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)前乘用車市場普遍向電動化、智能化發(fā)展。伴隨著電氣化、智能化，汽車熱管理系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對汽車安全、智能、 舒適、節(jié)能的影響越來越大，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。

在智能體驗的新趨勢下，傳統(tǒng)的熱管理控制系統(tǒng)必須也掌握新的方法論，實現(xiàn)功能拓展、架構(gòu)升級，運用新的技術(shù)理念，如整車服務(wù)、數(shù)字孿生、機器學(xué)習(xí)，來使得熱管理系統(tǒng)變得更加智能主動，增強其安全、智能、舒適、節(jié)能性能。

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

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）對冷凝風(fēng)扇目標(biāo)壓力進行預(yù)測得到目標(biāo)壓力的最優(yōu)解，從而進行風(fēng)扇PI控制；

2）對乘客艙制冷目標(biāo)出風(fēng)溫度的壓縮機轉(zhuǎn)速預(yù)測，從而進行前饋控制；

3）對電池目標(biāo)水溫的壓縮機轉(zhuǎn)速預(yù)測如下表1和表2所示，從而進行前饋控制，以及進行預(yù)約充電、預(yù)約保溫所需提前的控制時間評估；

4）對熱管理系統(tǒng)不同工況下工作能耗的預(yù)測，從而進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)定壓縮機轉(zhuǎn)速(rpm)前饋值

表2超級快充虛擬標(biāo)定壓縮機轉(zhuǎn)速（rpm）前饋值

其實在智能制造領(lǐng)域最先使用數(shù)字孿生概念的是美國的航空航天局（NASA）在阿波羅項目中，美國國家航空航天局使用空間飛行器的數(shù)字孿生對飛行中的空間飛行器進行仿真分析，監(jiān)測和預(yù)測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)字孿生完整真實地再現(xiàn)了整個企業(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，數(shù)字孿生技術(shù)不斷地快速演化，無論是對產(chǎn)品的設(shè)計、制造還是服務(wù)都產(chǎn)生了巨大的推動作用。數(shù)字孿生通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)虛擬現(xiàn)實等各種數(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物理實體的了解，可以讓很多原來由于物理條件限制、必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作，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優(yōu)化設(shè)計、制造和服務(wù)。

下面舉一個小案例來說明如何運用虛擬標(biāo)定技術(shù)得到乘客艙制冷壓縮機轉(zhuǎn)速前饋控制目標(biāo)值。我們都知道對于目標(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，前饋實際上是利用對象特征，屬于開環(huán)控制。優(yōu)點是提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小反饋控制壓力。如果對對像特征不清楚，就無法用前饋。傳統(tǒng)的思路是在環(huán)境艙里面進行環(huán)模測試，通過不同環(huán)境溫度下得到不同風(fēng)量及目標(biāo)風(fēng)溫下的壓縮機轉(zhuǎn)速前饋值。此項工作大概需要50-60h，也就是大概7天的試驗時間去完成，環(huán)模費用按照3000RMB/h（預(yù)估優(yōu)惠價），預(yù)估此項壓縮機前饋標(biāo)定環(huán)模測試費用在15W-18W左右。新的思路是采用數(shù)字孿生技術(shù)，通過對被控對象進行詳細物理建模并耦合實車熱管理控制軟件進行預(yù)測得到不同工況下的壓縮機轉(zhuǎn)速值。此方法加上建模時間總共僅需要3-5天時間即可得到想要的預(yù)測結(jié)果?？偨Y(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)可以很好地在項目前期就完成對被控對象的預(yù)測分析與優(yōu)化，達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并節(jié)省開發(fā)費用的目的。

接下來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。在這里重點強調(diào)一定要對物理模型進行相應(yīng)的簡化。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、冷媒閥及冷卻風(fēng)扇三個控制模塊。為了保證計算速度，同時又要兼顧預(yù)測精度，需要對模型進行刪減，最終簡化后的物理模型如下圖2所示。

圖1 完整熱管理物理模型

第三步對物理模型進行標(biāo)定。模型標(biāo)定時要重點關(guān)注各部件及管路流阻以及冷凝器、蒸發(fā)器換熱量，同時還要對壓縮機容積效率、機械效率、等熵效率進行標(biāo)定。通過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 壓縮機排氣壓力預(yù)測精度對比

圖3 壓縮機功率預(yù)測精度對比

第四步通過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，迭代時間步長根據(jù)實車控制采用時間設(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

在這里簡單介紹一下什么是FMU/FMI？在汽車工業(yè)、航空、機電裝備等領(lǐng)域都會存在著不同的應(yīng)用、建模系統(tǒng)，用于解決不同的問題，為了仿真整個系統(tǒng)，往往需要在不同的仿真程序之間進行交互，而且系統(tǒng)的集成必須將來自不同供應(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，但卻沒有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，因此為了解決這個問題，開發(fā)了FMU/FMI。工具獨立的標(biāo)準(zhǔn)用于支持動態(tài)模型的交互以及聯(lián)合仿真，用于解決汽車工業(yè)中模型互操作問題，最初是由歐盟資助的Modelisar項目，由戴姆勒公司承擔(dān)該項目，而第一個版本是在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，是一個工具獨立的標(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標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過XML文件與編譯的C代碼的融合來支持動態(tài)模型的交互和聯(lián)合調(diào)試。

(2) FMU是一個定義的系統(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代碼或二進制實現(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動態(tài)系統(tǒng)模型的C代碼，可以被其他建模環(huán)境使用。模型（沒有求解器）用微分，代數(shù)和離散方程來描述，包括時間，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。在兩個通信點之間的時間內(nèi)，子系統(tǒng)通過各自的解算器彼此獨立解決。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)以及高級主算法，例如可變通信步長的使用，更高階信號外推和錯誤控制。

FMI/FMU可以在 Amesim、GT、Matlab、Adams、Motion recurdyn、Labview 等軟件之間實現(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控制模型中進行全工況掃描，通過改變輸入工況（環(huán)境溫度、目標(biāo)蒸發(fā)溫度、鼓風(fēng)機風(fēng)量，內(nèi)外循環(huán)比例），來得到相應(yīng)的壓縮機轉(zhuǎn)速前饋值。下表4展示了部分預(yù)測結(jié)果與實車測試情況對比結(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)測壓縮機前饋標(biāo)定值。

表4 壓縮機前饋值預(yù)測結(jié)果和測試結(jié)果對比

審核編輯 ：李倩