文 献 综 述
- 引言
半物理仿真又称物理-数学仿真，或半实物仿真，半物理仿真是指针对仿真研究内容，将被仿真对象系统的一部分以实物（或物理模型）方式引入仿真回路；被仿真对象系统的其余部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型，借助物理效应模型，进行实时数学仿真与物理仿真的联合仿真。半物理仿真出现于20世纪50年代，早期主要应用于武器装备的研制和测试，如导弹、核弹、战斗机的研发过程，具有缩短研制周期、降低实验成本、减少实验危险性等优势。随着计算机控制技术发展及其在机电系统中广泛集成，半物理仿真应用越来越广泛，基于半物理仿真的系统研发方案在航空航天、汽车、机器人等多个领域得到了广泛认同，这为半物理仿真技术的发展起到了巨大的推动作用[1]。
- 研究背景及意义
我国的新能源汽车起步于上世纪八十年代，“十二五”之后，中国成立“电动汽车重大科技专项”，我国的电动车的发展趋势终于清晰[2]。“纯电驱动”将成为我国新能源汽车技术的发展方向，其中，电池、电机、电控等一系列技术有待于获得重点发展。到2015年止，我国新能源汽车销量达到同类车型总销量的1%左右，迎来第一次产业化的高潮。就市场发展层面而言,各国电池和插电式混合动力汽车的销量都十分可观。排名第一的是中国,2017年中国的销量比前一年增长了约70%。此外在2017年,中国纯电动与插电式混合动力汽车在新注册车辆中的占比超过了2%,成为首个超过这一比例的国家。紧随其后的是法国,虽然法国的绝对销量低于德国,但其市场占有率略高,销量增长较为温和,同比增长25%。排名第三位的德国,其电动汽车需求增长了90%以上,纯电动与插电式混合动力汽车在新注册车辆中的比例约为1.5%。
随着电池与电机技术的进步，发展纯电动汽车成为了全球汽车工业的总趋势，而电池技术、电机技术和控制器技术则是电动汽车所特有的技术,这3项技术是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素[3]。要克服这些因素，则需要仿真平台的辅助。在现代汽车企业的竞争中，产品的质量、成本和投放市场周期是最核心竞争力的体现，而半物理仿真实验平台也在这三个方面起着相当大的作用。建立数学模型并利用计算机对实际情况进行仿真分析，不仅便于灵活的调整设计方案，优化设计参数，而且可以降低科研费用以及试验风险，缩短开发周期。作为前期工作我们有必要对电动汽车的电子控制系统和性能进行仿真研究。
- 国内外研究情况
半物理仿真系统系统及其应用水平，与建模方法、硬件设备、实时操作系统、相关专用工具等支撑技术密切相关。国外发达国家在以上支撑技术研究方面起步较早，并且凭借其在计算机技术方面的发展优势，使得半物理仿真研究设备研制及其应用等方面的发展水平领先于国内。目前，已经在商业化并被广泛应用的设备有以下几种：
1) 美国 Math Works 公司的 x PC Target。它是目前应用较广的低成本半物理仿真系统。该系统采用上位机/目标机( 仿真机) 架构，提供了最基本的、半开放的半物理仿真软硬件环境，用户可根据应用需求自行配置系统所支持的硬件板卡及开发所需软件。由于 x PC Target 仅支持 Matlab /Simulink模型，使得其半物理仿真模型受Simulink建模技术约束，不适于对液压等复杂系统进行半物理仿真应用。
2) 美国国家仪器( NI) 公司的 Lab VIEW－ＲT实时仿真平台。以其在信号采集板卡和信号模拟板卡方面的巨大优势，被广泛应用于测试系统开发。在Lab VIEW－ＲT实时仿真平台提供了强大的信号模拟和实时运行环境，能够满足大多数半物理仿真所需的信号模拟和强实时要求。但该仿真平台提供的仿真工具Lab VIEW 仅适合进行简单的信号逻辑处理，不适合描述具体的物理特征模型。此外，上位机管理程序 Veri Stand 提供的模型导入工具必须依赖利用 Simulink 或C语言建立的数字模型，无法提供模型分析功能，也无法实现系统级的资源分配和组合优化。
3) 加拿大 Opal－ＲT 公司的 ＲT－Lab 实时仿真系统。采用上位机/目标机架构实现，其模型集成依赖 Simulink，主要采用 x86 处理器和 QNX 实时操作系统，支持的系统总线包括 PCI、ISA、PXI 等。与 Lab VIEW － ＲT 平台类似，ＲT － Lab 的主要特点是其仿真机的强实时环境，满足半物理实时仿真所需的实时特性。但是，其数字模型仍然依赖Simulink生产的模型C代码，仅在该模型代码的基础上，添加了模型实时控制层，实现了模型程序在仿真机上的实时运行，缺少对系统模型的复杂度分析和合理调度，也无法实现多领域问题的统一建模。
4) 德国d SPACE 公司的d SPACE 实时仿真平台。基于 Simulink模型进行半物理仿真，由于其在时性和系统稳定性方面的突出表现，在汽车半物理仿真系统设计中被广泛使用d SPACE 实时仿真平台通过提供模型与硬件实时仿真接口，减少系统开发量的同时也提高了系统的稳定性，但由于其系统的封闭性，无法支持第三方板卡，除较好支持汽车半物理仿真系统所需信号以外，暂无法满足大多数其他领域半物理仿真的系统信号模拟。
目前，国内的半物理仿真系统已得到了广泛应用，特别是在导弹武器全系统研制、试验和定型过程中。另外，在半物理系统误差分析、基于反射内存的网络实时化和进程实时控制等关键技术的研究方面也取得了突出的进展。但是，半物理仿真设备研制仍处于原型阶段。并且，由于国内在计算机系统开发、计算机处理器和信号板卡研制等方面缺少标志性成果，目前国内的半物理仿真系统大多需要依赖国外先进系统与处理器。例如，北京恒润科技的 Hi Gale 高性能通用实时仿真平台，需要Matlab / Simulink建模和进行代码生成，并主要依赖NI 的信号板卡进行数据采集; 神州惠普科技的 App-SIM实时仿真机也是依赖Matlab / Simulink 建模和代码生成; 苏州同元软控的液压起落架半物理仿真验证平台，依赖 Simulink 生成目标机代码。通过以上半物理仿真平台的介绍和比较可以发现，在半物理仿真平台研制方面，国外具有明显优势，但由于受建模工具的影响，其在多领域建模和系统级仿真方面仍然无法满足研发需求[4] 。
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