使用TrueTime工具箱對(duì)CAN和FlexRay的理論和實(shí)踐進(jìn)行分析

摘要

在汽車系統(tǒng)中，通過(guò)局域網(wǎng)(LIN)、控制器局域網(wǎng)(CAN)、FlexRay、以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制已成為必然。雖然它們的引入帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)值得實(shí)施，但也有一些缺點(diǎn)。它們對(duì)控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性的不利影響必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析和設(shè)計(jì)，以提出控制結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償方法的架構(gòu)。

因此，本文提出了對(duì)汽車領(lǐng)域中兩個(gè)最常用的通信網(wǎng)絡(luò)，即CAN和FlexRay的理論和實(shí)踐分析。理論分析解決了這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)最重要的特性，簡(jiǎn)要地描述了它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。使用Matlab的TrueTime工具箱對(duì)CAN和FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的控制性能所引起的時(shí)變延遲進(jìn)行了實(shí)際分析。

為了進(jìn)行比較分析，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一個(gè)預(yù)測(cè)控制器，結(jié)果表明，即使在兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)引起時(shí)變延遲的情況下，所獲得的性能也不會(huì)下降。

I.簡(jiǎn)介

現(xiàn)代汽車包括機(jī)械系統(tǒng)（電機(jī)、變速器、轉(zhuǎn)向柱）、電子和數(shù)字組件（電子控制單元、傳感器和執(zhí)行器、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)）和軟件應(yīng)用（嵌入式操作系統(tǒng)、功能）[1]。在車輛的電子系統(tǒng)出現(xiàn)之前，這些部件之間的通信是用機(jī)械或液壓系統(tǒng)進(jìn)行的。但是，現(xiàn)在，通信網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)重要的作用，因?yàn)檐囕v是分層組織的，數(shù)據(jù)分布在分散的控制網(wǎng)絡(luò)上[2]。

因此，其運(yùn)作基本上取決于不同地點(diǎn)的某些組件之間的協(xié)作。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在不同的組件（控制器、傳感器、執(zhí)行器）之間信息的交換，例如，傳感器測(cè)量值、控制信號(hào)，因此，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，這種類型的系統(tǒng)具有更大的靈活性和更高的可靠性。

然而，由于主要的缺點(diǎn)，即時(shí)變的延遲和數(shù)據(jù)包的丟失，可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題[3]。因此，在本文中，既對(duì)車輛控制結(jié)構(gòu)中使用的通信網(wǎng)絡(luò)（控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) - CAN和FlexRay）進(jìn)行了理論分析，也對(duì)引入這些網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了實(shí)際分析。

在理論分析中，最常用的通信網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)通過(guò)它來(lái)交換信息，即：對(duì)CAN和FlexRay進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述，并說(shuō)明了它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。CAN總線允許車輛中的微控制器在不需要網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的情況下進(jìn)行相互通信[4]。

目前，一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車有幾十個(gè)微控制器，它們通過(guò)CAN總線相互通信。諸如 "線控轉(zhuǎn)向 "或 "線控剎車"等 "X-by-wire "系統(tǒng)需要一個(gè)具有穩(wěn)定通信、容錯(cuò)和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議。寶馬、戴姆勒、飛利浦和飛思卡爾之間的合作對(duì)這些要求作出了回應(yīng)，產(chǎn)生了FlexRay協(xié)議[5]。在未來(lái)，汽車制造商考慮使用以太網(wǎng)作為強(qiáng)大的后備技術(shù)，能夠傳輸來(lái)自CAN以及其他總線子系統(tǒng)的流量[6]。

在對(duì)車輛控制結(jié)構(gòu)中使用的通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際分析中，重點(diǎn)是動(dòng)力系統(tǒng)和用于各組成部分之間信息傳輸?shù)膮f(xié)議（CAN和FlexRay）。對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)，使用了具有兩個(gè)慣性質(zhì)量的模型，一個(gè)慣性對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和差速器，另一個(gè)對(duì)應(yīng)于車輛和車輪的質(zhì)量?；谶@個(gè)模型，設(shè)計(jì)并實(shí)施了狀態(tài)空間預(yù)測(cè)控制器，并測(cè)試了幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制的案例，目的是觀察網(wǎng)絡(luò)引起的缺陷帶來(lái)的的負(fù)面影響，即：時(shí)間變化的延遲和數(shù)據(jù)包丟失。

