1、长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 1 页装订线混合动力系统的设计使用一个特定领域的建模环境w . Gao1 Sandeep Neema2 Jeff Gray3 j . Picone1 Porandla1,s . Musunuri1 j . Mathews11 当车辆系统中心。密西西比州,密西西比州密西西比州立大学 ,397622 软件集成系统研究所,TN,37235 年纳什维尔范德比尔特大学3 部门。房价和信息。科学, 是伯明翰, 阿拉巴马州伯明翰大学,35294文摘最先进的设计工具在汽车工程仍然缺乏电力、先进性和自动化的设计工具用于电子行业。被广泛接受的汽车动力系统设计工
2、具,如举行 PSAT 和顾问仍然依赖在手工操作的设计参数优化。在本文中,我们提出一个新方法合并模型设计、知识工程和基于物理建模, 实现大规模的设计优化。我们的可扩展的领域特定的设计环境是快速吸收新知识的能力作为额外的设计变得可用。此外,可以使用它自动化设计知识的管理可定制的方式。引入一个设计过程,可以处理数以百万计的约束在一个竞争的复杂性自动化的方式将允许汽车制造商减少设计时。1.介绍从原型设计到最终产品制造、现代汽车系统正在经历一个非凡的增长嵌入式软件的部署,新混合动力传动系统不同的配置,和其他相关的技术应用程序。计算能力和持续进步性能, 必须对汽车软件工程保持与创新的新技术和提高需要更好的
3、设计工具。如今,汽车软件工程被誉为一个驾驶新功能创新的力量,再加上便宜技术解决方案 1、2。新设计的复杂性和嵌入式的依赖软件被证明是一个引起关注的汽车制造商。这导致越来越困难预测各种车辆组件和之间的交互系统。有效的诊断也成为问题。作为一个例子,著名的在全球范围内召回 2002 年春天的宝马 745 i 是一个相关的软件故障的直接结果与“iDrive” 控制系统, 控制着超过 700 通过嵌入式软件内置函数。这种“ 阿基里斯跟“综合症也经历了在当代为汽车工程设计工具的对峙建模与仿真工具在电子行业表明,类似的工具在汽车领域缺乏权力, 先进性和自动化电子产品设计师1 。先进的电子设计工具有验证摩尔定
4、律( 应用的复杂性集成电路)和帮助达到惊人的水平在计算能力,同时降低成本。为汽车系统的设计者复制和管理类似水平的复杂性, 设计工具,自动化的低阶的细节设计过程需要开发 1。本文提出了一种新的设计方法合并的概念模型设计、基于物理建模、知识工程和大型设计优化。剩下的纸是组织如下:第二节概述了设计的方法。第三节阐述了在特定领域的建模及其应用程序的方法。第四节适用于基于物理汽车工程设计建模技术。节 5 和第 6 节深入研究动力系统的细节设计优化。最后,初步结果和结论分别给出了第七节和第六节。2.体系结构概述如图 1 所示,一个特定于域的设计平台提出了将基于物理建模, 优化功能,人类的设计知识和设计数据
5、库。这个平台可以应用于广泛的汽车设计问题,可以结合宽各种各样的行业标准工具。我们的关键目标之一参数化设计的专业经验丰富的汽车工程师和嵌入这一循环内的知识优化的过程。动力系统试验台设计是我们的目标开发和完善这种方法。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 2 页装订线图 1 所示。设计框架。我们的方法的关键因素是:设计知识表示方法经验通过特定领域的建模语言(DSML)和自动捕获这些信息使用机器学习技术;知识最大化的优化算法效率和燃油经济性, 减少排放,这是这些工具的验收的关键吗汽车设计社区;基于物理建模技术,将使 highfidelity 仿真和设计。我们预期设计的高度自动化本方法
6、的实现将有助于降低成本和设计时间。由于大量生产汽车工业,即使是小储蓄每辆车翻译成巨大的收入产业 3。的方法还将推进基本了解专家设计师积累他们的经验和设计决策。我们将能够可扩展的设计环境随着新设计迅速吸收更多的知识可用。此外,它可以用于自动化的管理设计知识和可以作为新的训练工具工程师。在下面几节中我们简要精心设计的关键技术组件。3.领域特定的建模环境汽车行业是第一个采用基于模型的设计技术在广泛的范围内。基于模型的设计寻址系统复杂性和提供了一个良好的基础其他问题,主要因为他们是基于的解决问题的算法模型和分离模型的组合性1。的类型的一个例子生产力,可以实现从建模、应用制造在汽车领域,提供3。在传统的
