Оценка дополнительной погрешности результатов имитационного моделирования информационно-телематических систем - Статья

Вестник ХНАДУ, вып. ПРОГTRIALО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИРассмотрена программно-аппаратная реализация информационно-измерительного комплекса исследования рабочих процессов гибридной силовой установки в ходе ездовых испытаний гибридного автомобиля. Ключевые слова: информационно-измерительный комплекс, гибридная силовая установка, испытательный ездовой цикл, обработка результатов измерений. ПРОГРАМНО-АПАРАТНИЙ КОМПЛЕКС ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ ГІБРИДНОЇ СИЛОВОЇ УСТАНОВКИ Ключові слова: інформаційно-вимірювальний комплекс, гібридна силова установка, випробувальний їздовий цикл, обробка результатів вимірювань. PROGRAM-MEASURING COMPLEX FOR RESEARCHES OF WORKINGS PROCESSES IN POWER SETTING OF HYBRID CARТакие исследования требуют создания новых инструментальных средств для исследования рабочих процессов гибридных силовых установок в ходе ездовых испытаний автомобиля. В процессе ездовых испытаний гибридного автомобиля осуществляется оптимизация системы управления его силовой установки, эмпирический подбор некоторых параметров, определяющих ее функционирование, сравнительная оценка экономичности и экологической безопасности гибридного автомобиля по сравнению с базовой моделью на различных режимах движения. Для осуществления этих задач необходима регистрация основных параметров, характеризующих протекание рабочих процессов гибридной силовой установки в ходе ездовых испытаний автомобиля. Достаточно полное представление о функционировании тягового электропривода на основе вентильного электродвигателя с электромагнитным возбуждением, LIION тяговой аккумуляторной батареи, системы рекуперации энергии, двигателя внутреннего сгорания МЕМЗ-307 и системы управления гибридной силовой установкой обеспечивает регистрация в процессе движения автомобиля следующих параметров: - сигнала управления электромагнитным моментом вентильного электродвигателя; Функциональная схема информационно-измерительного комплекса, обеспечивающего сбор, регистрацию, первичную обработку и сохранение в памяти персонального компьютера основных параметров, характеризующих протекание рабочих процессов гибрид-Вестник ХНАДУ, вып.Разработанный программно-аппаратный комплекс исследования рабочих процессов гибридной силовой установки обеспечивает возможность оптимизации управления ее агрегатами, параметрической идентификации моделей агрегатов силовой установки, оценку эффективности использования гибридныхХарактерная для современных цифровых вычислительных систем ограниченная размерная сетка, используемая для представления данных в их памяти, обуславливает дополнительную погрешность результатов ИМ, которая может оказаться существенной и соизмеримой с исходными данными. Одни и те же ошибки в вычислениях, обусловленные форматом хранения данных, характерны и для универсальных математических пакетов, и для программ, реализующих алгоритмы решения частных задач (табл. Дополнительная погрешность результатов ИМ различается как для распросtrialнных библиотек С и С , так и для одних и тех же 114 библиотек С и С при их использовании на различных вычислительных архитектурах (IA-32 и amd64) и операционных системах.

Кафедра автомобильной электроники Харьковского национального автомобильно-дорожного университета в последние годы стала общепризнанным лидером в области отечественных исследований экономичных и экологически безопасных транспортных средств. На кафедре были созданы два опытных гибридных автомобиля с параллельной схемой гибридной силовой установки на базе серийных автомобилей «Таврия-пикап» ЗАЗ-11024-08 и «Сенс» ЗАО «Запорожский автомобилестроительный завод». В настоящее время ведутся исследования в области структурной и параметрической оптимиза- 104 ции силовых установок гибридных транспортных средств, разработки методов и алгоритмов оптимизации и адаптации управления силовыми установками для повышения их экономичности и экологической безопасности. Такие исследования требуют создания новых инструментальных средств для исследования рабочих процессов гибридных силовых установок в ходе ездовых испытаний автомобиля.

