ASPECTS OF STUDYING VEHICLE OPERATING CYCLES USING STAMM 4.1 SOFTWARE

ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ АВТОМОБИЛЕЙ В ПРОГРАММЕ STAMM 4.1

Научная статья

Маняшин А.В.*

ORCID: 0000-0001-8637-0755,

Тюменский индустриальный институт, Тюмень, Россия

* Корреспондирующий автор (awm_zub[at]mail.ru)

Аннотация

Известно, что некоторые параметры автомобиля во время движения изменяются случайным образом, под влиянием большого количества внешних факторов. Например, скорость автомобиля и связанные с ней параметры зависят от дорожной обстановки, состояния дорожного покрытия, погодных условий, стиля вождения и других факторов. С другой стороны, если транспортное средство простаивает, то большинство процессов являются стационарными, и их параметры изменяются довольно медленно. Поэтому чтобы воспроизвести эксплуатацию автомобиля, например, с целью нормирования расхода топлива или выбросов вредных веществ с отработавшими газами, часто используют типичные ездовые циклы. А сами эти испытания часто проводят с использованием компьютерного моделирования. Однако типичные ездовые циклы для автомобилей, выполняющих специальные функции, как правило, не используются.

Целью настоящей работы является оптимизация имитационных моделей эксплуатации автомобилей за счёт сокращения времени проведения эксперимента при сохранении требуемой точности модели.

Этот результат достигается использованием динамически меняющегося модельного времени. В работе рассмотрены особенности ездовых циклов автомобилей различного назначения. Представлена программа имитационного моделирования Stamm 4.1, реализующая при имитации эксплуатационных циклов автомобилей метод динамического изменения модельного времени, что позволяет существенно сократить продолжительность эксперимента.

Ключевые слова: ездовой цикл автомобиля, городские условия движения, имитационное моделирование.

ASPECTS OF STUDYING VEHICLE OPERATING CYCLES USING STAMM 4.1 SOFTWARE

Research article

Manyashin A.V.*

ORCID: 0000-0001-8637-0755,

Industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia

* Corresponding author (awm_zub[at]mail.ru)

Abstract

It is a known fact that under the influence of a large number of external factors some parameters of vehicles randomly change during driving. For example, the speed of a car and the parameters associated with it depend on the traffic and road surface condition, weather conditions, driving style, and other factors. On the other hand, if the vehicle is idle, most processes are stationary, and their parameters change rather slowly. Therefore, modal driving cycles are a common way of reproducing the operation of the car for the purposes of setting the rate of fuel consumption or emissions of harmful substances with exhaust gases. The tests are often carried out using computer simulations. However, modal driving cycles are usually not used for vehicles that perform special functions.

The purpose of the study is to optimize the simulation models of vehicle operation by reducing the time of the experiment while maintaining the required accuracy of the model.

This result is achieved using a dynamically changing simulation time. The research explores the features of driving cycles of the vehicles with various purposes. The study presents the simulation software Stamm 4.1, which implements the method of dynamic change of simulation time when simulating vehicle operating cycles, which significantly reduces the duration of the experiment.

Keywords: driving cycle of a car, urban traffic conditions, simulation modeling.

Введение

Автомобиль является системой, содержащей большое число элементов, имеющих сложные взаимосвязи друг с другом. В тоже время он сам является частью сложной системы водитель- автомобиль-дорога-среда. Поэтому процесс изменения скорости автомобиля при его эксплуатации в не является стационарным. Особенно это заметно в городских условиях, где величину скорости в каждый момент времени определяется взаимодействием с другими участниками дорожного движения. Между тем скорость автомобиля является важнейшим фактором, определяющим так называемый режим эксплуатации автомобиля. Поэтому при компьютерном моделировании режимов эксплуатации автомобиля очень важно достоверно воспроизвести его скоростной профиль.

Исходя из сказанного выше, моделирование эксплуатации автомобиля обычно осуществляется в форме имитационного эксперимента. Для воспроизведения скоростного профиля, соответствующего предполагаемым условиям эксплуатации автомобилей в таких моделях, обычно используются типичные ездовые циклы. Обычно выделяют ездовые циклы, соответствующие типу транспортных средств и перспективной области использования автомобиля. Например, городской цикл, внегородской, для автобусов, легковых автомобилей и грузовиков.

Однако не существует большого разнообразия типичных циклов для специальных автомобилей, хотя не сложно предположить, что они будут существенно отличаться от аналогичных профилей для универсальных транспортных средств, за счет необходимости выполнения первыми специальных функций. Кроме того, достаточно часто необходимо моделировать процессы, которые протекают не только при движении автомобиля, но и в время его простоя или стоянки. Это возможно, если использовать соответствующие эксплуатационные циклы, а при их воспроизведении в имитационной модели учитывать различную интенсивность изменения параметров в разных фазах цикла. 

