用于控制和协同仿真实体系统的方法和系统与流程

本发明涉及一种实体系统(physical systems)的控制和协同仿真(co-simulation)的系统和方法。特别地，本发明涉及控制或协同仿真系统中子系统的连接。

背景技术：

汽车工业加快了其产品开发的步伐。同时在最终产品中增加了机电系统的数量。这些系统被虚拟地开发并且必须用目的驱动保真度仿真模型集成在目的驱动集成平台内。接口标准的引入即所谓的通用模型接口(functional mock-up interface，简称FMI)使得能够在更大的规模上开发该过程。

在特定域创作工具(domain specific authoring tools)中生成实体系统使用的仿真模型。这些工具用于其适于目的数值求解。因为实体系统主要在连续时间域内被建模，因此得到的协同仿真模型事实上是采样系统。出于这个原因，众所周知的是限制模型系统的带宽以在奈奎斯特频率(Nyquist frequency)内很好地适配。

然而，例如机械系统的协同仿真具有牢固耦合的接口。在输入运动信号时的特定情形下，得到的力和/或转矩(反之亦然)必须被反馈回来。但是，施加的运动(或力和/或转矩)产生连续时间阶跃响应，其以相对较大带宽引起噪音。

EP2680157通过基于输出导数计算雅可比矩阵解决了协同仿真系统的上述问题，其中所述输出导数基于涉及用于多个子系统中每个子系统的相应第一输入变量的相应状态可变导数。EP2680157公开的方法还包括基于相应的状态可变导数调整第一输入变量和计算第二输入变量和用于多个子系统中每个的其余变量。

然而，虽然EP2680157建议的方法可以解决与协同仿真相关的当前问题中的某些问题，但是EP2680157中描述的方法需要复杂的数学步骤。此外，该方法需要有关子系统特性的详细资料，当连接由不同商业工具表示的子系统时这不是都可能的。

因此，需要在协同仿真系统中改进子系统之间连接性的简化方法。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术，本发明的一个目的是提供用于控制和协同仿真的改进方法和系统。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在包括多个子系统的系统中控制和协同仿真的方法，每个子系统表示一实体系统，其中所述方法包括：在仿真第一实体系统的第一子系统中，提供表示第一实体系统的特性的第一时间连续输出信号；使用作为抗混叠滤波器的连续移动平均(continuous moving average，简称CMA)滤波器对输出信号滤波以形成经滤波的时间连续信号；其中经滤波的输出信号包括：对时间连续信号积分以形成积分信号；对积分信号进行采样；对于每个样本，由当前样本S₀和在先样本S_0-n(其中n>0)除以总采样时间h*n形成平均值，其中h是采样周期；并且由平均值形成经滤波的时间连续信号；其中所述方法进一步包括将经滤波的时间连续信号提供至仿真第二实体系统的第二子系统。

通过上述方法，提供了控制和协同仿真系统，其保存能量并且改进系统的总体稳定性。特别地，上述滤波器不减弱第一与第二子系统之间接口之上的能量转移。

根据本发明的一个实施例，滤波器可有利地形成对于n＝2的平均值，即由当前样本S₀和样本S_-2形成的平均值。换句话说，对于一组三个相继的样本来说，第一和第三样本用于形成整个时间间隔的平均值。这可被视为滚动窗口，因此形成CMA滤波器。已经发现如上所述使用n＝2的CMA滤波器提供最多的有利特性。使用n＝1可导致增益问题并且使用n>2可导致滞后问题。在n＝1的情形下，零频率处的增益是0dB，但对于超出奈奎斯特频率10％的频率范围来说，增益稳定地增加。总系统可以是稳定的，但存在显著的振荡。另一方面，在n>2的情形下，在接口上传送信号的带宽变得不必要地低并且由于在单体解决方案中获得的结果而明显地恶化。对于奇数n，可存在高达奈奎斯特频率的信号，同时对于偶数n，奈奎斯特频率处的增益是0。因此，虽然能使用不同的n值，但已显示n＝2是优选的。

