Model-Based Calibration Toolbox

Калибровка сложных силовых агрегатов

Model-Based Calibration Toolbox™ предоставляет инструменты для оптимальной калибровки сложных

силовых агрегатов с использованием статистического моделирования и численной оптимизации. Вы можете

создавать планы тестирования, разрабатывать статистические модели и генерировать калибровки и

интерполяционные таблицы для сложных, со многими степенями свободы, двигателей, что потребовало бы

всестороннего тестирования с использованием традиционных методов. Используя это расширение совместно

с MATLAB® и Simulink®, вы можете наладить процесс разработки путем систематической идентификации

оптимального баланса между эффективностью двигателя, выбросами и экономией топлива, а также

повторно использовать статистические модели для разработки систем управления, полунатурного

моделирования и симуляции силовых агрегатов.

Основные возможности

▪ Интерактивные инструменты для выстраивания рабочего процесса по разработке экспериментов,

аппроксимации данных с двигателя статистическими моделями и производству оптимальных калибровок

▪ Различные способы разработки экспериментов, основанные на методологии Design-of-Experiments, для

создания оптимизированных планов тестирования

▪ Техники для разработки высокоточных нелинейных статистических моделей по тестовым данным

▪ Техники моделирования с использованием линейной регрессии и радиально-базисной функции для создания

точной аппроксимации данных

▪ Встроенные и пользовательские библиотеки моделей в эмпирической форме

▪ Моделирование граничных условий для удержания результатов оптимизации в рамках рабочего диапазона

двигателя

▪ Инструменты по оптимизации и поиску компромиссов для решения задач калибровки в индивидуальных

рабочих точках или по ездовым циклам

▪ Генерация интерполяционных таблиц из моделей, результатов оптимизации или тестовых данных

▪ Импорт и экспорт калибровок в ETAS INCA и ATI Vision

Создание и управление тестами

Model-Based Calibration Toolbox позволяет вам разрабатывать план тестирования, основанный на

методике Design of Experiments, которая позволяет сократить время тестирования путем запуска только

тех тестов, которые требуются для определения формы отклика вашего двигателя.

Это расширение предлагает широкий набор возможностей по разработке экспериментов, включая:

▪ Классические методы: Box-Behnken, Central-Composite и Full Factorial

▪ Пространственное заполнение: Latin Hypercube и Lattice

▪ Оптимальные методы: Критерии оптимальности V, D, и A

1

Вы можете использовать план эксперимента для определения рабочих точек, которые требуется снять на

двигательном стенде. Затем вы можете передать эти тестовые данные в Model-Based Calibration Toolbox

для разработки моделей двигателя.

Используя Design Editor, предоставляемый этим расширением, вы можете генерировать, изменять и

визуально сравнивать дизайны без необходимости углубляться в математический аппарат методики

Design of Experiments.

Задание дизайна при помощи методики пространственного заполнения в Design Editor (слева) и исследование свойств дизайна при помощи Design Evaluation Tool (справа).

Model-Based Calibration Toolbox связывает воедино разработку экспериментов и три часто используемые

стратегии тестирования:

▪ Одноуровневые (One-stage)

▪ Двухуровневые (Two-stage)

▪ Точечные (Point-by-point)

Одноуровневые стратегии тестирования

Одноуровневые стратегии тестирования вносят единственный источник вариации, между тестами, и

используются для осуществления экранирования переменных (variable screening) и наложения

пространственного дизайна (design-space mapping). Методика Design of Experiments обычно используется

для генерации планов тестирования, в которых все переменные меняются одновременно.

В Model-Based Calibration Toolbox, вы можете использовать одноуровневую стратегию тестирования

для идентификации и моделирования взаимосвязей между переменными в сложных системах со

многими переменными. Например, вы можете тестировать двигатель в различных рабочих точках и

при соответствующих настройках исполнительного управляющего механизма, определенных при

помощи дизайна пространственного заполнения для таких характеристик, как скорость вращения

двигателя, нагрузка и состав смеси. Это позволяет получить характеристики эффективности двигателя

с использованием методики Response surface.

2

Двухуровневые стратегии тестирования

Двухуровневые стратегии тестирования вносят два источника вариации: локальный и глобальный. Они

используются для задач, где требуется менять значение одной переменной, при этом фиксируя все

остальные переменные. Например, при сборе данных с двигателя, мы изменяем угол опережения

зажигания, при заданных скорости вращения двигателя, нагрузки, фазах газораспределения и составе

смеси. В этом примере локальная вариация переменной осуществляется, когда изменяется значение угла

опережения зажигания, а глобальная вариация осуществляется между тестами, когда меняются скорость

вращения двигателя, нагрузка, фазы газораспределения и состав смеси.

Model-Based Calibration Toolbox позволяет вам оценить локальные и глобальные вариации раздельно,

путем аппроксимации локальных и глобальных моделей в двух уровнях. Вы можете использовать

двухуровневое моделирование для выявления сложных взаимосвязей между всеми переменными,

которые определяют поведение двигателя.

