畢業(yè)設計譯文 混合動力系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　混合動力系統(tǒng)的設計</b></p><p>　　使用一個特定領域的建模環(huán)境</p><p>　　w . Gao1 Sandeep Neema2 Jeff Gray3 j . Picone1 Porandla1,s . Musunuri1 j . Mathews1</p><p>　　1當車輛系統(tǒng)中心。密西西比州,密

2、西西比州密西西比州立大學,39762</p><p>　　2軟件集成系統(tǒng)研究所,TN,37235年納什維爾范德比爾特大學</p><p>　　3部門。房價和信息?？茖W,是伯明翰,阿拉巴馬州伯明翰大學,35294</p><p><b>　　文摘</b></p><p>　　最先進的設計工具在汽車工程仍然缺乏電力、先進性和

3、自動化的設計工具用于電子行業(yè)。被廣泛接受的汽車動力系統(tǒng)設計工具,如舉行PSAT和顧問仍然依賴在手工操作的設計參數優(yōu)化。在本文中,我們提出一個新方法合并模型設計、知識工程和基于物理建模,實現(xiàn)大規(guī)模的設計優(yōu)化。我們的可擴展的領域特定的設計環(huán)境是快速吸收新知識的能力作為額外的設計變得可用。此外,可以使用它自動化設計知識的管理可定制的方式。引入一個設計過程,可以處理數以百萬計的約束在一個競爭的復雜性自動化的方式將允許汽車制造商減少設計時。<

4、;/p><p><b>　　1.介紹</b></p><p>　　從原型設計到最終產品制造、現(xiàn)代汽車系統(tǒng)正在經歷一個非凡的增長嵌入式軟件的部署,新混合動力傳動系統(tǒng)不同的配置,和其他相關的技術應用程序。計算能力和持續(xù)進步性能,必須對汽車軟件工程保持與創(chuàng)新的新技術和提高需要更好的設計工具。如今,汽車軟件工程被譽為一個駕駛新功能創(chuàng)新的力量,再加上便宜技術解決方案[1、2]。&l

5、t;/p><p>　　新設計的復雜性和嵌入式的依賴軟件被證明是一個引起關注的汽車制造商。這導致越來越困難預測各種車輛組件和之間的交互系統(tǒng)。有效的診斷也成為問題。作為一個例子,著名的在全球范圍內召回2002年春天的寶馬745 i是一個相關的軟件故障的直接結果與“iDrive”控制系統(tǒng),控制著超過700通過嵌入式軟件內置函數。這種“阿基里斯跟“綜合癥也經歷了在當代為汽車工程設計工具的對峙建模與仿真工具在電子行業(yè)表明,類似

6、的工具在汽車領域缺乏權力,先進性和自動化電子產品設計師[1]。先進的電子設計工具有驗證摩爾定律(應用的復雜性集成電路)和幫助達到驚人的水平在計算能力,同時降低成本。為汽車系統(tǒng)的設計者復制和管理類似水平的復雜性,設計工具,自動化的低階的細節(jié)設計過程需要開發(fā)[1]。</p><p>　　本文提出了一種新的設計方法合并的概念模型設計、基于物理建模、知識工程和大型設計</p><p>　　優(yōu)化。剩

7、下的紙是組織如下:第二節(jié)概述了設計的方法。第三節(jié)闡述了在特定領域的建模及其應用程序的方法。第四節(jié)適用于基于物理汽車工程設計建模技術。節(jié)5和第6節(jié)深入研究動力系統(tǒng)的細節(jié)設計優(yōu)化。最后,初步結果和結論分別給出了第七節(jié)和第六節(jié)。</p><p><b>　　2.體系結構概述</b></p><p>　　如圖1所示,一個特定于域的設計平臺提出了將基于物理建模,優(yōu)化功能,人類的

