CN103699014A - 电动汽车半实物仿真平台及其控制方法 - Google Patents

电动汽车半实物仿真平台及其控制方法 Download PDF

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李琳
王春强
张泽宇
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Abstract

本发明提供一种电动汽车半实物仿真平台及其控制方法属电动汽车仿真及其控制技术领域,主要包括宿主机、目标机、仿真器、硬件控制器和数据采集卡。该平台以实时仿真***xPCTarget为核心,接入硬件控制器等,实现基于Matlab/SimulinkxPCTarget双机通信的硬件在环仿真***。该平台同时可解决传统研究方法以软件模拟仿真为主、车辆模型参数、工况及控制策略较为理想、置信度有限等的缺点,提高仿真数据可靠性,加快主动安全控制器软、硬件的开发过程,节约研发资金和成本。

Description

电动汽车半实物仿真平台及其控制方法
技术领域
本发明属电动汽车模型仿真及其控制技术领域,涉及一种应用于电动汽车研发的实时半实物仿真技术。
背景技术
与传统汽车相比,电动汽车对环境污染小,其前景被广泛看好。电动汽车传统研究方法以软件模拟仿真为主,车辆模型参数、工况及控制策略较为理想,置信度有限,相对于实际情况差距较大。若在传统汽车结构上改装研究,则需投入大量资金,且研发周期长。
发明内容
发明目的:本发明提供一种电动汽车半实物仿真平台及其控制方法,其目的是克服现在电动汽车研发技术真实性不理想的问题。
技术方案:本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种电动汽车半实物仿真平台,其特征在于:该平台主要包括宿主机、目标机、仿真器、硬件控制器和数据采集卡;宿主机连接目标机,目标机连接数据采集卡,数据采集卡连接硬件控制器,硬件控制器通过仿真器连接至宿主机。
所述宿主机包含Matlab/Simulink RTW和CCS v3.3两大模块;目标机包含实时内核和实时数据监测两大模块,Matlab/Simulink RTW模块连接至实时内核,CCS v3.3模块连接至仿真器,实时数据监测模块连接至数据采集卡。
宿主机用普通计算机,目标机为一台可运行一个完全兼容***、有一定存储空间、有一个串口或以太网卡和显示设备的简易计算机。
TCP/IP 协议通讯通过UTP非屏蔽双绞线传递,宿主机网卡型号为Broadcom NetLink™ Gigabit Ethernet,目标机网卡型号为Intel I82559,路由器型号为WGT624 v3,其最高传输速度可达108Mbps。
利用上述电动汽车半实物仿真平台所实施的控制方法,其特征在于:在Matlab/Simulink RTW平台下装载电动汽车数学仿真模型,将该模型进行C代码转换,通过TCP/IP协议通讯将C代码传递给目标机;CCS v3.3完成控制算法编译和控制调试工作,并将控制算法传递给仿真器;
在目标机内,实时内核运行车辆模型C代码模拟车辆模型;通过在Matlab/Simulink RTW中添加 xPC Target Scope 模块实现目标机显示器对仿真过程中相关数据的实时监测及仿真后相关实验数据采集,将信号传递给数据采集卡;数据采集卡实现目标机与硬件控制器的实时数据快速交换; 硬件控制器接收仿真器传递信号,完成控制算法运算并将控制指令传递给数据采集卡。
使用DSP—TMS320F2812芯片作为电动汽车半实物仿真平台的硬件控制器,应用DSP集成开发工具CCS v3.3完成控制算法设计和调试工作,并通过仿真器传递给DSP—TMS320F2812的JTAG接口,在DSP—TMS320F2812内核完成控制算法运算,经GPIO接口将控制指令传递给数据采集卡,因GPIO接口和数据采集卡PCI-6503接口电平不兼容,所以中间需增加一个电平转换模块。
7. 根据权利要求4所述的电动汽车半实物仿真控制方法,其特征在于:JTAG接口用于连接ICETEK-5100 USB V2.0A系列的仿真器;它提供一个14针的接口,其中的四个接口TCK、TMS、TDO、TDI分别为模式时钟、选择、数据输出线和数据输入线。
