CN112800534B - 一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法，旨在解决现有基于Simulink的新能源车辆图形化建模时经常需要花费很长时间在模块之间低效率的连线与布局的缺点。根据用户规定的物理模型之间连接情况和已有车辆部件模型，在Simulink平台下将这些模型自动化布局和连接，能够快速搭建出新能源车辆模型。该自动化建模方法不仅能够达到专门的新能源车辆商业建模软件易用的特点，而且还能使得建模人员直接能够参与到车辆部件模型的搭建。为新能源车辆模型自动化仿真软件提供了自动化建模的设计思路。

Description

一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法
技术领域
本发明涉及新能源车辆虚拟仿真建模技术领域，尤其涉及一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法。
背景技术
基于物理模型的图形化建模技术在工程技术领域广泛应用，工程人员可以利用图形化建模软件针对所研究的物理对象在计算机上快速完成虚拟仿真建模与机理分析。Simulink作为建模与控制系统分析设计最常用的软件，经常用于新能源车辆的虚拟仿真验证。新能源车辆是复杂的机电液多场耦合系统且各部件之间灵活组合，导致新能源车辆构型众多。因此在对新能源车辆建模时涉及到很多不同车辆模型部件之间的信号连接，在基于Simulink对新能源车辆图形化建模时经常需要花费很长时间在模块之间低效率的连线与布局，而真正反映实际物理部件之间连接情况的建模操作花费的时间却很少。如果在车辆部件实际物理连接规则基础上，控制新能源车辆部件模型自动化连接，完成新能源车辆模型的自动化建模，将会加快在Simulink平台下的新能源车辆模型建模过程。由于该自动化过程基于用户已有的Simulink车辆部件模型，使用者能够参与到底层的模型搭建，解决了商业新能源车辆仿真软件对用户模型封闭不可见的特点，较好的解决了用户自定义建模需求和自动化建模规则之间的矛盾。
现有新能源车辆商业仿真软件的建模流程大致相同：工程人员将封装好的物理模型拖拽到图形化界面上，并根据部件的物理接口特性将这些模型连接在一起，完成所研究车辆对象的建模。由于商业软件的保密性和自动化规则，使得这些自动化建模流程对用户不可见，导致用户很难参与到新能源车辆部件的自定义建模。且目前还未有已公开的新能源车辆模型自动化搭建方法。
综上所述，为了解决在Simulink平台下连线和布局效率低的缺点，打破商业新能源车辆建模软件中部件模型封闭的特点，有必要提供这样一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法来弥补现有技术的不足。
发明内容
本发明提出一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法。该自动化建模方法根据用户规定的物理模型之间连接情况和已有车辆部件模型，在Simulink平台下，能够将这些模型自动化布局和连接，搭建出具有机电液多场耦合的复杂新能源车辆模型。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法，包括以下步骤：
步骤一、基于用户搭建的车辆部件模型，将车辆部件模型封装为独立子系统模块，并将每个车辆部件模型保存为单独的模型文件；对于每一个车辆部件模型，利用脚本控制Simulink提取模型输入输出接口的特征；所述的特征包括接口方向、接口序号、接口类型、接口名称，并将每个车辆部件模型的接口特征分别记录在每个车辆部件模型的XML文件中，供给后续步骤自动化建模程序读取；所述的接口类型划分为三种类型，分别信号连接、势信号连接、流信号连接；所述的接口方向包括输入和输出；所述的接口序号为每个接口在车辆部件模型中的序号值；所述的接口名称为每个接口在车辆部件模型中的命名。
步骤二、对比不同车辆部件模型的XML，根据任意两个接口的接口方向和接口名称特征判断不同模型之间的接口连接关系，当两个接口类型和所属的车辆部件模型不相同，但接口名称相同时，则判定这两个接口为一对连接关系；以此类推判断所有接口的连接关系并记录；
