ADVISOR应用与案例分析中文版.docx
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ADVISOR应用与案例分析中文版
ADVISOR2002应用与实例分析
ApplicationofADVISOR2002
withExamples
武汉理工大学汽车工程学院张劼编
第一章ADVISOR介绍
1.1写给读者的话
1.1.1什么是ADVISOR，谁可从其运用中获益
ADVISOR（ADvancedVehIcleSimulatOR，先进车辆仿真器），最初源于美国再生能源实验室（NREL，NationalRenewableEnergyLaboratory），该软件基于Matlab和Simulink平台进行开发和运行，并且集模型、数据和脚本文件于一体。
ADVISOR主要用来对各种车辆的行驶状态和燃油经济性进行快速分析，涉及车种包括传统汽车、纯电动车及混合动力车型。
ADVISOR同时也支持对用户自定义的动力传动系统进行细致的仿真和分析。
用户可以在ADVISOR自带的车辆数据库和算法基础上进行修改和自定义，得到最佳模型和算法，以便充分利用Simulink灵活的建模能力和Matlab强大的分析能力。
ADVISOR对下述研究和活动具有积极意义：
●对还未制造出来的车辆进行燃油经济性估计；
●了解传统车辆、纯电动车以及混合动力车如何在整套动力传动系统中利用能量，以及能量在此间的损失情况；
●比较几种车型的尾气排放情况；
●为混合动力车的能源转换设备优化其能源管理策略；
●优化传动装置及变速器的齿轮比，减小燃油消耗并加强车辆性能，等等。
ADVISOR中的模型：
●多数基于经验，主要依靠在实验室测定的动力传动部件的输入/输出关系及性能；
●属于准静止模型，所用数据是在稳定状态下（例如保持转速与转矩不变）测试得到的，然后利用瞬间作用（例如动力传动部件的转动惯性）来修正所测值。
ADVISOR始自1994年11月，经历多次修改完善，旨在为美国能源部DOE（DepartmentofEnergy）开发某混合动力车的动力传动系统。
1998年1月，ADVISOR经过清理和文件化后，对外界开放。
至此，该软件逐步渗透到各企业与高校之中，采用率不断提高。
目前，ADVISOR已被AVL公司收购，处于项目冻结状态，不再提供版本更新。
对外免费公开的版本是ADVISOR2002，另有2004版本可免费试用4个星期。
随着汽车品种和汽车技术的不断发展，直接依靠软件自带的数据库和算法来进行模拟仿真，显然已经不够精准。
由于ADVISOR完全基于Matlab和Simulink，用户可以方便地修改数据库中的参数及结构，亦可优化算法，使仿真效果达到最佳。
1.1.2如何使用本书
本书可用作初学者的起步指导，也可为有一定基础的使用者提供参考。
初学者可按如下步骤循序渐进地学习和掌握ADVISOR：
●浏览第一章的介绍，获取相关领域的背景，了解ADVISOR作用；
●阅读第二章的主要使用方法说明，掌握ADVISOR的使用技巧和特点；
●阅读第三章的ADVISOR工作原理及附录，更好地掌握、理解ADVISOR的假设条件及文件输入/输出功能，提升软件应用能力。
1.2软件能力及预期使用
ADVISOR利用基础物理学和汽车部件在实验室测定的性能，来对已经存在的车型或未来车型进行建模。
其真正强大之处，就在于对未制造出的车辆进行性能预测。
“如果像这样来造一辆车，会是什么性能呢？
”ADVISOR正是用来解答此类问题。
解答结果通常就是给出一系列的指标，例如燃油消耗、尾气排放、加速及爬坡性能等。
通常，使用者需要完成两个步骤：
●利用已测定的部件和估计部件，定义出需要仿真的车，并且完善所有数据；
●.为车辆定义循环行驶试验工况以及道路等级。
ADVISOR将所建汽车模型置于定义的状态下进行仿真，确保汽车在最佳性能下行驶，测定每一瞬间的转矩、速度、电压、电流以及动力在各部件间的传递情况。
ADVISOR允许使用者求解如下的问题：
●测试汽车可以按照定义循环行驶工况完成运行吗？
●测试需要消耗多少燃油或者电能？
●动力传动部件传递的峰值功率怎样？
●充电状态下，电池在整个循环中的波动情况如何？
●活塞发动机产生的转矩和转速是怎么分配的？
●变速器平均效率如何？
通过重复改变汽车参数及循环行驶工况，使用者可接着解答如下的问题：
●在何种等级的路面上，车辆可以大致保持90km/h？
●选配最小的发动机，但要让车辆在12s内从0加速到100km/h；
●3s内由65km/h加速到100km/h，要怎样操作才能使油耗最少？