DSP—TMS320F2812芯片作为硬件控制器,其P1~P4为芯片扩展总线接口,P1主要扩展评估板上空闲的DSP外设引脚;P2主要扩展所有的AD和DA 引脚;P3包含16 根地址线和16 根数据线,A16,A17,A18 扩展在P4,可以用于写入和输出并行的数据;P4包括DSP—TMS320F2812外部扩展总线的控制线、McBSP 接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信号。接受和发送数据的工作主要通过GPIO接口来完成,其中GPIOA0~GPIOA15共16位引脚作为数据输入口,与PCI-6503 DO的PortA、PortB相连接;GPIOB0~GPIOB12、GPIOD0、GPIOD1、GPIOD5共16位引脚作为数据输出口,与PCI-6503 DI的PortA、PortB相连接;GPIOE2作为外部中断触发引脚,与PCI-6503 DO的PC0相连接;GPIOD6作为同步通讯校验引脚,与PCI-6503 DI的PC0相连接。PCI-6503接口与GPIO接口电平不兼容,中间加10K电阻串联电路实现电平转换。
该方法的控制程序包括初始化程序、主程序和中断服务子程序三部分;初始化程序用于完成全局变量的设置,主程序用于完成***的初始化,中断服务子程序用于实现控制算法;完成全局变量的设置,相关引脚功能的使能及基本参数的初始化,包括GPIO引脚、CPU定时器、中断的初始化;
该程序按如下步骤执行:
a、***初始化
b、关闭所有CPU中断
c、初始化PIE寄存器
d、初始化GPIO
e、初始化PIE中断向量表
若判定启动程序,则:
f、使能不可屏蔽中断NMI
g、使能CPU定时器0周期中断
h、等待循环
10. 根据权利要求1所述中断服务子程序,其特征在于,按如下步骤执行:
a1、NMI中断
b1、启动CPU定时器0
c1、参数初始化
d1、数据采集
e1、控制算法计算
f1、数据处理
判定定时器时间是否到,若到时间则:
g1、T0中断
h1、参数初始化
i1、数据采集
j1、控制算法计算
k1、返回主程序。
优点及效果:本发明基于xPC Target 的半实物仿真平台克服了以上两种研发缺点,研发环境接近实际,模型结果置信度大大增加,资金、人才投入少,研发周期短。电动汽车仿真技术一直是汽车研发的重要技术手段,而该技术手段的实际价值这与其转化为实际效能的多少成正比。基于此,本发明提出一种基于电动汽车主动安全性控制***硬件在环半实物仿真平台的试验方法。该平台可模拟出在实际车量试验中难以实现的特殊行驶状态和危险状态并且对控制逻辑进行在线调试,修改车辆模型、道路条件和控制参数,实现对控制器进行全面测试,可大大加快主动安全控制器软、硬件的开发过程,节约研发的资金和成本,且具有较高的可靠性。
本发明利用计算机模拟真实车辆,控制器用硬件代替,通过修改车辆参数、车辆行驶工况和控制参数,可模拟车辆在各种工况下尤其特殊工况下行驶状态,通过实时检测、监测器监控和硬件控制器调节,使车辆操纵稳定性、行驶安全性和乘坐舒适性达到理想状态,应用软硬件配合使用,提高电动汽车仿真的真实可靠性,降低研发成本,缩短研发周期。
本发明是一种基于xPC Target的半实物仿真平台。该平台以实时仿真***xPC Target 为核心,接入硬件控制器等,实现基于Matlab/Simulink xPC Target双机通信的硬件在环仿真***。整个***由整车平台(包括宿主机和目标机)、硬件控制器、数据采集卡以及通讯接口组成。其目的在于在线实时仿真的实现。
所述宿主机的作用主要是运用Matlab/Simulink作为开发工具搭建电动汽车动力学模型,进行离线仿真,并将车辆模型转换为可以在目标机运行的实时C代码;用DSP开发工具CCS v3.3完成控制算法编译,同时在线调试硬件控制器中的控制算法。宿主机应选择具有较强运算能力的工作站作为主机。
