J.Karl Hedrick:复杂动力传动系统的建模


管欣:接下来我们请Prof.J.Karl Hedrick演讲。

Prof.J.Karl Hedrick:非常高兴,非常感谢大家对我的邀请!我今天想跟大家讲的是设计一个复杂的动力传动系统的建模控制系。我们与丰田汽车研究院进行了很多的合作。

这是模型基础的控制器的设计。这是一个非常复杂的一个过程,自然就需要一个比较简化的控制系统,使得我们更加有效率。有时候时间花得太长,基本上所有的公司都会遇到这样的问题。现在他们正在进行内部的研究,希望进行纯粹的PID的控制器设计。我们在汽车里面控制器的数目过去几年有逐步的发展。过去在设计和技术方面都会遇到一些情况,基本上我们有一个控制目标。另外我们还有配制,我们需要做怎样的控制系统,在整个的机械和工程设计中提到在设计一个控制系统的时候,要么从一个PID开始,或者从一个参数开始,最近我们开发一个模型控制器。

J.Karl Hedrick:复杂动力传动系统的建模

Prof.J.Karl Hedrick

我们要从一个工程设计师变成软件设计师,其中包括如何产生一些代码,还有平行的处理器所有这些东西。我们过去做了很多这方面的软件工作,这一点上我们有一个软件验证方面的内容。基本上软件的验证就是说明我们这个软件现在做得怎么样,作为一个控制器设计师要不断地进行验证。我们做的结果是不是正确的?它的一些计算,在一定的时间里面做得怎么样,我们在大多数的情况下会不会出现什么问题,这些都与控制系统的性能相关,而且与软件的性能相关。

然后就是ECU,我们也要做跟多的第三方方面的工作,这在设计中也要做验证。我们的验证专家,在过去的时候可能要做五到十个参数的验证,现在可能要做几千个这种验证。这些全都是非常好的。但是真正出现灾难的地方,就是我们要做一个确认。也就是说我们做软件的时候,对它进行验证了以后,如果没有办法满足控制目标,就会出现这个问题。在六到九个月之后最好重新开始整个的流程。这也是为什么我们研发一个新的传动器、新变速箱的时候需要花很多的时间。

基本上来说,动力总成由一些基本的构建组成的,有些人说动力总成是变动机,变速箱。这是美国的第一辆汽车,它是四轮车,有两速的变速箱。在这里我们还可以看到它有一个链条的驱动轴。这是密西根的动力总成图片,这里是早期的车辆样子。通过这样的模型构建,我们可以看到这是一个简单的传动系统,遗憾的是这不是我的汽车。大家可以看到它是有七速的自动离合,目前动力总成已经从非常简单的模式转化到复杂的系统。但是无论是简单还是复杂,我们都必须能够控制。

我们首先看一下发动机的控制,这里是我们发动机控制所要应对的问题。对于任何国家的车辆来说,我们需要了解这些车载的传感器的实时状态。包括一些巡航控制,我们必须要确保车辆、轮胎与车道保持一致,不会偏离车道。大家越来越关注安全的控制,我们知道安全对于销售来说是非常重要的一个卖点。

我们也对自动化的体系非常感兴趣,比如说自动巡航控制,还有交通友好型的控制。大家这里可以看到一个实验室的模型,所有的动力总成基本上都会有一个油门体,无论是由驱动器控制的,还是由线圈控制的,由燃料的注射器、喷油器。很多的汽车公司已经从供应商那里购买了自己的组件,从另外一个公司购买油门器,有一些组件自己做,有一些是OEM,不会让供应商做系统的设计。这也是为什么在我们看来不同的品牌汽车有自己不同的特点。我们需要对不同供应商组件进行集成,这是一个非常严峻的问题。

我们不仅需要考虑发动机,还需要考虑离合器,考虑整车的情况,还有变速器的情况。我们在建模的时候,它必须是适用的,而且是必须实时适用的。我们在设计控制系统的时间,必须确保这个模型使用非常简单,而且它能够涵盖我们关注的点。所以这就是为什么很多人说动力总成不仅是科学,还是艺术。

我们会有一些物理的模型,基于很多的化学和物理模型之上,比如说能量守恒定律,这个模型非常复杂,这个物理模型往往涉及到很多的等式,而且有可能跟现实的情况不符。另外,我们也开发出来和黑子的模型,就是实验验证的模式,要做很多的实验,要有很多的参数。在某种特殊的工况之外,这种实验的模型几乎不可使用。所以我们知道对于动力总成,对于我们的发动机,以及对于变速箱来说,这种模型具有很大的局限性。所以我们希望建立一种理想的模型,在灰盒子的模型中我们希望找到完美的结合点。这是一个HC实证模型的具体实例,有不同的参数和不同组件。我们需要做一些什么呢?这是另外一个例子,是一个物理模型的例子,我们可以看到我们可以做一个质量的平衡的计算,我们可以计算一下脉冲效应,热转换,计算一下控制流动,以及衡量的守恒情况,我们可以看到对这两种非常简单的模型来说,我们可以一方面有非常完整的物理模型,另外有非常完整的实证模型。都存在一些不同程度的局限性。