利用FMI適配部件擴展IPG CarMaker*

王 強

(河南機電高等專科學(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

IPG CarMaker平臺是一種成熟的虛擬駕駛環(huán)境，在環(huán)形(HIL)測試中從脫機操作到硬件應(yīng)用范圍較廣。CarMaker的設(shè)計目的是支持從早期概念階段到硬件原型機測試的開發(fā)過程。因此CarMaker套件由兩個主要部件構(gòu)成，一是CarMaker Interface Toolbox(CIT)(CarMaker接口工具箱)，另一個是Virtual Vehicle Environment(VVE)(虛擬車輛環(huán)境)［1，2］，見圖1。

圖1 CarMaker IPG－Movie動漫工具表現(xiàn)的典型V

VE場景，包括道路和交通CIT含有仿真控制、參數(shù)化、分析、形象化及檔案管理一整套工具。

VVE則是車輛的計算機建模集成，包括車輛的一切部件，諸如動力系、輪胎、制動、車架以及道路和駕駛員?？梢杂媚J(rèn)通用模型、定制碼諸如各種MATLAB/Simulink控制器模型提供車輛部件，甚至測試臺上的真正硬件。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，VVE既可以在一般的辦公室計算機上操作也可以在實時系統(tǒng)上操作。實時操作可以研究確定性的表現(xiàn)，而辦公室操作或許缺少實時能力。但正因為如此，辦公室操作幾乎適用于任何主計算機，并可以使仿真比依賴系統(tǒng)性能和模型復(fù)雜程度的實時操作進展得更慢些或更快些，而且不需要特殊硬件。

對于當(dāng)今電動和混合動力車的動力系統(tǒng)的研發(fā)，仿真技術(shù)是個關(guān)鍵因數(shù)。這些動力系統(tǒng)對車輛動力工具的動力在兩個方面提出了挑戰(zhàn):一方面因為涉及的傳動系、離合器或齒輪的數(shù)目龐大，傳動系布局的數(shù)目和復(fù)雜性是由多種部件組合所致;另一方面，尤其是混合動力車代表了一種經(jīng)典的多疇系統(tǒng)(電子學(xué)、水力學(xué)、燃燒、化學(xué)、力學(xué))，在其各種技術(shù)部件之間的相互作用中動力學(xué)表現(xiàn)異常多樣。

Modelica是一種開放、面向?qū)ο蟮囊苑匠虨榛A(chǔ)的語言，可以跨越不同領(lǐng)域，方便地實現(xiàn)復(fù)雜物理系統(tǒng)的建模，包括:機械、電子、電力、液壓、熱、控制及面向過程的子系統(tǒng)模型［3］。目前，越來越多的行業(yè)開始使用Modelica語言進行模型開發(fā)，尤其是汽車領(lǐng)域，對汽車系統(tǒng)建模創(chuàng)建了完美的基礎(chǔ)。汽車系統(tǒng)研發(fā)，尤其是混合動力車研發(fā)的日益復(fù)雜性，需要多用途的建模工具、仿真并可復(fù)制的虛擬測試以及無縫測試臺集成。建模和各種車輛有關(guān)的脫機和實時場景仿真需要的理想軟件應(yīng)具備上述特點。而利用Modelica的多物理學(xué)能力來論證該綜合性CarMaker VVE套件就是向著這一方向進展的第一步。

1 用FMI擴展CarMaker

1.1 需要擴展CarMaker的原因

CarMaker VVE的通用性允許采用任何方法對車輛模型進行修改。如圖2所示，可以配置各種通用車輛部件及相關(guān)信息，諸如圖2中所列車身尺寸、重量、懸掛、空氣動力方面、傳感器、操縱、輪胎、制動系統(tǒng)以及整套動力系統(tǒng)。

圖2 CarMaker車輛模型配置接口

根據(jù)測試車輛需要，測試模型替代了通用車輛模型中預(yù)先定義的模件，或許甚至取代整個車輛模型。但即使是先進的車輛動力學(xué)專用工具也可能無法覆蓋混合動力車的所有布局技術(shù)。這些多物理學(xué)系統(tǒng)要求諸如基于Modelica的方法的通用建模形式和仿真技術(shù)。許多工程公司和汽車生產(chǎn)商在研發(fā)部件和控制件過程中尤其依賴Modelica。

1.2 功能模型接口

FMI定義了一種開放式標(biāo)準(zhǔn)接口，用于一種稱為功能模型件(FMU)的可執(zhí)行模型。一種仿真器利用FMI的各種功能創(chuàng)建一個或多個功能模型件并運行這些模型，通常與其他模型一起運行。FMU可以自我集成(用于共仿真的FMU－CS)或需要仿真器來進行數(shù)字集成(用于模型互換的FMU－ME)。存儲在FMU文檔中的是C源代碼，為一個或多個平臺編制的可執(zhí)行代碼，是變量和＝ML(可擴展標(biāo)記語言)的描述。