所述目标机并不需要任何特殊的目标硬件,但必须可运行一个完全兼容的***,具有一定的存储空间,拥有一个串口或以太网卡,还需要有显示设备。目标机的主要功能是装载车辆模型的C代码,同时作为 I/O 板卡的载体,完成车辆行驶信息的采集和输出,并通过显示器实时监测。
宿主机与目标机之间的通讯以TCP/IP协议为标准,用UTP非屏蔽双绞线连接两台计算机,宿主机网卡型号为Broadcom NetLink™ Gigabit Ethernet,目标机网卡型号为Intel I82559,路由器型号为WGT624 v3,其最高传输速度可达108Mbps。
所述电动汽车半实物仿真平台的数据采集卡采用NI(National Instruments)公司推出的PCI-6503,使用数据采集卡是为了保证目标机与硬件控制器的实时数据交换,将车辆行驶信息快速传递给硬件控制器。
所述电动汽车半实物仿真平台的硬件控制器采用DSP—TMS320F2812芯片,应用DSP集成开发工具CCS v3.3完成控制算法设计和调试工作,并通过仿真器传递给DSP—TMS320F2812内核,DSP—TMS320F2812内核完成控制算法的运算,经GPIO接口将控制指令传递给数据采集卡,然后送入目标机,完成对车辆的控制。因GPIO接口和数据采集卡PCI-6503接口电平不兼容,所以中间需增加一个10K电阻串联电路实现电平转换。
采用ICETEK-5100 USB V2.0A系列仿真器与DSP—TMS320F2812内核通过JTAG连接传递CCS v3.3发来的信息。JTAG提供一个14针的接口,其中的四个接口TCK、TMS、TDO、TDI分别为模式时钟、选择、数据输出线和数据输入线。
本发明所用硬件均具有良好的稳定性,满足半实物仿真平台要求,充分利用硬件资源且具有剩余开发空间,为更为全面对电动汽车开发打下基础。所用硬件在国内市场均可购得,价格不贵,满足各大院校及中小电动汽车研发机构研发需求。
综合以上因素,与现在电动汽车研发技术相比,本发明具有以下优势:
1、模拟过程接近实际情况,可信度高。
2、硬件稳定性高,数据传输快,实时性强。
3、软件开发简单,易学易用,且软硬件兼容性强,出错率较低。
资金和人才投入少,研发周期短。
附图说明:
图1 xPC Target半实物仿真平台结构图
图2 DSP控制器结构图
图3 JTAG接口电路
图4 通讯接口电路
图5 主程序流程图
图6 中断服务子程序流程图
图7 同步通讯示意图。
具体实施方式:
Figure 2013106329728100002DEST_PATH_IMAGE001
本发明提供一种电动汽车半实物仿真平台,其特征在于:该平台主要包括宿主机、目标机、仿真器、硬件控制器和数据采集卡;宿主机连接目标机,目标机连接数据采集卡,数据采集卡连接硬件控制器,硬件控制器通过仿真器连接至宿主机。
所述宿主机包含Matlab/Simulink RTW和CCS v3.3两大模块;目标机包含实时内核和实时数据监测两大模块,Matlab/Simulink RTW模块连接至实时内核,CCS v3.3模块连接至仿真器,实时数据监测模块连接至数据采集卡。
宿主机用普通计算机,目标机为一台可运行一个完全兼容***、有一定存储空间、有一个串口或以太网卡和显示设备的简易计算机。
TCP/IP 协议通讯通过UTP非屏蔽双绞线传递,宿主机网卡型号为Broadcom NetLink™ Gigabit Ethernet,目标机网卡型号为Intel I82559,路由器型号为WGT624 v3,其最高传输速度可达108Mbps。
在Matlab/Simulink RTW平台下装载电动汽车数学仿真模型,将该模型进行C代码转换,通过TCP/IP协议通讯将C代码传递给目标机;CCS v3.3完成控制算法编译和控制调试工作,并将控制算法传递给仿真器;
在目标机内,实时内核运行车辆模型C代码模拟车辆模型;通过在Matlab/Simulink RTW中添加 xPC Target Scope 模块实现目标机显示器对仿真过程中相关数据的实时监测及仿真后相关实验数据采集,将信号传递给数据采集卡;数据采集卡实现目标机与硬件控制器的实时数据快速交换; 硬件控制器接收仿真器传递信号,完成控制算法运算并将控制指令传递给数据采集卡。
