Part.1/ 為什么要集成控制策略模型

在日常的仿真分析中，無論是整車的控制策略模型，還是總成或子系統(tǒng)的控制策略如熱管理、BMS、MCU等模型都越來越緊密地和物理模型的開發(fā)耦合在一起。過往的整車模型開發(fā)，控制策略的部分常被簡(jiǎn)化甚至基本忽略；但隨著新能源車車型、配置及工況要求越來越復(fù)雜，仿真任務(wù)也日益增多；而且任務(wù)內(nèi)容也越來越細(xì)分，比如單獨(dú)研究某個(gè)總成的控制策略影響下的閉環(huán)系統(tǒng)輸出，甚至是元部件單體在控制器調(diào)節(jié)下的閉環(huán)特性。

本文要討論交流的內(nèi)容是站在整車性能的仿真計(jì)算需求上，如果將策略部分集成到整車物理模型中，這種工作可以如何開展，以及評(píng)估及分析整車閉環(huán)后的計(jì)算結(jié)果；而不是講解策略模型的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。

作為性能仿真或者屬性分析的工程師角色，通常來說，控制策略的輸入是仿真模型的邊界條件：在定好模型的參數(shù)，初始條件以及工況后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的命令首先來自于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，目的是為了驗(yàn)證物理模型的準(zhǔn)確性。但該步驟完成后，物理模型具備一定的精度并準(zhǔn)備用來進(jìn)行性能預(yù)測(cè)的計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)單的邊界輸入比如給定某個(gè)扭矩、轉(zhuǎn)速、開度等這種設(shè)置方式，就不能滿足仿真需求了。

而且模型的內(nèi)容需求會(huì)隨著不同車型的分析需要會(huì)逐漸龐大并越發(fā)復(fù)雜，開發(fā)工作也是要求盡量frontload，這樣就會(huì)要求系統(tǒng)仿真工程師如何有效合理地集成不同車型不同項(xiàng)目甚至不同部門的分析需求，將“控制 + 被控對(duì)象”的閉環(huán)系統(tǒng)模塊化，定制化；這樣才能從容應(yīng)對(duì)未來可能更加迫切且更加多樣化的整車集成仿真要求。

02、功能級(jí)別控制模型的開發(fā)和應(yīng)用

根據(jù)以往的項(xiàng)目合作經(jīng)驗(yàn)，我們可以試著將控制模型集成粗略地分成三種場(chǎng)景：最基本的是功能級(jí)別的控制模型；最完整或者說最貼近實(shí)車的是完全的Simulink（后簡(jiǎn)稱SLK）控制模型；那么夾在中間的可以根據(jù)實(shí)際情況，比如掌握控制策略描述文檔的多少，現(xiàn)有控制模型的完備程度等因素，可能需要定制化不同復(fù)雜程度的模型來適應(yīng)閉環(huán)分析的需要。

圖表 1 – 功能級(jí)別控制模型

這里提到的功能級(jí)別的控制模型，如圖表 1所示，其應(yīng)用目的主要是為了配合車輛基本性能比如動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的快速仿真和分析。無論是傳統(tǒng)車的EMS/TCU，還是新能源車的VCU/FCU，都可以通過這些現(xiàn)成的控制元件模型和發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)/電池等物理模型快速構(gòu)建出整車模型，可以省去開發(fā)策略模型的環(huán)節(jié)，直接設(shè)定控制元件中的參數(shù)就可以看到對(duì)結(jié)果的影響。

但是此類模型沒法修改或更新內(nèi)部的邏輯，只能設(shè)定開放出來的參數(shù)，比如VCU里啟停發(fā)動(dòng)機(jī)的SoC限值等。而且車輛的混動(dòng)架構(gòu)也有各種不同的構(gòu)型，此類封裝好的控制元件不可能適應(yīng)所有種類，需要結(jié)合信號(hào)、邏輯、數(shù)表及狀態(tài)機(jī)等擴(kuò)展功能來配合才能實(shí)現(xiàn)特定的控制功能。