Анализ публикаций

На кафедре автомобильной электроники накоплен богатый опыт создания высокотехнологичных инструментальных средств контроля, регистрации и диагностики параметров и характеристик автомобильных силовых установок. Так, в работах [1, 2] описаны компьютеризированные системы контроля параметров автомобильных двигателей внутреннего сгорания, в частности программно-аппаратный комплекс оценки остаточного ресурса ДВС и компьютеризированная система диагностики состояния цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма ДВС. В работе [3] представлен программно-аппаратный комплекс для исследования характеристик системы управления инжекторным ДВС. Один из вариантов построения информационно-измерительного комплекса для исследования рабочих процессов силовой установки гибридного автомобиля описан в [4]. Рассмотренный комплекс использовался в ходе ездовых испытаний гибридного автомобиля на базе серийного автомобиля «Таврия-пикап». Создание нового гибридного автомобиля на базе «Сенс» потребовало модификации инструментальных средств исследования рабочих процессов гибридной силовой установки. Созданный для этих задач новый программно-аппаратный комплекс рассматривается в данной работе.

Цель и постановка задачи

В процессе ездовых испытаний гибридного автомобиля осуществляется оптимизация системы управления его силовой установки, эмпирический подбор некоторых параметров, определяющих ее функционирование, сравнительная оценка экономичности и экологической безопасности гибридного автомобиля по сравнению с базовой моделью на различных режимах движения. Для осуществления этих задач необходима регистрация основных параметров, характеризующих протекание рабочих процессов гибридной силовой установки в ходе ездовых испытаний автомобиля.

Вестник ХНАДУ, вып. 64, 2014

Достаточно полное представление о функционировании тягового электропривода на основе вентильного электродвигателя с электромагнитным возбуждением, LIION тяговой аккумуляторной батареи, системы рекуперации энергии, двигателя внутреннего сгорания МЕМЗ-307 и системы управления гибридной силовой установкой обеспечивает регистрация в процессе движения автомобиля следующих параметров: - сигнала управления электромагнитным моментом вентильного электродвигателя;

- тока тяговой аккумуляторной батареи (тока разряда в электротяговом режиме и заряда - при рекуперативном торможении);

- напряжения тяговой аккумуляторной батареи;

- напряжения бортовой сети автомобиля;

- сигнала управления эффективным крутящим моментом ДВС;

- длительности импульса впрыска топлива; - расчетного часового расхода топлива;

- скорости вращения коленчатого вала ДВС; - скорости автомобиля;

- текущего времени ездового цикла.

Данные параметры позволяют также оценить синергетический эффект от функционирования указанных агрегатов в составе гибридной силовой установки при различных режимах движения автомобиля. Период дискретизации выбранных параметров при их регистрации определяется динамическими свойствами рабочих процессов в отдельных агрегатах, составляющих гибридную силовую установку. Исследования показывают, что для оценки показателей качества процесса управления может использоваться период дискретизации 30 ? 40 мс. Данный период дискретизации обеспечивает регистрацию с достаточной точностью процессов с наименьшими постоянными времени. Однако для обеспечения удобства дальнейшей обработки результатов измерений данный период дискретизации должен использоваться для всех регистрируемых параметров.

Особенности программно-аппаратной реализации информационно-измерительного комплекса

Функциональная схема информационно-измерительного комплекса, обеспечивающего сбор, регистрацию, первичную обработку и сохранение в памяти персонального компьютера основных параметров, характеризующих протекание рабочих процессов гибрид- Вестник ХНАДУ, вып. 64, 2014 ной силовой установки в ходе ездовых испытаний автомобиля, представлена на рис. 1.

Данный комплекс осуществляет регистрацию диагностических параметров, считываемых из САУ ДВС (МИКАС - 10.3), а также дополнительных параметров, специфических

105 для гибридной силовой установки исследуемого автомобиля. При этом информационно-измерительный комплекс может работать в полуавтоматическом режиме под управлением оператора, осуществляющего контроль процесса испытаний, либо в автоматическом режиме по заранее заданной программе.

Блок преобразования и регистрации сигналов

Токи разряда/заряда ТАБ ( ITAB )

Сигнал управления ВЭД (?M )

Датчик тока (CSLA1EL) ITAB ? ?625A max

2

u? ? 0?6,5 B

Устройство нормализации сигналов

U1 = 0 ? 10,3 B

5к1 4к42

1к3 2С156А U2 = 0 ? 31,6 B

12к0

Контроллер на базе C8051F040

Панель индикации, управления и контроля

Буферное ОЗУ (128 кб)

Напряжение ТАБ UTAB ? 0?80 B (UTAB )

1к0

U3 = 0 ? 90,1 B

34к8

1к0

2С156А АЦП-12 бит, 3 канала

(uвх = 0 ? 2,4 В)

