科研论文 | 基于 GCKontrol 的某汽车动力总成系统建模与仿真_ACT_Mechanical

科研论文 | 基于 GCKontrol 的某汽车动力总成系统建模与仿真

世冠科技

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国产工业软件如何突破“卡脖子”困局？

国产仿真技术如何为汽车电子控制

产业赋能并带动人才培养？

世冠科技联合湖北汽车工业学院、

汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室

以国产GCKontrol为核心工具

成功构建高逼真度双离合动力总成控制逻辑

与动力学模型

实现国产软件与AVL Cruise的仿真误差对比（<3%）

体现了模型编译技术与求解技术达到国际水平

打破国外技术垄断

摘要作为基于GCKontrol的汽车电子控制课程示范性教学资源重要支撑，本文展示了使用国产工业软件GCKontrol来模拟基于双离合变速器的动力总成的动力学规律，并将该模型应用于变速箱控制单元（Transmission Control Unit，TCU）的快速开发及不同应用场景的分析与测试，并在此基础上，通过仿真分析和对比，验证了方案的合理性。

关键词 国产工业软件；双离合器自动变速器；换挡规律；动力学建模；仿真分析

论文地址：

https://www.cac2024.org/article/type/4-1.html

引言

动力总成系统是汽车的核心部分，负责提供汽车行驶所需的动力，并影响整车的动力性、安全性、操纵稳定性以及成本等多个方面；可靠而完善的动力系统是进行车辆动力学控制、智能驾驶的前提。

2020年，中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室关注于提高车辆燃油经济性，基于Simulink仿真平台研究了以不同挡位起步以及跳跃不同挡位对车辆加速性能的影响，以得到最优加速特性[1]。2022年，张营营等以DCT混动系统为基础，应用AMESim和Simulink建立了整车、混动系统及控制模块仿真模型，通过仿真可用于DCT混动系统项目前期的动力传动系统载荷谱计算，从而节约项目开发成本[2]。2019年，Xinqiang Fan 等提出了通过优化离合器油路结构，以此改善 DCT 离合器系统的动态充油性能，且离合器的动态充油特性在 HCU(Hydraulic Control Unit)试验台上得到了准确地验证[3]。

这些研究工作都是运用国外成熟的仿真软件MATLAB/Simulink、AVL Cruise等，对汽车动力总成系统进行建模的；但我国的汽车行业容易受到国外势力的制约，欧美国家将包括MATLAB/Simulink在内的多种工业软件和硬件列为对中国进行技术封锁的范围；因此，本文在汽车动力性参数优化中，成功运用GCKontrol软件模拟了多种工况下某燃油汽车的动力性，并将仿真结果与车辆动力性分析常用软件AVL Cruise软件的结果进行了对比。

某乘用车动力学的仿真模型的建立

GCKontrol系统设计与仿真软件，是北京世冠金洋科技发展有限公司推出的一款建模仿真工具。

图1 GCKontrol界面图

GCkontrol能够实现系统设计与仿真，具备丰富的控制系统建模元素，支持控制系统建模和仿真、线性和非线性系统建模仿真、能自动生成C代码，支持FMU导出、实时仿真、自动化测试和验证。

1.1

整车参数

本文所研究的某乘用车参数如表1。

表1 某乘用车部分参数

本文应用GCKontrol软件，进行整车动力性仿真，需要搭建整车仿真模型，以及仿真工况和控制策略的输入，具体步骤如图2所示。

图2 仿真过程示意图

变速箱为双离合器（DCT），相关参数参见表1，本模型暂未考虑效率损失（效率及变速器损失一般由润滑情况、轴承摩擦及液压执行机构损失引起）。

1.2

驾驶员参数

驾驶工况可以反映车辆在不同道路环境下的行驶特点，对于评价车辆的动力性至关重要，驾驶工况是评估车辆性能和优化产品设计的重要参考因素之一。如图3为本文所采用的驾驶工况曲线，横坐标是时间(s)，纵坐标是踏板开度(%)，表示第5秒开始全油门加速，第20秒开始踩制动，第30秒开始一直全油门加速到70秒。

图3 驾驶工况曲线

1.3

换挡参数

使用两参数换挡规律[6]，设计了换挡参数，图4为不同挡位油门开度和切换挡位速度的关系，横坐标为踏板开度(%)，纵坐标为速度(km/h)，黑、红、绿、紫、蓝、粉红线分别代表1，2，3，4，5，6档。如下图5为不同挡位油门开度和切换挡位速度的关系，横坐标为踏板开度(%)，纵坐标为速度(km/h)，黑、红、绿、紫、蓝、粉红线分别代表2，3，4，5，6，7档。

