網(wǎng)絡信道及通信節(jié)點的FSM表達形式,基于MATLAB/Simulink/StateFlow平臺建立了CAN網(wǎng)絡MAC層和應用層模型。經(jīng)過CAN網(wǎng)絡誘導時延的理論計算和TrueTime中等效模型的仿真對比,從理論和仿真兩個方面驗證了所建模型的正確性,為CAN網(wǎng)絡通信的控制系統(tǒng)性能分析奠定模型

5、基礎(chǔ),并為車載網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡模型建立提供一種有效方法。
　　 (2)基于TrueTime工具箱提供的CAN網(wǎng)絡底層模型,結(jié)合控制系統(tǒng)通信節(jié)點的不同功能,依照模塊化建模思想,分別建立了不同功能節(jié)點的應用行為模型,為CAN網(wǎng)絡通信的系統(tǒng)控制性能研究提供模型基礎(chǔ)。根據(jù)TTCAN協(xié)議MC設計準則,結(jié)合車輛控制系統(tǒng)性能要求,基于TmeTime實現(xiàn)了基于靜態(tài)調(diào)度表的TTCAN通信協(xié)議模型。通過仿真試驗,驗證了所建模型的正確性,為TTCA

6、N與車輛控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真奠定模型基礎(chǔ)。
　　 (3)指出車載CAN網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡設計重點,在Simulink平臺建立了非線性八自由度車輛模型。將StateFlow和TrueTime中建立的CAN網(wǎng)絡模型分別嵌入Simulink中建立的ABS模糊控制系統(tǒng)和ARS(主動后輪轉(zhuǎn)向)滑?？刂葡到y(tǒng),仿真研究了網(wǎng)絡介入對系統(tǒng)控制性能的影響。結(jié)果表明,在網(wǎng)絡帶寬滿足系統(tǒng)通信需求的前提下,ABS傳感器和控制器間的網(wǎng)絡誘導時延和數(shù)據(jù)丟包

7、使車輪滑移率控制品質(zhì)下降,路況較差的低附著系數(shù)路面上,系統(tǒng)控制品質(zhì)惡化明顯。CAN網(wǎng)絡介入ARS的傳感器、控制器和執(zhí)行器間時,在網(wǎng)絡帶寬滿足系統(tǒng)通信需求的前提下,網(wǎng)絡誘導時延對系統(tǒng)控制性能影響很小,而數(shù)據(jù)丟包對系統(tǒng)控制性能影響顯著,丟包率小于30％時,僅系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)變差,丟包率大于50%時控制穩(wěn)定性顯著下降。
　　 (4)根據(jù)車輛底盤的分層控制思想,基于模糊控制邏輯和滑?？刂撇呗詷?gòu)建了由上層監(jiān)督控制器和車輛穩(wěn)定性控制(ESP)、

8、主動前輪轉(zhuǎn)向控制(AFS)和主動后輪轉(zhuǎn)向控制(ARS)三個子控制系統(tǒng)構(gòu)成的車輛底盤集成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(IVC),分析提出了為系統(tǒng)提供通信服務的CAN網(wǎng)絡架構(gòu),聯(lián)合Simulink中的非線性車輛模型、集成控制系統(tǒng)模型和TrueTime中建立的CAN網(wǎng)絡模型,對IVC-NCS性能進行了綜合仿真分析。結(jié)果表明,在網(wǎng)絡帶寬滿足控制系統(tǒng)通信需求時,所設計的IVC-NCS能夠滿足控制要求。網(wǎng)絡誘導時延對系統(tǒng)控制性能影響很小,可以忽略。丟包率增加會不同

9、程度改變系統(tǒng)控制性能,丟包率超過50%時系統(tǒng)控制穩(wěn)定性顯著下降。在CAN和TTCAN的仿真對比中發(fā)現(xiàn),相同網(wǎng)絡環(huán)境下的TTCAN協(xié)議并不在控制性能方面比普通CAN協(xié)議表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。
　　 (5)針對CAN網(wǎng)絡通信的IVC,基于dSPACE實時仿真工具,搭建了IVC-NCS系統(tǒng)的HIL仿真平臺?；谠撈脚_對傳統(tǒng)點對點連接方式和CAN網(wǎng)絡連接方式下的IVC-NCS系統(tǒng)進行了前輪轉(zhuǎn)向角階躍輸入的仿真試驗。通過多次反復試驗得到如下結(jié)論