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原文传递车载CAN网络建模及其介入对底盘控制性能影响的研究

论文题名：	车载CAN网络建模及其介入对底盘控制性能影响的研究
关键词：	车载CAN网络建模;网络控制系统;车辆底盘;集成控制;硬件在环仿真
摘要：	近年来,基于网络通信的控制系统在工业控制领域中广泛应用,并逐渐形成一门针对通信网络和控制系统进行综合研究的前沿学科——网络控制系统(Network ControlSystem,NCS)。专为车载控制器间数据交换而设计开发的控制器局域网(Controller AreaNetwork,CAN)从出现开始就备受关注,是目前车载网络的主流通信协议。CAN网络介入控制系统不可避免地给系统性能带来不同程度影响。网络规模较小、通信负载较低时,控制系统的设计和性能评价通常不考虑网络因素的影响。现如今,电控技术发展日新月异,车辆电控系统功能多样、数量飞增,车载网络的规模和通信负载也呈现快速增长趋势。车辆底盘是汽车性能的重要体现机构,它的性能表现直接影响着整个车辆的系统可靠性、操纵稳定性和行驶安全性,因此充分考虑网络因素对车辆底盘控制性能影响的研究具有迫切的现实意义,也是底盘分布式网络控制系统设计和分析的关键。　　因此,本文以CAN网络通信的底盘控制系统为研究对象,首先对CAN网络模型的建立方法、建模软件的选择及模型的具体实现进行了深入的探讨和分析,基于StateFlow和TrueTime两种工具建立了面向车辆控制的CAN网络通信模型。然后以典型的底盘控制系统为研究目标,仿真考察了CAN网络介入对系统控制性能的影响。根据车辆底盘的分层控制架构,提出了模块化网络分布集成控制策略,联合MATLAB/Simulink平台和TrueTime工具箱对系统性能进行仿真分析。最后基于dSPACE实时工具构建了CAN网络通信的车辆底盘分布式网络控制系统HIL仿真平台,并对所建系统进行了试验验证。论文的主要研究工作包括: 　　 (1)根据有限状态机理论定义了CAN网络信道及通信节点的FSM表达形式,基于MATLAB/Simulink/StateFlow平台建立了CAN网络MAC层和应用层模型。经过CAN网络诱导时延的理论计算和TrueTime中等效模型的仿真对比,从理论和仿真两个方面验证了所建模型的正确性,为CAN网络通信的控制系统性能分析奠定模型基础,并为车载网络控制系统的网络模型建立提供一种有效方法。　　 (2)基于TrueTime工具箱提供的CAN网络底层模型,结合控制系统通信节点的不同功能,依照模块化建模思想,分别建立了不同功能节点的应用行为模型,为CAN网络通信的系统控制性能研究提供模型基础。根据TTCAN协议MC设计准则,结合车辆控制系统性能要求,基于TmeTime实现了基于静态调度表的TTCAN通信协议模型。通过仿真试验,验证了所建模型的正确性,为TTCAN与车辆控制系统的联合仿真奠定模型基础。　　 (3)指出车载CAN网络控制系统的通信网络设计重点,在Simulink平台建立了非线性八自由度车辆模型。将StateFlow和TrueTime中建立的CAN网络模型分别嵌入Simulink中建立的ABS模糊控制系统和ARS(主动后轮转向)滑模控制系统,仿真研究了网络介入对系统控制性能的影响。结果表明,在网络带宽满足系统通信需求的前提下,ABS传感器和控制器间的网络诱导时延和数据丢包使车轮滑移率控制品质下降,路况较差的低附着系数路面上,系统控制品质恶化明显。CAN网络介入ARS的传感器、控制器和执行器间时,在网络带宽满足系统通信需求的前提下,网络诱导时延对系统控制性能影响很小,而数据丢包对系统控制性能影响显著,丢包率小于30％时,仅系统动态品质变差,丢包率大于50%时控制稳定性显著下降。　　 (4)根据车辆底盘的分层控制思想,基于模糊控制逻辑和滑模控制策略构建了由上层监督控制器和车辆稳定性控制(ESP)、主动前轮转向控制(AFS)和主动后轮转向控制(ARS)三个子控制系统构成的车辆底盘集成网络控制系统(IVC),分析提出了为系统提供通信服务的CAN网络架构,联合Simulink中的非线性车辆模型、集成控制系统模型和TrueTime中建立的CAN网络模型,对IVC-NCS性能进行了综合仿真分析。结果表明,在网络带宽满足控制系统通信需求时,所设计的IVC-NCS能够满足控制要求。网络诱导时延对系统控制性能影响很小,可以忽略。丢包率增加会不同程度改变系统控制性能,丢包率超过50%时系统控制稳定性显著下降。在CAN和TTCAN的仿真对比中发现,相同网络环境下的TTCAN协议并不在控制性能方面比普通CAN协议表现出明显优势。　　 (5)针对CAN网络通信的IVC,基于dSPACE实时仿真工具,搭建了IVC-NCS系统的HIL仿真平台。基于该平台对传统点对点连接方式和CAN网络连接方式下的IVC-NCS系统进行了前轮转向角阶跃输入的仿真试验。通过多次反复试验得到如下结论:CAN网络介入IVC会导致系统动态控制品质下降,在网络带宽满足控制系统通信需求时,环境良好的网络不改变系统稳态特性。当丢包率超过50%时,系统控制品质变化显著,在系统设计时应给予充分考虑和性能考核。
作者：	孙宁
专业：	机械工程;车辆工程
导师：	陈南
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文