Сбор данных с двигателя для каждого теста путем изменения угла опережения зажигания, при этом зафиксировав

частоту вращения, нагрузку, фазы газораспределения и состав смеси.

3

Проведение серий тестов, каждого при разных значениях частоты вращения, нагрузки, фаз газораспределения и

состава смеси. Модель затем аппроксимируется для каждого теста (локальная аппроксимация).

Использование локальных моделей для вычисления глобальных моделей поведения двигателя при изменении

частоты вращения, нагрузки, фаз газораспределения и состава смеси (глобальная аппроксимация).

4

Осуществление глобальной аппроксимации для нескольких аспектов поведения двигателя. (Изображения предоставлены Ford

Motor Company.)

Точечные стратегии тестирования

Точечные стратегии тестирования позволяют вам разрабатывать статистические модели в каждой рабочей

точке двигателя с заданной точностью для производства оптимальных калибровок – когда двухуровневые

стратегии тестирования уже не могут смоделировать поведение двигателя с достаточной точностью.

Используя точечные стратегии тестирования в Model-Based Calibration Toolbox, вы можете точно

моделировать и калибровать современные дизельные двигатели с несколькими впрысками и бензиновые

двигатели с непосредственными впрыском.

Моделирование рабочих диапазонов двигателя

При сборе данных и моделировании двигателя должно принимать во внимание рабочие диапазоны системы,

которые могут быть физически протестированы. Model-Based Calibration Toolbox позволяет вам вносить

ограничения в ваши дизайны экспериментов и создавать модели граничных условий, которые описывают

возможные области для тестирования и симуляции. Поддерживаемые типы граничных моделей включают в

себя:

▪ Выпуклая оболочка – поверхность, содержащая минимальный набор точек данных

▪ Звезда – интерполяция всех пограничных точек данных

▪ Диапазон – диапазон данных для каждого входа

▪ Эллипсоид – эллипсоид минимального объема, содержащий все точки данных

Двухуровневые и точечные стратегии тестирования предлагают дополнительные модели граничных условий.

5

Использование Boundary Editor для задания и визуализации доступных регионов тестирования и связанных условий тестирования.

6

Анализ данных и моделирование отклика

Model-Based Calibration Toolbox использует функции MATLAB для анализа и визуализации данных,

статистики и оптимизации для аппроксимации моделей и генерации графического представления

поведения двигателя. Model Browser помогает удостовериться, что тестовые точки, снятые в

лаборатории, соответствуют дизайну оригинального эксперимента. Используя Model Browser, вы

можете интерактивно аппроксимировать разные типы моделей к полученным данным.

Оптимизированный план тестирования двигателя (слева) и сложная модель двигателя (справа).

Предварительная обработка данных

Model-Based Calibration Toolbox предоставляет Design Editor для анализа данных, снятых с двигателя и

преобразования их в форму, подходящую для моделирования. При помощи Design Editor вы можете

осуществлять различные операции по предварительной обработке, включая фильтрацию для удаления

нежелательных данных, добавление заметок для документирования результатов, преобразование или

масштабирование "сырых" данных, группировка данных по тестам и установление соответствия тестовых

данных и дизайна эксперимента.

7

Использование Data Editor для выбора подмножества тестов и просмотра данных в разных форматах:2D график, 3D график и таблица.

Выбор и аппроксимация моделей

Model-Based Calibration Toolbox предоставляет библиотеку эмпирических моделей различных типов для

моделирования поведения двигателя, таких, как крутящий момент, расход топлива и выбросы. Доступные

модели включают в себя: полиномиальные, сплайны, радиально-базисные функции, модели роста,

пользовательские MATLAB файлы и модели Simulink.

8

Использование Model Browser для аппроксимации и оценки различных типов моделей для бензинового двигателя.

Генерация оптимальных калибровок

Инструмент для генерации калибровок (CAGE) в Model-Based Calibration Toolbox – это графический

интерфейс пользователя, который позволяет вам калибровать интерполяционные таблицы для вашего

электронного блока управления двигателем (ЭБУ). При помощи инструмента CAGE tool, вы можете

заполнять и оптимизировать интерполяционные таблицы для программного обеспечения ЭБУ с

использованием моделей Model Browser. Вы можете:

▪ Генерировать оптимальные калибровки непосредственно из эмпирических моделей двигателя

▪ Сравнивать калибровки с тестовыми данными

▪ Экспортировать калибровки в ETAS INCA и ATI Vision

Оптимизация эффективности двигателя

Инструмент CAGE позволяет вам генерировать оптимальные калибровки для интерполяционных

таблиц, управляющих функциями двигателя – таких, как угол опережения зажигания, впрыск топлива,

фазы газораспределения. Калибровка этих функций обычно является компромиссом между

производительностью двигателя, экономичностью, надежностью и выбросами. Вы можете:

▪ Искать компромиссы между различными целями разработки

▪ Осуществлять многоцелевые оптимизации

▪ Накладывать множественные ограничения

9

▪ Осуществлять оптимизации по типичным ездовым циклам

▪ Использовать встроенные или собственные функции оптимизации

▪ Манипулировать значениями таблиц при помощи собственных функций

Заполнение таблицы по модели отклика двигателя (слева) и просмотр оптимизированных настроек для алгоритмов

управления двигателем (справа).