●燃油经济性对哪个因素最敏感，质量、空气动力学因素、车辆型号变化还是部件变化？
ADVISOR的GUI（GraphicalUserInterfaces，图形用户界面）和其他脚本文件可以自动解答这些问题。
其他问题需要使用者手动操作，甚至编程解答。
由于ADVISOR是模块化的，它的各种部件模型可以轻松扩展和改进。
例如，电池的电化学模型（包括扩散、极化和热作用）可以很容易地放入仿真汽车中，与发动机模型协同作用，按照测试得到的效率图进行工作。
当然，对动力传动部件或其他任何部分的模型进行改进和细化，都要求对Matlab和Simulink工作环境较为熟悉。
1.3软件限制
ADVISOR主要用于分析，而非设计
ADVISOR已发展为一款分析软件，从一开始就没有试图去解决详细的设计问题。
它的部件模型是准静止的，不能预测小于0.1s时间范围内的一些现象。
机械振动、电场振荡等动态特性不能通过ADVISOR仿真。
这时，需要与其他一些软件（如Saber、Simplorer、Sinda/Fluint）连接，在这些软件中得到数据，然后传回ADVISOR，来改善ADVISOR对动态问题的解决能力。
作为一款分析软件，ADVISOR将所需车速作为一个输入项，据此来决定传动系的转矩、速度和功率，以便配合车速。
此时，信息流的方向为轮胎→车轴→变速箱，与动力传动系统的传递方向刚好相反，因此ADVISOR被称为背向车辆仿真。
另一种仿真方式即为前向车辆仿真。
这种方法需要一个驾驶员模型来感知当前车速，并根据所需车速来做出反应（加速或者制动），动力传动系统也会因此做出反应，改变转矩。
这种仿真方法非常适合控制系统的设计，例如集成电路和PC板的实现层面设计。
ADVISOR非常适合做估计工作；通过反复改进模型并进行测试，也可用来设计控制逻辑和管理策略。
据此，我们可以定义诸如“当发动机输出转矩低而电池电量高时，断开发动机”这样的命令。
ADVISOR可执行的控制逻辑，就是使用者希望车辆所做的动作。
然而，更加具体的控制系统设计（例如如何利用硬件来实现控制逻辑）涉及到如何让车辆完成定义的动作，这就不是ADVISOR的应用初衷了，因此无法用ADVISOR来解答这些问题。
电能转换器使用功率总线
ADVISOR中，电气部件与其他部件的连接主要考虑功率，而非电压和电流。
当与其它软件（如Saber和Simplorer）建立连接时，ADVISOR可以为使用者提供电压总线。
驱动轴只能为单轴
车辆动态计算需要牵引力控制模型和轮胎滑移模型，这些模型是假设驱动轴仅为前轴的情况下建立的。
如果想要建立后轴驱动车辆的模型，只需简单的几步就可修正重量转移的计算。
作为例子，一个车轮文件已经被修改过并存于软件文档中。
若要建立四轮驱动车辆的模型，就必须涉及Simulink的重新编程。
第二章ADVISOR的使用
这一章将着重讲解利用GUI及Matlab命令行的简单指令，来使用ADVISOR。
2.1使用GUI（图形用户界面）
首先介绍如何启动ADVISOR。
由于Matlab版本不断升级，在装载ADVISOR2002工具包后，必须利用advisor2002patchforR13.m文件对其进行更新，以便适应高版本的Matlab。
现在推荐的启动方式为：
●先启动Matlab，进入其工作界面；
●在命令栏输入“advisor”并回车，或在路径窗口中找到advisor.m文件，进入文件并点击运行按钮。
启动后的欢迎界面如图2.1.1所示。
图2.1.1ADVISOR的欢迎界面
首先，可以在单位（Units）栏中选择使用公制单位还是英制单位。
右侧为主要按钮：
●Start开始按钮，即进入使用；
●Help帮助按钮，可进入ADVISOR自带的帮助文档；
●CopyrightandDisclaimer版权及否认声明；
●Exit退出。
在开始键上方还有个下拉菜单，使用者可以把经常要使用的模块添加到菜单里（点击下拉键，选择editlist来实现添加，如图2.1.2所示），在开始仿真前就选好模块，提高效率。
图2.1.2利用下拉菜单预先选择模块
2.2定义车辆
点击Start进入定义值输入界面。
进入后可看到一系列定义车辆的缺省值，如图2.2.1所示。
图2.2.1定义值输入界面
动力传动类型选择
从动力传动类型的菜单（界面右部顶端第二个下拉菜单，名为“DrivetrainConfig”）中选择车辆的动力传动构造类型（例如串联型、并联型等等）。
一旦更改类型，会导致左侧的汽车图示一起改变，以便形象地显示现在所选的动力传动结构。
