A model-based design approach for simulation and virtual prototyping of automotive control systems using port-Hamiltonian systems
A model-based design approach for simulation and virtual prototyping of automotive control systems using port-Hamiltonian systems
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使用端口哈密尔顿系统进行汽车控制系统仿真和虚拟原型设计的基于模型的设计方法
DOI：
10.1007/s10270-017-0646-1
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发表时间：
2019
影响因子：
2
通讯作者：
Koutsoukos, Xenofon
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Dai, Siyuan;Zhang, Zhenkai;Koutsoukos, Xenofon
信息物理系统（CPS），如汽车控制系统，由各种相互作用的信息和物理组件组成。异构域，多个组件的组成，复杂的动力学和非线性的CPS的设计，建模和仿真的结果是重大的挑战。基于模型的设计可以用来解决这样的挑战，但使用物理上精确的异构模型是非常重要的，这些模型可以组合起来表示整个系统的行为。此外，重要的是，在控制系统实施中，保持从基于数学模型的分析中得到的特性，以减少开发周期后期的昂贵测试和设计更改。本文提出了一种基于模型的设计方法，汽车控制软件使用端口哈密顿系统（PHS）。PHS用于对车辆动力学、速度和转向控制系统以及物理和网络组件之间的交互进行建模。无源性分析用于设计控制器和保证系统的稳定性。更重要的是，所提出的方法保证了无源性保持后的时间离散化和量化的控制器。然后，这些模型用于代码生成和编译、调度和软件部署，确保控制系统实现保持无源性。我们评估的方法，使用汽车控制设计的案例研究，在硬件在环仿真平台上实现，并提出仿真结果，以证明其有效性。
Cyber–physical systems (CPS) such as automotive control systems consist of various interacting cyber and physical components. Heterogeneous domains, composition of multiple components, complex dynamics, and nonlinearities result in significant challenges for design, modeling, and simulation of CPS. Model-based design can be used to address such challenges, but it is very important to use physically accurate heterogeneous models that can be composed to represent the overall system behavior. Further, it is important to preserve the properties derived from analyses based on the mathematical models in the control system implementation in order to reduce costly testing and design changes late in the development cycle. This paper proposes a model-based design methodology for automotive control software using port-Hamiltonian systems (PHS). PHS are used to model the vehicle dynamics, speed and steering control systems, and the interactions between physical and cyber components. Passivity analysis is used to design the controllers and ensure system stability. More importantly, the proposed approach guarantees that passivity is preserved after time-discretization and quantization of the controllers. The models are then used for code generation and compilation, scheduling, and software deployment, ensuring that passivity is preserved by the control system implementation. We evaluate the methodology using an automotive control design case study implemented on a hardware-in-the-loop simulation platform and present simulation results to demonstrate its effectiveness.
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