本發(fā)明涉及一種實體系統(tǒng)(physical systems)的控制和協(xié)同仿真(co-simulation)的系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明涉及控制或協(xié)同仿真系統(tǒng)中子系統(tǒng)的連接。

背景技術：

汽車工業(yè)加快了其產品開發(fā)的步伐。同時在最終產品中增加了機電系統(tǒng)的數(shù)量。這些系統(tǒng)被虛擬地開發(fā)并且必須用目的驅動保真度仿真模型集成在目的驅動集成平臺內。接口標準的引入即所謂的通用模型接口(functional mock-up interface，簡稱FMI)使得能夠在更大的規(guī)模上開發(fā)該過程。

在特定域創(chuàng)作工具(domain specific authoring tools)中生成實體系統(tǒng)使用的仿真模型。這些工具用于其適于目的數(shù)值求解。因為實體系統(tǒng)主要在連續(xù)時間域內被建模，因此得到的協(xié)同仿真模型事實上是采樣系統(tǒng)。出于這個原因，眾所周知的是限制模型系統(tǒng)的帶寬以在奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)內很好地適配。

然而，例如機械系統(tǒng)的協(xié)同仿真具有牢固耦合的接口。在輸入運動信號時的特定情形下，得到的力和/或轉矩(反之亦然)必須被反饋回來。但是，施加的運動(或力和/或轉矩)產生連續(xù)時間階躍響應，其以相對較大帶寬引起噪音。

EP2680157通過基于輸出導數(shù)計算雅可比矩陣解決了協(xié)同仿真系統(tǒng)的上述問題，其中所述輸出導數(shù)基于涉及用于多個子系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)的相應第一輸入變量的相應狀態(tài)可變導數(shù)。EP2680157公開的方法還包括基于相應的狀態(tài)可變導數(shù)調整第一輸入變量和計算第二輸入變量和用于多個子系統(tǒng)中每個的其余變量。

然而，雖然EP2680157建議的方法可以解決與協(xié)同仿真相關的當前問題中的某些問題，但是EP2680157中描述的方法需要復雜的數(shù)學步驟。此外，該方法需要有關子系統(tǒng)特性的詳細資料，當連接由不同商業(yè)工具表示的子系統(tǒng)時這不是都可能的。

因此，需要在協(xié)同仿真系統(tǒng)中改進子系統(tǒng)之間連接性的簡化方法。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明的一個目的是提供用于控制和協(xié)同仿真的改進方法和系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于在包括多個子系統(tǒng)的系統(tǒng)中控制和協(xié)同仿真的方法，每個子系統(tǒng)表示一實體系統(tǒng)，其中所述方法包括：在仿真第一實體系統(tǒng)的第一子系統(tǒng)中，提供表示第一實體系統(tǒng)的特性的第一時間連續(xù)輸出信號；使用作為抗混疊濾波器的連續(xù)移動平均(continuous moving average，簡稱CMA)濾波器對輸出信號濾波以形成經濾波的時間連續(xù)信號；其中經濾波的輸出信號包括：對時間連續(xù)信號積分以形成積分信號；對積分信號進行采樣；對于每個樣本，由當前樣本S₀和在先樣本S_0-n(其中n>0)除以總采樣時間h*n形成平均值，其中h是采樣周期；并且由平均值形成經濾波的時間連續(xù)信號；其中所述方法進一步包括將經濾波的時間連續(xù)信號提供至仿真第二實體系統(tǒng)的第二子系統(tǒng)。