选定动力传动类型后，此种类型所需的各个部件也会做出相应的更改调整。
这里将缺省值parallel（混合动力车，发动机与电动机并联）改为conventional（传统汽车），变化如图2.2.2所示。
可以明显看到，图示车辆的动力传动结构变成了熟悉的传统布局。
图2.2.2更改DrivetrainConfig后的效果
各部件的选择
选定好动力传动类型后，可针对汽车的各个组成部件进行类型选定。
可在右侧中部的一系列表单中进行选取，例如发动机的类型、轮胎类型、电池组类型等等,如图2.2.3所示。
亦可在左侧图上点击相关的部件来进行修改，如图2.2.4所示。
图2.2.3右侧的选择表单
图2.2.4点击左侧图例的轮胎，跳出的编辑对话框
编辑变量
选择好汽车所需的部件后，可以对各项输入变量进行修改。
一种方法是通过右下角的变量表单来进行修改。
如图2.2.5所示，在部件栏中选择部件，在变量栏中选择该部件的某项变量，然后点击编辑变量EditVar按钮，就可自定义此变量的数值了。
定义界面如图2.2.6所示，ViewAll可以查看曾经用过的值，Help可以查看该变量的属性和单位。
图2.2.5部件变量修改栏
图2.2.6变量定义界面
另一种修改方式就是在右侧的方框内直接输入数值。
例如修改发动机的最大功率（maxpwr），增加峰值效率（peakeff），如图2.2.7所示。
图2.2.7直接在数据框内修改变量图2.2.8三个质量的定义
这里要注意右下角三个定义质量的方框，如图2.2.8所示。
第一个CargoMass是装载质量，第二个CalculatedMass是汽车质量，第三个overridemass是优先质量，若选择了优先质量并定义数值后，该值就会取代汽车质量来进行运算。
载入和保存汽车构造
点击右侧顶部第一个按钮LoadFile或下拉菜单，可以载入特定的汽车构造。
点击底部的保存按钮Save，可以将当前的汽车构造保存起来，保存形式为“文件名_in.m”。
保存好的汽车构造文件可以在载入下拉菜单中找到并应用。
查看部件信息
在左侧中部有两个下拉菜单，通过第一个菜单选择不同部件，通过第二个菜单选择不同的图示，这样就可以在下方的图示区查看部件的各项信息。
如图2.2.9所示。
图2.2.9查看各部件的信息
自动尺寸
点击自动尺寸按钮Auto-Size，软件将自动为选定的汽车匹配参数，使其满足加速和爬坡要求。
这些匹配参数主要有发动机转矩范围、电动机转矩范围、能量存储模块（主要就是电池）数量和汽车质量等。
设定最小转矩范围时，必须使峰值输出功率达到45kW。
电池数量必须限制，使其产生的最大名义电压为480V。
缺省工况为坡度保持在最小为6%，速度保持为90km/h，并且汽车0-100km/h加速时间要小于12s，0-135km/h加速时间小于23.4s，65-100km/h加速时间小于5.3s。
后退与继续按钮
点击后退按钮Back，可回到开始界面，这样做会丢失所有的未保存信息。
点击继续按钮Continue，将会进入仿真模拟设置界面，如图2.2.10所示。
图2.2.10仿真模拟界面
2.3进行仿真
仿真模拟界面提供多种测试方案，可以任意选择来测试已经定义好的车辆。
行驶循环工况选择
点击右侧第一个圆点单选按钮，此时行驶循环工况的功能激活，如图2.3.1所示。
在下拉菜单中有一系列的行驶循环工况（DriveCycle）可供选择。
在这里还能设置循环工况的重复次数（#ofcycles）、电池充电状态修正（SOCCorrection）和初始条件（InitialConditions）。
过滤器（CycleFilter）使得所选循环工况平滑输出。
图2.3.1行驶循环工控的选择
自定义形式循环工况
除了应用软件已有的循环工况，使用者也可建立自己需要的循环工况。
点击TripBuilder按钮，就可进入编辑界面，如图2.3.2所示。
在Cycle1-Cycle8中选择不同的工况，并修改重复次数，这样就能生成了自己所需的工况了。
图2.3.2自定义行驶循环工况
附加载荷
点击附加载荷按钮Elec.Aux.Loads，跳出编辑界面，如图2.3.3所示。
通过该界面可以选择不同的附加载荷（主要是各种电器及附属设备在车辆行驶时的消耗），并且定义这些载荷在循环工况的作用时间段。
图2.3.3附加载荷设置界面
电池充电状态修正
这里提供两种SOC修正方式：
线性修正和零增量修正。
线性SOC修正方式进行两路仿真模拟：
第一路给出SOC的正变化，第二路给出SOC的负变化。
修正后的变量值（如每公里耗油量和排放等）按照线性关系，从SOC的零变化状态插入到两路模拟的数据点中。