图4 升档曲线

图5 降档曲线

1.4

同步器输入力参数

双离合变速器有四个同步器，换挡过程中发动机到离合器1、离合器2的功率流向如图6所示，输出轴将力矩输出到差速器实现不同挡位下的驱动。

图6 功率流向示意图

图7 各挡位同步器输入力关系曲线

由图6功率流向，得出输入各挡位与同步器输入力的关系曲线如图2.7所示。横坐标为挡位，纵坐标为力(N),蓝、黑、绿和红线分别为1、3档同步器，2、4档同步器，6、R档同步器和5、7档同步器。

设计目标

2.1

动力性目标

汽车的动力性评价指标主要有最高车速、加速时间和最大爬坡度[4][5]。本车型的动力性设计目标如表2所示。

表2 某乘用车动力性目标

2.2

整车仿真模型

根据图2所示仿真流程以及各项输入数据，建立图8所示整车动力性仿真模型。模型包含驾驶员模块，发动机模块，TCU 控制模块，双离合模块，变速器和同步器模块，轮胎驱动力模块，纵向动力学模块。

图8 整车仿真模型示意图

2.2.1 发动机仿真模型

此发动机模型能够较为准确反映发动机在不同工况下的性能表现，为后续的仿真分析和优化设计提供有力的支持，因此建立的发动机仿真模型如图9所示。

图9 发动机模型仿真的示意图

2.2.2 TCU仿真模型

TCU(Transmission Control Unit)是自动变速器的控制单元，是自动变速器系统的核心。本案例中将使用目前最常用的两参数自动换挡规律，该形式主要通过车速、油门开度、发动机转速及制动信号进行判断，给执行器发出相应的信号，以期达到车辆整体的最佳状态。TCU模型的概览如图10所示，其主要控制逻辑使用状态图搭建。

图10 TCU模型示意图

2.2.3 双离合器仿真模型

双离合变速器包含奇数轴离合器及偶数轴离合器两个离合器。离合器模型主要包含：摩擦力矩计算，滑动或者结合模式，扭振减振器刚度及力矩；该模型能够很好地模拟离合器结合时产生的扭矩振荡，如图11所示。

图11 双离合模型示意图

2.2.4 变速器和同步器仿真模型

偶数轴和奇数轴的转速是使用惯性模型和阻力扭矩计算的，当变速箱处于空档且离合器打开时，两个输入轴将减速至速度为0，如图12为变速器仿真模型。

同步器位置由输入力控制，当输入速度不同时，位置会受到限制。当对同步器施加力且同步器达到给定位置时，同步器环压在摩擦元件上并产生同步扭矩，如图13为同步器仿真模型。

图12 变速器仿真模型示意图

图13 同步器仿真模型示意图

2.2.5 纵向动力学模型

本文研究对象为前驱配置乘用车，根据汽车受力情况，在加速或者减速的时候，前后轮胎的载荷分配会有动态变化。根据公式构建纵向动力学模型，如图14所示。

图14 动力学模型

GCKontrol仿真结果分析

3.1

仿真结果分析

车辆行驶的实际工况错综复杂，根据表3汽车动力性部分相关国家标准制定了以下几种典型工况，模拟了DCT动力总成模型的动态表现。

表3 汽车动力性部分相关国家标准

3.1.1 工况一（全油门起步加速性能试验）

图15是记录车辆由静止全油门加速到100km/h的时间，得出车辆需要9.1秒达到时速100km/h，下图展示了换挡过程。该工况是全油门起步加速，未踩制动；随着挡位的升高，车速越来越快，每当切换挡位的时候，离合器，发动机与传动系统的连接被切断，发动机转速会有短暂的降低，随后等待换上更高的挡位。

图15 测试百公里加速时间图

3.1.2 工况二（换挡过程试验）

如图16该工况是松开加速踏板，踩下制动，TCU通过触发降档指令降低车速。每当切换挡位的时候，踩下离合器，发动机与传动系统的连接被切断，随后等待换入低的挡位。

图16 制动减速状态图

3.1.3 工况三（最高车速试验）

图17表明此乘用车的最高车速为130km/h。随着挡位的增加，车速越来越快；图17（d）表明，模型对TCU换挡指令的响应十分及时。

图17 测试最高车速图

3.2

AVL CRUISE仿真结果验证

汽车工程上常用AVL Cruise软件对汽车纵向动力学性能进行建模和仿真。如图18所示，在AVL Cruise中搭建双离合变速器仿真模型，以验证GCKontrol软件在动力学仿真和建模中的可靠性。根据表2将整车参数输入AVL Cruise软件模型。