使用TrueTime工具箱（用于Mat- lab/Simulink）[7]對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中使用的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析。選擇這個(gè)工具箱進(jìn)行仿真，是因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)真實(shí)的環(huán)境來(lái)測(cè)試汽車網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。

II. 汽車聯(lián)網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

一輛汽車是基于許多電子設(shè)備（子系統(tǒng)），如先進(jìn)的安全系統(tǒng)、動(dòng)力總成控制模塊、傳感器和診斷工具。這些子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，依賴于新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供的各種通信服務(wù)。因此，現(xiàn)代汽車中的這些系統(tǒng)是分層組織的，并分布在一個(gè)具有分散控制的通信網(wǎng)絡(luò)中。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是信息的交換，例如，傳感器測(cè)量值、控制信號(hào)，在不同的組件（控制器、傳感器、執(zhí)行器）之間。本文重點(diǎn)討論用于傳輸以下系統(tǒng)信息的通信網(wǎng)絡(luò)：發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速器控制、ABS（防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）、X-by-wire、VDC（車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)）。

隨著新型汽車的發(fā)展，出現(xiàn)了幾十種控制系統(tǒng)，從安全氣囊、制動(dòng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)到多媒體系統(tǒng)。然而，當(dāng)有人提到車輛的計(jì)算機(jī)時(shí)，肯定指的是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）。

ECU，也稱為發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECM），控制內(nèi)燃機(jī)上的一些執(zhí)行器，以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊決定節(jié)流閥的角度，需要注入氣缸的燃料量，以及火花塞點(diǎn)亮的時(shí)間。在許多車輛中，該控制器還調(diào)節(jié)電力的分配，確保車載診斷，并與其他一些車輛系統(tǒng)進(jìn)行通信，以分配從不同傳感器獲得的信息。

ECM從各種模擬傳感器中獲取數(shù)據(jù)，將這些信息數(shù)字化并用于計(jì)算最佳發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置。這些計(jì)算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器的設(shè)置，模塊的數(shù)字和模擬輸出被用來(lái)驅(qū)動(dòng)這些執(zhí)行元件。如果發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能和變速器控制功能合并在同一個(gè)模塊中，該模塊被稱為動(dòng)力總成控制模塊（PCM）。

今天的ECM一般使用32位微控制器，有幾兆字節(jié)的內(nèi)存，時(shí)鐘速度在32MHz和100MHz之間。一般來(lái)說(shuō)，它們使用CAN、FlexRay或LIN總線接口與其他電子模塊通信。車輛聯(lián)網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)的通信要求在很大程度上取決于使用該網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)?，F(xiàn)在，有幾種協(xié)議被用來(lái)滿足各種通信要求，包括[9]：

● 容錯(cuò)性- 通信系統(tǒng)的建立是為了接受某些錯(cuò)誤，基于冗余的硬件和軟件架構(gòu)；此外，它們還應(yīng)該提供防錯(cuò)保護(hù)；

● 確定性 - 確定性通信系統(tǒng)提供有關(guān)實(shí)際情況的保證，即它允許知道某一信息的確切傳輸時(shí)間；

● 帶寬--最新的車輛通信技術(shù)提供了足夠大的帶寬，使新的車輛子系統(tǒng)能夠以高度的系統(tǒng)集成方式一起工作；

● 靈活性--這可以看作是在不同時(shí)間段管理由某些事件引發(fā)的消息的能力，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的程度，消息流的數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和可延伸性；

● 安全性--當(dāng)通信可以從車輛系統(tǒng)外部訪問(wèn)時(shí)，例如通過(guò)診斷工具或無(wú)線連接，必須確保系統(tǒng)的安全性。

III.車輛通信網(wǎng)絡(luò)的理論分析

汽車行業(yè)使用的通信協(xié)議主要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度進(jìn)行分類。美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）將汽車應(yīng)用分為A、B和C三類，對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性約束的重要性依次增加[10]。