3В

DC/DC - 10В преобразователь

5В

2С156А UART / RS-232 ±15В UИП = 9 ? 36 B

Напряжение борт. сети (UBS )

Положение ДЗ ДВС (?D )

Дл. имп. впрыска топлива (?T )

Адаптер K-line / USB

USB 1

RS-232 / USB мост

USB 2

UИП = 12 B

Аккумуляторная батарея

UИП = 12 B

Часовой расход топлива ( GT )

Скор. вращ. КВ ДВС ( ?KV )

ПК (Ноутбук с соответствующим ПО)

~ 220 B DC/AC - преобразователь

Скорость автомобиля (VA ) Оператор

САУ ДВС МИКАС - 10.3 trialee время ( t )

Рис. 1. Информационно-измерительный комплекс исследования рабочих процессов ГСУ

Подключение комплекса к диагностическому соединителю САУ ДВС осуществляется с использованием адаптера линии связи K-line / USB.

Для обеспечения регистрации параметров, характеризующих функционирование отдельных систем и агрегатов гибридного автомобиля, которые не фиксируются САУ ДВС, используется специально разработанный блок преобразования и регистрации сигналов (БПРС). Данный блок осуществляет циклический опрос подключенных датчиков информации, выделение полезного сигнала на фоне мешающих воздействий методом фильтрации, аналого-цифровое преобразование сигналов с разрешением 12 бит, синхронизацию поступающих по различным информационным каналам данных, буферизацию информационных потоков для их согласования с пропускной способностью каналов связи, передачу данных в персональный компьютер (ПК), стабильное электропитание при изменении внешнего питающего напряжения в широких пределах, преобразование интерфейса UART в RS-232. Кроме того, БПРС обеспечивает некоторые функции интерфейса оператора. Для связи БПРС с ПК используется внешний преобразователь RS-232 / USB.

БПРС выполнен на базе микроконтроллера C8051F040 фирмы Silicon Laboratories. При

106 этом его функциональные возможности обеспечивают регистрацию до восьми аналоговых сигналов с разрешением 8 бит, до четырех сигналов с разрешением 12 бит, а также измерение мгновенной скорости вращения ротора вентильного двигателя или коленчатого вала ДВС при возможности задания периода дискретизации сигналов в диапазоне 0,011?35,6 мс. Для исследования рассматриваемой гибридной силовой установки был выбран период дискретизации сигналов - 35,6 мс.

Качественный и количественный состав датчиков, подключаемых к БПРС, определяется особенностями технической реализации гибридной силовой установки, а также целью и программой исследований. Неиспользуемые функциональные возможности БПРС не отображены на приведенной функциональной схеме.

Сигналы, поступающие с аналоговых датчиков информации, подвергаются нормализации и преобразованию в сигнал напряжения, изменяющийся в диапазоне uвх = 0,0 2,4 В. Все используемые измерительные каналы БПРС были проградуированы с помощью образцовых измерительных средств. Полученные градуировочные характеристики использовались в процессе первичной обработки данных.

?

Буферизация информационных потоков для их согласования с пропускной способностью каналов связи осуществляется при помощи буферного оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) емкостью 128 кб, выполненного с использованием интегральной микросхемы BS62LV1027SIP70. ОЗУ подключено к центральному контроллеру посредством параллельного интерфейса с совмещенными шинами адреса и данных и обеспечивает время доступа в диапазоне 0,1356 ? 1,356 мкс.

Емкость буферного ОЗУ ограничивает время одного сеанса непрерывной регистрации параметров. При использовании буферного ОЗУ емкостью 128 кб и регистрации трех дополнительных параметров (сигнал управления электромагнитным моментом, ток тяговой аккумуляторной батареи и напряжение тяговой аккумуляторной батареи) с точностью аналого-цифрового преобразования 12 бит время одного сеанса непрерывной регистрации составляет 777,8 с (13 мин).

Вестник ХНАДУ, вып. 64, 2014

Для стабилизации электропитания БПРС и датчиков, входящих в состав информационно-измерительного комплекса, а также для по-давления высокочастотных помех бортовой сети служит DC/DC преобразователь на базе FDD05-05S4 (Chinfa Electronics Ind. Co., LTD). Данный преобразователь обеспечивает устойчивую работу аппаратных средств и необходимые метрологические характеристики при изменении напряжения внешнего электропитания комплекса в диапазоне 9 ? 36 В.