步骤三、对于每个车辆部件模型，在模型文件中添加信号汇总输出模块，信号汇总输出模块的输入为车辆部件模型的所有输出信号，信号汇总输出模块的输出为部件信号总线；根据步骤二中判定不同模型之间的所有连接关系，获取该车辆部件模型被其他车辆部件模型作为输入的所有输出信号，并将这些输出信号汇总，作为该车辆部件模型的信号汇总输出模块的部件信号总线；
步骤四、新建整车模型文件，将所有的车辆部件模型、信号汇总输出模块添加到整车模型中，并在车辆模型中将所有车辆部件模型的信号汇总输出模块输出的部件信号总线汇集，形成整车系统信号总线；
步骤五、对于每个车辆部件模型，在模型文件中添加信号选择输入模块，信号选择子系统模块的输入为部件信号总线，信号选择子系统模块的输出为车辆部件模型的输入信号；然后将信号选择子系统模块的输出与车辆部件模型的输入连接；根据步骤二中判定不同模型之间的所有连接关系，在信号选择子系统模块中，将整车系统信号总线中抽取车辆部件模型的输入接口信号，作为每个车辆部件模型的输入信号；
步骤六、根据新能源车辆构型中部件的机械和电连接规则，对于两个相互连接的车辆部件模型，根据传动系统能量传递方向，将车辆部件模型的输出势信号连接与相对该车辆部件模型正向能量传递方向相连的车辆部件模型输入势信号，然后将车辆部件模型的输出流信号反向连接到与该车辆部件模型连接的车辆部件模型输入流信号；以此类推将所有的车辆部件模型势信号和流信号相连接；对于某个车辆部件模型，当车辆部件模型的输入势信号来自多个其他车辆部件模型的输出势信号时，将所有的输入势信号相加后输入到该车辆部件模型中；模型之间的流信号处理方式与势信号处理方式一致。
步骤七、采用网格化的布局方式对整车模型中的各个车辆部件模型的位置设置，所述的网格化的布局方式根据车辆部件模型所在行和列的位置，以及行间距和列间距，计算得到每个车辆部件模型的绝对位置；采用模块相对位置布局方式对子模块布局，所述的相对位置布局方式根据子模块所连接的车辆部件模型位置，以及子模块与对应的车辆部件模型相对的横轴间距，计算得到每个子模块的绝对位置。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.根据模块的输入信号和其他模块的输出信号名称相同即连接的原则，仅需要用户规范化每个部件模型，配置模型之间的物理连接方式即可；省去了人工手动连接信号线，实现模型自动化拼接，加快建模速度；
2.工程人员能够直接参与到车辆部件底层模型的搭建，解决了商业新能源车辆仿真软件对用户模型封闭不可见的特点；
3.由于引入了模块之间相对位置布局、网格划分布局的概念，自动化搭建出的模型具有较高的整洁度；
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法整体步骤流程；
图2为车辆部件模型规范化示意；
图3为车辆部件模型封装后的模型结构示意；
图4为自动化建模仿真执行后得到的整车模型结构示意；
图5为变速箱与主减速器之间的势信号与流信号连接方式；
图6为变速箱的输入势信号接收发动机和电机的输出势信号时的连接方式；
图7为蓄电池的输入流信号接收DCDC部件和逆变器的输出流信号时的连接方式；
图8为车辆部件模型网格化的布局方式示意；
图9为子模块相对位置的布局方式示意；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，对本发明所述的一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法整体步骤流程进行描述；按照以下步骤执行新能源车辆模型自动化建模方法：
步骤一、收集用户已有的车辆部件模型，例如发动机模型、电机模型、蓄电池模型等；
步骤二、提取模型接口属性；基于用户搭建的车辆部件模型，将车辆部件模型封装为独立子系统模块，并将每个车辆部件模型保存为单独的模型文件；对于每一个车辆部件模型，利用脚本控制Simulink提取模型输入输出接口的特征；
步骤三、判断接口之间的连接关系；对比不同车辆部件模型的XML，根据任意两个接口的接口方向和接口名称特征判断不同模型之间的接口连接关系，当两个接口类型和所属的车辆部件模型不相同，但接口名称相同时，则判定这两个接口为一对连接关系；以此类推判断所有接口的连接关系并记录；
步骤四、添加信号输出模型；对于每个车辆部件模型，在模型文件中添加信号汇总输出模块，信号汇总输出模块的输入为车辆部件模型的所有输出信号，信号汇总输出模块的输出为部件信号总线；根据步骤三中判定不同模型之间的所有连接关系，获取该车辆部件模型被其他车辆部件模型作为输入的所有输出信号，并将这些输出信号汇总，作为该车辆部件模型的信号汇总输出模块的部件信号总线；