8、設計知識和設計數據庫。這個平臺可以應用于廣泛的汽車設計問題,可以結合寬各種各樣的行業(yè)標準工具。我們的關鍵目標之一參數化設計的專業(yè)經驗豐富的汽車工程師和嵌入這一循環(huán)內的知識</p><p>　　優(yōu)化的過程。動力系統(tǒng)試驗臺設計是我們的目標開發(fā)和完善這種方法。</p><p>　　圖1所示。設計框架。</p><p>　　我們的方法的關鍵因素是:</p>&

9、lt;p>　　?設計知識表示方法經驗通過特定領域的建模語言(DSML)和自動捕獲這些信息使用機器學習技術;</p><p>　　?知識最大化的優(yōu)化算法效率和燃油經濟性,減少排放,這是這些工具的驗收的關鍵嗎汽車設計社區(qū);</p><p>　　?基于物理建模技術,將使highfidelity仿真和設計。</p><p>　　我們預期設計的高度自動化本方法的實現(xiàn)將有

10、助于降低成本和設計時間。由于大量生產</p><p>　　汽車工業(yè),即使是小儲蓄每輛車翻譯成巨大的收入產業(yè)[3]。的方法還將推進基本了解專家設計師積累他們的經驗和設計決策。我們將能夠可擴展的設計環(huán)境隨著新設計迅速吸收更多的知識可用。此外,它可以用于自動化的管理設計知識和可以作為新的訓練工具工程師。</p><p>　　在下面幾節(jié)中我們簡要精心設計的關鍵技術組件。</p>&l

11、t;p><b>　　領域特定的建模環(huán)境</b></p><p>　　汽車行業(yè)是第一個采用基于模型的設計技術在廣泛的范圍內。基于模型的設計尋址系統(tǒng)復雜性和提供了一個良好的基礎其他問題,主要因為他們是基于的解決問題的算法模型和分離模型的組合性[1]。的類型的一個例子生產力,可以實現(xiàn)從建模、應用制造在汽車領域,提供[3]。</p><p>　　在傳統(tǒng)的模型驅動的分析和

12、設計技術開發(fā)(MDD)和描述系統(tǒng)的體系結構關系必須存在于軟件。此外,MDD還提供了建模能力的外部接口系統(tǒng)的環(huán)境。然而,在這樣的系統(tǒng)模型是松散耦合的實際的開發(fā)周期,從而嗎影響的功能,性能和可靠性系統(tǒng)。模型集成計算(麥克風)[4 - 6]是wellsuited的快速設計和實現(xiàn)方法系統(tǒng)的軟件、環(huán)境、和集成約束建模。由此產生的綜合,多視圖模型用于配置和生成和必要的軟件組件的實際系統(tǒng)捕獲相關的信息系統(tǒng)設計[7,8]。麥克風工具提供的功能模型的特點

13、任何領域,通過提供定制的建模環(huán)境通過元模型,描述了必要的實體,每個實體之間的聯(lián)系。元模型是規(guī)范的一個特定領域的建模環(huán)境(DSME)。DSME可以由領域專家使用在該域的構造表示系統(tǒng)。的模型通常是圖形和特定領域和存儲在一個模型數據庫。</p><p>　　通用建模環(huán)境沃豪分公司(加工工廠)旗艦的工具麥克風,如圖2所示,提供了一個解決方案</p><p>　　軟件工程的長期需求,特別是在汽車行業(yè)

14、,發(fā)展的建模環(huán)境,可以很容易地修改和擴展。GME meta-configurable工具用于創(chuàng)建和發(fā)展大型工程的特定領域,控制模型系統(tǒng)[8]。沃豪分公司的加工工廠是可配置的,使它的能力工作在不同領域根據麥克風的原則。</p><p>　　圖2.通用建模環(huán)境.</p><p>　　我們最初沃豪分公司工作采用加工工廠作為一個關鍵技術支持我們的視力改善的動力系統(tǒng)的設計。domainspecifi