图18 双离合变速器仿真模型图

图19所示为AVL Cruise最高车速结果截图，为127km/h。图20所示为AVL Cruise百公里加速时间结果，为8.87秒。

图19 AVL Cruise最高车速

图20 AVL Cruise百公里加速时间

将GCKontrol软件建模仿真的最高车速（图17）和百公里加速时间（图15），与图19、图20的结果对比，如表3所示。

表3 GCKontrol与AVL Cruise结果对比

从表3看出，最高车速仿真结果相对误差为2.4%，而百公里加速时间仿真结果相对误差为2.6%，二者都很小，验证了GCKontrol软件建模和仿真的可信性。

图21 AVL Cruise换挡结果

图21为AVL Cruise软件中换挡结果，车辆能成功换入各档，与工况二的图16的GCKontrol软件的仿真结果一致，验证了TCU策略的可行性。

总结与展望

本文基于双离合变速器的动力总成的动力学规律，将该模型应用于TCU的快速开发及不同工况的模拟。并在此基础上，通过仿真分析，验证了方案的合理性。将换挡控制策略仿真模块生成了状态图模块，状态图实现了根据车速、发动机转速、油门等信息对变速箱的控制，模拟了TCU的控制逻辑及控制方法。在开发TCU的控制系统或进行相关的性能测试时，使用到这些仿真策略模拟了三种不同工况工作条件和场景，以便更好地评估和优化TCU的性能，还通过检测发动机的转速、油门踏板开度、车辆速度等，来控制变速箱的换挡程序，以实现最佳的动力传动性能，仿真结果基本确定了汽车的动力性，该乘用车的最高车速为130km/h，以及百公里加速时间为9.1秒。

本文还通过车辆动力学常用软件AVL CRUISE进行对比验证，研究结果也表明GCKontrol软件可以很好地胜任整车动力学的建模与仿真；支持国产工业软件、硬件的行业应用和技术进步，有利于我国汽车行业的正常发展。此次项目后续可用于建立DCT换挡过程动力学硬件在环仿真模型，导出的模型可用于MiL/SiL/HiL环境下的车辆分析或TCU软件开发和测试，并最终为基于GCKontrol的汽车电子控制课程示范性教学资源提供重要支撑。

参考文献：

[1]. 高子茵,刘鹏,杜明刚,等.新型32挡自动变速器建模及加速性能仿真分析[J].计算机仿真,2020,37(04):91-97.

[2]. 张营营,庄才华,徐旭初.基于AMESim和Simulink的P2 DCT混动系统载荷谱研究[J].装备维修技术,2022,(01):39-46.

[3]. Fan X, He Y, Cheng P. Research on Dynamic Oil- Filling Characteristics of DCT Clutch System[C]//2019 2nd World Conference on Mechanical Engineering and Intelligent Manufacturing (WCMEIM).2019:80-84.

[4]. 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社，1997:1-66.

[5]. 郑清平，陈静．汽车动力性和经济性模拟计算[J]．汽车科技，2004(1).

[6]. 葛安林.汽车自动变速理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1993.