通過上述方法，提供了控制和協(xié)同仿真系統(tǒng)，其保存能量并且改進系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性。特別地，上述濾波器不減弱第一與第二子系統(tǒng)之間接口之上的能量轉移。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，濾波器可有利地形成對于n＝2的平均值，即由當前樣本S₀和樣本S_-2形成的平均值。換句話說，對于一組三個相繼的樣本來說，第一和第三樣本用于形成整個時間間隔的平均值。這可被視為滾動窗口，因此形成CMA濾波器。已經發(fā)現(xiàn)如上所述使用n＝2的CMA濾波器提供最多的有利特性。使用n＝1可導致增益問題并且使用n>2可導致滯后問題。在n＝1的情形下，零頻率處的增益是0dB，但對于超出奈奎斯特頻率10％的頻率范圍來說，增益穩(wěn)定地增加?？傁到y(tǒng)可以是穩(wěn)定的，但存在顯著的振蕩。另一方面，在n>2的情形下，在接口上傳送信號的帶寬變得不必要地低并且由于在單體解決方案中獲得的結果而明顯地惡化。對于奇數(shù)n，可存在高達奈奎斯特頻率的信號，同時對于偶數(shù)n，奈奎斯特頻率處的增益是0。因此，雖然能使用不同的n值，但已顯示n＝2是優(yōu)選的。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一時間連續(xù)輸出信號可表示第一子系統(tǒng)的流量。

在本發(fā)明的一個實施例中，多個子系統(tǒng)中的每個的特征在于流量和作用力(effort)。在其端口處具有最大阻抗(機械領域內的慣性)的系統(tǒng)將確定流量變量(機械領域內的速度)并且具有最低阻抗的端口將確定反作用力量(reaction effort)(機械領域內的力/轉矩)。速度是慣性的位置變化率。不同的子系統(tǒng)例如可表示連接于受控雙離合器變速器的內燃機。整個系統(tǒng)也可包括表示以用于車輛的完整底盤模型協(xié)同仿真的完整動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的子系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一子系統(tǒng)可有利地表示具有比第二實體系統(tǒng)更高阻抗的第一實體系統(tǒng)。通常，具有更高阻抗的系統(tǒng)將流量(機械領域內的速度)確定為第一與第二子系統(tǒng)之間接口上的傳送信號，并且更低阻抗系統(tǒng)確定了作用力(機械領域內的力/轉矩)。第一子系統(tǒng)例如表示發(fā)動機并且第二子系統(tǒng)可表示控制器單元。控制器單元例如被配置為控制發(fā)動機。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述方法可進一步包括在第二子系統(tǒng)中：從第一子系統(tǒng)接收經濾波的時間連續(xù)信號；基于接收信號仿真第二實體系統(tǒng)的行為；提供表示第二子系統(tǒng)特性的第二時間連續(xù)輸出信號；使用作為抗混疊濾波器的連續(xù)移動平均濾波器過濾第二輸出信號以形成經濾波的第二時間連續(xù)信號；其中對輸出信號濾波包括：對第二時間連續(xù)信號積分以形成積分信號；對積分信號進行采樣；對于每個樣本，由當前樣本S₀和在先樣本S_0-n(其中n>0)除以總采樣時間h*n形成平均值，其中h是采樣周期；并且由平均值形成經濾波的第二時間連續(xù)信號；其中所述方法進一步包括將經濾波的第二時間連續(xù)信號提供至第一子系統(tǒng)。

以與用于第一子系統(tǒng)的如上所述的相同方式，第二系統(tǒng)有利地包括相同類型的CMA抗混疊濾波器，其中第一和第二子系統(tǒng)以使第二子系統(tǒng)可發(fā)送經濾波的信號至第一子系統(tǒng)的方式連接。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如果所述第一實體系統(tǒng)具有比所述第二實體系統(tǒng)更高的阻抗，則所述第一輸出信號可表示速度并且第二輸出信號表示轉矩。如上所述，通過將表示子系統(tǒng)速度的信號提供至具有更低慣性的第二子系統(tǒng)，具有更高阻抗的第一子系統(tǒng)驅動(即確定)整個系統(tǒng)中的流向。第二子系統(tǒng)于是將形成表示提供至第一子系統(tǒng)的轉矩的輸出信號。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于在包括多個表示實體系統(tǒng)的子系統(tǒng)的系統(tǒng)中控制和協(xié)同仿真的方法，其中所述方法包括：在仿真第一實體系統(tǒng)的第一子系統(tǒng)中，提供表示第一實體系統(tǒng)的特性的第一時間離散輸出信號，第一離散輸出信號具有第一采樣率；使用作為抗混疊濾波器的連續(xù)移動平均濾波器對所述輸出信號濾波以形成經濾波的時間連續(xù)信號；其中對所述輸出信號濾波包括：對時間離散信號求和以形成總和信號；使用低于第一采樣率的第二采樣率對總和信號進行采樣；對于每個樣本，由當前樣本S₀和在先樣本S_-1……S_-(n+1)(其中n>0)除以總采樣數(shù)n形成平均值；并且由平均值形成經濾波的時間離散信號；其中所述方法進一步包括將經濾波的時間連續(xù)信號提供至仿真第二實體系統(tǒng)的第二子系統(tǒng)。