15、c建模語言正在建設解決動力系統(tǒng)設計和集成所需的特殊功能與其他toolsuites,如優(yōu)化工具,基于物理建模技術和機器學習技術。</p><p>　　現(xiàn)代建模工具,沃豪分公司等加工工廠,特點是的更大的靈活性,以支持重用和靈活性在軟件建模的物理實體。在動力系統(tǒng)的設計中,沃豪分公司的加工工廠允許開采范圍的可能性提供的動力系統(tǒng)的雜交,不像大多數模擬方案,都是基于固定動力系統(tǒng)布局。這形式的關鍵我們</p>&

16、lt;p>　　試圖開發(fā)一套健壯,multi-configurable工具的“智能動力系統(tǒng)設計”混合動力汽車。</p><p>　　圖3.通用汽車歐洲公司(GME電子節(jié)氣門控制器建模.</p><p>　　此外,嵌入式控制器的軟件也可以通用汽車歐洲公司(GME建模。圖3顯示了建模的電子節(jié)氣門控制器沃豪分公司(等)軟件的加工工廠,給一個明確的指引,沃豪分公司的能力加工工廠,</p&

17、gt;<p>　　是模型中使用的應用程序模型以及軟件嗎特定的模型.以下部分概述動力系統(tǒng)的關鍵特征</p><p>　　設計,可以通過一個可配置的集成建模沃豪分公司工具的加工工廠.</p><p><b>　　基于物理建模</b></p><p>　　現(xiàn)有的動力系統(tǒng)設計工具[19]是基于經驗的模型,如查找表,采用理想化的假設和有限的

18、實驗數據。這些工具的準確性不夠車輛操作在極端條件。另一方面,設計可能導致組件或系統(tǒng)以外的物理限制。使優(yōu)化設計有效,模型必須緊密聯(lián)系通過一個鏈接如lumped-coefficient底層物理微分方程或一些數字計算機模型。才可以保證physicallyrealizable模型的子集將被搜查,現(xiàn)實世界一個有意義的最佳約束將指導設計。在基于物理建模、組件的狀態(tài)變量子系統(tǒng)建模根據物理定律代表潛在的原則。該系統(tǒng)是一個函數的設備參數、物理常數和變量。

19、這樣的模型可以促進高保真模擬,因為他們可以從宏觀尺度的納米級模型行為系統(tǒng)級。</p><p>　　在我們的研究中,兩個基于物理建模技術——電阻同伴(RC)[21]建模和鍵合圖(BG)[22]建?！剿?。RC方法源于電氣工程,BG方法源于機械工程。這兩種方法都適用于多學科建模應用程序。</p><p>　　RC方法已經成功地應用在許多電子設計工具,如香料和行業(yè)標準軍刀。最近,它也被應用在虛

20、擬試驗床[21],它被公認為領先的軟件大規(guī)模的原型,multi-technical動態(tài)系統(tǒng),如發(fā)現(xiàn)電動船。使用電阻同伴形式(RCF)建模技術[21],我們可以獲得高保真基于物理模型的每個組件模塊化的格式。這些模型可以無縫集成建立系統(tǒng)仿真模型適用于設計。就像一個物理設備被連接到其他設備,形成一個系統(tǒng),該設備可以建模為一個塊的數量通過它可以關聯(lián)到其他終端</p><p>　　組件模型,如圖4所示。</p>

21、<p>　　基于物理電阻同伴Formmodeling技術</p><p>　　另一方面,在鍵合圖建模中,一個物理系統(tǒng)由一組交互的組件通過能量互相港口[22]。這是一個強大的工具工程系統(tǒng)建模,特別是當不同物理領域。的物理結構信息是守恒的。BG使用類似的力量和能量變量在所有領域,但允許的特殊功能單獨的字段。唯一的物理變量代表所有所需能量系統(tǒng)功率變量(努力(e)和流(f))和能量變量(p(t)和勢頭位移q

