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Simcenter 3D車輛機電實時仿真

2020-01-17 16:46:33·  來源：Simcenter 3D Online  作者：曹小佳  
　
在車輛的開發(fā)早期，物理樣機還沒有制造出來，實時仿真技術(shù)的應(yīng)用在獲取車輛性能方面起到了舉足輕重的作用，典型的應(yīng)用是硬件在環(huán)測試和駕駛模擬器。在實時仿真的
在車輛的開發(fā)早期，物理樣機還沒有制造出來，實時仿真技術(shù)的應(yīng)用在獲取車輛性能方面起到了舉足輕重的作用，典型的應(yīng)用是硬件在環(huán)測試和駕駛模擬器。在實時仿真的過程中，需要建立一個數(shù)字仿真模型來和物理系統(tǒng)進行輸入輸出數(shù)據(jù)交互，在這個過程中不能因仿真求解而產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互延遲，該物理系統(tǒng)可以是控制器和實際駕駛員。在過去已有的一些實時方案中，該數(shù)字仿真模型大多基于簡化模型，這樣一來就無法使用虛擬模型來精確的預(yù)測實際復(fù)雜系統(tǒng)的效果。通過Simcenter3D Motion實時仿真，客戶可以實時地求解詳細(xì)的高精度的多體模型，并為硬件在環(huán)測試與駕駛模擬器直接并實時地輸出所需的數(shù)據(jù)。由于Simcenter3D Motion強大的聯(lián)合仿真能力，Motion可以與車輛子系統(tǒng)1D仿真模型進行聯(lián)合，以更大程度的增加實時仿真的精度等級。
 
概要
 
數(shù)字虛擬模型在車輛的開發(fā)流程中發(fā)揮著越來越重要的作用，多體動力學(xué)仿真已經(jīng)是用于汽車工業(yè)設(shè)計流程中的標(biāo)準(zhǔn)方法和手段，高精度的動力學(xué)模型可以得到車輛動力學(xué)所有的關(guān)鍵特性。為了保證車輛性能和安全，使用了高級行駛輔助系統(tǒng)（ADAS），車輛變成了越來越復(fù)雜的機電耦合系統(tǒng)。對于復(fù)雜的機電系統(tǒng)，通常是結(jié)合車輛物理樣機試驗來對其進行設(shè)計、驗證以及優(yōu)化。然而，試驗測試必然價格昂貴、耗時，并且無法對機電系統(tǒng)進行快速的修改，更重要的是，試驗測試需要真實的車輛物理樣機，而物理樣機要在開發(fā)流程的后期才能制造出來，這個時候幾乎沒有時間對機電系統(tǒng)進行設(shè)計方案細(xì)致地評估優(yōu)化。另外，完整的耦合復(fù)雜機電系統(tǒng)的車輛虛擬樣機模型在實際中往往不可行，因為它需要控制器的有效數(shù)值模型。而由于ADAS控制系統(tǒng)通常由一級零部件供應(yīng)商提供，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護，系統(tǒng)里面的控制算法不會完全提供給汽車主機廠。
要獲取ADAS與機械系統(tǒng)的精確相互作用性能，最有效的方法就是使用硬件在環(huán)。目前，硬件在環(huán)測試已經(jīng)成為多數(shù)商用車輛主機廠以及零部件供應(yīng)商進行ECU校驗的實用標(biāo)準(zhǔn)。使用硬件在環(huán)，可以通過傳感器和作動器（如圖1、2所示）在機械系統(tǒng)的數(shù)字模型和控制器的硬件之間產(chǎn)生相互作用，這就意味著數(shù)字模型要實時的提供仿真結(jié)果。在正常運行狀態(tài)下，硬件控制器以一定的通訊率從傳感器中獲取車輛狀態(tài)信息。1ms的通訊間隔已經(jīng)成為汽車應(yīng)用中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了模擬控制器的工作條件，數(shù)字模型應(yīng)在相同的1ms的通訊間隔中提供精確的仿真結(jié)果以考慮控制器對車輛響應(yīng)的作用效果。
 