零增量修正方式则是调整初始SOC，使得仿真计算时的SOC始终在0处，不产生变化（波动范围在±0.5%）。
如图2.3.4所示。
电池修正是为了了解不使用电池时车辆的性能状态。
图2.3.4SOC修正方式
恒定路面坡度
点击恒定路面坡度ConstantRoadGrade前的方框进行勾选，再修改参数，就可以为行驶循环工况设定一个始终不变的路面坡度。
如图2.3.5所示。
图2.3.5恒定路面坡度设定
互动仿真
点击互动仿真InteractiveSimulation前的方框进行勾选，就会进入互动仿真界面。
该界面提供实时的互动仿真，如图2.3.6所示。
图2.3.6互动仿真界面
多循环测试
有时需要用几种不同的行驶循环工况来对车辆进行测试，这时可以利用多循环测试功能一次性完成，而不需要一次次重复进行做测试。
如图2.3.7所示，先选中多循环测试MultipleCycles前的圆点单选按钮，然后单击MultipleCycles按钮，可进入多循环的选择界面，如图2.3.8所示。
在这里就可以选择需要用来测试的多种循环工况
图2.3.7多循环测试的选择
图2.3.8多循环设置界面
特定程序测试
选择该功能时，使用者可以在下拉菜单中选择所需的测试类型来进行仿真。
如图2.3.9所示。
图2.3.9测试程序设置
加速测试
选择加速测试AccelerationTest前的勾选方框，然后点击加速测试选项AccelOptions，如图2.3.10所示，可进入加速测试的编辑界面，如图2.3.11所示。
定义好加速测试的参数后，加速测试就被添加到所选循环工况中。
在仿真结果中将会显示加速时间、最高加速度和5s内的加速距离。
在循环工况菜单中选择CYC_ACCEL，就可以查看加速测试每一秒的状态。
图2.3.10加速测试的选择
图2.3.11加速测试编辑界面
爬坡能力测试
功能和使用方法与加速测试相似，如图2.3.12和图2.3.13所示。
选择爬坡能力测试GradeabilityTest后，结果界面将会给出在设定速度下的最大爬坡度。
图2.3.12爬坡能力测试的选择
图2.3.13爬坡能力测试编辑界面
参数研究
点击参数研究ParametricStudy，可以观察3个以内参数的变化对汽车性能的影响。
参数的上下限可以设置，取值点数也可设置。
如图2.3.14所示。
图2.3.14参数研究的设置
载入仿真设置
点击载入仿真设置按钮LoadSimSetup，可以调用以前保存的仿真。
优化控制策略变量
点击优化控制策略变量按钮Optimizecsvars，弹出控制策略变量的编辑菜单，如图2.3.15所示。
对其中的参数进行修正，以便生成使用者所需的最佳控制策略。
图2.3.15控制策略变量的优化
保存
点击保存按钮Save，将当前的仿真设置保存下来。
计算
点击计算按钮Run，计算机就对当前的仿真设置进行运算求解，等运算完成后将自动弹出结果界面。
2.4观察输出结果
结果界面
结果界面如图2.4.1所示，可以给出多项总结性结论（如燃油经济性、排放和总行驶距离等）。
该界面左侧为图示区域，使用者可以选择不同的变量（从右侧的下拉菜单中选择，如图2.4.2所示）来观察其随时间的变化情况，图示区域的出图数量可以选择，但最多不超过四张。
如果在仿真界面选择了加速和爬坡能力测试，其测试结果也会显示出来。
图2.4.1结果界面
图2.4.2选择要出图的变量
点击能量利用界面按钮EnergyUseFigure，将会弹出一个界面，用以展示仿真过程中汽车能量的利用和转化情况，如图2.4.3所示。
点击输出检测图按钮OutputCheckPlots，将会输出一系列的车辆状态图，这些图中有的是不在时域下的，故方便使用者查看和调用。
点击重现按钮Replay，可以再次演示动态互动界面上的内容。
此功能在特定程序测试和多循环测试状态下无效。
图2.4.3能量利用界面
点击工具菜单tools，选择发动机运转情况FCoperation，可以看到整个仿真过程中发动机转速和转矩的选取情况，以及燃油的利用情况，如图2.4.4所示。
图2.4.4发动机运转情况
参数研究的结果界面
如果在仿真设置里选择的是参数研究，那么计算结果也会自动给出。
对于两参数研究（三维图，X、Y轴为两个研究参数，Z轴为汽车的某项性能指标），旋转按钮可以让使用者看到图的任意一边。
对于三参数研究（X、Y、Z轴各代表一个研究参数，汽车的性能指标以色彩表现），可以绘出任意切面。
轨迹偏移分析