本發(fā)明的第二方面涉及協(xié)同仿真系統(tǒng)，其中子系統(tǒng)提供通過濾波器使用更低采樣率向下采樣的時間離散信號。這例如在以下情形中是有利的，即，子系統(tǒng)具有高于兩個子系統(tǒng)之間可能傳遞的采樣率。

所述方法的第二方面也可應用于連續(xù)的觸發(fā)信號。通常，以恒定的采樣周期完成采樣。然而，也可基于不一定定期發(fā)生的觸發(fā)事件進行采樣。因此，用于對第一系統(tǒng)進行采樣的觸發(fā)事件不能定期地發(fā)生。

在本發(fā)明的一個實施例中，n可等于第一采樣率與第二采樣率之間的比率。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一采樣率可為變化的采樣率。

本發(fā)明第二方面的其它效果和特征基本上類似于如上所述本發(fā)明的第一方面。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種包括多個子系統(tǒng)的控制和協(xié)同仿真系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)表示一實體系統(tǒng)，其中所述協(xié)同仿真系統(tǒng)包括：仿真第一實體系統(tǒng)的第一子系統(tǒng)，被配置為提供表示第一實體系統(tǒng)的速度或轉矩的時間連續(xù)輸出信號；連接于第一子系統(tǒng)的輸出且被配置為形成經濾波的時間連續(xù)信號的抗混疊濾波器；其中抗混疊濾波器包括：被配置為對時間連續(xù)信號積分以形成積分信號的積分器；被配置為對積分信號進行連續(xù)地采樣的采樣模塊；被配置為由當前樣本S₀和在先樣本S_0-n(其中n>0)除以總采樣時間h*n形成平均值的平均模塊，其中h是采樣周期；并且其中控制和協(xié)同仿真系統(tǒng)進一步包括被配置為由通過平均模塊形成的平均值形成時間連續(xù)輸出信號的輸出模塊；并且其中控制和協(xié)同仿真系統(tǒng)包括仿真第二實體系統(tǒng)的第二子系統(tǒng)，第二子系統(tǒng)連接于抗混疊濾波器以接收經濾波的時間連續(xù)信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如果所述第一實體系統(tǒng)具有比所述第二實體系統(tǒng)更高的阻抗，則所述第一輸出信號可表示流量并且第二輸出信號可表示作用力，并且如果第一實體系統(tǒng)具有比第二實體系統(tǒng)更低的阻抗則第一輸出信號可表示作用力并且第二輸出信號可表示流量。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如果所述第一實體系統(tǒng)具有比所述第二實體系統(tǒng)更高的慣性，則所述第一輸出信號可表示速度并且第二輸出信號表示轉矩，并且如果第一實體系統(tǒng)具有比第二實體系統(tǒng)更低的慣性則第一輸出信號可表示轉矩并且第二輸出信號可表示速度。

所述系統(tǒng)也可包括如上所述涉及本發(fā)明第二方面的時間離散濾波器。本發(fā)明第二方面的其它效果和特征基本上類似于如上所述本發(fā)明的第一和第二方面。

