淺談虛擬標(biāo)定技術(shù)在熱管理控制系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

當(dāng)前乘用車市場(chǎng)普遍向電動(dòng)化、智能化發(fā)展。伴隨著電氣化、智能化，汽車熱管理系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)汽車安全、智能、 舒適、節(jié)能的影響越來(lái)越大，熱管理已經(jīng)成為新能源智能汽車上最重要的系統(tǒng)之一。

在智能體驗(yàn)的新趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的熱管理控制系統(tǒng)必須也掌握新的方法論，實(shí)現(xiàn)功能拓展、架構(gòu)升級(jí)，運(yùn)用新的技術(shù)理念，如整車服務(wù)、數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)，來(lái)使得熱管理系統(tǒng)變得更加智能主動(dòng)，增強(qiáng)其安全、智能、舒適、節(jié)能性能。

新能源熱管理系統(tǒng)的控制對(duì)象重點(diǎn)包涵了：冷卻風(fēng)扇、水泵、水閥、冷媒閥（開關(guān)截止閥、電子膨脹閥）及電動(dòng)壓縮機(jī)等。傳統(tǒng)的熱管理控制系統(tǒng)開發(fā)方法需要大量的標(biāo)定試驗(yàn)來(lái)完成各個(gè)部件的算法控制與優(yōu)化。在當(dāng)前激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，整車項(xiàng)目開發(fā)周期由原來(lái)的五年變?yōu)槿晟踔劣行┳優(yōu)閮赡昊蛘咭荒辍ｏ@然如果再按照傳統(tǒng)的開發(fā)思路，是不能滿足項(xiàng)目需求的，必須需要花費(fèi)更高的代價(jià)來(lái)完成項(xiàng)目開發(fā)，很多時(shí)候大家都選擇包環(huán)境艙的方式或者做反季試驗(yàn)。

那么如何能高效地完成熱管理控制系統(tǒng)算法迭代與優(yōu)化呢？我們借鑒了數(shù)字孿生的方法論，引入了虛擬標(biāo)定技術(shù)。比如：

1）對(duì)冷凝風(fēng)扇目標(biāo)壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)得到目標(biāo)壓力的最優(yōu)解，從而進(jìn)行風(fēng)扇PI控制；

2）對(duì)乘客艙制冷目標(biāo)出風(fēng)溫度的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)，從而進(jìn)行前饋控制；

3）對(duì)電池目標(biāo)水溫的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)如下表1和表2所示，從而進(jìn)行前饋控制，以及進(jìn)行預(yù)約充電、預(yù)約保溫所需提前的控制時(shí)間評(píng)估；

4）對(duì)熱管理系統(tǒng)不同工況下工作能耗的預(yù)測(cè)，從而進(jìn)行模式管理控制算法的優(yōu)化等等。

表1行車制冷虛擬標(biāo)定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)前饋值

表2超級(jí)快充虛擬標(biāo)定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）前饋值

其實(shí)在智能制造領(lǐng)域最先使用數(shù)字孿生概念的是美國(guó)的航空航天局（NASA）在阿波羅項(xiàng)目中，美國(guó)國(guó)家航空航天局使用空間飛行器的數(shù)字孿生對(duì)飛行中的空間飛行器進(jìn)行仿真分析，監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)空間飛行器的飛行狀態(tài)，輔助地面控制人員作出正確的決策。在 2016 西門子工業(yè)論壇上，西門子認(rèn)為數(shù)字孿生的組成包括：產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎、生產(chǎn)工藝流程數(shù)字化雙胞胎、設(shè)備數(shù)字化雙胞胎，數(shù)字孿生完整真實(shí)地再現(xiàn)了整個(gè)企業(yè)。最近幾年“數(shù)字孿生”熱度不斷攀升，備受行業(yè)內(nèi)外關(guān)注。自概念提出以來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)不斷地快速演化，無(wú)論是對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造還是服務(wù)都產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。數(shù)字孿生通過(guò)設(shè)計(jì)工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)等各種數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像，這極大的加速了操作人員對(duì)物理實(shí)體的了解，可以讓很多原來(lái)由于物理?xiàng)l件限制、必須依賴于真實(shí)的物理實(shí)體而無(wú)法完成的操作，如模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們探索新的途徑來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)。

