第1章 概述

1.1 引言

汽車的發明與發展深刻地改變了人類的生活方式，汽車電子控制技術的應用使得汽車制造技術發生了重大變革。隨著汽車智能化和網聯化進程的不斷推進，汽車電子占整車制造成本的比例越來越高，電控系統的開發流程也變得日益復雜，電子控制技術已經成為汽車性能提升的核心使能技術。據統計，90%汽車產品的創新是依靠電子控制技術實現的。

隨著節能減排標準以及動力性和安全性要求的逐漸提高，新型執行器和動力源被不斷應用于汽車系統，越來越多的電控新技術也不斷地應用于汽車系統，如發動機系統中的缸內直噴、可變氣門、排氣再循環、可變幾何渦輪增壓；動力傳動系統中的雙離合器式自動變速器、帶有變矩器的9速自動變速器、無級變速器、動力換檔技術；底盤穩定性控制系統中的制動防抱死、驅動防滑、主動懸架、主動巡航、主動避障、橫擺穩定性控制等。這些新技術的引入增加了控制自由度和動力學耦合的復雜程度，例如，各個方向上輪胎力特性之間的相互作用，致使地面車輛的轉向系統和制動系統之間存在較強的耦合。新開發的控制系統需要與現有系統兼容，然而舊的系統往往只有程序代碼文本，而且經過了很多輪的修改和補充，很難知道最初的設計目標和指標。多系統之間的強耦合使得系統的移植性降低，改動某一個部分的代碼往往會給整個系統帶來預想不到的連鎖反應。系統間的動力學耦合使得電控系統的設計、標定與驗證更加困難。

在強烈的市場需求促進下，汽車智能化和網聯化使得汽車嵌入式代碼量正逐年呈指數型增長（圖1-1）。可以看出從2007—2013年，汽車的總代碼量翻了10倍。代碼的指數型增長主要體現在用戶需求的輸入信號量呈指數型增長、控制系統解決方案的數量快速增長和系統間的耦合數量快速增長。

圖1-1 近年來汽車嵌入式代碼行數

注：圖片數據源自SIEMENS。

對于一般供應商來說，每千行代碼或多或少都會出現一些錯誤。例如，NASA每千行代碼會出現0.1～1個錯誤，一般供應商每千行代碼會出現4～6個錯誤，基礎薄弱的供應商每千行代碼會出現6～10個錯誤。對于傳統的開發模式，設計錯誤修復上的每一次拖延都會造成修復費用呈指數級增加。例如，開發早期引入的錯誤，如果到晚期才發現，則修復這類錯誤的費用最高。如圖1-2a所示，隨著開發的進行，在早期引入錯誤的概率比較大，然而在開發后期發現錯誤的概率也比較大。這對于開發是非常不利的，理想的情況如圖1-2b所示。汽車嵌入式代碼量指數型增長使得電控系統變得日益龐大，電控系統開發流程也變得更加復雜。

圖1-2 不同開發方法下引入錯誤和發現錯誤的概率

如何更新升級汽車電控系統而不必增加過于昂貴的投入對汽車電控系統的開發流程提出了挑戰。為此，各汽車廠商和研究機構展開了大量研究，控制領域和汽車工程領域的國際著名期刊都先后推出汽車控制方面的特刊，幾乎相關的國際著名學術會議都設立了有關汽車控制的分會場。在這些論文和會場中，被反復提到的一項系統開發的核心技術就是基于模型的控制系統開發（Model-Based Design，MBD）。基于模型的電控系統開發是面向機電一體化產品的現代開發手段，在整個開發過程中以系統模型作為共同的對象，而非物理原型和文本，可以打破傳統開發流程中由于領域和分工的不同形成的隔閡。基于模型的汽車電控系統設計在控制算法理論研究和系統設計之間構建了一個橋梁，有助于控制算法設計回到系統設計中，為實現將先進控制算法應用到工程系統提供了一個通用的設計框架。這種設計思路在加深研究人員對應用系統的理解的同時，也為工程應用人員提供了豐富的理論指導。它基于理論推導出參數的選取準則，可以大大減少控制器參數標定工作量。它已經逐漸成為滿足“安全性、動力性、低成本、低油耗和低排放”等汽車電控系統開發的有效解決手段，也成為高等院校工程實踐教育的一個重要組成部分。