使用DSP—TMS320F2812芯片作为电动汽车半实物仿真平台的硬件控制器,应用DSP集成开发工具CCS v3.3完成控制算法设计和调试工作,并通过仿真器传递给DSP—TMS320F2812的JTAG接口,在DSP—TMS320F2812内核完成控制算法运算,经GPIO接口将控制指令传递给数据采集卡,因GPIO接口和数据采集卡PCI-6503接口电平不兼容,所以中间需增加一个电平转换模块。
JTAG接口用于连接ICETEK-5100 USB V2.0A系列的仿真器;它提供一个14针的接口,其中的四个接口TCK、TMS、TDO、TDI分别为模式时钟、选择、数据输出线和数据输入线。
DSP—TMS320F2812芯片作为硬件控制器,其P1~P4为芯片扩展总线接口,P1主要扩展评估板上空闲的DSP外设引脚;P2主要扩展所有的AD和DA 引脚;P3包含16 根地址线和16 根数据线,A16,A17,A18 扩展在P4,可以用于写入和输出并行的数据;P4包括DSP—TMS320F2812外部扩展总线的控制线、McBSP 接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信号。接受和发送数据的工作主要通过GPIO接口来完成,其中GPIOA0~GPIOA15共16位引脚作为数据输入口,与PCI-6503 DO的PortA、PortB相连接;GPIOB0~GPIOB12、GPIOD0、GPIOD1、GPIOD5共16位引脚作为数据输出口,与PCI-6503 DI的PortA、PortB相连接;GPIOE2作为外部中断触发引脚,与PCI-6503 DO的PC0相连接;GPIOD6作为同步通讯校验引脚,与PCI-6503 DI的PC0相连接。PCI-6503接口与GPIO接口电平不兼容,中间加10K电阻串联电路实现电平转换。
该方法的控制程序包括初始化程序、主程序和中断服务子程序三部分;初始化程序用于完成全局变量的设置,主程序用于完成***的初始化,中断服务子程序用于实现控制算法;完成全局变量的设置,相关引脚功能的使能及基本参数的初始化,包括GPIO引脚、CPU定时器、中断的初始化;
该程序按如下步骤执行:
a、***初始化
b、关闭所有CPU中断
c、初始化PIE寄存器
d、初始化GPIO
e、初始化PIE中断向量表
若判定启动程序,则:
f、使能不可屏蔽中断NMI
g、使能CPU定时器0周期中断
h、等待循环
10. 根据权利要求1所述中断服务子程序,其特征在于,按如下步骤执行:
a1、NMI中断
b1、启动CPU定时器0
c1、参数初始化
d1、数据采集
e1、控制算法计算
f1、数据处理
判定定时器时间是否到,若到时间则:
g1、T0中断
h1、参数初始化
i1、数据采集
j1、控制算法计算
k1、返回主程序。
结合附图进行详细说明:
如图1所示,基于xPC Target的半实物仿真平台包括宿主机,目标机,数据采集卡,硬件控制器,仿真器。
所述宿主机在Matlab/Simulink平台下装载电动汽车数学仿真模型。制作U盘目标启动盘并通过DOS方式启动目标机,载入xPC实时内核。将Visual C++ 6.0作为目标语言编译器,通过Matlab/Simulink RTW模块使汽车动力学仿真模型C代码化,并通过宿主机与目标机之间的TCP/IP 协议通讯将C代码下载到目标机中实现实时运行。
所述由安装在目标机中的xPC模块专用数据采集卡,经过电平转换模块与硬件控制器DSP相连接。
所述在宿主机中输入相关控制指令如改变采样周期和仿真时间可以对仿真过程进行实时控制,通过在车辆模型中添加xPC Target Scope模块实现目标机显示器对仿真过程中相关数据的实时监测及仿真后相关实验数据的采集。
所述硬件控制器DSP用以实现控制算法。DSP通过JTAG仿真接口连接配套的仿真器再连接到宿主机上,通过宿主机中的代码调试工具CCS v3.3可以在线调节控制算法,整定参数。
如图2,图3所示,DSP控制器包括外设模块包括+5V电源插座、P1~P4扩展插座、JTAG仿真接口。
所述宿主机通过仿真器与DSP控制器相连,DSP控制器通过扩展引脚GPIO,经过电平转换与数据采集卡进行连接。
