使用基于模型的標定提高開發(fā)效率

嵌入式系統(tǒng)中往往包含大量的可標定參數(shù)，這些參數(shù)通常以單值、曲線（1 維表格）、MAP 圖（2 維表格）的形式存在。最終產(chǎn)品的質(zhì)量不僅取決于算法的設計，也取決于這些可標定參數(shù)的值設置是否達到最優(yōu)。

為了找到最優(yōu)的標定值，標定工程師需要了解整個控制系統(tǒng)在不同工況下的運行特性。由于被控對象的復雜性，標定工程師往往需要通過采集試驗數(shù)據(jù)的方式，去探究這些特性。系統(tǒng)越復雜，系統(tǒng)特性的影響因素越多，需要采集的數(shù)據(jù)點數(shù)量也就越多。

在傳統(tǒng)標定流程中，經(jīng)常采用全范圍掃點的方法獲取試驗數(shù)據(jù)。全范圍掃點所需的數(shù)據(jù)量會隨著系統(tǒng)影響因素數(shù)目的增加以指數(shù)增長，傳統(tǒng)標定也因此需要在數(shù)據(jù)采集上付出大量的時間和經(jīng)濟成本，時間甚至可能長達數(shù)周至數(shù)月。在獲取數(shù)據(jù)以后，標定工程師還需要進行數(shù)據(jù)處理，在大量數(shù)據(jù)中尋找到最優(yōu)值，并填寫到表格中，這一數(shù)據(jù)處理過程也需要大量的工時和精力投入。

圖1 全范圍掃點需要采集大量數(shù)據(jù)點

基于模型的標定（MBC）以數(shù)學模型為核心。通過 MBC 工具箱，標定工程師可以用試驗數(shù)據(jù)擬合數(shù)學模型，然后把標定問題轉化為優(yōu)化問題，再用軟件工具進行求解，最后填充標定表格。

相對于傳統(tǒng)標定流程，基于模型的標定具有以下優(yōu)勢：

使用軟件求解優(yōu)化問題，顯著提高數(shù)據(jù)處理效率。

由于數(shù)學模型可以預測系統(tǒng)在未采樣點上的運行特性，軟件可能找到比已采樣點更加優(yōu)化的標定值。

在數(shù)據(jù)采集階段，采樣點可以與表格斷點不同。通過 MBC 工具箱，標定工程師可以設計試驗，使用更少的試驗點，也能充分采樣設計空間，從而大幅節(jié)約數(shù)據(jù)采集的時間和資源。

圖2 基于模型的標定（MBC）

使用基于模型的標定，可以在諸多領域提高開發(fā)效率：

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制標定優(yōu)化和性能預估（例如：電機弱磁控制標定，發(fā)動機扭矩預估標定）

系統(tǒng)的瞬態(tài)模型標定參數(shù)預估（例如：電池 RC 等效電路的參數(shù)預估、發(fā)動機顆粒捕集器參數(shù)預估、虛擬傳感器標定）

數(shù)學模型擬合和優(yōu)化問題求解（例如：人工晶狀體參數(shù)估計）

基于此，MathWorks 培訓團隊開發(fā)了一門全新課程《使用 MATLAB 和 Simulink 進行基于模型的標定》。本課程為期 1 天，旨在介紹基于模型的標定技術：使用 MBC 工具箱，從試驗數(shù)據(jù)擬合數(shù)學模型并生成優(yōu)化的標定值。內(nèi)容包括：

設計試驗

目標：使用 MBC 工具箱設計試驗，從而使用更少的試驗點充分采樣設計空間。

試驗設計概述

創(chuàng)建測試計劃

定義約束

生成測試點

導入、合并設計

添加自定義測試點以及圓整、排序

導出設計結果

圖3 用更少試驗點充分采樣設計空間

模型擬合

目標：使用 MBC 工具箱，從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)，擬合數(shù)學模型。

數(shù)據(jù)的預處理、可視化和篩選

擬合不同類型的數(shù)學模型

模型擬合模板

擬合模型的評估

模型擬合的一些建議

圖4 擬合數(shù)學模型，并進行驗證

標定生成

目標：使用 MBC 工具箱，實現(xiàn)并求解優(yōu)化問題?；趦?yōu)化結果，生成查表值。

實現(xiàn)并求解優(yōu)化問題

填充標定表格

點優(yōu)化與和優(yōu)化

導出標定表格

優(yōu)化求解不成功時如何處理

圖5 求解優(yōu)化問題，并填充表格

特征填充

目標：使用 MBC 工具箱，解決標定常見的變量預估問題。使用試驗數(shù)據(jù)或者擬合數(shù)學模型，填充預估標定表格。

創(chuàng)建特征，編輯策略

對齊策略和模型輸入

填充穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特征

驗證特征填充結果

導出標定表格

圖6 通過特征填充解決變量預估問題