步骤五、汇总模型输出信号；将所有车辆部件模型的信号汇总输出模块输出的部件信号总线汇集，形成整车系统信号总线；
步骤六、添加信号输入模块；对于每个车辆部件模型，在模型文件中添加信号选择输入模块，信号选择子系统模块的输入为部件信号总线，信号选择子系统模块的输出为车辆部件模型的输入信号；然后将信号选择子系统模块的输出与车辆部件模型的输入连接；根据步骤三中判定不同模型之间的所有连接关系，在信号选择子系统模块中，将整车系统信号总线中抽取车辆部件模型的输入接口信号，作为每个车辆部件模型的输入信号；
步骤七、连接势和流信号；根据新能源车辆构型中部件的机械和电连接规则，对于两个相互连接的车辆部件模型，根据传动系统能量传递方向，将车辆部件模型的输出势信号连接与相对该车辆部件模型正向能量传递方向相连的车辆部件模型输入势信号，然后将车辆部件模型的输出流信号反向连接到与该车辆部件模型连接的车辆部件模型输入流信号；以此类推将所有的车辆部件模型势信号和流信号相连接；
步骤八、采用网格化的布局方式对整车模型中的各个车辆部件模型的位置设置，采用模块相对位置布局方式对子模块布局；
参阅图2，对每个车辆部件模型规划化，将输入输出的势信号和流信号放置在模型接口的最后位置，并将模型中的接口特征提取；提取的接口特征包括接口方向、接口序号、接口类型、接口名称，并将每个车辆部件模型的接口特征分别记录在每个车辆部件模型的XML文件中，供给后续步骤自动化建模程序读取；
参阅图3，将单个车辆部件模型封装后得到的模型结构；封装后的模型分为三部分，分别为部件模型需求信号选择模块、部件模型模块、其他部件模型需求信号汇总模块；部件模型需求信号选择模块根据该部件模型中的XML接口特征记录，从整车信号总线上抽取部件模型中为需求输入的信号；部件模型模块为步骤二中规划化后的车辆部件模型；其他部件模型需求信号汇总模块将该车辆部件模型的输出信号汇总，但汇总的信号仅为其他部件模型需求的信号；模型需求信号的判断方法可参阅步骤三；封装后的模型输入为整车总线信号输入，输出为部件总线信号输出；另外，封装后的模型还需要连接势信号和流信号的输入输出；
参阅图4，搭建后的新能源整车模型由封装后的车辆部件模型组成；整车模型主要包含每个封装后的部件模型和部件总线汇总模块；根据图3可知每个封装后的部件模型输入整车总线信号，每个封装后的部件模型输出为部件总线信号输出，对应到图4中分别为每个封装后的部件模型输入的系统总线和输出的部件总线；每个部件模型另外的输入输出为势信号和流信号，具体部件之间势信号和流信号的连接方式参阅图5；
参阅图5，以新能源车辆最常见的两个部件之间势信号和流信号的连接为例，说明两个相互连接的车辆部件之间势信号和流信号的连接规则。由于变速箱和主减速器属于机械传动部件，根据键合图建模理论，这两个部件之间传递的势信号和流信号分别为转矩和转速；根据整车正向的能量传递方向，变速箱模型将输出的力矩传递给主减速器模型，作为主减速器模型的势信号的输入；主减速器模型根据变速器输出的力矩和下一个与之连接模型的流输入(一般为车轮输入的转速)，在内部计算得到变速箱与主减速器之间连接轴的输出转速，作为主减速器模型的流输出，传递给变速箱模型，作为变速箱模型的流输入。变速箱模型根据与之连接模型的势输入(一般为离合器输出的转矩)和主减速器模型传递过来的流输入(图中为主减速器输入转速)，计算得到变速箱模型的输入转速，传递给与之相连的模块(一般为离合器)并作为该模块的流输入。
参阅图6，以新能源车辆并联构型发动机模型、电机模型、离合器模型的势信号连接为例，由于发动机输出的力矩和电机输出的力矩共同驱动车辆，因此需要离合器接收发动机和电机输出的力矩；根据键合图建模理论，发动机模型和电机模型输出的力矩均为势信号，离合器模型需要同时接收发动机模型和电机模型传递过来的势信号。根据自动化建模原则，当车辆部件模型的输入势信号来自多个其他车辆部件模型的输出势信号时，将所有的输入势信号相加后输入到该车辆部件模型中；因此需要将发动机模型和电机模型输出的力矩相加后输入给离合器模型；
参阅图7，以新能源车辆中驱动电机的逆变器模型、驱动电气附件的DCDC模型、蓄电池模型三者的流信号连接为例，由于逆变器和DCDC都需要蓄电池提供的电流才能工作，逆变器模型和DCDC模型输出的电流作为消耗电流输入给蓄电池模型；根据键合图建模理论，逆变器模型和DCDC模型输出的电流信号均为流信号，蓄电池模型需要同时接收逆变器模型和DCDC模型传递过来的流信号。根据自动化建模原则，当车辆部件模型的输入流信号来自多个其他车辆部件模型的输出流信号时，将所有的输入流信号相加后输入到该车辆部件模型中；因此需要将逆变器模型和DCDC模型输出的电流相加后输入给蓄电池模型。
