摘要：本文分析未來10-15年內(nèi)汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向，從而明確這些新的發(fā)展方向會(huì)對(duì)汽車車身控制提出那些新的要求。文章描述了系統(tǒng)在無優(yōu)化情況下的最壞響應(yīng)時(shí)間，并且以試驗(yàn)論證我們所得到的結(jié)論。提出未來汽車車身控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為了滿足未來汽車網(wǎng)絡(luò)通訊需求而需要做出的改進(jìn)。
引言
從上世紀(jì)50年代汽車上第一次使用電子元件以來，使用在汽車上的電子元件越來越多也越來越復(fù)雜。在現(xiàn)在的汽車控制系統(tǒng)中有一種趨勢，就是以通過
總線來連接控制系統(tǒng)上的分散的分布式元器件。CAN總線以其事件觸發(fā)和無損仲裁機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)受到廣大汽車生產(chǎn)廠商的青睞。但是，隨著汽車車身電子元件的增加，特別是新一代纜控技術(shù)(by-wire)的發(fā)展，CAN總線將逐漸無法滿足其要求，這就引出了時(shí)間觸發(fā)的CAN總線，即TTCAN總線。
在實(shí)際的汽車總線應(yīng)用中，總線會(huì)受到很強(qiáng)的電磁干擾。所以，總線上的節(jié)點(diǎn)必須具有很好的容錯(cuò)(fault-tolerant )性能。這樣在遇到有消息發(fā)送失敗或者節(jié)點(diǎn)失效等故障時(shí)，總線還可以保證硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)((hard real-time system)的安全性。
1未來汽車發(fā)展的要求
1.1低能耗內(nèi)烘機(jī)車
除了內(nèi)燃機(jī)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)、部件原理改進(jìn)使油耗降低外，控制系統(tǒng)的改進(jìn)也是很重要的。用以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何時(shí)候，特別是啟動(dòng)、加減速、制動(dòng)、怠速等過程時(shí)能夠盡最大可能的省油和重復(fù)利用能源。這就要求信息的精度和重復(fù)頻率提高，也就是提高傳感器的性能和拓寬通訊頻帶。
1.2混合動(dòng)力車
因?yàn)閱卧^多(例如分為多能源控制單元、內(nèi)燃機(jī)單元、電動(dòng)機(jī)單元、電池單元、輔助能源單元、儀表盤單元等)，各單元間的相互關(guān)系也較多(特別是并聯(lián)混合式)。其頻帶占用較多，如果采取一些措施梭，目前的通訊規(guī)程(SAE J1939 )在應(yīng)用層補(bǔ)充后也己可用，但如對(duì)控制要求較高，頻帶利用率已較緊張。
1.3線控車(X-by-wire)
線控車由于以線纜代替駕駛員與動(dòng)力設(shè)備間的機(jī)械聯(lián)系，出現(xiàn)了很多優(yōu)點(diǎn)，例如控制(特別是轉(zhuǎn)向和制動(dòng))輕便靈活，自動(dòng)化程度高等。但是正因?yàn)橛昧司€控技術(shù)，駕駛員只能通過“線”來控制車，安全問題就提高到了首位。其主要特點(diǎn)有:
·缺少了機(jī)械后援，對(duì)安全性要求高;
·傳感器需要有雙份冗余，關(guān)鍵部分甚至需 要三份，增加了通道所需容量;
·由于傳感器及通道的多路化，控制系統(tǒng)的 判別和運(yùn)算需要更多的時(shí)間。
2系統(tǒng)通訊的響應(yīng)時(shí)間
2.1系統(tǒng)模型
總線上傳輸?shù)南⒖梢苑譃槿?周期性，陣發(fā)性和查詢消息。其中周期性消息是以時(shí)間觸發(fā)的形式周期性發(fā)送的，如汽車車速為大小8 bits的消息并且每1OOm，發(fā)送一次;陣發(fā)性的消息是以事件觸發(fā)的形式發(fā)送的，如
鑰匙開關(guān)點(diǎn)火；而查詢消息是則主要用于診斷，平常很少使用。
下面描述一下將要用來分析的系統(tǒng)模型，若干個(gè)節(jié)點(diǎn)由TTCAN總線連接用以傳輸一組硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的消息。這些硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的消息是一些典型的控制信息，必須在時(shí)限之內(nèi)完成否則就會(huì)造成嚴(yán)重的后果。在這里只考慮周期性消息和陣發(fā)性消息，消息從產(chǎn)生開始并被送入CPU由專門軟件進(jìn)行排隊(duì)，經(jīng)CPU處理過后經(jīng)TTCAN節(jié)點(diǎn)送入總線排隊(duì)等待，直到處理完畢。如圖1所示:
2.2最壞情況下消息延時(shí)的計(jì)算
