基于MBD的控制系統建模與仿真軟件工具集

隨著新能源汽車和自動駕駛技術的快速發展，汽車電子電氣架構的發展已成為汽車行業推陳出新的主要動力：車內電控系統變得越來越復雜、軟件迭代周期越來越短，汽車電子軟件開發和測試的質量與效率要求也越來越高。汽車電控系統的設計開發已然成為復雜的系統工程。

近年來，“基于模型的電子架構設計方式”逐步被業內所接受與推崇，已成為保證整車研發成功的必要措施之一。2012年，歐洲發起智能系統工程（Smart Systems Engineering）項目，來自ANSYS、西門子、達索、寶馬、博世、大眾、ETAS等近30家汽車整車和部件研發單位以及工業軟件企業共同合作，探索面向應用的概念，以克服常見的系統工程挑戰。2022年，該項目已踏入第五階段，項目核心主題則主要側重于仿真質量與系統工程、敏捷方法的交互，以及傳統V字形模型的拓展階段。

作為這一系列設計方法的基礎架構，基于模型的設計（MBD，Model-Based Design）是已在汽車、航空和軍工等行業得到明確實踐的一套理念和方法。基于模型的系統工程（MBSE，Model Based System Engineer）是MBD的形式化應用，在典型的MBSE開發流程中，產品的研發主要涉及控制系統（主要包含控制算法和代碼）和被控對象兩大要素，典型研發流程如下圖所示。

▲圖1 典型MBSE研發流程示意圖

從開發工具鏈實際參與汽車控制系統MBSE研發過程的廣度和深度出發，目前流行的汽車控制應用軟件開發工具鏈的上游開發工具有：

• 建模仿真工具（Simulink/Stateflow）
• 模型優化與代碼生成工具（Targetlink+ASCET-DEVELOPER）
• 測試工具（BTC Embedded Tester Base）
• 系統虛擬集成仿真工具（dSPACE VEOS）
• 系統集成測試工具（ECU-test）

▲圖2 基于MBD的控制系統建模與仿真軟件工具集

上述工具可作為開發汽車常用的控制算法模型庫的研發基礎，同時支持定點計算和SWC代碼生成。下面將以構建電動助力轉向（EPS，Electric Power Steering）系統為例，詳述工具集的應用。

EPS是電子電氣系統的組成部分（如圖3所示），該系統一般包括電機、減速機構、扭矩傳感器和電子控制單元（ECU，ElecmalControlUnit），其電子控制單元采集并解算出方向盤上作用的扭矩，經過一定的助力算法，控制電機輸出相應的力矩，通過減速機構對該力矩進行放大后，傳遞到轉向器，輔助駕駛員轉動方向盤。

▲圖3 電動助力轉向（EPS）系統示意圖

搭建過程中，可利用建模與仿真工具的基礎運算邏輯模塊和有限狀態機模塊可完成EPS電控單元模型的搭建，進而進行控制算法仿真（浮點數）；利用模型優化工具對模型進行定點影響分析并優化模型，開展定點位真仿真；還可利用單元測試工具進行模型的動態測試，驗證模型功能性能。

建模仿真與代碼生成軟件ModelCoder支持基于模型的嵌入式系統設計、仿真和可信代碼自動生成，提供了圖形編輯器、模塊庫以及對應的求解器，可對算法或控制邏輯進行可視化建模。其可信代碼生成器可通過形式化驗證技術將用戶模型翻譯為可信代碼，進而不加修改地應用于多種嵌入式系統。

ModelCoder具有結構明了、流程清晰、仿真精細、貼近實際、效率高、靈活、適應面廣泛等優點，可被應用于如控制系統和數字信號處理（DSP）等復雜模型的設計和仿真。