摘要：本文分析未來10-15年內汽車行業的主要發展方向，從而明確這些新的發展方向會對汽車車身控制提出那些新的要求。文章描述了系統在無優化情況下的最壞響應時間，并且以試驗論證我們所得到的結論。提出未來汽車車身控制系統和網絡協議為了滿足未來汽車網絡通訊需求而需要做出的改進。
引言
從上世紀50年代汽車上第一次使用電子元件以來，使用在汽車上的電子元件越來越多也越來越復雜。在現在的汽車控制系統中有一種趨勢，就是以通過
總線來連接控制系統上的分散的分布式元器件。CAN總線以其事件觸發和無損仲裁機制等優點受到廣大汽車生產廠商的青睞。但是，隨著汽車車身電子元件的增加，特別是新一代纜控技術(by-wire)的發展，CAN總線將逐漸無法滿足其要求，這就引出了時間觸發的CAN總線，即TTCAN總線。
在實際的汽車總線應用中，總線會受到很強的電磁干擾。所以，總線上的節點必須具有很好的容錯(fault-tolerant )性能。這樣在遇到有消息發送失敗或者節點失效等故障時，總線還可以保證硬實時系統((hard real-time system)的安全性。
1未來汽車發展的要求
1.1低能耗內烘機車
除了內燃機本身的機械結構、部件原理改進使油耗降低外，控制系統的改進也是很重要的。用以保證發動機在任何時候，特別是啟動、加減速、制動、怠速等過程時能夠盡最大可能的省油和重復利用能源。這就要求信息的精度和重復頻率提高，也就是提高傳感器的性能和拓寬通訊頻帶。
1.2混合動力車
因為單元較多(例如分為多能源控制單元、內燃機單元、電動機單元、電池單元、輔助能源單元、儀表盤單元等)，各單元間的相互關系也較多(特別是并聯混合式)。其頻帶占用較多，如果采取一些措施梭，目前的通訊規程(SAE J1939 )在應用層補充后也己可用，但如對控制要求較高，頻帶利用率已較緊張。
1.3線控車(X-by-wire)
線控車由于以線纜代替駕駛員與動力設備間的機械聯系，出現了很多優點，例如控制(特別是轉向和制動)輕便靈活，自動化程度高等。但是正因為用了線控技術，駕駛員只能通過“線”來控制車，安全問題就提高到了首位。其主要特點有:
·缺少了機械后援，對安全性要求高;
·傳感器需要有雙份冗余，關鍵部分甚至需 要三份，增加了通道所需容量;
·由于傳感器及通道的多路化，控制系統的 判別和運算需要更多的時間。
2系統通訊的響應時間
2.1系統模型
總線上傳輸的消息可以分為三類:周期性，陣發性和查詢消息。其中周期性消息是以時間觸發的形式周期性發送的，如汽車車速為大小8 bits的消息并且每1OOm，發送一次;陣發性的消息是以事件觸發的形式發送的，如
鑰匙開關點火；而查詢消息是則主要用于診斷，平常很少使用。
下面描述一下將要用來分析的系統模型，若干個節點由TTCAN總線連接用以傳輸一組硬實時系統的消息。這些硬實時系統的消息是一些典型的控制信息，必須在時限之內完成否則就會造成嚴重的后果。在這里只考慮周期性消息和陣發性消息，消息從產生開始并被送入CPU由專門軟件進行排隊，經CPU處理過后經TTCAN節點送入總線排隊等待，直到處理完畢。如圖1所示:
2.2最壞情況下消息延時的計算
這節將討論最壞情況下消息延時的計算，這是基于Tindell和Burns所提出的基本計算方法。這種方法是建立在未做任何信息傳輸優化假設基礎上的，在實際的信息傳輸中效率會大大高于理論計算值，首先要做一些假設:
第一，一個消息m的時限不會大于這個消息的周期;
第二，如果有更高優先級的消息在等待，系統不會先處理低優先級的消息。一個幀m由CmTmJmDm所定義，其中Tm是周期，Cm是傳送時間，Dm是時限，Jm是最大抖動(jitter)。分析抖動是很重要的，因為忽略了它會導致分析的不充分。排隊抖動(Queuingjitter)指的是一個消息可以被列入排隊隊列的最長和最短時間的差值。消息排隊抖動如圖2所示:
最壞情況下，CAN消息的傳送時間是:(2.0A)
其中τbit是物理介質比特的時間，sm是CAN幀的數據部分大小。總的傳輸時間是指最壞情況下的插入(stuff)和頭部數目以及數據位。CAN要求在傳輸4個相同位后插入一個插入位。每4個相同位后插入的插入位也就成了下相同位序列的第一位。
最壞情況下消息的響應時間是：
Bm指的是較低優先級的消息在最壞情況下的傳送時間（這里lp(m)指比m低優先級的消息集合）。
報文在CAN總線上發送有2種情況需要等待：
(1) 有高于本報文優先度的報文要發送；
(2) 有低于本報文優先度的報文正在發送。
最長等待時間未：(hp(m)指比m高優先級的消息集合）
2.3 在傳輸出錯情況下的響應時間
根部Burns的理論，在一個時間t范圍內，只有一個突發性的錯誤，其長度為nerror；除了這個突發性的錯誤，錯誤的周期為Terror。我們可以將一個消息在最壞情況下的響應時間分為以下四個部分：
