HIL SIMULACE JAKO PROSTREDEK PRO TESTOVÁNÍ RÍDÍCÍCH JEDNOTEK

V AUTOMOBILU

Abstrakt:
Příspěvek prezentuje možnosti využití Matlabu pro testování řídících jednotek
v automobilovém průmyslu metodou HIL simulace. Princip této metody spočívá v
tom, že ke skutečné řídící jednotce je připojen simulátor, který v reálném čase
simuluje příslušné elektromechanické prostředí (motor, převodovka, podvozek, …).
Díky této metodě lze v laboratorních podmínkách otestovat chování a provozní
vlastnosti zkoušených řídících jednotek.

1. Úvod:

Posledních několik let v automobilovém průmyslu je charakterizováno
prudkým nárůstem použití elektronických systému v automobilech. Ani firma ŠKODA
AUTO není v této oblasti výjimkou, čemuž nasvědčuje stále rostoucí počet a složitost
elektronických řídících jednotek ve vozidlech Škoda. Tento trend ovšem sebou
přináší vetší riziko vzniku závad, což klade enormní nároky na testování vozidel ve
vývojových fázích. Jednou z metod, jak lze velice efektivně a účinné otestovat řídící
jednotky v laboratorních podmínkách a tím zvýšit jejich kvalitu a spolehlivost je tzv.
HIL simulace.

2. Princip HIL simulace

Metoda HIL (Hardware–In–the–Loop) se obecně používá pro simulaci
elektromechanických systému,které jsou řízeny elektronickou řídící jednotkou.
Typickým příkladem takového systému v oblasti automobilu je motor, který je
ovládán motorovou řídící jednotkou (MRJ). Proces, kdy ke skutečné MRJ připojíme
simulátor, který nahradí veškerá elektrická čidla a akční cleny v motoru a který je
schopen v reálném čase simulovat chování tohoto motoru, se nazývá HIL simulace.

 

3. Zapojení simulátoru

Celý systém se skládá z několika zařízení. Nejdůležitější z nich je vlastní
simulátor, ve kterém probíhá simulace daného procesu v reálném čase. Simulátor
obsahuje výkonný napájecí zdroj, regulovatelný modelem, procesorovou kartu
s modulem pro komunikace s PC. Dále dle aplikace obsahuje jednu nebo více
vstupně – výstupních karet, simulující elektrické signály pro řídící jednotku. Důležitá
část simulátoru je blok pro umělé zátěže, kde je možno k jednotlivým signálům od
řídící jednotky připojit umelou zátěž, simulující připojené čidlo či akční člen. Součástí
tohoto bloku je jednotka simulace chyb, která umožňuje zkratovat vybrané signály
k napájecímu napětí, zemi nebo tyto signály rozpojit.
K simulátoru, resp. jeho I/O vodičům je připojena testovaná řídící jednotka,
případně další nezbytné komponenty, jako jsou palubní přístroj, škrtící klapka, atd.
Tyto přídavné díly se připojují v případe, že jejich simulace je velice náročná a je
jednoduší použít skutečné prvky.
Simulátor je ovládán z PC, jež je připojeno optickým kabelem. Model
simulovaného procesu je vytvořen v ovládacím PC v programu MATLAB –
SIMULINK. Jakmile je model funkční, je přeložen do kódu, umožňující běh aplikace
v reálném čase v procesoru simulátoru. Pro tyto úkony je nutné použít toolbox Real-
Time-Workshop plus příslušné překladače. Vygenerovaný kód se po optickém kabelu
nahraje do simulátoru, kde již muže běžet zcela autonomně bez zásahu ovládacího
PC. V praxi je ovšem žádoucí, aby obsluha mohla zasahovat do procesu simulace,
nebo se alespoň informovat o právě probíhajících procesech. K tomuto účelu je
možné spustit na PC program Controldesk, pomocí kterého lze provádět on-line
zásahy do simulace, běžící v reálném čase

 

 

 