根据本发明的一个实施例，第一时间连续输出信号可表示第一子系统的流量。

在本发明的一个实施例中，多个子系统中的每个的特征在于流量和作用力(effort)。在其端口处具有最大阻抗(机械领域内的惯性)的系统将确定流量变量(机械领域内的速度)并且具有最低阻抗的端口将确定反作用力量(reaction effort)(机械领域内的力/转矩)。速度是惯性的位置变化率。不同的子系统例如可表示连接于受控双离合器变速器的内燃机。整个系统也可包括表示以用于车辆的完整底盘模型协同仿真的完整动力系统和传动系统的子系统。

根据本发明的一个实施例，第一子系统可有利地表示具有比第二实体系统更高阻抗的第一实体系统。通常，具有更高阻抗的系统将流量(机械领域内的速度)确定为第一与第二子系统之间接口上的传送信号，并且更低阻抗系统确定了作用力(机械领域内的力/转矩)。第一子系统例如表示发动机并且第二子系统可表示控制器单元。控制器单元例如被配置为控制发动机。

根据本发明的一个实施例，所述方法可进一步包括在第二子系统中：从第一子系统接收经滤波的时间连续信号；基于接收信号仿真第二实体系统的行为；提供表示第二子系统特性的第二时间连续输出信号；使用作为抗混叠滤波器的连续移动平均滤波器过滤第二输出信号以形成经滤波的第二时间连续信号；其中对输出信号滤波包括：对第二时间连续信号积分以形成积分信号；对积分信号进行采样；对于每个样本，由当前样本S₀和在先样本S_0-n(其中n>0)除以总采样时间h*n形成平均值，其中h是采样周期；并且由平均值形成经滤波的第二时间连续信号；其中所述方法进一步包括将经滤波的第二时间连续信号提供至第一子系统。

以与用于第一子系统的如上所述的相同方式，第二系统有利地包括相同类型的CMA抗混叠滤波器，其中第一和第二子系统以使第二子系统可发送经滤波的信号至第一子系统的方式连接。

根据本发明的一个实施例，如果所述第一实体系统具有比所述第二实体系统更高的阻抗，则所述第一输出信号可表示速度并且第二输出信号表示转矩。如上所述，通过将表示子系统速度的信号提供至具有更低惯性的第二子系统，具有更高阻抗的第一子系统驱动(即确定)整个系统中的流向。第二子系统于是将形成表示提供至第一子系统的转矩的输出信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于在包括多个表示实体系统的子系统的系统中控制和协同仿真的方法，其中所述方法包括：在仿真第一实体系统的第一子系统中，提供表示第一实体系统的特性的第一时间离散输出信号，第一离散输出信号具有第一采样率；使用作为抗混叠滤波器的连续移动平均滤波器对所述输出信号滤波以形成经滤波的时间连续信号；其中对所述输出信号滤波包括：对时间离散信号求和以形成总和信号；使用低于第一采样率的第二采样率对总和信号进行采样；对于每个样本，由当前样本S₀和在先样本S_-1……S_-(n+1)(其中n>0)除以总采样数n形成平均值；并且由平均值形成经滤波的时间离散信号；其中所述方法进一步包括将经滤波的时间连续信号提供至仿真第二实体系统的第二子系统。

本发明的第二方面涉及协同仿真系统，其中子系统提供通过滤波器使用更低采样率向下采样的时间离散信号。这例如在以下情形中是有利的，即，子系统具有高于两个子系统之间可能传递的采样率。

所述方法的第二方面也可应用于连续的触发信号。通常，以恒定的采样周期完成采样。然而，也可基于不一定定期发生的触发事件进行采样。因此，用于对第一系统进行采样的触发事件不能定期地发生。