03、完全SLK控制策略模型

在擁有完全SLK控制模型的情形下，可以支持的開發(fā)工作就很多了，比如直接搭建MiL環(huán)境，用接近實(shí)車的控制策略來驅(qū)動(dòng)仿真模型；或者提取出只和仿真目的相關(guān)的策略模塊來進(jìn)行MiL集成，這樣既可以讓模型輕量化，還可以節(jié)約調(diào)試時(shí)間。

圖表 2 – Simulink接口模型

這種模式的集成工作一般會(huì)碰到可用性的問題，需要對(duì)模型做調(diào)整或簡(jiǎn)化工作。因?yàn)?，通常完整的SLK控制模型一般來自于控制開發(fā)工程師或者標(biāo)定工程師，其原本的用途是為了確?？刂撇呗缘膶?shí)現(xiàn)在邏輯上正確的，以及代碼在燒寫到ECU后通過調(diào)參可以達(dá)到車輛設(shè)計(jì)的預(yù)期性能。這其中除了包括應(yīng)用層的完整策略外，還有通訊、診斷等其它功能模塊；如果想要集成到MiL環(huán)境中，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，因?yàn)橛行┎呗允荕iL環(huán)境下無法調(diào)試的，這些策略或是和硬件相關(guān)的功能，或是和物理模型沒法有效關(guān)聯(lián)。

比如由于車輛物理模型本身并不能包羅萬象，尤其是針對(duì)車輛單一屬性所構(gòu)建的模型通常都是相對(duì)簡(jiǎn)化的。例如，對(duì)于動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算，可能工程師們只關(guān)注車輛的速度、加速度、油耗/電耗、發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)/發(fā)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，電池SoC以及所有高低壓電氣網(wǎng)絡(luò)及負(fù)載的電壓電流等物理量。稍微復(fù)雜一些的可能包含一些簡(jiǎn)單的熱管理回路來計(jì)算溫度，壓力和流量的結(jié)果。但這些量即便全部反饋給完整SLK控制模型，跟實(shí)車上相比，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。大量的傳感器信號(hào)，狀態(tài)標(biāo)識(shí)及CAN信號(hào)等都是控制策略在運(yùn)行計(jì)算時(shí)所需的輸入，如果車輛物理模型不能給出，則需要對(duì)策略部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，或者手動(dòng)屏蔽一些非相關(guān)的模塊，但這種工作需要對(duì)控制模型本身非常了解，不然很難做到有針對(duì)性的簡(jiǎn)化。

04、多級(jí)復(fù)雜程度的控制模型

上面兩節(jié)提到的控制模型要么是比較簡(jiǎn)單的功能級(jí)控制模型，只能完成非常有限的工況計(jì)算和分析；要么是完整龐大的SLK模型，可能需要大量的調(diào)整和更新才能匹配車輛物理模型進(jìn)行仿真。對(duì)于系統(tǒng)仿真工作來說，由于分析任務(wù)的屬性、目標(biāo)、工況及精確度等因素的要求，不可能非此即彼地去使用上面兩種模型，那么自然會(huì)衍生出對(duì)于不同復(fù)雜程度控制模型的需求。

早些年還有一個(gè)客觀制約是通常作為車輛屬性或性能的仿真分析工程師，其建模分析的軟件工具和控制開發(fā)/標(biāo)定工程師的工具是不一樣的，而且做物理建模的仿真工程師不具備策略模型開發(fā)的能力和專業(yè)背景。但現(xiàn)在隨著建模仿真軟件工具或平臺(tái)的功能越來越多樣化，不同軟件間的接口也更加成熟穩(wěn)定，已經(jīng)可以很快速高效地對(duì)控制模型和被控對(duì)象模型進(jìn)行集成。而且現(xiàn)在的仿真平臺(tái)功能多樣化，在同一個(gè)平臺(tái)上同時(shí)開發(fā)策略模型和車輛模型也可以完成許多閉環(huán)系統(tǒng)建模仿真及分析的任務(wù)。