Теоретическое обоснование использования типичных эксплуатационных циклов

Все известные в мире типичные ездовые циклы представляют собой зависимость скорости от времени или пройденного расстояния, то есть скоростные профили. Главное назначение типичных ездовых циклов – максимально точно соответствовать реальным скоростным профилям, соответствующим тем или иным условиям эксплуатации. Поэтому достаточно очевидно, что вид и содержание такого цикла будет существенно зависеть от того в каких условиях предполагается использовать автомобиль и какие дополнительные функции он должен выполнять, например останавливаться в соответствии с расписанием, если это автобус. Если рассмотреть реальные ездовые циклы универсального (рис. 1) и специального автомобиля (рис. 2), записанные в одно и то же время и на той же улично-дорожной сети, то можно заметить, что они существенно различаются.

Для описания режима эксплуатации автомобиля наиболее часто применяют ездовые или нагрузочные циклы. Как правило, это зависимость скорости от текущего времени или пройденного расстояния. Однако при изучении некоторых процессов или явлений, сопровождающих процесс эксплуатации, одного ездового цикла может быть недостаточно. Это особенно актуально, когда объект исследования рассматривается на достаточно продолжительном временном промежутке.

 

Рис. 1 – Ездовой цикл универсального автомобиля

 

Рис. 2 – Ездовой цикл автомобиля-бетоносмесителя

 

Анализ соотношения длительности различных операций выполняемых автомобилями разных типов в течение суток показывает существенные различия (рис. 3). Например, автокраны выполняют основную работу во время стоянки, поэтому часть времени, приходящаяся на движение автомобиля, минимальна. Автомобили-бетоносмесители, напротив, выполняют основную работу - перемешивание смеси в процессе движения, поэтому двигатель таких транспортных единиц практически не работает на холостом ходу.

Рис. 3 – Соотношение режимов работы в течение суток для различных типов автомобилей. Суточный эксплуатационный цикл автомобиля

 

Его использование может быть обосновано, если исследуется, например, тепловое состояние двигателя или уровень заряженности аккумуляторной батареи. Ниже представлены графические зависимости изменения скорости в течение календарных суток автомобилей различного назначения (рис. 4, рис. 5). Как видно из рисунков суточный эксплуатационный цикл состоит из двух базовых фаз – рабочей (2) структура, которой зависит от назначения автомобиля и фазы простоя (1 на рис. 4, 5) когда автомобиль хранится в гараже или на открытой стоянке. Примечательно, что рабочая фаза, представляющая собой ездовой цикл, содержит элементы остановки c работающим двигателем (рис. 6).

 

Рис. 4 – Суточный эксплуатационный цикл универсального автомобиля:

(1) фаза простоя; (2) рабочая фаза

 

Рис. 5 – Суточный эксплуатационный цикл специализированного автомобиля (автобетоносмеситель): (1) фаза простоя; (2) рабочая фаза

Рис. 6 – Рабочая фаза эксплуатационного цикла автомобиля

 

Имитационное моделирование эксплуатационных циклов в системе Stamm

Автором разработана программа Stamm [2], [3], которая предназначена для обработки и интерпретации экспериментальных данных (рис. 11). Одной из важных функция программы является имитационное моделирование. Предусмотрено два типа имитационных моделей – в виде специальной таблицы и объектные визуальные модели. Оба типа поддерживают динамическое изменение шага моделирования в ходе имитационного эксперимента. Такой подход позволяет значительно сократить затраты времени на проведение исследований. 

Использование переменного шага в имитационных моделях табличного типа

При использовании моделей табличного типа (рис. 7) программа Stamm использует специальную внутреннюю переменную «Step», в которой хранится численное значение шага моделирования. В моделях системной динамики представленных в виде таблиц эта переменная используется при переносе в ячейки данных табличной функции или при расчете данных, зависящих от времени. Например, значения шага моделирования может быть изменено в зависимости от текущего календарного времени суток, воспроизводимого в модели, в этом случае можно имитировать фазы суточного эксплуатационного цикла наземных транспортных средств с различным шагом приращения времени. На рис. 8 представлена панель для настройки управления табличными имитационными моделями. В случае, если в поле «Синхронизация по» присутствует адрес ячейки, то шаг времени моделирования динамически меняется в зависимости от значения переменной в этой ячейке.

Рис. 7 – Программа имитационного моделирования и первоначальной обработки данных Stamm 4.1

Рис. 8 – Панель настройки параметров модели табличного типа

Переменный шаг моделирования в объектных моделях

Когда используется объектная визуальная имитационная модель, динамическое изменение шага модельного времени происходит в специальных визуальных компонентах – «Формула» (рис. 9).

Рис. 9 – Объектная модель. Компонент «Формула»

 

Для динамического изменения приращения модельного времени нужно поместить в компонент логическое выражение, содержащее эту переменную (рис. 10).

Рис. 10 – Настройка шага модельного времени в параметрах компонента «Формула»

Заключение

Таким образом, при имитационном моделировании процессов, сопровождающих эксплуатацию автомобилей, необходимо учитывать приведенные ниже условия.