A.控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) CAN是一個(gè)硬件和軟件的通信協(xié)議，最初由羅伯特-博世公司在1983年為汽車網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)[11]。CAN總線使用專門(mén)設(shè)計(jì)的雙絞線，以便在有電磁噪聲的環(huán)境中提供穩(wěn)定性。CAN協(xié)議的主要應(yīng)用是在汽車行業(yè)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速器控制、車身控制和車載診斷。

CAN總線也出現(xiàn)在其他分布式控制應(yīng)用中，如工廠自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化和航空航天系統(tǒng)[12], [13]。CAN總線允許車輛中的微處理器進(jìn)行相互通信，而不需要網(wǎng)絡(luò)主機(jī)。目前，一輛標(biāo)準(zhǔn)的汽車有幾十個(gè)微控制器，它們通過(guò)CAN總線相互通信，其特性見(jiàn)表一。

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度的不同，CAN協(xié)議被劃分為：CAN高速（HS）和CAN低速（LS）。CAN HS的數(shù)據(jù)傳輸速度在125 Kbps和1 Mbps之間。由于數(shù)據(jù)傳輸速度高，它主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和主動(dòng)安全系統(tǒng)（防抱死制動(dòng)系統(tǒng) - ABS，電子穩(wěn)定程序 - ESP）。CAN LS的傳輸速率在40到125Kbps之間。CAN LS協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是可以容錯(cuò)：如果兩條線中的一條中斷了，則在一條線上進(jìn)行通信。這種類型的CAN協(xié)議主要用于集中鎖定和固定器，由于操作和故障狀況。

CAN提供了一個(gè)廉價(jià)和可持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，有助于將多個(gè)設(shè)備相互連接。與系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備的許多模擬和數(shù)字輸入相比，電子控制單元可以有一個(gè)單一的CAN接口，這就是優(yōu)勢(shì)。

這降低了成本，也降低了車輛的總重量。網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)CAN控制器，它允許設(shè)備觀察所有傳輸?shù)男畔?，它可以決定一個(gè)信息是否相關(guān)或應(yīng)該被屏蔽。這種結(jié)構(gòu)允許以最小的影響對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改。

網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)拿總€(gè)消息都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)的特征。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖同時(shí)傳輸一個(gè)消息，那么優(yōu)先級(jí)較高的消息將被傳輸，而優(yōu)先級(jí)較低的消息將被延遲。這種仲裁是非破壞性的，并導(dǎo)致具有最高優(yōu)先級(jí)的信息的連續(xù)傳輸。這也使網(wǎng)絡(luò)具有確定性的特點(diǎn)。

CAN包括一個(gè)循環(huán)冗余碼（CRC）來(lái)檢查每個(gè)幀的內(nèi)容是否有錯(cuò)誤。錯(cuò)誤幀會(huì)被所有節(jié)點(diǎn)忽略，可以傳輸一個(gè)錯(cuò)誤幀來(lái)報(bào)告網(wǎng)絡(luò)中的這個(gè)錯(cuò)誤。全局和局部錯(cuò)誤由控制器區(qū)分，如果檢測(cè)到過(guò)多的錯(cuò)誤，個(gè)別節(jié)點(diǎn)可以停止錯(cuò)誤的傳輸，或者完全從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)連接。

從物理角度來(lái)看，CAN協(xié)議包含一條由兩根雙絞線組成的總線，以及包含一個(gè)集成收發(fā)器（CAN收發(fā)器）的計(jì)算機(jī)。傳輸信息的電線是扭曲的，以消除任何電磁干擾。集成的發(fā)送和接收電路將接收信息的功能與發(fā)送的功能結(jié)合在同一個(gè)組件中。CAN收發(fā)器的電壓為3-5V，其作用是將總線上的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，反之亦然。

最大的總線長(zhǎng)度可以是250米（CAN HS）或50米（CAN LS）?？梢赃B接到總線上的計(jì)算機(jī)的數(shù)量取決于速度和要傳輸?shù)?a target="_blank">參數(shù)的數(shù)量。一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)可以支持多達(dá)50臺(tái)互連的計(jì)算機(jī)。在總線的兩端包括大約120Ω的電阻，以增加網(wǎng)絡(luò)阻抗，從而消除信號(hào)的 "反射 "現(xiàn)象。