所述+5V电源插座用于接入为整个评估板供电的电源,电源电压为+5V,标准配置的电源电流为1A。如果不使用随板提供的电源,需要注意电源的正负极性和电流的大小。
所述P1、P2、P3、P4扩展插座,P1~P4均为34 芯扩展总线接口。P1主要扩展评估板上空闲的DSP外设引脚;P2主要扩展所有的AD和DA 引脚;P3包含16 根地址线和16 根数据线(A16,A17,A18 扩展在P4),可以用于读入和输出并行的数据;P4包括DSP 外部扩展总线的控制线、McBSP 接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信号。
DSP和数据采集卡之间接受和发送数据的工作主要通过GPIO来完成,其中GPIOA0~GPIOA15共16位引脚作为数据输入口,与PCI-6503 DO的PortA、PortB相连接;GPIOB0~GPIOB12、GPIOD0、GPIOD1、GPIOD5共16位引脚作为数据输出口,与PCI-6503 DI的PortA、PortB相连接;GPIOE2作为外部中断触发引脚,与PCI-6503 DO的PC0相连接;GPIOD6作为同步通讯校验引脚,与PCI-6503 DI的PC0相连接。
所述JTAG仿真接口,用于连接ICETEK-5100系列的仿真器。它提供一个14针的接口,其中的四个接口TCK、TMS、TDO、TDI分别为模式时钟、选择、数据输出线和数据输入线。
如图4,通讯接口电路,包括硬件控制器DSP的GPIO扩展接口,数据采集卡输入输出端口,电平转换电路。
所述PCI-6503和GPIO之间的电平转换通过串联分压来实现。两个10k电阻串联,可得到+2.5V的电平。实际测试时发现GPIO引脚在+2.5V电平下能够正常工作,故上述方案可取。
上述控制算法程序主要包括初始化程序、主程序和中断服务子程序三部分。初始化程序用于完成全局变量的设置,主程序用于完成***的初始化,中断服务子程序用于实现控制算法。
如图5所示,主程序可有以下几个步骤实现:
a、***初始化
b、关闭所有CPU中断
c、初始化PIE寄存器
d、初始化GPIO
e、初始化PIE中断向量表
若判定启动程序,则:
f、使能不可屏蔽中断NMI
g、使能CPU定时器0周期中断
h、等待循环
当车辆由于工况恶劣或者变化时,控制将进入中断程序处理,如图6所示,其具体做法如以下几个步骤:
a1、NMI中断
b1、启动CPU定时器0
c1、参数初始化
d1、数据采集
e1、控制算法计算
f1、数据处理
判定定时器时间是否到,若到时间则:
g1、T0中断
h1、参数初始化
i1、数据采集
j1、控制算法计算
k1、返回主程序
如图7,同步通讯示意图:
本研究设计二次中断的方法来解决通讯不同步的问题,控制器在中断服务子程序中实现,主程序完成初始化。当NMI引脚XNMI_XINT13检测到触发信号的上升沿,CPU立即响应不可屏蔽外部中断NMI,进入中断服务子程序。中断服务子程序首先启动CPU定时器0,并进行离散运算。在定时周期足够大的情况下,整个运算时间相对于定时周期可以忽略不计。定时时间到,CPU响应定时器0的周期中断,进入T0中断服务子程序,取下一个运算。

Claims (9)

1.一种电动汽车半实物仿真平台,其特征在于:该平台主要包括宿主机、目标机、仿真器、硬件控制器和数据采集卡;宿主机连接目标机,目标机连接数据采集卡,数据采集卡连接硬件控制器,硬件控制器通过仿真器连接至宿主机。
2.根据权利要求1所述的电动汽车半实物仿真平台,其特征在于:所述宿主机包含Matlab/Simulink RTW和CCS v3.3两大模块;目标机包含实时内核和实时数据监测两大模块,Matlab/Simulink RTW模块连接至实时内核,CCS v3.3模块连接至仿真器,实时数据监测模块连接至数据采集卡。
3.根据权利要求1所述电动汽车半实物仿真平台,其特征在于:宿主机用普通计算机,目标机为一台可运行一个完全兼容***、有一定存储空间、有一个串口或以太网卡和显示设备的简易计算机。
4.根据权利要求1所述电动汽车半实物仿真平台,其特征在于:TCP/IP 协议通讯通过UTP非屏蔽双绞线传递,宿主机网卡型号为Broadcom NetLink™ Gigabit Ethernet,目标机网卡型号为Intel I82559,路由器型号为WGT624 v3,其最高传输速度可达108Mbps。