這節(jié)將討論最壞情況下消息延時(shí)的計(jì)算，這是基于Tindell和Burns所提出的基本計(jì)算方法。這種方法是建立在未做任何信息傳輸優(yōu)化假設(shè)基礎(chǔ)上的，在實(shí)際的信息傳輸中效率會(huì)大大高于理論計(jì)算值，首先要做一些假設(shè):
第一，一個(gè)消息m的時(shí)限不會(huì)大于這個(gè)消息的周期;
第二，如果有更高優(yōu)先級(jí)的消息在等待，系統(tǒng)不會(huì)先處理低優(yōu)先級(jí)的消息。一個(gè)幀m由CmTmJmDm所定義，其中Tm是周期，Cm是傳送時(shí)間，Dm是時(shí)限，Jm是最大抖動(dòng)(jitter)。分析抖動(dòng)是很重要的，因?yàn)楹雎粤怂鼤?huì)導(dǎo)致分析的不充分。排隊(duì)抖動(dòng)(Queuingjitter)指的是一個(gè)消息可以被列入排隊(duì)隊(duì)列的最長和最短時(shí)間的差值。消息排隊(duì)抖動(dòng)如圖2所示:
最壞情況下，CAN消息的傳送時(shí)間是:(2.0A)
其中τbit是物理介質(zhì)比特的時(shí)間，sm是CAN幀的數(shù)據(jù)部分大小。總的傳輸時(shí)間是指最壞情況下的插入(stuff)和頭部數(shù)目以及數(shù)據(jù)位。CAN要求在傳輸4個(gè)相同位后插入一個(gè)插入位。每4個(gè)相同位后插入的插入位也就成了下相同位序列的第一位。
最壞情況下消息的響應(yīng)時(shí)間是：
Bm指的是較低優(yōu)先級(jí)的消息在最壞情況下的傳送時(shí)間（這里lp(m)指比m低優(yōu)先級(jí)的消息集合）。
報(bào)文在CAN總線上發(fā)送有2種情況需要等待：
(1) 有高于本報(bào)文優(yōu)先度的報(bào)文要發(fā)送；
(2) 有低于本報(bào)文優(yōu)先度的報(bào)文正在發(fā)送。
最長等待時(shí)間未：(hp(m)指比m高優(yōu)先級(jí)的消息集合）
2.3 在傳輸出錯(cuò)情況下的響應(yīng)時(shí)間
根部Burns的理論，在一個(gè)時(shí)間t范圍內(nèi)，只有一個(gè)突發(fā)性的錯(cuò)誤，其長度為nerror；除了這個(gè)突發(fā)性的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤的周期為Terror。我們可以將一個(gè)消息在最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間分為以下四個(gè)部分：
- 從消息觸發(fā)到排隊(duì)時(shí)間的最壞延時(shí)。
- 消息排隊(duì)時(shí)間Qm。
- 傳送時(shí)間Cm。
- 出錯(cuò)恢復(fù)時(shí)間EQm。
所以，一個(gè)消息的最壞延時(shí)時(shí)間可以表達(dá)為：
于是，在t時(shí)間內(nèi)傳輸錯(cuò)誤的數(shù)目為(nerror + |t/Terror|-1)。將其代入公式（4）則得出：
其中，E(t)為出錯(cuò)恢復(fù)時(shí)間EQm的函數(shù)，表示其最大的恢復(fù)時(shí)間。
3 試驗(yàn)及結(jié)果
要進(jìn)行試驗(yàn)，首先要確定系統(tǒng)控制器最多能承受多大的延時(shí)時(shí)間及產(chǎn)生延時(shí)時(shí)間后系統(tǒng)的控制器有何不同的要求，關(guān)于延時(shí)時(shí)間的選擇，參照了TTP/的Kopeiz所提出的20ms和福特汽車公司所提出的50ms。Kopetz認(rèn)為汽車車身通信延遲最多不能超過20ms是基于以下兩方面的考慮，一是駕駛員對(duì)他的所有操作動(dòng)作都認(rèn)為是立即得到響應(yīng)了，而不會(huì)由于系統(tǒng)延時(shí)的影響使得駕駛員做出重復(fù)的誤操作，二是對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的最高轉(zhuǎn)速而言，每個(gè)氣缸的工作循環(huán)大致在20ms左右，也就是說能夠在每個(gè)工作循環(huán)產(chǎn)生一次控制命令。關(guān)于福特公司的延時(shí)時(shí)間不超過50ms沒有詳細(xì)的理論敘述，我們只能認(rèn)為其是來自于經(jīng)驗(yàn)的工程實(shí)踐。但是，在我們所進(jìn)行的對(duì)汽車車身系統(tǒng)的仿真初步試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間超過50ms附近時(shí)(根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的區(qū)別大致在正負(fù)5ms之間)系統(tǒng)將出現(xiàn)振蕩。
圖3為響應(yīng)時(shí)間過長(轉(zhuǎn)速測量時(shí)間較長)而致系統(tǒng)發(fā)生振蕩的實(shí)例。
圖3 響應(yīng)時(shí)間過長而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩
3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?