4. Popis modelu

Na obr. 3 je znázorněna základní struktura modelu HIL simulátoru motoru.
Elektrický signál z řídící jednotky je nejprve upraven a převeden na matematické
číslo, reprezentující napr. dobu vstřiku, úhel zapálení či úhel otevření škrticí klapky.
Tyto údaje jsou vstupní veličinou bloku „MATEMATICKÝ MODEL MOTORU“.
V tomto bloku je namodelován fyzikální proces simulovaného spalovacího motoru,
jehož chování je ovládáno vstupními údaji. Výstupní veličiny modelu (napr. otáčky,
teploty, tlak v sacím potrubí, lambda, …) jsou převedeny zpět na elektrické veličiny
(elektrický odpor, analogové napětí, PWM signál, …) a jsou vedeny do řídící jednotky
namísto skutečných čidel.
Abychom mohli celý proces simulace řídit podobné jako ve skutečném vozidle,
obsahuje model blok „OVLÁDÁNÍ“. V něm jsou simulovány signály z ovládacích
prvku (plynový pedál, brzda, spojka, razení, …). Část ovládacích signálu, jež jsou
vyžadovány řídící jednotkou jsou vedeny do bloku „ÚPRAVA VÝSTUPNÍHO
SIGNÁLU“ a poté do řídící jednotky.
Samotný model motoru většinou nestačí k vyzkoušení všech provozních
stavu. Stejně jako ve skutečnosti je potřeba motor umístit do konkrétního vozidla, což
je zde reprezentováno blokem „MODEL PODÉLNÉ DYNAMIKY VOZIDLA“. V něm je
obsažen model spojky, převodovky, rozvodovky, podvozku, atd. V tomto bloku jsou
také zohledněny parametry, mající vliv na zatížení motoru (aerodynamický koeficient,
součinitel tření, hmotnost vozidla, setrvačnost, …). V případě HIL simulátoru motoru
je v tomto bloku simulován pouze zjednodušený pohyb vozidla dopředu a dozadu
(podélná dynamika), protože na funkci motoru nemá příčný pohyb vozidla vliv.
O možnostech zobrazení průběhu simulace již bylo zmíněno v předchozím
odstavci (využití programu Controldesk). Další možnost on-line vizualizace procesu
simulace je použití virtuální reality, pomocí které můžeme sledovat skutečné chování
vozidla. V našem případě je virtuální realita naprogramována také v Matlabu
s využitím Virtual Reality Toolboxu.

 

 

5. Využití HIL Simulace

Hlavním využitím HIL simulátoru je testování řídících jednotek a to nejenom
jednotek přímo připojených k simulátoru, ale i ostatních jednotek propojených
komunikační sběrnicí. Zásadní výhodou této metody testování je její
reprodukovatelnost. HIL simulace umožňuje provádět opakované testy při zachování
identických počátečních podmínek, což velice usnadňuje vyhledávání případných
závad. Dalším neméně důležitý kladem je možnost zkoušení řídících jednotek
v laboratorních podmínkách ještě před stavbou prototypu vozidla, čímž se výrazně
sníží čas a náklady na vývoj elektroniky automobilu. Mezi výhody lze dále zařadit
snadnou možnost automatizace celého procesu testování, schopnost zkoušení
jednotek za hranicí běžných provozních podmínek, které lze ve skutečném vozidle
jen těžko docílit.

 

6. Závěr

Firma ŠKODA AUTO v současné době provozuje několik HIL simulátoru,
včetně simulátoru ESP (elektronický stabilizační program). Dosavadní výsledky
ukazují na výhodnost této investice, která se projevuje ve zrychlení a hlavně ve
zkvalitnění procesu vývoje automobilu.
7. Seznam literatury
[1] Vlk, F.: Vozidlové spalovací motory, nakladatelství VLK, Brno, 2003.
[2] Vlk, F.: Dynamika motorových vozidel, nakladatelství VLK, Brno, 2000.