22、(t))。有幾個BG-based商業(yè)軟件包的動態(tài)建模與仿真系統(tǒng)(如。,CAMP-G[23]和20-Sim[24])。BG方法也被應用于混合動力汽車動力系統(tǒng)的建模[25]。</p><p><b>　　動力系統(tǒng)設計</b></p><p>　　混合動力系統(tǒng)的設計取決于任務和車輛及其應用程序的性能需求。為混合動力系統(tǒng)設計的靈活性需要評估大量的選項和復雜的非線性的存在在各種

23、組件。設計師很難達到各種設計標準(如之間的最佳折衷。、大小、效率、成本、重量和體積)使用手動工具。目前動力系統(tǒng)設計工具不適合這樣的最優(yōu)設計和便利的專家知識的重用。這些因素,隨著大型設計空間,需要使用新的自動搜索技術實現(xiàn)接近最優(yōu)設計。為應對這些挑戰(zhàn)在動力系統(tǒng)設計中,領域知識從有經驗的設計師與標準優(yōu)化技術集成成為一個可擴展的計算機輔助設計平臺。</p><p>　　這種大規(guī)模的組合優(yōu)化和設計知識工程將導致一個獨特的強

24、大混合動力電動汽車的智能設計軟件包動力系統(tǒng)。的直接利益的改善設計的成本和性能的降低設計的迭代的數量。期望的目標可以實現(xiàn)采用的知識表示方法使用DSME和自動捕獲的設計經驗使用機器學習技術知識。這可以通過采取以知識為基礎的優(yōu)化最大化效率和燃油經濟性,通過使用physicsbased啟用高保真模擬建模技術和設計。</p><p>　　定義設計方法是物理的關鍵領域設計、仿真/驗證、合成和測試。的主要自動化工程設計的成功的

25、原因是可以建立更高級別的抽象,這樣所有的可以屏蔽設備級別和流程級細節(jié)更高級的設計。電子設計自動化(EDA)在模擬和數字電路的設計是一個這種設計方法的例子。的成就EDA開發(fā)設計工具可以作為模型基于模擬的復雜工程系統(tǒng)像汽車動力系統(tǒng)。然而,與數字設計,模擬電路設計更少的系統(tǒng),更多的啟發(fā)式和知識密集型的大自然。這使得動力系統(tǒng)設計困難的時候而數字電路設計。</p><p><b>　　優(yōu)化設計</b>

26、</p><p>　　優(yōu)化在汽車領域得到關注設計(9、10)。很多配置的可用性,控制策略和設計變量需要使用</p><p>　　數學建模和優(yōu)化設計來找到最好的總體設計。因此,優(yōu)化過程成為一個大規(guī)模的目標序列(如問題。,最大的燃料經濟、最低排放最低成本)。有兩個類型的優(yōu)化方法,可應用于汽車設計:equation-based和仿真。雖然古典數值優(yōu)化技術可以使用,統(tǒng)計方法(如。、模擬退火和遺傳算

27、法)似乎更有效地避免局部極值的搜索空間。另一方面,基于仿真的優(yōu)化最近由改進的實用計算能力和先進的數值算法。</p><p>　　具體來說,優(yōu)化技術已經應用于設計的電力轉換器,功能至關重要組件的混合動力系統(tǒng)。各種優(yōu)化工具已經開發(fā)滿足特定的需求。為例子,一個優(yōu)化設計工具,最大限度地減少材料成本提高轉換器開發(fā)基于遺傳算法[11]。這個工具考慮設計規(guī)范、物理限制,和操作的安全性設備。另一個基于CAD用于優(yōu)化工具設計汽車直