這里先分享一些想法和過往項(xiàng)目的心得，有感興趣的讀者可以找機(jī)會(huì)一起討論。

在開發(fā)模型過程中，有關(guān)于控制策略的輸入除了以模型的形式呈現(xiàn)外，還可以有流程圖或特性表格（也是標(biāo)定項(xiàng)）來表示策略的執(zhí)行過程。如下面圖表 3所示，在某款混動(dòng)車型的整車控制器VCU的邏輯實(shí)現(xiàn)中，可以依照此控制描述文檔中的流程圖、特性表以及相關(guān)的邏輯。這里并不是要構(gòu)建非常復(fù)雜的車輛模型，或者對(duì)多個(gè)屬性進(jìn)行同時(shí)評(píng)估或優(yōu)化，而是只以整車經(jīng)濟(jì)性（熱機(jī)）的分析目的進(jìn)行建模。

圖表 3 - 控制策略/邏輯描述

利用信號(hào)、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算再配合上狀態(tài)流圖，通常就可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的、常用的控制模塊，如圖表 4所示，這里在AMESim平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一些基本的VCU控制模塊，包括車輛模式切換，扭矩分配以及再生制動(dòng)等。

圖表 4 – 控制模型 (AMESim)

并且針對(duì)實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，需要有數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行邏輯驗(yàn)證及功能驗(yàn)證。這里因?yàn)橛袑?shí)車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可做為驗(yàn)證的依據(jù)，所以可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為策略模型的邊界條件，檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的邏輯計(jì)算是否能和試驗(yàn)結(jié)果匹配。如圖表 5中所示，將車輛模式和扭矩分配的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。當(dāng)然，仿真驗(yàn)證要盡量多地覆蓋典型的車輛工況及使用場(chǎng)景，這樣才能有利于提升模型的精度；只有確保策略模型和實(shí)車數(shù)據(jù)的誤差在允許的范圍內(nèi)，才可以考慮下一步的集成工作。

圖表 5 – 策略模型輸出和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

車輛物理模型的開發(fā)是可以和策略模型并行的：由于此款車型的建模只以熱機(jī)的經(jīng)濟(jì)性為分析目的，因此模型的構(gòu)建也是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的。根據(jù)架構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)以及總成的特性數(shù)據(jù)，搭建出如圖表 6所示的模型。

圖表 6 – 車輛物理模型

同樣地，需要對(duì)開環(huán)車輛物理模型進(jìn)行驗(yàn)證，確保模型精度及求解的穩(wěn)定性，如圖表7所示。在和經(jīng)濟(jì)性屬性相關(guān)的所有重要變量，都要進(jìn)行比對(duì)。這里需要額外提一句，像這種比較簡(jiǎn)單的模型，狀態(tài)變量很少，通常求解都會(huì)很快而且即便做大量的變參數(shù)仿真，也基本不會(huì)遇到模型求解卡住的問題。但是如果研究的車輛屬性或性能包含比較復(fù)雜的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)之間還有耦合：像熱管理系統(tǒng)的仿真，除了每個(gè)回路自身的循環(huán)，還會(huì)有回路間的耦合計(jì)算（換熱器，散熱器，chiller等）；而且像冷媒回路涉及到相變，求解會(huì)相對(duì)更復(fù)雜更耗時(shí)。

相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)對(duì)辦法就是在開環(huán)物理模型上多做一些仿真工況的測(cè)試，設(shè)計(jì)并設(shè)定好邊界條件，通過batch或者腳本的方式，來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ颓蠼獾姆€(wěn)定性以及求解時(shí)間是否過長；同時(shí)也可以評(píng)估不同工況下的結(jié)果是否合理，符合預(yù)期。這是在集成控制模型前需要提前做好的準(zhǔn)備工作。