1.3 連接Modelica模型與 CarMaker

連接Modelica模型與 CarMaker必須注意兩個關(guān)鍵方面:(a)可執(zhí)行模型或代碼必須代表不受任何限制的模型動力特性，以維持通用性并避免模型語義依賴上下文。(b)生成的模型必須滿足實時應(yīng)用的需要，尤其是固定的集成步長。

該接口主要由兩部分組成。第一部分控制FMU輸入輸出變量和參數(shù)的靜態(tài)類型檢查，確保計算器的順利建立，用于參數(shù)輸入的用戶接口的生成，以及用于在仿真過程中跟蹤相關(guān)變量的被稱為數(shù)據(jù)字典的自動擴展。最后，用具體例子說明該可執(zhí)行模型并與CarMaker解算器連接。根據(jù)具體應(yīng)用可選擇各種類型的FMU。

即使兩個耦合的仿真器的一般計算性能就足夠了，要確保確定的解題周期還是比較困難的，這在例如HIL系統(tǒng)中是個關(guān)鍵性的方面。CarMaker為魯棒的步長時間集成提供了一個仿真引擎，因此在下述情況時包含一個FMU－ME對于仿真聯(lián)合車輛模型是個安全的解決方法:當(dāng)其中任一模型的復(fù)雜性合理地降低時，該系統(tǒng)的固有值位于集成方案的穩(wěn)定區(qū)，而且在輸出模型中無嚴(yán)重的非線性。對于非常復(fù)雜的或黒盒子模型生成的FMU，因該FMU含有適當(dāng)?shù)臄?shù)字集成方案，供選擇用的FMU－CS則是具有優(yōu)勢的。與CarMaker結(jié)合的接口在CarMaker共仿真及輸出塊中起著主算法作用。這導(dǎo)致對CarMaker時間網(wǎng)格的自適配過分采樣，從而可能消除對嵌入系統(tǒng)或HIL的使用，但卻導(dǎo)致了優(yōu)異的數(shù)字穩(wěn)定性。與完全的FMU－CS提供的提點相比，該接口僅利用了某些特點。

2 應(yīng)用實例

基于車輛動力學(xué)建立一個混合動力卡車模型，調(diào)研FMU的集成。該模型見圖3。無論是CarMaker的標(biāo)準(zhǔn)傳動系還是整個車輛均在VVE中由一個從Dymola軟件輸出的FMU替代。就傳動系來說，來自CarMaker模型的司機和環(huán)境輸入信號為加速器踏板、離合器、制動扭矩、齒輪數(shù)目、啟動器及點火，等等。最顯著的模型輸出則是各種車輪速度。

當(dāng)使用FMU－ME作為替代的時候，因固定解算器步長與新傳動系模型的動力學(xué)不符，整車模型表現(xiàn)出不穩(wěn)定的數(shù)字特性。1毫秒有用步長傳統(tǒng)上用于車輛動力學(xué)HIL場合，由于在過分采樣步長階段的恒定輸入惡化了動力特性，即使是CarMaker的過分采用特點也無法改變穩(wěn)定性。傳動系應(yīng)用一個配備適配的變量步長解算器的FMI－CS可以在CarMaker內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字仿真。該方法允許仿真在實時內(nèi)至少以辦公室形式(軟實時)運行。對于HIL的應(yīng)用，降低模型復(fù)雜性的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)可能有助于獲得硬實時能力。

圖3 Modelica中的卡車實例模型

3 結(jié)語

本文推出一種接口，通過Modelica生成的各種功能模型接口擴展CarMaker。該接口支持FMI的兩種表達(dá)法，一是共仿真，一是模型互換，以利用每一種方法的特長。第一種方法導(dǎo)致數(shù)字魯棒總的各種仿真模型，而CarMaker仿真引擎為主算法控制FMU模型，F(xiàn)MU模型含有自己的數(shù)字集成方案和時間網(wǎng)格，該時間網(wǎng)格恰好與CarMaker安置的網(wǎng)格同步。第二種方法則導(dǎo)致計算效率高的、非常適合實時應(yīng)用的可執(zhí)行模型。如果模型動力學(xué)不適合CarMaker集成方案指定的固定步長，則可能如實例應(yīng)用所示，導(dǎo)致數(shù)字魯棒性差。

該接口并不局限于基于Modelica的工具可執(zhí)行模型。用任何支持FMI標(biāo)準(zhǔn)的建模和集成工具均可以自動生成種種FMU，F(xiàn)MU甚至可以被手工編碼。已推出的成果僅支持現(xiàn)行FMI說明書V1.0的特點的一小部分。可行的用法是多種多樣的，比如:由Silver實現(xiàn)的仿真環(huán)境中多個FMU之間的網(wǎng)絡(luò)通信，Car-Maker內(nèi)部的并行化，或?qū)arMaker本身當(dāng)做一個FMU。

［1］ 趙建軍，丁建完，周凡利.Modelica語言及其多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真機理［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(2):17－19.

［2］ 侯寶存，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機設(shè)計仿真環(huán)境中多領(lǐng)域工具集成的研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16(2):7 －9.

［3］ 吳義忠，劉敏，陳立平.多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模平臺開發(fā)［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2006，18(1):22－24.