我們選取了MatLab的Simulink中提供的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣模型作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了控制進(jìn)氣的PID控制器。系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)，初值為2000rpm，終值為3000 rpm。由于在較大慣性環(huán)節(jié)或滯后環(huán)節(jié)的作用下，控制器力圖克服誤差的作用，但其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時(shí)，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在這個(gè)控制器中僅引入“比例”項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重地沖過頭。
所以，基于以上的考慮，我們決定選取延時(shí)時(shí)間為50ms來設(shè)計(jì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的PID控制器，進(jìn)而插入20ms延時(shí)來檢查所設(shè)計(jì)PID控制器的控制效果。我們并沒有采用改變扭距擾動(dòng)的方法來監(jiān)測系統(tǒng)的性能，因?yàn)榕ぞ鄶_動(dòng)是非線性的，而且在實(shí)際的路況中，扭距擾動(dòng)是不可預(yù)知的。系統(tǒng)仿真的輸出結(jié)果如圖一4所示，從圖中可以看出，加入微分環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的誤差得到了很好的抑制。超調(diào)量從3%下降到了1%左右，而調(diào)整時(shí)間得到了保持，仍然維持在1s之內(nèi)。可以得出如果要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠很好克服延時(shí)環(huán)節(jié)的汽車車身控制器，有效的消除延時(shí)環(huán)節(jié)所引起的誤差和振蕩是必不可少的。
圖4 仿真系統(tǒng)的輸出
3.2 SAE J2056所載的通訊工作量
SAE技術(shù)報(bào)告J205611提出了車身網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)工作量，它將車身電氣元件分為七個(gè)部分。分別是電池部分、汽車控制器、變速箱控制部分、儀器儀表顯示部分、駕駛員輸入部分、剎車部分和傳動(dòng)控制部分。連接這些控制部分的網(wǎng)絡(luò)一共要傳送”種消息類型，只包括周期性消息和陣發(fā)性消息兩類，周期性的消息有一個(gè)固定的發(fā)送周期，可以用固定了全局時(shí)間的時(shí)間觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)。陣發(fā)性要求很強(qiáng)的時(shí)限性，比如，每個(gè)陣發(fā)性消息的響應(yīng)時(shí)間必須小于20ms。
這個(gè)表所列的時(shí)間僅限于通訊所需的時(shí)間，不包括測量及運(yùn)算時(shí)間、處理決策時(shí)間及處理控制時(shí)間口從響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該小于20ms，出發(fā)，表上所列的關(guān)鍵參數(shù)的周期時(shí)間5ms是合理的。
根據(jù)該表計(jì)算，得出下述總線利用率數(shù)據(jù):（CCAN2.0 A)
4結(jié)論
綜上所述，從我們對(duì)汽車車身進(jìn)氣控制環(huán)節(jié)的仿真試驗(yàn)和根據(jù)SAC報(bào)告所述的通訊工作量的分析后，可以對(duì)于由于延時(shí)環(huán)節(jié)的引入而對(duì)汽車車身控制器的特殊要求做出了以下的判斷:
（1）車身控制器的網(wǎng)絡(luò)通訊延時(shí)不能大于50ms。如果延時(shí)大于50m;不僅會(huì)使得駕駛員產(chǎn)生誤判斷以致重復(fù)操作而且系統(tǒng)的控制效果也得不到有效的保證。響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該適當(dāng)?shù)倪x取小于20ms，總線通訊的基本周期也應(yīng)選擇在5-10ms之間。
（2）子系統(tǒng)的劃分要合理，功能分塊與按物理位置分塊兼顧(例如ABS、輪速)，以減少信息流量和安全為日的。信息盡可能“打包”，以提高信息的有效率(效率=數(shù)據(jù)長度/報(bào)文長度)。
（3）件觸發(fā)的報(bào)文應(yīng)盡量減少，主要是保證正常運(yùn)作與安全。增加時(shí)間觸發(fā)的消息相應(yīng)的減少時(shí)間觸發(fā)的消息有利于提高系統(tǒng)的可控性，同時(shí)減少了總線帶寬堵塞的可能性。另外只供診斷用的信息不采用時(shí)間觸發(fā)或事件觸發(fā)，只提供詢問。
（4）對(duì)快變信息的傳感器要盡量選擇較短的測量周期。
（5）有必要在控制器中引入微分控制。適當(dāng)?shù)南蚩刂破髦幸胛⒎汁h(huán)節(jié)能夠有效的避免誤差和控制系統(tǒng)的振蕩，從而增強(qiáng)控制的準(zhǔn)確性。(e