圖表 7 – 車輛物理模型仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

當(dāng)兩部分模型分別完成各自的開發(fā)和驗(yàn)證工作后，下一步就是集成。如圖表 8的示意圖所示，如果前面兩步走的工作打下比較好的集成基礎(chǔ)，無論是控制器模型還是車輛物理模型的精度和適應(yīng)性都達(dá)到了集成要求，那么在這一步搭建閉環(huán)模型時(shí)就可以減少潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

圖表 8 – “車輛 + 控制”的閉環(huán)模型示意圖

除了需要替換原本兩個(gè)模型的接口信號(hào)外，還要注意一些容易出錯(cuò)的地方：比如踏板的信號(hào)是0~1，還是0~100；發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的扭矩正負(fù)方向；在跑一些新工況的時(shí)候是否有一些不合理的特性數(shù)表外插導(dǎo)致結(jié)果異常等問題。而且調(diào)試的過程也要遵循由簡(jiǎn)入繁的原則，比如從純電模式開始，先確認(rèn)動(dòng)力系統(tǒng)在控制器結(jié)算的輸出下是否和整車負(fù)載匹配，車速是否能跟上，駕駛員模型的輸出是否能和試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配上等。再下一步可以調(diào)試發(fā)動(dòng)機(jī)啟停，離合器作動(dòng)，制動(dòng)能量回收等閉環(huán)系統(tǒng)的表現(xiàn)。

圖表 9 – 閉環(huán)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

最終可以通過閉環(huán)調(diào)試過程，得到類似如圖表 9中所示的仿真結(jié)果（車輛模式和離合器狀態(tài)的數(shù)值定義與實(shí)車不同）。當(dāng)然，這里只展示了一個(gè)工況的驗(yàn)證結(jié)果，如果在前期開發(fā)和試驗(yàn)規(guī)劃過程中，盡量多覆蓋一些循環(huán)工況或企業(yè)特定工況，這樣作為模型驗(yàn)證的依據(jù)可以進(jìn)一步提升閉環(huán)模型的精度及求解穩(wěn)定性。

接下來就是利用閉環(huán)模型可以做參數(shù)敏感性分析，比如像車重，阻力，pedal map，初始SoC，SOC啟發(fā)動(dòng)機(jī)上下限，模式切換延遲時(shí)間等無論是設(shè)計(jì)參數(shù)還是控制參數(shù)，都可以快速地通過批處理或腳本來實(shí)現(xiàn)批量分析，甚至可以作為標(biāo)定的參考依據(jù)或探索方向。

05、拓展到多屬性平衡分析

和提升模型開發(fā)效率及應(yīng)用范圍

前述文字可以算是概括性地介紹了對(duì)于控制模型和車輛模型集成為閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)一些經(jīng)驗(yàn)性的步驟和心得。但是畢竟只有一個(gè)屬性或單一性能的分析是無法適應(yīng)OEM未來甚至現(xiàn)在的需求。所以如果要進(jìn)行拓展，通常是將整車熱管理系統(tǒng)及相關(guān)性能和動(dòng)力部分以及控制策略整合成一個(gè)“多屬性”的整車模型，這樣就可以通過虛擬模型的結(jié)果，來評(píng)估和分析這種相互矛盾的屬性。

圖表 10 – 動(dòng)力+熱管理+VCU功能控制模型

如圖表 10中展示，這里將某款混動(dòng)車型的動(dòng)力系統(tǒng)，和主要的熱管理循環(huán)回路系統(tǒng)模型（發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、電池直冷、電機(jī)電控冷卻，空調(diào)冷媒及乘員艙），再加上整車VCU的一些基本控制集成為一個(gè)VEM（整車能量管理）的模型。熟悉Amesim的人看到這個(gè)截圖應(yīng)該就能八九不離十的猜到這個(gè)模型的狀態(tài)變量數(shù)目……嗯，200+