5.利用权利要求4所述电动汽车半实物仿真平台所实施的控制方法,其特征在于:在Matlab/Simulink RTW平台下装载电动汽车数学仿真模型,将该模型进行C代码转换,通过TCP/IP协议通讯将C代码传递给目标机;CCS v3.3完成控制算法编译和控制调试工作,并将控制算法传递给仿真器;
在目标机内,实时内核运行车辆模型C代码模拟车辆模型;通过在Matlab/Simulink RTW中添加 xPC Target Scope 模块实现目标机显示器对仿真过程中相关数据的实时监测及仿真后相关实验数据采集,将信号传递给数据采集卡;数据采集卡实现目标机与硬件控制器的实时数据快速交换; 硬件控制器接收仿真器传递信号,完成控制算法运算并将控制指令传递给数据采集卡。
6.根据权利要求5所述电动汽车半实物仿真控制方法,其特征在于:使用DSP—TMS320F2812芯片作为电动汽车半实物仿真平台的硬件控制器,应用DSP集成开发工具CCS v3.3完成控制算法设计和调试工作,并通过仿真器传递给DSP—TMS320F2812的JTAG接口,在DSP—TMS320F2812内核完成控制算法运算,经GPIO接口将控制指令传递给数据采集卡,因GPIO接口和数据采集卡PCI-6503接口电平不兼容,所以中间需增加一个电平转换模块。
7.根据权利要求4所述的电动汽车半实物仿真控制方法,其特征在于:JTAG接口用于连接ICETEK-5100 USB V2.0A系列的仿真器;它提供一个14针的接口,其中的四个接口TCK、TMS、TDO、TDI分别为模式时钟、选择、数据输出线和数据输入线。
8.根据权利要求3所述电动汽车半实物仿真控制方法,其特征在于:DSP—TMS320F2812芯片作为硬件控制器,其P1~P4为芯片扩展总线接口,P1主要扩展评估板上空闲的DSP外设引脚;P2主要扩展所有的AD和DA 引脚;P3包含16 根地址线和16 根数据线,A16,A17,A18 扩展在P4,可以用于写入和输出并行的数据;P4包括DSP—TMS320F2812外部扩展总线的控制线、McBSP 接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信号;
接受和发送数据的工作主要通过GPIO接口来完成,其中GPIOA0~GPIOA15共16位引脚作为数据输入口,与PCI-6503 DO的PortA、PortB相连接;GPIOB0~GPIOB12、GPIOD0、GPIOD1、GPIOD5共16位引脚作为数据输出口,与PCI-6503 DI的PortA、PortB相连接;GPIOE2作为外部中断触发引脚,与PCI-6503 DO的PC0相连接;GPIOD6作为同步通讯校验引脚,与PCI-6503 DI的PC0相连接;
PCI-6503接口与GPIO接口电平不兼容,中间加10K电阻串联电路实现电平转换。
9.根据权利要求3所述电动汽车半实物仿真控制方法,其特征在于:该方法的控制程序包括初始化程序、主程序和中断服务子程序三部分;初始化程序用于完成全局变量的设置,主程序用于完成***的初始化,中断服务子程序用于实现控制算法;完成全局变量的设置,相关引脚功能的使能及基本参数的初始化,包括GPIO引脚、CPU定时器、中断的初始化;
该程序按如下步骤执行:
a、***初始化
b、关闭所有CPU中断
c、初始化PIE寄存器
d、初始化GPIO
e、初始化PIE中断向量表
若判定启动程序,则:
f、使能不可屏蔽中断NMI
g、使能CPU定时器0周期中断
h、等待循环
根据权利要求1所述中断服务子程序,其特征在于,按如下步骤执行:
a1、NMI中断
b1、启动CPU定时器0
c1、参数初始化
d1、数据采集
e1、控制算法计算
f1、数据处理
判定定时器时间是否到,若到时间则:
g1、T0中断
h1、参数初始化
i1、数据采集
j1、控制算法计算
k1、返回主程序。
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