来源：世冠科技

航电半物理测试实现高精度仿真验证与全流程测试能力的方法

摘要如何为航空电子系统提供高精度仿真验证与全流程测试能力？本文依托工程研究与实践，结合航电半物理测试的强大工具--世冠科技GCAir系统仿真测试验证一体化平台（以下简称“GCAir平台”），基于软硬件一体化技术，构建了航电系统通用半实物仿真测试平台。完成了对多种型号航电系统设备的自动化测试与验证，在保障航电设备的安全性和可靠性基础上，实现了时间和人力成本的大幅缩减。01 定义Definition 航电半物理测试是一种将实际硬件与计算机仿真模型相结合的测试方法，它通过模拟真实的飞行环境和条件，使工程师能够在地面上对航空电子系统进行验证和测试，以确保系统在实际飞行中的性能和可靠性。这种方法允许对系统进行故障注入、环境适应性测试、总线通信测试、系统集成验证、电磁兼容测试等，以提前发现潜在问题，提高系统的安全性和可靠性。02发展Development航电半物理测试的历史可以追溯到仿真技术的发展，这一技术随着计算机技术的进步而逐渐形成。最初，仿真主要应用于航空、航天等少数领域。半物理仿真，也称为硬件在回路仿真（Hardware in the Loop Simulation, HILS），是将部分产品实物引入到仿真回路的一种仿真技术。在半物理仿真过程中，部分数学模型精度较高的部分或者难以用实物替代的部分，用数学模型在计算机运行；部分实物或物理模型直接引入到仿真回路，从而提高仿真的置信水平。随着系统理论、计算机技术、图形技术和建模技术的发展，仿真技术得到了快速发展。半物理仿真在各种仿真系统中的置信度最高，具有有效性、可重复性、经济性、安全性等诸多优点，受到军事和民用各部门的高度重视。半物理仿真的逼真度取决于接入的实物部件的多寡、仿真计算机的速度、精度和功能，转台和各目标模拟器的性能，通常对三轴机械转台的要求是精度高、转动范围大、动态响应快和框架布置不妨碍光学敏感器的视场。半物理仿真技术的发展，为航空电子系统的测试和验证提供了重要的手段，使得在地面上就能够对航电系统进行验证和测试，以确保其在实际飞行中的性能和可靠性。这种测试方法允许对系统进行故障注入、环境适应性测试、总线通信测试、系统集成验证、电磁兼容测试等，以提前发现潜在问题，提高系统的安全性和可靠性。随着技术的进步，半物理仿真技术在航电系统中的应用越来越广泛，成为现代高技术的代表之一。03解决方案Solution为借助半物理技术更好地服务航空用户，助力航空行业数字化转型。世冠科技推出以GCAir平台为主的系统设计工具链，以航空电子系统为研究对象构建出了一套完整的半物理系统设计架构，如下图所示： GCAir平台实现了实际控制器与虚拟模型的实时联合仿真，让实际控制器在仿真环境中运行，以验证其性能和可靠性。系统支持多个虚拟模型与实际控制器协同工作，模拟多种场景和情况，从而全面测试控制器的各种响应。为实现实际控制器与虚拟模型之间的通信，系统使用总线板卡进行数据传输和交换，确保仿真的真实性和准确性。在GCAir平台进行航电半物理测试的显著优势：图形化工程搭建‌：通过图形化工程搭建功能，使得系统/部件的交联关系能够以简洁清晰的方式呈现出来，与实物保持一致，从而极大地提高了系统的可分析性和可维护性。虚实一键切换‌：支持基于已有工程执行虚实一键切换，实现了从软件在环（SIL）到硬件在环（HIL）的无缝转换，平台还允许虚实并行运行，使得模型与实物能够相互校验。所有这些功能都是基于一个工程执行，这保证了设计的可继承性与结果可靠性，避免了在不同阶段之间切换时可能出现的设计断裂或重复工作，从而大大提高了仿真的效率和灵活性‌。ICD管理能力‌：具备强大的ICD管理能力，能够高效、系统地设计、管理和维护复杂的ICD数据。平台支持多种总线和非总线数据类型，可以解析并导入外部ICD文件，支持灵活的配置通信矩阵及ICD与IO的匹配关系，使得平台能够适应不同系统和部件的仿真需求，具备高度的通用性和可扩展性。提高测试的置信度：通过结合实际硬件和计算机仿真模型，提供了一个接近实际飞行条件的测试环境，从而提高了测试结果的可信度。成本和资源节约：相比于全实物测试，GCAir平台可以减少对实际硬件的依赖，节约成本，同时提高测试的灵活性和可重复性。实时性能测试：分析实时仿真计算机系统的组建，并对其实时性能进行测试，确保系统在实际使用中的响应速度和处理能力。故障注入和分析：可以有效地进行故障注入，模拟各种故障情况，以测试系统的故障检测和处理能力，这对于提高系统的安全性和可靠性至关重要。系统集成验证：支持从快速原型验证到半实物仿真、系统级测试验证的全生命周期解决方案，适用于飞控、机电、发动机、航电等产品的测试。时间同步和精度：能够保证时间精度和同步，解决时间精度、时间同步、累积时间误差等关键问题，这对于需要精确时序的航电系统尤为重要。提高测试效率：支持批量仿真，实现模型参数自动修正，支持基于用例的自动化测试，从而提高测试效率。动态交联和闭环测试：通过硬件系统激励、实时仿真系统、真实飞机环境三者测试环境的闭环交联，为飞机航电系统测试提供各种有效途径，接近于外场试验。支持复杂场景模拟：能够模拟复杂的飞行场景和环境，包括大气条件、飞行动力学等，为航电系统提供全面的测试条件。后记综上所述，航电半物理测试通过结合实物硬件和仿真技术，提供了一个高效、灵活且成本效益高的测试解决方案，有助于确保航电系统的高性能和高可靠性。通过结合实际硬件和计算机仿真模型，半物理测试为各种复杂系统提供了一个接近实际工作条件的测试环境。来源：世冠科技