当仿真车辆偏离预定的行驶循环工况时，轨迹偏离分析文件夹trace_miss_analysisclass被自动调入进行运算。
运算后得到偏离严重程度的数据信息，该信息显示在结果界面的警告/消息（Warnings/Messages）窗口中。
第三章ADVISOR工作原理及机制
3.1ADVISOR文档结构
图3.1.1ADVISOR文档结构
3.1.1文件交互作用及数据流
●输入脚本定义工作空间的变量，也能调用其他输入脚本。
例如MC_PM32.m。
●模块为Simulink文档，文档包含用来计算输出量的方程式，比如通过发动机的工况图来计算燃油消耗。
这些模块都是模型，例如BD_PAR.mdl。
●输出脚本通过查询工作空间来对模型的输出进行后处理。
这些后处理包括绘图和检错两大部分，例如chkoutputs.m。
●控制脚本既可对输入进行改进，也可对输出进行处理。
例如ADVISORGUI和优化程序。
3.1.2文件地址
ADVISOR主路径（例如C:
\ADVISOR或C:
\ProgramFiles\ADVISOR）下还包含若干个子路径。
这些子路径主要为数据、GUI和模型路径，其下包含相关文档。
3.1.3文档命名习惯
所有的模型和数据文档都用“前缀_*”来表示，该前缀和定义变量用的前缀一致。
使用到这些变量的Simulink块的结尾都会给出该前缀，置于尖括号<>中。
这里给出ADVISOR部件文档的类型：
ACC_*.MAccessoryloadfiles附加载荷文档。
CYC_*.MDrivingcyclefiles,whichdefinevariablesstartingwithcyc_,usedintheblocklabeled驾驶循环工况文档，其定义的变量以前缀cyc_开头，这些变量在标有的块中被使用。
ESS_*.MEnergystoragesystemdatafiles,whichlikewisedefinevariablesstartingwithess_,usedintheblocklabeled能量存储系统数据文档，其定义的变量以前缀ess_开头，这些变量在标有的块中被使用。
EX_*.MExhaustaftertreatmentfiles（suchascatalysts）处理后的排放（如三元催化）文档。
FC_*.MFuelconverterdatafiles燃油转化器（发动机）数据文档。
TX_*.MTransmissiondatafiles（theseincludegearbox-gbandfinaldrive-fdvariables）传动系数据文档（包括变速箱gearbox-gb和主减速器finaldrive-fd变量）。
GC_*.MGenerator/controllerdatafiles发电机/控制器数据文档。
MC_*.MMotor/controllerdatafiles电动机/控制器数据文档。
PTC_*.MPowertraincontroldatafiles,whichdefineenginecontrol,clutchcontrol,andhybridcontrolstrategyvariablesstartingwithvc_andcs_,usedinblockslabeledand动力系控制数据文档，定义了发动机控制、离合器控制和混合控制策略变量，以前缀vc_和cs_开头，这些变量在标有和的块中被使用。
TC_*.MTorquecouplerdatafiles转矩耦合器数据文档。
VEH_*.MVehicledatafiles汽车数据文档。
WH_*.MWheel/axledatafiles轮/轴数据文档。
除了上述部件数据文档，还有另外一类使用前缀的文档：
BD_*.MDLSimulinkblockdiagrams（models）Simulink模块（模型）。
所有文档名的前缀都使用大写字母，而变量名的前缀使用小写字母，这样可避免混淆。
3.1.4在ADVISOR中添加文档
最简单易行的方法就是对已有的同类型文档进行修改，然后以新文档名保存。
当然，新文档名也要保持ADVISOR的命名规则，存于适当路径下。
这样就可保证，用来定义部件的变量都包含于文档内，不至于出现错误。
在GUI中点击相关按钮可弹出窗口，引导使用者来添加车辆部件或驾驶循环工况文档。
3.1.5查看输入文档
部件文档和几乎所有ADVISOR文档都是text文本文档（除了包含Matlab确切数据的mat文档），可以通过任何tex
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