• Шаг моделирования в дискретных имитационных моделях определяется интенсивностью наступления событий в моделируемой системе. В непрерывных моделях адекватного воспроизведения изменения параметров сложных динамических процессов необходимо использовать достаточно малый шаг приращения времени моделирования или его изменение в процессе имитационного эксперимента.
• Переменное приращение времени моделирования реализовано, например, в Симулинк (The Simulation Parameters Dialog Box) и Transient (Variable Time step in Transient simulation, 2019). Иногда используют гибридный подход (Rossmann, 2008), (How to setup the simulation parameters in Xcos (Scilab)), (Solving Modelica Models, 2012). В основе большинства методов определения величины шага лежит метод Рунге-Кутта и значение переменной, найденное на предыдущем шаге моделирования. Это, в свою очередь, сопряжено с затратами ресурсов процессора, величина которых зависит от требуемого порядка точности. В программе Stamm оптимальное значение шага для разных периодов модельного времени вычисляется до начала моделирования с учетом теоремы Найквиста — Шеннона, а его изменение происходит с помощью условной синхронизации, как представлено выше.
• Эксплуатационные циклы автомобилей, содержат две резко отличающиеся по динамике процессов фазы – рабочую и фазу простоя. Причем рабочая фаза, сама содержит циклически повторяющиеся участки. Значительную долю циклов рабочей фазы в городских условиях составляют технологические остановки. Профиль изменения нагрузки на силовую установку во время технологической остановки определяется назначением автомобиля. Технологические остановки
• Для оптимизации модельного эксперимента целесообразно динамически менять шаг модельного времени с учетом динамики моделируемых процессов. Например, в процессе моделирования эксплуатационных циклов автомобилей целесообразно использовать разное численное значение приращения модельного времени в рабочей фазе и в фазе простоя. Кроме того, изменение модельного времени целесообразно применять при моделировании технологических остановок транспортных средств.
• В качестве программы имитационного моделирования эксплуатационных режимов автомобилей, можно использовать программу Stamm, поддерживающую изменение приращения виртуального времени во время. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Маняшин А. В. Моделирование расхода топлива автомобилями на базе типичных ездовых циклов / А. В. Маняшин, С. А. Маняшин. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2014 – 124 с.
2. Маняшин А. В. Использование Stamm 3.0 при решении научных и инженерно-технических задач / А. В. Маняшин. – Тюмень: ТИУ, 2017 – 191с.
3. Маняшин А. В. Статистический анализ данных и имитационное моделирование в системе Stamm 4.0 / А. В. Маняшин. – Тюмень: ТИУ, 2020 – 216 с.
4. The Simulation Parameters Dialog Box. Using Simulink. – [Electronic resource] : URL: http://www.ece.northwestern.edu/local-apps/matlabhelp/toolbox/simulink/ug/simulation5.html. (accessed: 12.11.2020)
5. Variable Time step in Transient simulation. Ansys Learning Forum. – [Electronic resource] : URL https://forum.ansys.com/discussion/7118/variable-time-step-in-transient-simulation. (accessed: 12.11.2020)
6. The Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure (WLTP). – [Electronic resource] : URL: https://www.vehicle-certification-agency.gov.uk/fcb/wltp.asp (accessed: 12.11.2020)

Список литературы на английском языке / References in English

1. Manyashin A V. Modelirovanie rashoda topliva avtomobiljami na baze tipichnyh ezdovyh ciklov [Modeling of Vehicle Fuel Consumption Based on Modal Driving Cycles] / A. V. Manyashin, S. A. Manyashin. - Tyumen: TSOGU, 2014 — 124 p. [in Russian]
2. Manyashin A V. Ispol'zovanie Stamm 3.0 pri reshenii nauchnyh i inzhenerno-tehnicheskih zadach [Using Stamm 3.0 for Solving Scientific and Engineering Problems] / V. Manyashin. – Tyumen: TIU, 2017 – 191 p. [in Russian]
3. Manyashin A V. Statisticheskij analiz dannyh i imitacionnoe modelirovanie v sisteme Stamm 4.0 [Statistical Data Analysis and Simulation in the Stamm 4.0 Software]/ V. Manyashin. - Tyumen: TIU, 2020-216 p. [in Russian]
4. The Simulation Parameters Dialog Box. Using Simulink. – [Electronic resource] : URL: http://www.ece.northwestern.edu/local-apps/matlabhelp/toolbox/simulink/ug/simulation5.html. (accessed: 12.11.2020)
5. Variable Time step in Transient simulation. Ansys Learning Forum. – [Electronic resource] : URL https://forum.ansys.com/discussion/7118/variable-time-step-in-transient-simulation. (accessed: 12.11.2020)
6. The Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure (WLTP). – [Electronic resource] : URL: https://www.vehicle-certification-agency.gov.uk/fcb/wltp.asp (accessed: 12.11.2020)