在本发明的一个实施例中，n可等于第一采样率与第二采样率之间的比率。

根据本发明的一个实施例，第一采样率可为变化的采样率。

本发明第二方面的其它效果和特征基本上类似于如上所述本发明的第一方面。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括多个子系统的控制和协同仿真系统，每个子系统表示一实体系统，其中所述协同仿真系统包括：仿真第一实体系统的第一子系统，被配置为提供表示第一实体系统的速度或转矩的时间连续输出信号；连接于第一子系统的输出且被配置为形成经滤波的时间连续信号的抗混叠滤波器；其中抗混叠滤波器包括：被配置为对时间连续信号积分以形成积分信号的积分器；被配置为对积分信号进行连续地采样的采样模块；被配置为由当前样本S₀和在先样本S_0-n(其中n>0)除以总采样时间h*n形成平均值的平均模块，其中h是采样周期；并且其中控制和协同仿真系统进一步包括被配置为由通过平均模块形成的平均值形成时间连续输出信号的输出模块；并且其中控制和协同仿真系统包括仿真第二实体系统的第二子系统，第二子系统连接于抗混叠滤波器以接收经滤波的时间连续信号。

根据本发明的一个实施例，如果所述第一实体系统具有比所述第二实体系统更高的阻抗，则所述第一输出信号可表示流量并且第二输出信号可表示作用力，并且如果第一实体系统具有比第二实体系统更低的阻抗则第一输出信号可表示作用力并且第二输出信号可表示流量。

根据本发明的一个实施例，如果所述第一实体系统具有比所述第二实体系统更高的惯性，则所述第一输出信号可表示速度并且第二输出信号表示转矩，并且如果第一实体系统具有比第二实体系统更低的惯性则第一输出信号可表示转矩并且第二输出信号可表示速度。

所述系统也可包括如上所述涉及本发明第二方面的时间离散滤波器。本发明第二方面的其它效果和特征基本上类似于如上所述本发明的第一和第二方面。

当研究所附权利要求和下面的描述时本发明的其它特征和优点将更为明显。本领域技术人员认识到，本发明的不同特征可组合以形成除了在下文中描述之外的实施例而不脱离本发明的范围。

附图说明

现在参照示出本发明示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些及其它方面，其中：

图1是根据本发明一个实施例的系统的示意图；

图2a-e是示意性地概述根据本发明实施例的滤波器功能的图形；

图3a-d是示意性地概述根据本发明实施例的滤波器功能的图形；

图4a-d是示意性地概述根据本发明实施例的滤波器功能的图形；

图5是概述根据本发明一个实施例的方法的一般步骤的流程图；并且

图6是概述根据本发明一个实施例的方法的一般步骤的流程图。

具体实施方式

在本详细说明中，描述了根据本发明的系统和方法的各种实施例。

图1a是根据本发明一个实施例的协同仿真和控制系统100的示意图。该系统包括提供第一时间连续信号104作为输出的第一子系统102。时间连续信号104被提供至滤波器106，后者是作为抗混叠滤波器的连续移动平均值(CMA)滤波器的形式。滤波器的功能将参照下面的图2-4进一步描述。系统100进一步包括仿真第二实体系统的第二子系统110，该第二子系统110连接于抗混叠滤波器106以接收经滤波的时间连续信号108。此外，第二子系统110将时间连续输出信号112提供至类似于第一滤波器106的第二CMA抗混叠滤波器114。相应地，第二滤波器114将经第二次滤波的信号116提供至第一子系统102。

图1b是滤波器106CMA抗混叠滤波器的示意图。滤波器包括被配置为对时间连续信号104积分的积分器120以形成积分信号122。积分信号被传递至采样模块124或采样电路，采样模块124或采样电路被配置为连续地对积分信号122采样。采样信号125随后被传递至平均模块126，平均模块126被配置为由当前样本S₀和在先样本S_0-n(其中n>0)除以总采样时间h*n形成平均值，其中h是采样周期。平均模块126连接于输出模块128，输出模块128于是提供经滤波的时间连续信号108。