7、模型驱动的分析和设计技术开发(MDD)和描述系统的体系结构关系必须存在于软件。此外,MDD 还提供了建模能力的外部接口系统的环境。然而,在这样的系统模型是松散耦合的实际的开发周期,从而吗影响的功能 ,性能和可靠性系统。模型集成计算 (麦克风)4 - 6是 wellsuited的快速设计和实现方法系统的软件、环境、和集成约束建模。由此产生的综合,多视图模型用于配置和生成和必要的软件组件的实际系统捕获相关的信息系统设计7,8。麦克风工具提供的功能模型的特点任何领域,通过提供定制的建模环境通过元模型, 描述了必要的实体,每个实体之间的联系。元模型是规范的一个特定领域的建模环境(DSME)。DSME
8、可以由领域专家使用在该域的构造表示系统。的模型通常是图形和特定领域和存储在一个模型数据库。通用建模环境沃豪分公司(加工工厂) 旗舰的工具麦克风 ,如图 2 所示,提供了一个解决方案长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 3 页装订线软件工程的长期需求,特别是在汽车行业 ,发展的建模环境 ,可以很容易地修改和扩展。GME meta-configurable 工具用于创建和发展大型工程的特定领域, 控制模型系统8 。沃豪分公司的加工工厂是可配置的,使它的能力工作在不同领域根据麦克风的原则。图 2.通用建模环境.我们最初沃豪分公司工作采用加工工厂作为一个关键技术支持我们的视力改善的动力
9、系统的设计。domainspecific 建模语言正在建设解决动力系统设计和集成所需的特殊功能与其他toolsuites,如优化工具,基于物理建模技术和机器学习技术。现代建模工具,沃豪分公司等加工工厂 ,特点是的更大的灵活性 ,以支持重用和灵活性在软件建模的物理实体。在动力系统的设计中,沃豪分公司的加工工厂允许开采范围的可能性提供的动力系统的杂交,不像大多数模拟方案 ,都是基于固定动力系统布局。这形式的关键我们长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 4 页装订线试图开发一套健壮,multi-configurable 工具的“智能动力系统设计” 混合动力汽车。图 3.通用汽车欧洲公
10、司(GME 电子节气门控制器建模.此外,嵌入式控制器的软件也可以通用汽车欧洲公司 (GME 建模。图 3 显示了建模的电子节气门控制器沃豪分公司(等)软件的加工工厂, 给一个明确的指引,沃豪分公司的能力加工工厂,是模型中使用的应用程序模型以及软件吗特定的模型.以下部分概述动力系统的关键特征设计,可以通过一个可配置的集成建模沃豪分公司工具的加工工厂.4.基于物理建模现有的动力系统设计工具19是基于经验的模型, 如查找表,采用理想化的假设和有限的实验数据。这些工具的准确性不够车辆操作在极端条件。另一方面,设计可能导致组件或系统以外的物理限制。使优化设计有效,模型必须紧密联系通过一个链接如 lump
11、ed-coefficient 底层物理微分方程或一些数字计算机模型。才可以保证 physicallyrealizable 模型的子集将被搜查, 现实世界一个有意义的最佳约束将指导设计。在基于物理建模、组件的状态变量子系统建模根据物理定律代表潜在的原则。该系统是一个函数的设备参数、物理常数和变量。这样的模型可以促进高保真模拟,因为他们可以从宏观尺度的纳米级模型行为系统级。在我们的研究中,两个基于物理建模技术 电阻同伴(RC)21 建模和键合图(BG)22建模 探索。RC 方法源于电气工程,BG 方法源于机械工程。这两种方法都适用于多学科建模应用程序。RC 方法已经成功地应用在许多电子设计工具,
