第1章 概述

1.1 引言

汽车的发明与发展深刻地改变了人类的生活方式，汽车电子控制技术的应用使得汽车制造技术发生了重大变革。随着汽车智能化和网联化进程的不断推进，汽车电子占整车制造成本的比例越来越高，电控系统的开发流程也变得日益复杂，电子控制技术已经成为汽车性能提升的核心使能技术。据统计，90%汽车产品的创新是依靠电子控制技术实现的。

随着节能减排标准以及动力性和安全性要求的逐渐提高，新型执行器和动力源被不断应用于汽车系统，越来越多的电控新技术也不断地应用于汽车系统，如发动机系统中的缸内直喷、可变气门、排气再循环、可变几何涡轮增压；动力传动系统中的双离合器式自动变速器、带有变矩器的9速自动变速器、无级变速器、动力换档技术；底盘稳定性控制系统中的制动防抱死、驱动防滑、主动悬架、主动巡航、主动避障、横摆稳定性控制等。这些新技术的引入增加了控制自由度和动力学耦合的复杂程度，例如，各个方向上轮胎力特性之间的相互作用，致使地面车辆的转向系统和制动系统之间存在较强的耦合。新开发的控制系统需要与现有系统兼容，然而旧的系统往往只有程序代码文本，而且经过了很多轮的修改和补充，很难知道最初的设计目标和指标。多系统之间的强耦合使得系统的移植性降低，改动某一个部分的代码往往会给整个系统带来预想不到的连锁反应。系统间的动力学耦合使得电控系统的设计、标定与验证更加困难。

在强烈的市场需求促进下，汽车智能化和网联化使得汽车嵌入式代码量正逐年呈指数型增长（图1-1）。可以看出从2007—2013年，汽车的总代码量翻了10倍。代码的指数型增长主要体现在用户需求的输入信号量呈指数型增长、控制系统解决方案的数量快速增长和系统间的耦合数量快速增长。

图1-1 近年来汽车嵌入式代码行数

注：图片数据源自SIEMENS。

对于一般供应商来说，每千行代码或多或少都会出现一些错误。例如，NASA每千行代码会出现0.1～1个错误，一般供应商每千行代码会出现4～6个错误，基础薄弱的供应商每千行代码会出现6～10个错误。对于传统的开发模式，设计错误修复上的每一次拖延都会造成修复费用呈指数级增加。例如，开发早期引入的错误，如果到晚期才发现，则修复这类错误的费用最高。如图1-2a所示，随着开发的进行，在早期引入错误的概率比较大，然而在开发后期发现错误的概率也比较大。这对于开发是非常不利的，理想的情况如图1-2b所示。汽车嵌入式代码量指数型增长使得电控系统变得日益庞大，电控系统开发流程也变得更加复杂。

图1-2 不同开发方法下引入错误和发现错误的概率

如何更新升级汽车电控系统而不必增加过于昂贵的投入对汽车电控系统的开发流程提出了挑战。为此，各汽车厂商和研究机构展开了大量研究，控制领域和汽车工程领域的国际著名期刊都先后推出汽车控制方面的特刊，几乎相关的国际著名学术会议都设立了有关汽车控制的分会场。在这些论文和会场中，被反复提到的一项系统开发的核心技术就是基于模型的控制系统开发（Model-Based Design，MBD）。基于模型的电控系统开发是面向机电一体化产品的现代开发手段，在整个开发过程中以系统模型作为共同的对象，而非物理原型和文本，可以打破传统开发流程中由于领域和分工的不同形成的隔阂。基于模型的汽车电控系统设计在控制算法理论研究和系统设计之间构建了一个桥梁，有助于控制算法设计回到系统设计中，为实现将先进控制算法应用到工程系统提供了一个通用的设计框架。这种设计思路在加深研究人员对应用系统的理解的同时，也为工程应用人员提供了丰富的理论指导。它基于理论推导出参数的选取准则，可以大大减少控制器参数标定工作量。它已经逐渐成为满足“安全性、动力性、低成本、低油耗和低排放”等汽车电控系统开发的有效解决手段，也成为高等院校工程实践教育的一个重要组成部分。