實時仿真現(xiàn)狀
         
高精度模型在機械系統(tǒng)中的典型應(yīng)用是用于離線分析。為了獲得精確的仿真結(jié)果，多自由度的模擬方案往往是必須的。例如，用于預(yù)測彈塑性運動學(xué)特性的汽車懸架模型往往需要包含像部件之間襯套力單元的非線性柔性建模。由于其高復(fù)雜性，絕大多數(shù)高精度模型因此很容易就達(dá)到150個以上的自由度，這給絕大多數(shù)多體系統(tǒng)動力學(xué)求解器帶來巨大的性能挑戰(zhàn)。對于這樣的現(xiàn)狀，目前的行業(yè)慣例是使用高性能多體系統(tǒng)模型的簡化版來用于控制系統(tǒng)的設(shè)計與驗證，駕駛模擬器也一樣。典型的模型簡化就是去除部件以及自由度，直到模型的復(fù)雜程度能用于實時仿真。對于懸架，CAE分析往往使用簡化的運動副代替柔性連接，甚至用復(fù)雜查表方式來代替彈塑性運動學(xué)特性曲線。這些曲線包括在車輪在大位移（車輪垂向運動、轉(zhuǎn)向角度）以及車輪載荷（縱向、側(cè)向以及回正力矩）驅(qū)動下的位置與方向。通過這些簡化，可以得到一個典型具有15到20個自由度的車輛行駛動力學(xué)模型（如圖3所示）。
       
相對高精度的復(fù)雜模型，低精度的簡化模型只需要較低的求解工作量，因此只能達(dá)到較低的求解精度。低精度簡化模型只能提供可接受的約在5Hz以內(nèi)仿真精度，在整車性能分析中只能覆蓋典型的橫擺、縱傾以及起伏模式（roll, pitch and heave modes）。高精度復(fù)雜模型可以將有效頻段范圍擴展到約30Hz。這個頻率范圍內(nèi)能包含懸架的襯套有限剛度的動力學(xué)效應(yīng)以及ADAS，ADAS在這樣的動力學(xué)效應(yīng)下會產(chǎn)生不一樣的響應(yīng)。在這種情況下，為了及時地發(fā)現(xiàn)和處理這類問題，高精度復(fù)雜車輛動力學(xué)模型的硬件在環(huán)測試時必需的。
 
在運行實時仿真時簡化多體模型會有以下三個主要副作用：
-   精度的損失：
因模型簡化導(dǎo)致實時仿真結(jié)果精度下降；
-   參數(shù)的損失：
在多體模型中失去絕大部分參數(shù)，比如懸架幾何和襯套剛度在實時仿真中變得不可用。因此，離線模型中的任何修改需要做簡化處理。
-   額外的工作：
針對同一車輛，針對離線仿真和實時仿真，需要建立和管理不同模型（一個用于離線的高精度復(fù)雜模型，一個用于實時的低精度簡化模型），這需要額外的工作。

實時應(yīng)用的突破性解決方案
     
Simcenter 3D Motion 軟件的實時求解平臺，支持客戶在實時仿真中能夠直接使用高性能復(fù)雜多體系統(tǒng)模型。該解決方案的明顯優(yōu)勢如下：
  1. 相同的高性能復(fù)雜模型，同時適用于離線仿真和實時仿真；
  2. 從離線仿真到實時仿真不會損失精度；
  3. 可以在實時仿真的模型中直接獲取物理參數(shù)從而輕易實現(xiàn)“what-if”分析。
此外，通過motion與Amesim的緊密集成（如圖4所示），可以建立復(fù)雜子系統(tǒng)的1D詳細(xì)模型，比如電液壓組件以及控制邏輯，并將該1D模型加到3D模型中進行整個機電系統(tǒng)的精確實時仿真。
 
Simcenter3D Motion實時求解特點

Simcenter 3D Motion實時求解主要特點包括定步長隱式求解、并行求解以及耦合電、液、氣等子系統(tǒng)三個主要特點：

定步長隱式求解
       
在硬件在環(huán)仿真中，眾所周知，任何一個時間步的周轉(zhuǎn)時間（用來計算下一個離散時間點系統(tǒng)狀態(tài)所需的時間）必須小于仿真時間步。換句話說，實時仿真必須是通過定步長來求解進行。
Figure6
       