而且這個(gè)模型還沒有加熱管理的控制策略，可以想象如果我們?cè)僖胄碌目刂撇呗?，那么模型的調(diào)試時(shí)間，單一工況的求解時(shí)間都可能會(huì)增加不少。并且，這里只是一款車型的一個(gè)模型；如果同時(shí)管理幾款不同車型，且控制策略及標(biāo)定也不一樣，每個(gè)不同部門或工程師關(guān)心的指標(biāo)也不一樣，如果希望通過仿真來給出方向，甚至指導(dǎo)設(shè)計(jì)，即便是在已有完整的模型上進(jìn)行更改和升級(jí)，這個(gè)工作量也是相當(dāng)巨大的。而且隨著項(xiàng)目和數(shù)據(jù)的累計(jì)，車型對(duì)應(yīng)的模型版本也會(huì)越來越多，只靠文件夾和文件名以及開發(fā)工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來管理和維護(hù)，是無法確保開發(fā)工作的穩(wěn)定性、正確性以及高效性的。

因此，當(dāng)OEM的整車部門在數(shù)字化的研發(fā)中逐步積累了眾多車型的數(shù)字化模型，那么面對(duì)的情況很有可能就是如圖表 11所展示的。

圖表 11 – 整車數(shù)字孿生模型的復(fù)雜度

而且OEM未來甚至現(xiàn)在遇到的挑戰(zhàn)一定會(huì)比這個(gè)圖上更加復(fù)雜，系統(tǒng)間的強(qiáng)耦合關(guān)系（比如能耗和熱管理）也需要更加深入和全面的探索分析。相信對(duì)于上圖中每一個(gè)子系統(tǒng)或者每個(gè)單一屬性，都有非常在行的領(lǐng)域?qū)＜铱梢越鉀Q實(shí)際工程問題；或者每個(gè)CAE工程師對(duì)于單獨(dú)一個(gè)子系統(tǒng)或單一性能也有能力構(gòu)建準(zhǔn)確的模型甚至具備一定預(yù)測(cè)性。但如何把這些專長和過往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)有機(jī)整合，通過類似模塊化的實(shí)施方式來各取所長，最后再集成出專門針對(duì)模型使用者需求的特定模型，這個(gè)是目前最需要實(shí)現(xiàn)的。

如圖表 12中所展示的，基于Analyst和相關(guān)的專業(yè)平臺(tái)工具是面對(duì)上述挑戰(zhàn)的一個(gè)最佳選擇，并且已經(jīng)在國外的一些OEM客戶中得到了很好的應(yīng)用。即可以從零開始規(guī)劃初期階段需要哪些最基本的架構(gòu)、模型元件、工況、設(shè)計(jì)參數(shù)組等基本因素，先將平臺(tái)搭建好，并且在日常的仿真分析的反饋中來決定下一步的拓展方向；也可以把現(xiàn)有的車型模型及數(shù)據(jù)庫的積累信息做相應(yīng)的評(píng)估和分類，將其移植到Analyst為基礎(chǔ)的定制化平臺(tái)上。這樣除了可以系統(tǒng)地將不同架構(gòu)、屬性及復(fù)雜程度的模型分門別類的管理好，而且還可以將設(shè)計(jì)人員、開發(fā)工程師和模型使用者的角色區(qū)別開，確保開發(fā)工程師可以專注于模型內(nèi)容的豐富和升級(jí)工作，而使用者不必研究細(xì)節(jié)就可以快速選定其所需的車型架構(gòu)、總成的組合、工況和參數(shù)設(shè)定等開放的變量，并迅速獲得仿真分析結(jié)果。

而且相信隨著國內(nèi)OEM客戶的需求不斷更新和提升，這種定制化的平臺(tái)可以更加發(fā)揮出整車部門的開發(fā)能力，提升開發(fā)效率，同時(shí)管理、維護(hù)和支持多個(gè)車型的平臺(tái)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)從“數(shù)字雙生”到“數(shù)字孿生”的邁進(jìn)。

圖表 12 – 基于Analyst及相關(guān)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)最佳開發(fā)流程