Для измерения токов разряда и заряда тяговой аккумуляторной батареи используется линейный датчик тока CSLA1EL фирмы Honeywell, позволяющий бесконтактным способом измерять постоянный, переменный и импульсный токи в диапазоне ±625 А. Датчик построен на базе интегрированного линейного датчика Холла 91SS12-2, обладающего повышенной температурной стабильностью и характеризующегося температурным дрейфом ?0,05% o C . Датчик имеет аналоговый выход, напряжение на котором прямо пропорционально величине измеряемого тока в диапазоне

0,25?Uip.I ?Udat.I ?0,75?Uip.I , где Uip.I ?10 B - напряжение питания датчика. При нулевом измеряемом токе на выходе датчика действует напряжение смещения, равное половине напряжения источника питания. Регулировка чувствительности датчика производится путем выбора числа витков проводника вокруг кольца магнитопровода. Учитывая возможный диапазон изменения тока ВЭД в ходе испытаний, использовалась намотка в два витка. Постоянная времени, характеризующая быстродействие датчика, ?I ?3,0мкс.

В ходе испытаний питание программно-аппаратного комплекса осуществляется от стартерной аккумуляторной батареи. При этом для питания ноутбука, входящего в состав комплекса, используется DC/AC-преобразователь.

С целью анализа данных, регистрируемых информационно-измерительным комплексом, разработан пакет прикладных программ для системы компьютерной математики MATLAB, который обеспечивает предварительную обработку данных и графическое отображение

Вестник ХНАДУ, вып. 64, 2014 исследуемых параметров в виде, удобном для пользователя.

В ходе предварительной обработки значения физических величин определяются с учетом полиномиальной аппроксимации экспериментальных статических характеристик датчиков и измерительных каналов БПРС. После этого сигналы обрабатываются цифровым фильтром с передаточной функцией

N?1

1

?

? ?

?1

WF z ? z n?0

N и амплитудно-частотной характеристикой j2?w 1 sin?N?w? F N sin ?w

? ?

W e

?

, ? ? где w ? ?T /2? - нормированная частота; ? - частота входного сигнала в рад/с; T - период дискретизации; N - порядок фильтра. Для канала измерения тока N ?11, а для каналов измерения сигнала управления ВЭД и напряжения ТАБ - N ? 21.

Кроме этого производится расчет показателей качества управления, показателей экономичности силовой установки и статистических данных процесса испытаний: удельного расхода топлива, количества израсходованного топлива и затраченной электроэнергии, общего пройденного пути.

Разработанный программно-аппаратный комплекс исследования рабочих процессов гибридной силовой установки обеспечивает возможность оптимизации управления ее агрегатами, параметрической идентификации моделей агрегатов силовой установки, оценку эффективности использования гибридных

107 технологий на различных режимах движения автомобиля. Кроме этого данный комплекс, учитывая его функциональную гибкость, может использоваться для исследования других автомобильных силовых установок, решения задач идентификации математических моделей, диагностики, прогнозирования технического состояния и т. п.Характерная для современных цифровых вычислительных систем ограниченная размерная сетка, используемая для представления данных в их памяти, обуславливает дополнительную погрешность результатов ИМ, которая может оказаться существенной и соизмеримой с исходными данными.

Одни и те же ошибки в вычислениях, обусловленные форматом хранения данных, характерны и для универсальных математических пакетов, и для программ, реализующих алгоритмы решения частных задач (табл. 1).

Реализации одних и тех же математических функций, в частности специальных, зависят от биtrialек языков программирования и trial основываться на различных моделях. Дополнительная погрешность результатов ИМ различается как для распросtrialнных библиотек С и С , так и для одних и тех же 114 библиотек С и С при их использовании на различных вычислительных архитектурах (IA-32 и amd64) и операционных системах.

Для уменьшения дополнительной погрешности результатов ИМ следует увеличивать разрядную сетку и применять соответствующие библиотеки. При этом не следует ориентироваться на платформозависимые решения, такие как формат расширенной точности, который поддерживается x87 сопроцессорами, т. к. для компиляторов С и С он практически реализован только в GNU Linux. В других ОС, как правило, используют вычисления в формате с удвоенной точностью.

Применение библиотек вычислений с произвольной точностью может привести к существенному падению производительности вычислений.

Для компиляторов gcc и g можно порекомендовать использование библиотек quadmath и boost, которые обеспечивают наименьшую дополнительную погрешность вычислений.