12、如香料和行业标准军刀。最近,它也被应用在虚拟试验床21,它被公认为领先的软件大规模的原型,multi-technical 动态系统, 如发现电动船。使用电阻同伴形式(RCF)建模技术21,我们可以获得高保真基于物理模型的每个组件模块化的格式。这些模型可以无缝集成建立系统仿真模型适用于设计。就像一个物理设备被连接到其他设备,形成一个系统,该设备可以建模为一个块的数量通过它可以关联到其他终端组件模型,如图 4 所示。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 5 页装订线4.基于物理电阻同伴 Formmodeling 技术另一方面,在键合图建模中 ,一个物理系统由一组交互的组件通过能量互
13、相港口 22。这是一个强大的工具工程系统建模,特别是当不同物理领域。的物理结构信息是守恒的。BG 使用类似的力量和能量变量在所有领域,但允许的特殊功能单独的字段。唯一的物理变量代表所有所需能量系统功率变量(努力(e)和流(f)和能量变量(p(t)和势头位移 q(t)。有几个 BG-based 商业软件包的动态建模与仿真系统(如。,CAMP-G23 和 20-Sim24)。 BG 方法也被应用于混合动力汽车动力系统的建模25。5.动力系统设计混合动力系统的设计取决于任务和车辆及其应用程序的性能需求。为混合动力系统设计的灵活性需要评估大量的选项和复杂的非线性的存在在各种组件。设计师很难达到各种设计
14、标准(如之间的最佳折衷。、大小、效率、成本、重量和体积)使用手动工具。目前动力系统设计工具不适合这样的最优设计和便利的专家知识的重用。这些因素,随着大型设计空间, 需要使用新的自动搜索技术实现接近最优设计。为应对这些挑战在动力系统设计中,领域知识从有经验的设计师与标准优化技术集成成为一个可扩展的计算机辅助设计平台。这种大规模的组合优化和设计知识工程将导致一个独特的强大混合动力电动汽车的智能设计软件包动力系统。的直接利益的改善设计的成本和性能的降低设计的迭代的数量。期望的目标可以实现采用的知识表示方法使用 DSME 和自动捕获的设计经验使用机器学习技术知识。这可以通过采取以知识为基础的优化最大化
15、效率和燃油经济性,通过使用 physicsbased 启用高保真模拟建模技术和设计。定义设计方法是物理的关键领域设计、仿真/验证、合成和测试。的主要自动化工程设计的成功的原因是可以建立更高级别的抽象,这样所有的可以屏蔽设备级别和流程级细节更高级的设计。电子设计自动化(EDA)在模拟和数字电路的设计是一个这种设计方法的例子。的成就 EDA 开发设计工具可以作为模型基于模拟的复杂工程系统像汽车动力系统。然而,与数字设计, 模拟电路设计更少的系统,更多的启发式和知识密集型的大自然。这使得动力系统设计困难的时候而数字电路设计。6.优化设计优化在汽车领域得到关注设计(9、10)。很多配置的可用性,控制策
16、略和设计变量需要使用数学建模和优化设计来找到最好的总体设计。因此,优化过程成为一个大规模的目标序列(如问题。,最大的燃料经济、最低排放最低成本)。有两个类型的优化方法,可应用于汽车设计:equation-based 和仿真。虽然古典数值优化技术可以使用, 统计方法(如。、模拟退火和遗传算法)似乎更有效地避免局部极值的搜索空间。另一方面,基于仿真的优化最近由改进的实用计算能力和先进的数值算法。具体来说,优化技术已经应用于设计的电力转换器 ,功能至关重要组件的混合动力系统。各种优化工具已经开发满足特定的需求。为例子,一个优化设计工具, 最大限度地减少材料成本提高转换器开发基于遗传算法11。这个工具
17、考虑设计规范、物理限制,和操作的安全性设备。另一个基长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 6 页装订线于 CAD 用于优化工具设计汽车直流/ 直流转换器12。在这个工具目标函数的加权和组件的体积,重量和成本。蒙特卡洛的搜索方法和专家系统用于组件的选择过程。一个大量的迭代优化前是必要的设计是达到了。不幸的是,这个工具非常耗时, 也不能保证一个最佳的解决方案会被发现。非线性优化理论也被应用到电源转换器的设计。一个专家系统的设计知识库和自动计算机辅助优化实现了在 CAD-Tool 切换的设计吗模式电源13 。专家系统外壳剪辑使用。知识库用于选择最好的电源根据给定的拓扑结构设计规范。s