下面舉一個(gè)小案例來(lái)說(shuō)明如何運(yùn)用虛擬標(biāo)定技術(shù)得到乘客艙制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速前饋控制目標(biāo)值。我們都知道對(duì)于目標(biāo)風(fēng)溫的控制要求是快、準(zhǔn)、穩(wěn)，大多采用前饋PID控制方法?？刂屏?前饋值+PID，前饋實(shí)際上是利用對(duì)象特征，屬于開環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)是提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小反饋控制壓力。如果對(duì)對(duì)像特征不清楚，就無(wú)法用前饋。傳統(tǒng)的思路是在環(huán)境艙里面進(jìn)行環(huán)模測(cè)試，通過(guò)不同環(huán)境溫度下得到不同風(fēng)量及目標(biāo)風(fēng)溫下的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速前饋值。此項(xiàng)工作大概需要50-60h，也就是大概7天的試驗(yàn)時(shí)間去完成，環(huán)模費(fèi)用按照3000RMB/h（預(yù)估優(yōu)惠價(jià)），預(yù)估此項(xiàng)壓縮機(jī)前饋標(biāo)定環(huán)模測(cè)試費(fèi)用在15W-18W左右。新的思路是采用數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行詳細(xì)物理建模并耦合實(shí)車熱管理控制軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)得到不同工況下的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速值。此方法加上建模時(shí)間總共僅需要3-5天時(shí)間即可得到想要的預(yù)測(cè)結(jié)果。總結(jié)：傳統(tǒng)熱管理方法特別依賴車輛、環(huán)模等資源，然而采用數(shù)字孿生技術(shù)可以很好地在項(xiàng)目前期就完成對(duì)被控對(duì)象的預(yù)測(cè)分析與優(yōu)化，達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并節(jié)省開發(fā)費(fèi)用的目的。

接下來(lái)介紹本次使用的虛擬標(biāo)定技術(shù)方法。

首先第一步是整理需要的零部件性能參數(shù)及SPC文件，梳理熱管理系統(tǒng)架構(gòu)。

第二步就是根據(jù)需求搭建相應(yīng)的物理模型。在這里重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一定要對(duì)物理模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。完整的熱管理物理模型如下圖1所示。但是本次工作僅涉及到熱管理空調(diào)系統(tǒng)回路，控制模型涉及到壓縮機(jī)、冷媒閥及冷卻風(fēng)扇三個(gè)控制模塊。為了保證計(jì)算速度，同時(shí)又要兼顧預(yù)測(cè)精度，需要對(duì)模型進(jìn)行刪減，最終簡(jiǎn)化后的物理模型如下圖2所示。

圖1 完整熱管理物理模型

第三步對(duì)物理模型進(jìn)行標(biāo)定。模型標(biāo)定時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注各部件及管路流阻以及冷凝器、蒸發(fā)器換熱量，同時(shí)還要對(duì)壓縮機(jī)容積效率、機(jī)械效率、等熵效率進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)AMESIM搭建的熱管理空調(diào)系統(tǒng)模型精度如下表3和圖3所示。

表3 壓縮機(jī)排氣壓力預(yù)測(cè)精度對(duì)比

圖3 壓縮機(jī)功率預(yù)測(cè)精度對(duì)比

第四步通過(guò)FMU工具把AMESIM模型生成FMU文件導(dǎo)入到SIMULINK模型中。AMESIM模型導(dǎo)出時(shí)選擇Co-simulation模式，中文解釋就是協(xié)同仿真如下圖4所示。這樣做的目的是保證模型求解精度，熱管理空調(diào)系統(tǒng)模型求解采AMESIM求解器，控制模型采用Simulink模型求解，迭代時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)實(shí)車控制采用時(shí)間設(shè)置，本次設(shè)置為0.1s，涉及到交互的數(shù)據(jù)在Simulink模型文件中完成數(shù)據(jù)交換。