1. Бажинов А. В. Программно-аппаратный комплекс оценки остаточного ресурса двигателя внутреннего сгорания / А. В. Бажинов, Е. А. Серикова // Вестник ХНАДУ - 2009. - Вып. 45. - С. 79-84.

2. Бажинов А. В. Компьютеризированная система диагностики цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма двигателей внутреннего сгорания / А. В. Бажинов, Е. А. Серикова // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля - 2009. - № 11. - С. 17-21.

3. Бороденко Ю. М. Програмно-апаратний комплекс для дослідження характеристик системи керування інжекторним ДВЗ / Ю. М. Бороденко, О. А. Сєрікова // Автомобильный транспорт. - 2009. - Вып. 25. - С. 9-12.

4. Информационно-измерительный комплекс для исследования рабочих процессов силовой установки гибридного автомобиля / С. А. Сериков, В. Я. Двадненко, Ю. Н. Бороденко, А. Н. Сергиенко // Вісник СЕВНТУ. Серія «Машиноприладобудування та транспорт». - 2013. - Вип. 143/2013. - С. 122-126.

Рецензент: О. П. Алексеев, профессор, д. т. н., ХНАДУ

Статья поступила в редакцию 24 марта 2014 г.

108 Вестник ХНАДУ, вып. 64, 2014

УДК 004.222:004.43

ОЦЕНКА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

О. В. Мнушка, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет1. IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic. - New York, 2008. - 70 р.

2. Handbook of Floating-Point Arithmetic / [J.-M. Muller, N. Brisebarre, F. de Dine-chin]. - Basel: Birkhauser, 2009. - 572 p.

3. Аноприенко А. Я. Особенности представления вещественных чисел в постбинарных форматах / А. Я. Аноприенко, С. В. Ива-ница // Математичні машини і системи. - 2012. - № 3. - С. 49-60.

4. Why and How to Use Arbitrary Precision / [K. Ghazi, V. Lefevre, Ph. Theveny, P. Zim-mermann] // Computing in Science and Engineering. - 2010. - Vol. 12; № 3. - P. 62-65.

5. Кулямин В. В. Стандартизация и тестирование реализаций математических функций, работающих с числами с плавающей точкой / В. В. Кулямин // Программирование. - 2007. - № 33(3). - С. 1-29.

6. ISO/IEC 10967-1:2012. Information technology. Language independent arithmetic. Part 1: Integer and floating point arithmetic. - Geneva. - 144 p.

Вестник ХНАДУ, вып. 64, 2014

7. Muller J.-M. On the definition of ulp(x) [Электронный ресурс] / J.-M. Muller, INRIA Technical Report 5504. - INRIA: 2005. - Режим доступа: http://www.ens-lyon.fr/LIP/Pub/Rapports/RR/RR2005/RR 2005-09.pdf. - 2014.

8. Мазманишвили А. С. Визуализация информационных характеристик электро-магнитной обстановки в системах спутниковой связи / А. С. Мазманишвили, О. Я. Никонов // Вісник СУМДУ. Серія «Технічні науки». - 2008. - № 4. - С. 30-37.

9. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / [М. Абрамовиц, И. Сти-ган]. - М.: Наука, 1979. - 832 с.

10. Jerushim M. Simulation of Communication System. Modeling, Methodology, and Technics / M. Jerushim, P. Balaban, K. Sam Shanmugan. - Kluwer Academic Publisher, 2000. - 908 p.

11. Kramer W. Multiple/arbitrary precision interval computations in C-XSC / W. Kramer // Computing. - Springer, 2012. - Vol. 94; Is. 2-4. - P. 229-241.

12. Мнушка О. Особенности реализации формата IEEE 754 чисел с плавающей точкой в компиляторах языка C/C / О. В. Мнушка // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: материалы 15-го Юбилейн. Межд. молодеж. фор. Сб. матер. фор.; 18-20 апр. 2011. Т. 9. Межд. конф. «Информационные интеллектуальные системы» - Х.: ХТУРЭ, 2011. - С. 240-241.

13. Computer Approximations / [J. F. Hart, E. W. Cheney, C. L. Lawson]. - 1968. - 354 p.

14. Cody W. J. Rational Chebyshev approximations for the error function / W. J. Cody // Math. Comp. - 1969. - № 23. - P. 631-637.

15. Using the GNU Compiler Collection (GCC) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.8.2/ gcc/ - 04.2014.

Рецензент: О. Я. Никонов, доцент, д. т. н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 28 февраля 2014 г.