18、ubknowledge 基地用于基于目标选择组件体积、成本和效率的设计。知识库还可以帮助选择适当的控制方案。此外,一个优化函数可用于磁组件的设计。基于优化算法的分类(梯度和 non-gradient / derivative-free)用于混合动力传动系统14中给出了设计环境。基于的梯度算法(如。,序贯二次规划15)对光滑、连续函数,但是经常失败嘈杂的,不连续的函数,因为错误计算梯度。(如 Derivative-free 算法。, 直接16 和复杂17)可以用来避免梯度计算问题。直接(分割矩形) 是一个旨在积极搜索优化算法真正的价值目标函数的全局最小点 boundconstrained 域使用
19、没有导数信息18。许多工具箱使用上述应用例程分析了混合动力电动汽车优化过程19。算法基于 Expectation-Maximization 算法开发和20所示,可以显著与其他算法相比提高了收敛标准。根据我们的初步调查,直接和期望最大化算法是用于我们的动力系统设计工具, 因为这些算法中促进知识搜索和基于仿真的优化。7.初步结果通用汽车欧洲公司(GME 元建模环境中创建混合动力系统的配置设计。这种环境下允许将领域专家的知识和自动检查的设计约束。一系列平行,混合动力系统建模应用实例, 如图 5 和图 6 所示。注意,这个元建模环境允许创新动力系统配置设计。图 5.通用汽车欧洲公司(GME 并联混合动
20、力系统的设计.长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 7 页装订线图 6.通用汽车欧洲公司(GME 系列混合动力系统的设计.通用汽车欧洲公司(GME 键合图元建模环境中也创建和使用 BG 直流电机建模作为一个应用程序例如,如图 7 所示。在我们正在进行的努力,一个新的元建模环境集动力系统配置、键合图建模结合优化算法将被创建。这特定领域的建模环境将用于混合动力车动力系统设计与分析。图 7.使用通用汽车欧洲公司(GME BG 直流电机建模 8.结论和讨论长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 9 页 第 8 页装订线本文解决了当代汽车面临的问题工程设计工具。提出了一种新的方法设计自
21、动化通过集成基于模型设计、physicsbased 建模、知识工程和大型优化设计在一个特定领域的建模环境。这样的设计工具有可能带来显著的成本储蓄,性能增强, 减少设计时间混合动力系统。9.引用1彼得 Struss 和克里斯的价格,“基于模型的系统汽车行业,“人工智能杂志,2004 年冬天,24(4),17 -页 34。2曼弗雷德布罗伊 “挑战在汽车软件工程 :从需求到解决方案,”EmSys 暑期学校,萨尔斯堡,奥地利,2003 年 7 月,http:/ pdf3伯爵,阿米特 Misra,Janos Sztipanovits,”增加生产力在土星,”IEEE 计算机,1998 年 8 月,35-4
22、3页。4伽柏 Karsai,米 Maroti,阿尔卑斯山脉 Ledeczi,杰夫 格雷和 JanosSztipanovits”,在建模和元建模组成和克隆”,IEEE 控制系统技术(以多维计算机自动建模特刊)12 卷,没有。2、2004 年 3 月,页 263 - 278。5Janos Sztipanovits”,生成编程为嵌入式主题演讲:生成编程和系统。2487 年LNCS 组件工程(GPCE),匹兹堡,宾夕法尼亚州,2002 年 10 月,32-49 页。6Janos Sztipanovits 和伽伯 Karsai Model-integrated 计算 ”,IEEE 计算机,30(4),1
23、997 年 4 月,第 110 - 111 页。7阿尔卑斯山脉 Ledeczi,亚珥拔 Bakay,米 Maroti,彼得 Volgyesi,格雷格 Nordstrom Jonathan 洒,伽伯 Karsai”组成特定领域的设计环境中,“IEEE 计算机,2001 年 11 月,44-51 页。8Sandeep Neema,Ted Bapty 杰夫格雷Gokhale 格和“发电机合成 QoS 适应分布式实时嵌入式系统”生成编程和 2487 年 LNCS 组件工程(GPCE),匹兹堡,宾夕法尼亚州,2002 年 10 月,页 236 - 251。蒂莫西莫尔9“戊肝病毒控制策略:的影响性能标准、