圖4 Amesim FMU文件模型導(dǎo)出設(shè)置

在這里簡(jiǎn)單介紹一下什么是FMU/FMI？在汽車工業(yè)、航空、機(jī)電裝備等領(lǐng)域都會(huì)存在著不同的應(yīng)用、建模系統(tǒng)，用于解決不同的問(wèn)題，為了仿真整個(gè)系統(tǒng)，往往需要在不同的仿真程序之間進(jìn)行交互，而且系統(tǒng)的集成必須將來(lái)自不同供應(yīng)商的仿真環(huán)境協(xié)同工作才能完整的調(diào)試，這產(chǎn)生了模型交互的需求，但卻沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，因此為了解決這個(gè)問(wèn)題，開發(fā)了FMU/FMI。工具獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)用于支持動(dòng)態(tài)模型的交互以及聯(lián)合仿真，用于解決汽車工業(yè)中模型互操作問(wèn)題，最初是由歐盟資助的Modelisar項(xiàng)目，由戴姆勒公司承擔(dān)該項(xiàng)目，而第一個(gè)版本是在2010年發(fā)布，改善的版本在2014年發(fā)布，由Modelica協(xié)會(huì)積極的主持開發(fā)。

(1)FMI是Functional Mock-upInterface的縮寫，意思是功能模型接口，是一個(gè)工具獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，作為模型交換規(guī)范版本的FMI在系統(tǒng)仿真環(huán)境與系統(tǒng)仿真模型之間定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過(guò)XML文件與編譯的C代碼的融合來(lái)支持動(dòng)態(tài)模型的交互和聯(lián)合調(diào)試。

(2) FMU是一個(gè)定義的系統(tǒng)模型的外部格式和壓縮文件（*.fmu），包含了XML格式接口數(shù)據(jù)描述和功能（采用C代碼或二進(jìn)制實(shí)現(xiàn)）；所謂的FMU就是采用FMI接口而開發(fā)的軟件元件（組件）。

FMU工作模式：（1）用于模型交互，其意圖是建模環(huán)境可以以輸入/輸出模塊形式生成一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的C代碼，可以被其他建模環(huán)境使用。模型（沒(méi)有求解器）用微分，代數(shù)和離散方程來(lái)描述，包括時(shí)間，狀態(tài)和速度。（2）用于協(xié)同工作，目的是在協(xié)同工作環(huán)境中將兩個(gè)或更多模型與解算器耦合。子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換僅限于離散通信點(diǎn)。在兩個(gè)通信點(diǎn)之間的時(shí)間內(nèi)，子系統(tǒng)通過(guò)各自的解算器彼此獨(dú)立解決。主算法控制子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和所有從模擬求解器的同步。該接口允許標(biāo)準(zhǔn)以及高級(jí)主算法，例如可變通信步長(zhǎng)的使用，更高階信號(hào)外推和錯(cuò)誤控制。

FMI/FMU可以在 Amesim、GT、Matlab、Adams、Motion recurdyn、Labview 等軟件之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)合通訊，避免了復(fù)雜的接口設(shè)置和軟件壁壘。而且只需要使用GCC編譯器就可完成編譯，可以不依賴VS等軟件。

最后，在Simulink控制模型中進(jìn)行全工況掃描，通過(guò)改變輸入工況（環(huán)境溫度、目標(biāo)蒸發(fā)溫度、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，內(nèi)外循環(huán)比例），來(lái)得到相應(yīng)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速前饋值。下表4展示了部分預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)車測(cè)試情況對(duì)比結(jié)果，從分析結(jié)果上看兩者誤差非常小，其結(jié)果完全可以用于預(yù)測(cè)壓縮機(jī)前饋標(biāo)定值。

表4 壓縮機(jī)前饋值預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比

審核編輯 ：李倩