Создание сглаженных калибровочных таблиц

Сложные задачи калибровки могут требовать различных методов оптимизации для различных областей таблицы.

Мастер заполнения таблиц позволяет вам инкрементально заполнять таблицы по результатам нескольких

оптимизаций, гладко интерполируя существующие значения в таблице. Инструмент CAGE экстраполирует

результаты оптимизации для гладкого распределения по таблице и заблокированным ячейкам (фиксированным

элементам таблицы). Используйте эти возможности, если требуется использовать результаты нескольких

оптимизаций для заполнения разных областей интерполяционной таблицы.

Инструмент CAGE также предоставляет градиентные ограничения для управления гладкостью таблицы при

заполнении таблицы.

Оптимизация двигателей во многих рабочих точках

Model-Based Calibration Toolbox позволяет вам производить оптимальные калибровки для двигателей со многими

рабочими точками. Вы можете использовать модели композитного типа, чтобы скомбинировать определенное

число моделей, которые представляют отклики двигателя в различных рабочих точках. Используя эту

композитную модель, инструмент CAGE производит оптимальные калибровки для двигателей во многих

рабочих точках, где цель может быть – заполнение одной таблицы для всех рабочих точек или заполнение

таблицы для каждой рабочей точки.

Калибровка функционала оценки параметров

Часто программное обеспечение ЭБУ включает возможности для оценки параметров, которые слишком сложно

или дорого измерять на серийном транспортном средстве – таких, как крутящий момент или температуры в

определенных точках. Используя инструмент CAGE, вы можете описать в графическом виде функции, которые

осуществляют оценку параметров, при помощи диаграмм Simulink, заполнить интерполяционные таблицы для

этих функций и затем сравнить работу этих функций с эмпирическими моделями двигателя, созданными на

основе данных, собранных с двигателя.

10

Осуществление симуляций в Simulink

Вы можете экспортировать статистические модели, разработанные в Model-Based Calibration Toolbox,

в Simulink или использовать их для полунатурного (hardware-in-the-loop, HIL) тестирования.

Моделирование объекта управления и оптимизация

Используя статистические модели, разработанные в этом расширении, вы можете отслеживать сложные

физические эффекты, возникающие при работе в реальных условиях - которые сложно смоделировать,

используя традиционное математическое или физическое моделирование. Например, вы можете

экспортировать модели крутящего момента, расхода топлива и выбросов (таких, как HC, CO, NOx и CO2)

в Simulink и осуществлять симуляции для улучшения экономии топлива, производительности, удобства

для водителя. Поскольку ключевые физические компоненты вашей модели образованы от данных,

снятых с двигателя, ваши модели показывают более точные результаты, чем детальные физические

теоретические модели, которые не отслеживают полностью физические эффекты реальной системы.

Вы можете также сократить время длительных или вычислительно-сложных симуляций путем создания

точной статистической суррогатной модели по данным, полученным с существующей детальной

высокоточной модели двигателя. Например, вы можете использовать это расширение для генерации

точных, быстрых моделей из сложных моделей Simulink или подсистем, представляющих интерес. Такая

статистическая суррогатная модель может заменить подсистемы в Simulink, которые слишком долго

симулируются, и ускорить время симуляции.

Полунатурное тестирование

Модели Model-Based Calibration Toolbox, которые экспортированы в Simulink, могут быть использованы

в симуляциях реального времени в связке с железом, чтобы обеспечить точную эмуляцию двигателя для

датчиков ЭБУ и исполнительных механизмов. Поскольку разработка моделей при помощи этого

расширения использует преимущества методологического процесса, вы можете устранить узкие места,

связанные с существующим процессом (скорее, искусством) создания модели объекта управления для

полунатурного тестирования, что приведет к более ранней валидации алгоритмов, закладываемых в

ЭБУ.

Ресурсы

Информация о продукте, примеры и системные требования

www.sl-matlab.ru/services/products/detail.php?ID=422&list=abc

www.mathworks.com/products/mbc/

Пробная версия

www.sl-matlab.ru/services/request_trial.php

Лицензирование и цены

www.sl-matlab.ru/services/request_price.php

Техническая поддержка

www.sl-matlab.ru/services/service/ssms.php

Сообщество пользователей

www.mathworks.com/matlabcentral

http://matlab.exponenta.ru/

Обучение

www.sl-matlab.ru/training/

Сторонние продукты и сервисы

www.sl-matlab.ru/services/products/ppartnership.php

Контакты

www.sl-matlab.ru/about/

Email: matlab@sl-matlab.ru Тел.: +7 (495) 232-00-23, доб. 0609

© 2012 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See www.mathworks.com/trademarks for a list of

additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 11