24、系统配置和设计组件的选择、“Proc.美国控制会议 ,1 卷,4 - 6 1997 年 6 月 ,第 679 - 683 页。10漆布 Guzzella,阿洛伊斯 Amstutz“准静态的 CAE 工具混合动力系统建模与优化”,IEEE 反式。阿明费。技术,48 卷,没有。6 日,1999 年 11 月,页 1762 - 176911塞尔吉奥Busquets-Monge 格兰特 Soremekun,埃里克 赫兹,克利斯朵夫 Crebier,斯科特拉根、独山 Boroyevich Zafer Gordal,米歇尔 Arpilliere,道格拉斯林德纳”电源转换器的设计优化”,IEEE 工业应用杂
25、志 10 卷, 没有。1、32-39 页。2004 年 1 月。Timothy Neugebauer12大卫 Perreault”,计算机辅助汽车应用,优化直流/ 直流转换器”IEEE 反式。在电力电子,卷。18 日,没有。2003 年 5 月 3 日,页 775 - 78313n . Froehleke d . Hahm h . Mundinger h . Njiende p . Wallmeier 和 h 前脚,“CAE-Tool 优化发展开关电源、“Proc IEEE 电力应用。电子会议和博览会,卷 2,4 - 8 2001 年 3 月,752 - 752 页。14r费里尼 n . Mi
26、chelena P。Papalambros,m . Sasena”最优汽车混合动力系统的设计系统”程序 Symp EcoDesign 99 -第一个 Int。在环保意识吉川设计和逆制造业 (h . et al .,eds。),日本东京,1999 年 2 月,页 400 - 405。(15)k . Schittkowski”NLQPL:FORTRAN-Subroutine 解决约束非线性规划问题 ,”上运筹学,5 卷,485 - 500 年,485 页。16这 Bjorkman,肯尼思Holmstrom“全局优化使用 Matlab 中的直接算法”,先进的建模和长 春 大 学 毕业设计（论文）译文
27、纸共 9 页 第 9 页装订线优化,1 卷,没有。 2、1999。17m . j .盒子”,约束优化的新方法与其他方法比较,”帝国化学工业公司有限,中央仪器研究实验室 ,Bozedown 房子,惠特山, 天然橡胶,读博克斯,1965 年。18史蒂文考克斯拉斐尔 Haftka,查克 贝克伯纳德格罗斯曼威廉梅森和莱恩华生,”全球的比较为高速民用的设计优化方法运输、“全局优化学报,21(4),2001 年,页 415 -433 年。19t .马克尔布鲁克,t亨德瑞诉约翰逊 ,k .凯利,B。克莱默,m奥基夫 Sprik 和 k . Wipke”顾问:先进的车辆建模系统分析工具,”杂志电源,110(2
28、),2002 年 8 月,第 255 - 266 页。20Ruslan Salakhutdinov,Sam Roweis Zoubin Ghahramani,与 EM 和 Expectation-Conjugate-Method 优化”机器学习国际会议,华盛顿,2003 年 8 月, 第 672 - 679 页。21w 高,e . Solodovnik 和 r . Dougal Symbolically-aided 模型开发的感应机虚拟测试床,“IEEE交易在能量转换,19 卷,没有。3 月 1 日,2004 年。22d . Karnopp dl马戈利斯和 rc罗森博格”系统动态:机械电子系统的建模与仿真”,约翰威利& Sons,2000。23http:/ . Filippa c . Mi 和 j .沈”建模的混合动力汽车动力总成测试细胞通过债券的图表,“IEEE 交易车辆技术、卷。54 岁。3、2005 年 5 月