當(dāng)前大多數(shù)實時求解都是顯式的。這類求解只通過考慮當(dāng)前（也有可能是過去）離散時間點的加速度來計算下一個時間步的系統(tǒng)狀態(tài)。雖然顯示方法可以保證確定性的計算載荷，但是內(nèi)含的像襯套之類的柔性單元會產(chǎn)生數(shù)值剛度系統(tǒng)，在這種情況下，隱式求解法被認(rèn)為是比較好的，因為其優(yōu)秀的數(shù)值穩(wěn)定性和精度。
 
隱式方法為了確保加速度在下一個離散時間點滿足模型的非線性代數(shù)微分方程（DAEs），需要以不可預(yù)知的迭代次數(shù)來達(dá)到收斂求解。此外，在離線多體仿真中，為了在最優(yōu)的時間步長上滿足數(shù)值模型，積分方法的步長也是改變的。
總之，標(biāo)準(zhǔn)隱式求解器不是確定性的變步長求解，它們在每一個時間步上花費的處理時間不一樣，這樣就導(dǎo)致這類求解器不適合實時仿真。為了實時的傳送仿真結(jié)果，隱式時間積分方法需要是確定性的，即定步長求解。Simcenter3D Motion實時求解器是確定性的定步長隱式求解，它通過限制迭代的次數(shù)以及固定時間積分的順序，從而使得實時仿真具有最高的數(shù)值穩(wěn)定性和精度。
 
并行求解
 
計算的趨勢是使用共享內(nèi)存處理器（SMP）來代替嘗試使用更高時鐘頻率的單處理器。為了使高精度多體系統(tǒng)模型能在實時仿真中運行，客戶需要利用多核來適應(yīng)計算。
       
由于像襯套、彈簧、阻尼器等力單元與約束之間多自由度的耦合，在多體動力學(xué)中使用多處理器來分割計算是一項不同凡響的工作。在隱式積分方法設(shè)置中，這個運動方程耦合的難點不僅僅局限于約束之間，在力單元之間也有。
 
高性能實時仿真能通過將模型分割成兩部分或者多部分來實施進行，每一個子模型由不同的處理器核來求解，并且與其他子模型進行協(xié)同仿真。這種分割可以是采用“切割運動副”的方法，但是對于車輛來說，切割底盤系統(tǒng)以及將底盤切割的各塊分配到各處理器更容易一些。為了達(dá)到這個目的，在Simcenter3D Motion中可以是用一種叫做“Modellink”類似襯套的單元，這種單元可以通過用戶定義的剛度和阻尼屬性來連接將要進行并行求解模型的不同部分，確保參與協(xié)同仿真中所有處理器核之間保持適當(dāng)?shù)耐ㄓ崳ㄈ鐖D7所示）。
 
每個部分都被當(dāng)做單獨模型進行管理，針對每個單獨模型產(chǎn)生C代碼版本（圖8-9所示）。除了描述（子）模型之外，每部分C代碼版本也能包含求解器代碼以運行模型，比如在硬件在環(huán)系統(tǒng)中直接求解各模型。從Simcenter3D Motion中輸出的C代碼文件能被編譯成多種格式（DLL，EXE，matlab S-functions，MEXW32 文件 ）。
耦合電、液、氣等系統(tǒng)1D模型
       
Simcenter 3D Motion實時求解能集成1D形式的車輛子系統(tǒng)進行耦合仿真。SimcenterAmesim軟件提供大量的機械、電氣、液壓等系統(tǒng)詳細(xì)模型庫，同時為Simcenter3D Motion提供專用的接口以方便的進行1D與3D模型之間的交互。雖然在實時協(xié)同仿真的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中，涉及的所有的子系統(tǒng)都要求相同的集成步長（典型的是1ms=1kHz），但是Simcenter3D Motion實時求解器功能已擴展至能進行多速率仿真，以便能滿足高頻子系統(tǒng)的特殊要求，例如在內(nèi)燃機點火載荷仿真中，需要高達(dá)5kHz的頻率才能達(dá)到所需的結(jié)果精度。
結(jié)論
由于一系列的突破性技術(shù)， Simcenter 3D Motion實時求解器能幫助客戶在詳細(xì)的高性能復(fù)雜模型上進行實時仿真，同樣支持在絕大多數(shù)實時硬件平臺上運行1D&3D聯(lián)合系統(tǒng)以及多速率系統(tǒng)仿真。
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