B.FlexRay 諸如 "線控轉(zhuǎn)向 "或 "線控剎車"等 "X-by-wire "系統(tǒng)需要一個(gè)具有穩(wěn)定通信、容錯(cuò)和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議。寶馬、戴姆勒、飛利浦和飛思卡爾之間的合作對(duì)這些要求作出了回應(yīng)，產(chǎn)生了FlexRay協(xié)議[5]。FlexRay協(xié)議的首次實(shí)施是在2006年，用于寶馬X5的自適應(yīng)懸掛。該協(xié)議的工業(yè)化是在2008年在新的寶馬7系上實(shí)現(xiàn)的。

FlexRay是一種用于車輛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，被構(gòu)建為確定性和容錯(cuò)總線系統(tǒng)。它是由FlexRay聯(lián)盟與領(lǐng)先的汽車制造商合作開(kāi)發(fā)的。FlexRay為先進(jìn)的通信系統(tǒng)分配高速控制，采用雙通道架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)冗余。

FlexRay是基于用于連接設(shè)備節(jié)點(diǎn)的非屏蔽雙絞線而設(shè)計(jì)的，在惡劣條件下具有高性能。

?

支持單信道或雙信道通信區(qū)分，旨在減少噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響而不增加成本。雙通道FlexRay系統(tǒng)通常用于提高總線和ECU的容錯(cuò)性。FlexRay的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：多跳總線、星形和混合型。多跳總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與CAN和LIN系統(tǒng)相同，使用一條總線同時(shí)連接多個(gè)處理器。

星形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由幾個(gè)電子控制單元連接到一個(gè)中央活動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成；這很有用，因?yàn)槿绻粋€(gè)設(shè)備被斷開(kāi)，其他設(shè)備繼續(xù)工作。混合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是前兩種的結(jié)合：這種模式結(jié)合了其他兩種模式的可靠性和成本效益優(yōu)勢(shì)，很可能是FlexRay技術(shù)的未來(lái)[5]。

FlexRay技術(shù)的一些優(yōu)勢(shì)是高速通信、容錯(cuò)性和上面介紹的多功能系統(tǒng)方案（更多細(xì)節(jié)見(jiàn)表一中介紹的最重要特性）。盡管FlexRay可能更昂貴，但它最終可以通過(guò)減少車輛中平行CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量來(lái)降低通信網(wǎng)絡(luò)的成本。

IV.車輛通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際分析

在對(duì)車輛控制結(jié)構(gòu)中使用的通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際分析中，重點(diǎn)是動(dòng)力系統(tǒng)控制和使用的協(xié)議，即CAN和FlexRay，在組件之間傳輸信息。對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)，使用了一個(gè)雙引擎模型。使用Matlab/Simulink的TrueTime工具箱[7]，對(duì)用于從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪的動(dòng)力傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析。該工具箱被用作仿真媒介，因?yàn)樗鼮閷?shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的方法。

A.動(dòng)力系統(tǒng)模型 汽車動(dòng)力系統(tǒng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪的機(jī)械系統(tǒng)。目標(biāo)是通過(guò)減少振動(dòng)振蕩來(lái)提高舒適性，這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膭?dòng)力傳輸控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，需要一個(gè)合適的模型來(lái)設(shè)計(jì)控制器，它必須滿足兩個(gè)要求：它應(yīng)該足夠復(fù)雜，以捕捉動(dòng)力傳輸系統(tǒng)的基本動(dòng)態(tài)，當(dāng)車輛動(dòng)力傳輸控制系統(tǒng)[14]發(fā)生延遲時(shí)，它應(yīng)該通向一個(gè)可延展的問(wèn)題。近年來(lái)，文獻(xiàn)中提出了許多模型，包括有兩個(gè)慣性質(zhì)量的模型：一個(gè)是對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的慣性，另一個(gè)是對(duì)應(yīng)于車輛和車輪的質(zhì)量。

動(dòng)力系統(tǒng)的離散時(shí)間模型由[14]給出

?

其中，xk∈Rn，n∈N是系統(tǒng)狀態(tài)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)軸的扭矩，uk∈Rm由發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩作為指令表示，k∈Z+是離散時(shí)間指數(shù)，

?

