IDAJ推荐 | ANSYS 2020R1 Fluent新功能综述

1. HIL应用的背景 由于内燃机是高度复杂的机、电、液、热等高度一体化的复杂机械系统。再加上近年来，HEV发展迅速，排放法规的越来越严格，使得动力系统的耦合和协调更为复杂。带来了整个发动机系统的标定更为复杂。主要体现在：1、 多变量、多工况、多目标的任务需求系统的复杂程度增加、道路工况、RDE循环工况和驾驶员行为的多样化、多目标的折衷带来的标定的难度增加。2、 多机构、高动态、强耦合在动力系统中要考虑的系统之间的相互影响越来越多，相互的耦合不能忽略。3、 严法规、短时间、强竞争排放法规越来越严格，而开发周期越来越短，而相互之间的竞争也越来越强。由于以上原因使得标定出现了多机构、多目标、短周期的巨量参数优化难题。控制变量的增加如下图所示。随着优化变量的增加，想要完全用台架试验的办法去解决从时间和成本上是不可想象的。采用虚拟标定的方法代替台架试验是目前全世界通用的高效的解决办法。本文主要介绍印度汽车研究协会(ARAI)如何利用GT-SUITE中的FRM-Builder功能高效、准确的实现发动机系统的HIL系统，用于发动机的开发，达到提高效率、节省成本。2.印度汽车研究协会（Automotive Research Association of India，ARAI）方法 ARAI研究分为以下几个步骤。2.1 评估GT-SUITE软件中FRM-Builder在发动机标定中的应用下图是常用的虚拟测试台标的标准流程。 在此过程中，需要详细的发动机的数据与大量的测试数据，然后再与虚拟标定平台耦合。但在不同的阶段开发阶段，有不同的模型要求，也会由于数据的完备性造成模型的详细程度也会有区别。以下是不同层次的模型需求：模型成熟度模型描述应用Level 1（概念模型）几何参数用于模型的建立概念验证；后处理系统的配置；ECU功能确认Level2 （细化模型）稳态和瞬态的台架测试数据用于模型的标定环境校正；OBD标定；车辆的驾驶性能通过详细的发动机的测试的数据，对模型进行细化及标定，并通过大量的DOE测试，在此基础上进行大量的Mil、HIL等的实现，并进行对应的标定的要求。但如何满足上表Level1的模型，在概念阶段就开始介入标定阶段就能好的提高标定的效率。恰好GT-SUITE FRM-Builder的功能很好的满足这个要求。它只需要输入简单的几何参数就以生成满足HIL系统的要求的模型。2.2 FRM Builder生成被控对象FRM Builder只需要简单输入几个几何参数就可以自动生成FRM（Fast Running Model）模型。具体的操作如下图所示：先选择发动机类型（汽油机、柴油机），再输入缸径、冲程、压缩比和气缸数等简单参数。软件能自动生成对应的模型。如下图所示： 在软件自动生成的模型中，为了与实际的发动机的对应上，ARAI根据需要做以下的更改：1）移除EGR系统2）涡轮增压器MAP修改3）废气旁通阀控制器的更改4）发动机转速范围变更5）喷油控制器删除6）根据燃料和排放的有限数据进行标定其它需要修改的参数有：修改后的模型如下图所示： 根据有限的试验参数，进行标定的后的模型。对应的参数的可以接受的准则要求如下图所示：不同运行工况点的模型的准确性如下图所示：2.3虚拟标定平台的HIL系统测试在把GT的FRM模型在HIL系统上的测试过程中要经过以下几个步骤：1、ECU开环测试根据硬件环境，建立起ECU与硬件系统和执行器之间的连接。如下图所示。此操作的主要目的是确认以下功能：ECU功能确认对ECU各个反馈信号确认，包括：ECU-MAP、曲轴转角、凸轮轴转角、轨压、加速踏板位置等燃油系统轨压模型确认喷油器的协同工作特性，喷油提前角、脉宽等；2、带执行器的闭环测试在开环测试完成后，导入GT前面生成的模型，测试HIL系统的闭环控制功能。根据需求定义GT模型所需反馈给ECU的信号。具体连接如下图所示：在连接完成后，对HIL进行稳态和瞬态的工况测试。2.4HIL系统测试结果根据在HIL系统上进行稳态和瞬态的测试结果与台架测试数据对比。稳态的测试数据如下图所示：瞬态的测试结果瞬态的NO排放对比从稳态和瞬态的结果对比来看，模型有很好的精度完全可以进一步用于虚拟标定。3.结论 从ARAI的研究结果来看，可以得出以下结果：1）采用GT的FRM-Builder的方法，只需要花费很少的时间和花费就可以获得满足精度要求的被控制对象。能节省大量的时间和成本。2）在FRM Builder只需要很少的输入参数和测试数据，就能满足稳态和瞬态的精度需求，而满足HIL测试系统的要求。在概念设计阶段就能很好的嵌入标定开发。3）FRM-Builder完全满足RT的要求，可以很好的用于虚拟系统的标定，是足够优秀的功能。来源：艾迪捷