用于时间连续输入信号u的滤波器106能以数学方式描述为：

其中n是整数，也可称为滤波器阶次，h是采样时间，t是时间并且y是时间连续输出信号。

图2-4是示意性地说明根据本发明实施例的不同信号的示例的图形。应注意到，所述图形不是按比例描绘的，并且y-轴标识仅示出信号的标志(sign)。

将参照图5的流程图论述图2a-e的图形，图5描绘用于提供时间连续输出信号的子系统的根据本发明实施例的方法的一般步骤。

首先，在步骤502中，通过第一子系统102提供第一时间连续信号104，此处如图2a所示为正弦信号形式。图2b示出积分的时间连续信号122，这是根据步骤504令时间连续信号104穿过积分器120的结果。接下来的506，通过采样模块对积分时间连续信号122进行采样以形成如图2c所示的采样信号。通过信号的阶梯变化表示采样时间。图2d示出根据步骤506用于形成平均值的时移采样信号。时移信号被示为n＝2，202(虚线)连同图2c的采样信号204(点线)，并且也示出图2b中所示的积分信号206(实线)。

对于n＝2的滤波功能原则上能被描述为：

并且在步骤508中，对于n＝2的平均值由当前样本S₀和在先样本S_-2除以总采样时间2h形成，其中h是采样周期。

图2e示出根据步骤510对于n＝2的经最终滤波的时间连续信号108。在最终步骤512中，经滤波的时间连续信号108被提供至第二子系统110。

应注意到，即使信号仅定期地以离散方式根据使用的采样率改变数值，信号108也被称为时间连续的。信号108被称为时间连续的，因为它是在时间连续域内被用作输入至要求时间连续信号作为输入信号的子系统的信号，因而它被视为时间连续的。

根据本发明的一个实施例，子系统可提供时间离散信号作为输出信号。这将在在下文中参照图3a-d的图形和图6的流程图进行描述。

用于时间离散输入信号的滤波器可被数学地描述为：

其中u'是时间离散的输入信号，n是也可被称为滤波器阶次的整数，并且y是时间离散的输出信号。上述滤波器的使用可被视为其中以固定步进积分器模型化和仿真实体系统的情形。

首先，在步骤602中，通过第一子系统提供如图3a所示的具有第一采样率的第一时间离散信号。图3b示出根据步骤604的总和时间离散信号。接下来，在步骤606中，使用低于第一时间离散信号的第一采样率的第二采样率对总和时间离散信号向下采样(down-sampled)。所得的向下采样信号如图3c所示。

在下面的步骤608中，通过由当前样本S₀和在先样本S_0-n除以S₀至S_0-n范围内的总样本数h形成平均值，基于向下采样信号形成平均值。随后，在步骤610中，由图3d所示的平均值形成平均信号。在本说明书中，n是等于第一采样率与第二采样率之间比率的整数。在最终步骤612中，经滤波的信号被提供至第二子系统。

在上述说明书中，总和时间离散信号首先被向下采样并且随后被平均。然而，应注意到同样可以先平均信号随后向下取样，并且这在某些应用中是有利的。例如，在所述方法的特定实施中，在向下取样步骤之前完成平均步骤是有利的，但是两种不同顺序在产生相同最终结果方面是数学等效的。

图4a-d的图形示意性地示出方法的示例，其中第一子系统产生如图4a所示的连续采样(触发)信号。此外，图4a中信号的采样频率(采样周期)不是恒定的。相反，它在预定范围内或预定数量的取样频率之间变化。在采样周期期间积分(非求和)采样信号以形成图4b所示的时间连续信号。

接下来，如图4c中被示为406的时间连续信号被采样以给出信号404，并且基于采样信号404和时移信号402以类似于如上所述图3a-d的方式形成平均信号。而且此处，可有利地取两个采样周期的平均数作为平均值。得到的平均信号被提供至第二子系统，如图4d所示。

虽然已经参照其特点例证实施例描述了本发明，很多不同的变化、改进等等是本领域技术人员显而易见的。此外，应注意到方法和系统的部分可被省略、互换或以各种方式设置，但系统和方法仍然能够实现本发明的功能。特别地，应注意到可以与如上所述相比不同的顺序完成所述方法的步骤，同时仍然提供所得到的相同输出信号。

此外，所公开实施例的变化是可以理解的并且根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究受到实践所请求发明的本领域技术人员的影响。在权利要求中，措辞“包括”不排除其它元件或步骤的存在，并且不明确的用语“一个”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中记载的某些测量未示出这些测量组合的纯粹事实不能带来优点。