B.MPC 設(shè)計(jì)

模型預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)方法基于退行地平線原理[15]，[16]。因此，從初始狀態(tài)x = x(k)開(kāi)始，目標(biāo)是計(jì)算一個(gè)控制序列{u0 , u1 , . . . , uN -1 } 使成本函數(shù)在一定范圍內(nèi)最小化，



并執(zhí)行第一條控制指令 u0。(3)中的參數(shù)被定義為：N 是預(yù)測(cè)范圍， xi , i = 1, . . . , N是預(yù)測(cè)狀態(tài)，xss ＆ uss 是使用基于系統(tǒng)模型的參考發(fā)生器計(jì)算的狀態(tài)和輸入的穩(wěn)態(tài)值，P, Q 和 R是適當(dāng)尺寸的權(quán)重矩陣，用于懲罰最終狀態(tài)、中間狀態(tài)和控制命令。最佳控制序列被定義為：

?

預(yù)測(cè)控制法由先前計(jì)算出的最優(yōu)序列中的第一個(gè)控制指令表示

?

對(duì)于所考慮的過(guò)程，選擇了以下參數(shù)：N = 3, P = Q = I3 and R = 2,其中I3代表三階的身份矩陣，產(chǎn)生控制規(guī)律

? ?

其中 KMP C = (_0.0689 _ 0.0595 3.171). C.TrueTime的實(shí)現(xiàn) 為了通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制器結(jié)構(gòu)，類似于[14]中的結(jié)構(gòu)，使用了Matlab/Simulink的TrueTime工具箱。這個(gè)工具箱有利于模擬控制器的實(shí)時(shí)任務(wù)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，同時(shí)使用動(dòng)態(tài)過(guò)程作為物理工廠[7]。TrueTime模塊作為常規(guī)Simulink模塊被連接起來(lái)，形成一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

在運(yùn)行模擬之前，有必要初始化核心和網(wǎng)絡(luò)塊，并為模擬創(chuàng)建任務(wù)、事件、監(jiān)視器等。TrueTime網(wǎng)絡(luò)塊模擬了對(duì)環(huán)境的訪問(wèn)和本地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包傳輸。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖傳輸信息時(shí)，一個(gè)觸發(fā)信號(hào)被發(fā)送到相應(yīng)輸入通道的網(wǎng)絡(luò)塊。當(dāng)模擬消息傳輸完成后，網(wǎng)絡(luò)塊向?qū)?yīng)于接收節(jié)點(diǎn)的輸出通道發(fā)送一個(gè)新的觸發(fā)信號(hào)。傳輸?shù)南⒈环胖迷诮邮展?jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)內(nèi)。

其中 KMP C = (_0.0689 _ 0.0595 3.171). 利用雙慣性動(dòng)力系統(tǒng)模型和預(yù)先確定的控制器，對(duì)控制系統(tǒng)中控制器-執(zhí)行器和傳感器-控制器之間的通信進(jìn)行了仿真分析。其目的是觀察網(wǎng)絡(luò)引入的負(fù)面效應(yīng)，以及它們對(duì)由時(shí)間變化的延遲引起的系統(tǒng)的影響。

為此，引入了一個(gè)額外的節(jié)點(diǎn)，稱為干擾節(jié)點(diǎn)；它在一定的時(shí)間間隔內(nèi)向自己發(fā)送消息，具有加載網(wǎng)絡(luò)的效果。干擾節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)南⒌拇笮≡?[min frame size, min frame size+800]范圍內(nèi), 其中min frame size 表示在特定通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)南⒌淖钚〈笮?。為了模擬動(dòng)力系統(tǒng)，可以包括以下內(nèi)容：CAN和FlexRay。對(duì)于其中的每一個(gè)，系統(tǒng)的行為是根據(jù)各自網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載水平來(lái)分析的。作為系統(tǒng)輸出的參考，即車輪速度，考慮了30rad/s的角速度。

在使用CAN和FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)分析車輛動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，使用了表二中的參數(shù)。