28、流/直流轉換器[12]。在這個工具目標函數的加權和組件的體積,重量和成本。蒙特卡洛的搜索方法和專家系統(tǒng)用于組件的選擇過程。一個大量的迭代優(yōu)化前是必要的設計是達到了。不幸的是,這個工具非常耗時,也不能保證一個最佳的解決方案會被發(fā)現(xiàn)。</p><p>　　非線性優(yōu)化理論也被應用到電源轉換器的設計。一個專家系統(tǒng)的設計知識庫和自動計算機輔助優(yōu)化實現(xiàn)了在CAD-Tool切換的設計嗎模式電源[13]。專家系統(tǒng)外殼剪輯使用。知

29、識庫用于選擇最好的電源根據給定的拓撲結構設計規(guī)范。subknowledge基地用于基于目標選擇組件體積、成本和效率的設計。知識庫還可以幫助選擇適當的控制方案。此外,一個優(yōu)化函數可用于磁組件的設計。</p><p>　　基于優(yōu)化算法的分類(梯度和non-gradient / derivative-free)用于混合動力傳動系統(tǒng)[14]中給出了設計環(huán)境?；诘奶荻人惴?如。,序貫二次規(guī)劃[15])對光滑、連續(xù)函數,但

30、是經常失敗</p><p>　　嘈雜的,不連續(xù)的函數,因為錯誤計算梯度。(如Derivative-free算法。,直接[16]和復雜[17])可以用來避免梯度計算問題。直接(分割矩形)是一個旨在積極搜索優(yōu)化算法真正的價值目標函數的全局最小點boundconstrained域使用沒有導數信息[18]。許多工具箱使用上述應用例程分析了混合動力電動汽車優(yōu)化過程[19]。</p><p>　　算法

31、基于Expectation-Maximization算法開發(fā)和[20]所示,可以顯著與其他算法相比提高了收斂標準。</p><p>　　根據我們的初步調查,直接和期望最大化算法是用于我們的動力系統(tǒng)設計工具,因為這些算法中促進知識搜索和基于仿真的優(yōu)化。</p><p><b>　　初步結果</b></p><p>　　通用汽車歐洲公司(GME元建

32、模環(huán)境中創(chuàng)建混合動力系統(tǒng)的配置設計。這種環(huán)境下允許將領域專家的知識和自動檢查的設計約束。一系列平行,混合動力系統(tǒng)建模應用實例,如圖5和圖6所示。注意,這個元建模環(huán)境允許創(chuàng)新動力系統(tǒng)配置設計。</p><p>　　圖5.通用汽車歐洲公司(GME并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的設計.</p><p>　　圖6.通用汽車歐洲公司(GME系列混合動力系統(tǒng)的設計.</p><p>　　通用

33、汽車歐洲公司(GME鍵合圖元建模環(huán)境中也創(chuàng)建和使用BG直流電機建模作為一個應用程序例如,如圖7所示。</p><p>　　在我們正在進行的努力,一個新的元建模環(huán)境集動力系統(tǒng)配置、鍵合圖建模結合優(yōu)化算法將被創(chuàng)建。這特定領域的建模環(huán)境將用于混合動力車動力系統(tǒng)設計與分析。</p><p>　　圖7.使用通用汽車歐洲公司(GME BG直流電機建模 </p><p><

34、;b>　　結論和討論</b></p><p>　　本文解決了當代汽車面臨的問題工程設計工具。提出了一種新的方法設計自動化通過集成基于模型設計、physicsbased建模、知識工程和大型優(yōu)化設計在一個特定領域的建模環(huán)境。</p><p>　　這樣的設計工具有可能帶來顯著的成本儲蓄,性能增強,減少設計時間混合動力系統(tǒng)。</p><p><b&g

35、t;　　引用</b></p><p>　　[1]彼得Struss和克里斯的價格,“基于模型的系統(tǒng)汽車行業(yè),“人工智能雜志,2004年冬天,24(4),17 -頁34。</p><p>　　[2]曼弗雷德布羅伊“挑戰(zhàn)在汽車軟件工程:從需求到解決方案,”EmSys暑期學校,薩爾斯堡,</p><p>　　奧地利,2003年7月,http://www.soft

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