隨著汽車制造商努力提供更好的燃油效率、更少排放以及更好的駕駛體驗，Engine control unit (ECU)軟件變得越來越復雜。具體而言，更嚴格的排放規定需要精確控制空氣燃油混合物以及燃燒時間。為了避免代價高昂的返工和成本超限，在ECU開發過程中盡早得到準確的發動機仿真模型顯得至關重要。豐田汽車公司工程師開發出了用于前置開發流程的發動機模型，實現了有關生產車輛計劃的模型在環(MIL)和軟件在環(SIL)測試。

“借助基于模型設計的前置開發讓我們縮短了開發周期并最大限度減少了返工，使我們能夠早于競爭對手提供產品。使用MATLAB、Simulink和Simscape，我們在同一環境中創建了控制軟件、物理對象模型以及閉環仿真器，大幅簡化了控制系統開發。”

—— 豐田汽車公司 Hisahiro Ito博士

挑戰

之前，豐田工程師僅通過相對簡單的對象模型測試了一小組ECU功能，這使得他們難以測試和優化控制軟件。為了確保新發動機達到最佳工作狀態，他們需要涵蓋整個發動機的發動機模型，其中包括燃油、引擎以及廢氣再循環(EGR)系統。工程師需要通過直接描述這些系統的方程式來對系統行為建模。

豐田工程師需要改善其SIL和MIL技術的靈活性和可擴展性來更為有效地開發ECU。工程師需要SIL環境來支持ECU之間的CAN總線通信仿真、控制代碼的源代碼級別調試以及中斷服務例程(ISR)和定時器任務的正確執行順序。

解決方案

豐田工程師使用Simscape來開發包含數千個方程式的發動機模型。通過基于模型的設計，該模型實現了ECU軟件的前置開發流程。

工程師使用Simscape語言來創建自定義物理域。他們創建了自定義組件模型來表示內燃機缸以及空氣通路（包括EGR）。通過組合這些模型和Simscape提供的組件模型，能夠對扭矩轉換器、自動變速箱以及其他傳動系統組件建模。

他們使用物理網絡方法在Simscape中裝配這些組件來創造非因果關系模型。這些非因果關系模型與使用Simulink及Model-Based Calibration Toolbox開發的數據驅動模型組合在一起。

為了在Simulink和Stateflow中開發ECU算法的可執行規范，他們通過Simulink采用MIL仿真來分析新控制邏輯的設計，同時考慮所連接裝置的動態特性。

在使用Simulink Coder從控制模型中生成代碼之后，豐田工程師使用SIL測試來驗證驅動程序、ISR和定時器的準確執行順序以及其他無法通過MIL仿真測試的詳細信息。通過SIL，工程師將Microsoft Visual Studio用于控制代碼的源代碼級別調試。代碼中設置的斷點能夠暫停了Simulink中的仿真，讓工程師能夠在恢復執行之前檢查控制變量的狀態。

借助模型在環和軟件在環仿真(SIL+M)，工程師開發出新的控制單元模型，然后將其與控制軟件集成。工程師能夠將新的控制邏輯加入整個控制系統，SIL+M可進一步前置ECU開發。

通過在MATLAB中進行的工作，工程師將參數優化期間的仿真自動化，并對仿真和測試結果執行數據分析。

豐田目前在發動機控制、變速箱控制以及混合電動控制系統中，通過基于模型設計進行前置開發。

Simscape讓我們能夠創建適合設計任務的高精度模型，所有團隊都可輕松理解該模型。盡早完成在Simulink中執行的ECU和發動機的閉環仿真，這對于我們的前置開發過程至關重要。

”

—— 豐田汽車公司 Hisahiro Ito博士

結果

豐田發動機。Simscape建模有助于豐田確保更為精確地控制精密的發動機組件，例如渦輪增壓器和后處理系統。

開發出高精度發動機模型。“與因果建模方法相比，Simscape支持的對象建模速度更快且更可靠，同時我們用Simscape構建的對象模型以直觀和直接的方式表示物理系統”，Ito博士說道。“Simscape讓我們能夠創建并仿真包含數千個方程式的高精度發動機模型。使用因果關系建模方法無法實現這種結果。”

在開發早期驗證設計。“借助基于模型的設計以及SIL仿真，我們可提前許多時間來驗證新的控制設計”，Ito博士說道。“例如我們通過閉環仿真驗證了采用CAN配置的發動機控制和變速箱控制軟件，這讓我們能夠以極大的信心繼續進行車輛內測試。”

仿真難以實現的測試條件。“我們用Simulink創建的SIL平臺讓工程師能夠在難以安排實際車輛或原型測試環境的各種工作條件下，執行控制軟件的細致檢查”，Ito博士說。