D.比較結(jié)果

1) 基于CAN的結(jié)果：如前所述，干擾節(jié)點(diǎn)通過(guò)向自己發(fā)送消息來(lái)加載網(wǎng)絡(luò)。

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網(wǎng)絡(luò)負(fù)載級(jí)別可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置，取值范圍為[0,1]，表示0%到100%之間的負(fù)載。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到10%時(shí)，系統(tǒng)性能與不包括通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能相似，即超調(diào)量 σ = 0 ，車輪角速度響應(yīng)時(shí)間 tr = 8.86s(見(jiàn)圖3)。從40%的負(fù)載水平可以觀察到穩(wěn)定狀態(tài)下的小幅振蕩，這是由網(wǎng)絡(luò)延遲決定的。將負(fù)載水平分別提高到70%，98%，震蕩變得更加頻繁，但性能幾乎保持不變。

在圖2中的控制指令（發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩）的圖示上可以非常容易地觀察到這些振蕩，它達(dá)到了120 Nm的飽和值，這正是由于網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒌难舆t，干擾節(jié)點(diǎn)阻塞了網(wǎng)絡(luò)，也是由于從傳感器到調(diào)節(jié)器的信息傳輸。沒(méi)有及時(shí)到達(dá)的傳感器信息會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)誤的控制指令。

對(duì)于等于40%的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，在圖3中可以看到，對(duì)應(yīng)于第三狀態(tài)x3的傳感器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，大部分延遲都在[0.0005, 0.004]秒的區(qū)間內(nèi)，最大達(dá)到0.013秒。對(duì)于控制器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，大部分延遲都在（0，0.005）秒的區(qū)間內(nèi)，最大為0.0138秒（圖4所示）。

2) 基于FlexRay的結(jié)果：

到90%的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)性能與不包括通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果相似，即超調(diào)σ=0，響應(yīng)時(shí)間tr=8.86秒（見(jiàn)圖5）。從94%的負(fù)載水平開(kāi)始，性能受到輕微影響，導(dǎo)致超調(diào)σ=0.26%，響應(yīng)時(shí)間tr=7.71秒。進(jìn)一步增加負(fù)載水平，觀察到響應(yīng)時(shí)間的逐漸減少和過(guò)沖的增加，因此對(duì)于96%的負(fù)載水平值，獲得的性能是：σ=0.8%和tr=7.12秒。

對(duì)于98%的負(fù)載水平，過(guò)沖值達(dá)到σ=1.73%，響應(yīng)時(shí)間tr=6.85秒。超調(diào)的增加和響應(yīng)時(shí)間的減少是網(wǎng)絡(luò)延遲的原因，使控制指令更難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)值，在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較大的數(shù)值（見(jiàn)圖6）。

對(duì)于94%的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載水平，用圖形表示了反饋路徑和前向路徑的網(wǎng)絡(luò)延遲值以及延遲發(fā)生的數(shù)量。在圖7中可以看到，對(duì)應(yīng)于第三狀態(tài)x3的傳感器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，大部分延遲出現(xiàn)在[0.0017, 0.008]秒的區(qū)間，達(dá)到最大值0.0095秒。對(duì)于控制器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，大多數(shù)延遲值被發(fā)現(xiàn)在[0.001, 0.0109] s的范圍內(nèi)，其最大值為0.0197 s（見(jiàn)圖8）。

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V.總結(jié)

在本文中，貢獻(xiàn)有兩個(gè)方面。首先，進(jìn)行了與車輛控制結(jié)構(gòu)中使用的通信網(wǎng)絡(luò)（CAN和FlexRay）有關(guān)的理論分析；該分析詳細(xì)介紹了每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特性、優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。其次，進(jìn)行了實(shí)踐部分，其中重點(diǎn)是動(dòng)力系統(tǒng)和用于在網(wǎng)絡(luò)化控制結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)（即控制器、傳感器、執(zhí)行器）之間交換信息的通信協(xié)議。一個(gè)具有兩個(gè)慣性質(zhì)量的模型被用于動(dòng)力系統(tǒng)，以設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)空間預(yù)測(cè)控制器。對(duì)測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載水平(由干擾節(jié)點(diǎn)給出)下得到的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行了比較。我們發(fā)現(xiàn)，即使延遲發(fā)生的頻率和幅度很高，控制器在測(cè)試的情況下也能獲得非常好的性能。

審核編輯：劉清