當研究所附權利要求和下面的描述時本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將更為明顯。本領域技術人員認識到，本發(fā)明的不同特征可組合以形成除了在下文中描述之外的實施例而不脫離本發(fā)明的范圍。

附圖說明

現(xiàn)在參照示出本發(fā)明示例實施例的附圖更詳細地描述本發(fā)明的這些及其它方面，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)的示意圖；

圖2a-e是示意性地概述根據(jù)本發(fā)明實施例的濾波器功能的圖形；

圖3a-d是示意性地概述根據(jù)本發(fā)明實施例的濾波器功能的圖形；

圖4a-d是示意性地概述根據(jù)本發(fā)明實施例的濾波器功能的圖形；

圖5是概述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法的一般步驟的流程圖；并且

圖6是概述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法的一般步驟的流程圖。

具體實施方式

在本詳細說明中，描述了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的各種實施例。

圖1a是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的協(xié)同仿真和控制系統(tǒng)100的示意圖。該系統(tǒng)包括提供第一時間連續(xù)信號104作為輸出的第一子系統(tǒng)102。時間連續(xù)信號104被提供至濾波器106，后者是作為抗混疊濾波器的連續(xù)移動平均值(CMA)濾波器的形式。濾波器的功能將參照下面的圖2-4進一步描述。系統(tǒng)100進一步包括仿真第二實體系統(tǒng)的第二子系統(tǒng)110，該第二子系統(tǒng)110連接于抗混疊濾波器106以接收經濾波的時間連續(xù)信號108。此外，第二子系統(tǒng)110將時間連續(xù)輸出信號112提供至類似于第一濾波器106的第二CMA抗混疊濾波器114。相應地，第二濾波器114將經第二次濾波的信號116提供至第一子系統(tǒng)102。

圖1b是濾波器106CMA抗混疊濾波器的示意圖。濾波器包括被配置為對時間連續(xù)信號104積分的積分器120以形成積分信號122。積分信號被傳遞至采樣模塊124或采樣電路，采樣模塊124或采樣電路被配置為連續(xù)地對積分信號122采樣。采樣信號125隨后被傳遞至平均模塊126，平均模塊126被配置為由當前樣本S₀和在先樣本S_0-n(其中n>0)除以總采樣時間h*n形成平均值，其中h是采樣周期。平均模塊126連接于輸出模塊128，輸出模塊128于是提供經濾波的時間連續(xù)信號108。

用于時間連續(xù)輸入信號u的濾波器106能以數(shù)學方式描述為：

其中n是整數(shù)，也可稱為濾波器階次，h是采樣時間，t是時間并且y是時間連續(xù)輸出信號。

圖2-4是示意性地說明根據(jù)本發(fā)明實施例的不同信號的示例的圖形。應注意到，所述圖形不是按比例描繪的，并且y-軸標識僅示出信號的標志(sign)。

將參照圖5的流程圖論述圖2a-e的圖形，圖5描繪用于提供時間連續(xù)輸出信號的子系統(tǒng)的根據(jù)本發(fā)明實施例的方法的一般步驟。

首先，在步驟502中，通過第一子系統(tǒng)102提供第一時間連續(xù)信號104，此處如圖2a所示為正弦信號形式。圖2b示出積分的時間連續(xù)信號122，這是根據(jù)步驟504令時間連續(xù)信號104穿過積分器120的結果。接下來的506，通過采樣模塊對積分時間連續(xù)信號122進行采樣以形成如圖2c所示的采樣信號。通過信號的階梯變化表示采樣時間。圖2d示出根據(jù)步驟506用于形成平均值的時移采樣信號。時移信號被示為n＝2，202(虛線)連同圖2c的采樣信號204(點線)，并且也示出圖2b中所示的積分信號206(實線)。