参阅图8，将整个模型的画板网格划分，根据模型之间的物理连接方式对每个模型所在的行和列定位，然后根据网格化布局中的列间距、行间距、行位置、列位置计算出当前车辆部件模型所在画板中的绝对位置，进而利用程序对模块的位置进行设置。
参阅图9，由于每个车辆部件模型的位置已经根据网格划分原则以确定了在画板中所属的绝对位置，因此以车辆部件模型的位置为基础，并根据子模块与对应的车辆部件模型相对的横轴间距，计算得到每个子模块的绝对位置，进而利用程序对子模块的位置和连接线位置进行设置。

Claims (3)

1.一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于用户搭建的车辆部件模型，将车辆部件模型封装为独立子系统模块，并将每个车辆部件模型保存为单独的模型文件；对于每一个车辆部件模型，利用脚本控制Simulink提取模型输入输出接口的特征；所述的特征包括接口方向、接口序号、接口类型、接口名称，并将每个车辆部件模型的接口特征分别记录在每个车辆部件模型的XML文件中，供给后续步骤自动化建模程序读取；
步骤二、对比不同车辆部件模型的XML，根据任意两个接口的接口方向和接口名称特征判断不同模型之间的接口连接关系，当两个接口类型和所属的车辆部件模型不相同，但接口名称相同时，则判定这两个接口为一对连接关系；以此类推判断所有接口的连接关系并记录；
步骤三、对于每个车辆部件模型，在模型文件中添加信号汇总输出模块，信号汇总输出模块的输入为车辆部件模型的所有输出信号，信号汇总输出模块的输出为部件信号总线；根据步骤二中判定不同模型之间的所有连接关系，获取该车辆部件模型被其他车辆部件模型作为输入的所有输出信号，并将这些输出信号汇总，作为该车辆部件模型的信号汇总输出模块的部件信号总线；
步骤四、新建整车模型文件，将所有的车辆部件模型、信号汇总输出模块添加到整车模型中，并在车辆模型中将所有车辆部件模型的信号汇总输出模块输出的部件信号总线汇集，形成整车系统信号总线；
步骤五、对于每个车辆部件模型，在模型文件中添加信号选择输入模块，信号选择子系统模块的输入为部件信号总线，信号选择子系统模块的输出为车辆部件模型的输入信号；然后将信号选择子系统模块的输出与车辆部件模型的输入连接；根据步骤二中判定不同模型之间的所有连接关系，在信号选择子系统模块中，将整车系统信号总线中抽取车辆部件模型的输入接口信号，作为每个车辆部件模型的输入信号；
步骤六、根据新能源车辆构型中部件的机械和电连接规则，对于每两个相互连接的车辆部件模型，根据传动系统能量传递方向，将车辆部件模型的输出势信号连接与相对该车辆部件模型正向能量传递方向相连的车辆部件模型输入势信号，然后将车辆部件模型的输出流信号反向连接到与该车辆部件模型连接的车辆部件模型输入流信号；以此类推将所有的车辆部件模型势信号和流信号相连接；
步骤七、采用网格化的布局方式对整车模型中的各个车辆部件模型的位置设置，所述的网格化的布局方式根据车辆部件模型所在行和列的位置，以及行间距和列间距，计算得到每个车辆部件模型的绝对位置；采用模块相对位置布局方式对子模块布局，所述的相对位置布局方式根据子模块所连接的车辆部件模型位置，以及子模块与对应的车辆部件模型相对的横轴间距，计算得到每个子模块的绝对位置。
2.按照权利要求1所述的一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法，其特征在于，权利要求1的步骤一中所述的接口类型划分为三种类型，分别为信号连接、势信号连接、流信号连接；所述的接口方向包括输入和输出；所述的接口序号为每个接口在车辆部件模型中的序号值；所述的接口名称为每个接口在车辆部件模型中的命名。
3.按照权利要求1所述的一种基于Simulink的新能源车辆模型自动化建模方法，其特征在于，当车辆部件模型的输入势信号来自多个其他车辆部件模型的输出势信号时，将所有的输入势信号相加后输入到该车辆部件模型中；模型之间的流信号处理方式与势信号处理方式一致。
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