- 從消息觸發到排隊時間的最壞延時。
- 消息排隊時間Qm。
- 傳送時間Cm。
- 出錯恢復時間EQm。
所以，一個消息的最壞延時時間可以表達為：
于是，在t時間內傳輸錯誤的數目為(nerror + |t/Terror|-1)。將其代入公式（4）則得出：
其中，E(t)為出錯恢復時間EQm的函數，表示其最大的恢復時間。
3 試驗及結果
要進行試驗，首先要確定系統控制器最多能承受多大的延時時間及產生延時時間后系統的控制器有何不同的要求，關于延時時間的選擇，參照了TTP/的Kopeiz所提出的20ms和福特汽車公司所提出的50ms。Kopetz認為汽車車身通信延遲最多不能超過20ms是基于以下兩方面的考慮，一是駕駛員對他的所有操作動作都認為是立即得到響應了，而不會由于系統延時的影響使得駕駛員做出重復的誤操作，二是對于傳統的內燃機的最高轉速而言，每個氣缸的工作循環大致在20ms左右，也就是說能夠在每個工作循環產生一次控制命令。關于福特公司的延時時間不超過50ms沒有詳細的理論敘述，我們只能認為其是來自于經驗的工程實踐。但是，在我們所進行的對汽車車身系統的仿真初步試驗中發現，每當系統延時時間超過50ms附近時(根據各個子系統的區別大致在正負5ms之間)系統將出現振蕩。
圖3為響應時間過長(轉速測量時間較長)而致系統發生振蕩的實例。
圖3 響應時間過長而導致系統振蕩
3.1 試驗模型
我們選取了MatLab的Simulink中提供的汽車發動機進氣模型作為基礎，進一步設計了控制進氣的PID控制器。系統輸入階躍信號，初值為2000rpm，終值為3000 rpm。由于在較大慣性環節或滯后環節的作用下，控制器力圖克服誤差的作用，但其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應該是零。這就是說，在這個控制器中僅引入“比例”項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重地沖過頭。
所以，基于以上的考慮，我們決定選取延時時間為50ms來設計控制發動機進氣的PID控制器，進而插入20ms延時來檢查所設計PID控制器的控制效果。我們并沒有采用改變扭距擾動的方法來監測系統的性能，因為扭距擾動是非線性的，而且在實際的路況中，扭距擾動是不可預知的。系統仿真的輸出結果如圖一4所示，從圖中可以看出，加入微分環節后系統的誤差得到了很好的抑制。超調量從3%下降到了1%左右，而調整時間得到了保持，仍然維持在1s之內。可以得出如果要設計一個能夠很好克服延時環節的汽車車身控制器，有效的消除延時環節所引起的誤差和振蕩是必不可少的。
圖4 仿真系統的輸出
3.2 SAE J2056所載的通訊工作量
SAE技術報告J205611提出了車身網絡的標準工作量，它將車身電氣元件分為七個部分。分別是電池部分、汽車控制器、變速箱控制部分、儀器儀表顯示部分、駕駛員輸入部分、剎車部分和傳動控制部分。連接這些控制部分的網絡一共要傳送”種消息類型，只包括周期性消息和陣發性消息兩類，周期性的消息有一個固定的發送周期，可以用固定了全局時間的時間觸發來實現。陣發性要求很強的時限性，比如，每個陣發性消息的響應時間必須小于20ms。
這個表所列的時間僅限于通訊所需的時間，不包括測量及運算時間、處理決策時間及處理控制時間口從響應時間應該小于20ms，出發，表上所列的關鍵參數的周期時間5ms是合理的。
根據該表計算，得出下述總線利用率數據:（CCAN2.0 A)
4結論
綜上所述，從我們對汽車車身進氣控制環節的仿真試驗和根據SAC報告所述的通訊工作量的分析后，可以對于由于延時環節的引入而對汽車車身控制器的特殊要求做出了以下的判斷:
（1）車身控制器的網絡通訊延時不能大于50ms。如果延時大于50m;不僅會使得駕駛員產生誤判斷以致重復操作而且系統的控制效果也得不到有效的保證。響應時間應該適當的選取小于20ms，總線通訊的基本周期也應選擇在5-10ms之間。
（2）子系統的劃分要合理，功能分塊與按物理位置分塊兼顧(例如ABS、輪速)，以減少信息流量和安全為日的。信息盡可能“打包”，以提高信息的有效率(效率=數據長度/報文長度)。
（3）件觸發的報文應盡量減少，主要是保證正常運作與安全。增加時間觸發的消息相應的減少時間觸發的消息有利于提高系統的可控性，同時減少了總線帶寬堵塞的可能性。另外只供診斷用的信息不采用時間觸發或事件觸發，只提供詢問。
（4）對快變信息的傳感器要盡量選擇較短的測量周期。
（5）有必要在控制器中引入微分控制。適當的向控制器中引入微分環節能夠有效的避免誤差和控制系統的振蕩，從而增強控制的準確性。(e