對于n＝2的濾波功能原則上能被描述為：

并且在步驟508中，對于n＝2的平均值由當前樣本S₀和在先樣本S_-2除以總采樣時間2h形成，其中h是采樣周期。

圖2e示出根據(jù)步驟510對于n＝2的經最終濾波的時間連續(xù)信號108。在最終步驟512中，經濾波的時間連續(xù)信號108被提供至第二子系統(tǒng)110。

應注意到，即使信號僅定期地以離散方式根據(jù)使用的采樣率改變數(shù)值，信號108也被稱為時間連續(xù)的。信號108被稱為時間連續(xù)的，因為它是在時間連續(xù)域內被用作輸入至要求時間連續(xù)信號作為輸入信號的子系統(tǒng)的信號，因而它被視為時間連續(xù)的。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，子系統(tǒng)可提供時間離散信號作為輸出信號。這將在在下文中參照圖3a-d的圖形和圖6的流程圖進行描述。

用于時間離散輸入信號的濾波器可被數(shù)學地描述為：

其中u'是時間離散的輸入信號，n是也可被稱為濾波器階次的整數(shù)，并且y是時間離散的輸出信號。上述濾波器的使用可被視為其中以固定步進積分器模型化和仿真實體系統(tǒng)的情形。

首先，在步驟602中，通過第一子系統(tǒng)提供如圖3a所示的具有第一采樣率的第一時間離散信號。圖3b示出根據(jù)步驟604的總和時間離散信號。接下來，在步驟606中，使用低于第一時間離散信號的第一采樣率的第二采樣率對總和時間離散信號向下采樣(down-sampled)。所得的向下采樣信號如圖3c所示。

在下面的步驟608中，通過由當前樣本S₀和在先樣本S_0-n除以S₀至S_0-n范圍內的總樣本數(shù)h形成平均值，基于向下采樣信號形成平均值。隨后，在步驟610中，由圖3d所示的平均值形成平均信號。在本說明書中，n是等于第一采樣率與第二采樣率之間比率的整數(shù)。在最終步驟612中，經濾波的信號被提供至第二子系統(tǒng)。

在上述說明書中，總和時間離散信號首先被向下采樣并且隨后被平均。然而，應注意到同樣可以先平均信號隨后向下取樣，并且這在某些應用中是有利的。例如，在所述方法的特定實施中，在向下取樣步驟之前完成平均步驟是有利的，但是兩種不同順序在產生相同最終結果方面是數(shù)學等效的。

圖4a-d的圖形示意性地示出方法的示例，其中第一子系統(tǒng)產生如圖4a所示的連續(xù)采樣(觸發(fā))信號。此外，圖4a中信號的采樣頻率(采樣周期)不是恒定的。相反，它在預定范圍內或預定數(shù)量的取樣頻率之間變化。在采樣周期期間積分(非求和)采樣信號以形成圖4b所示的時間連續(xù)信號。

接下來，如圖4c中被示為406的時間連續(xù)信號被采樣以給出信號404，并且基于采樣信號404和時移信號402以類似于如上所述圖3a-d的方式形成平均信號。而且此處，可有利地取兩個采樣周期的平均數(shù)作為平均值。得到的平均信號被提供至第二子系統(tǒng)，如圖4d所示。

雖然已經參照其特點例證實施例描述了本發(fā)明，很多不同的變化、改進等等是本領域技術人員顯而易見的。此外，應注意到方法和系統(tǒng)的部分可被省略、互換或以各種方式設置，但系統(tǒng)和方法仍然能夠實現(xiàn)本發(fā)明的功能。特別地，應注意到可以與如上所述相比不同的順序完成所述方法的步驟，同時仍然提供所得到的相同輸出信號。

此外，所公開實施例的變化是可以理解的并且根據(jù)對附圖、公開內容和所附權利要求的研究受到實踐所請求發(fā)明的本領域技術人員的影響。在權利要求中，措辭“包括”不排除其它元件或步驟的存在，并且不明確的用語“一個”不排除多個。在彼此不同的從屬權利要求中記載的某些測量未示出這些測量組合的純粹事實不能帶來優(yōu)點。