Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Vývoj korejských automobilů s použitím systému Matlab

Vývoj korejských automobilů s použitím systému Matlab

Automobilový průmysl je jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících průmyslových odvětví ve světě. Vedle mnoha renomovaných evropských i amerických automobilek se velmi dynamicky rozvíjejí automobilky v Koreji, které jsou jednou z hlavních součástí tamní ekonomiky. Korejský automobilový průmysl v současné době proniká do různých částí světa, i do střední Evropy. Na Slovensku nedaleko Žiliny stojí první evropský závod automobilky Kia. V prosinci loňského roku v něm byla zahájena výroba prvního automobilu této značky určeného pro evropský trh (viz http://www.kia.sk).

V České republice v Nošovicích na severní Moravě se začíná stavět závod korejské automobilky Hyundai, který by měl být výrobním centrem pro celou Evropu. Výroba by zde měla být zahájena v roce 2008 a plného výkonu dosaženo v roce 2009.

Potřeba jednotného vývojového prostředí

Zachovat konkurenceschopnost v automobilovém průmyslu nelze bez zvýšených nákladů na vývoj. Je tomu tak i proto, že automobily obsahují stále větší počet řídicích systémů. Management korejských automobilek pochopil, že k dosažení dobrého postavení na trhu je třeba investovat do vývoje. Známé vývojové středisko Automotive Control and Electronics Laboratory (ACE Lab, http://www.acelab.org, viz také dále) se tudíž spojilo s univerzitou v Hanyangu v Koreji. Hlavním důvodem byla právě nezbytnost zefektivnit tradiční postupy vývoje jednotlivých řídicích systémů automobilu, kdy vývojáři často ručně programovali jednotlivé části softwaru potřebné pro nové typy automobilů. Jednotlivé vývojové týmy se přitom potýkaly s problémy při vzájemné výměně či sdílení informací a především bylo velmi obtížné včas zjišťovat skryté chyby, „vyplouvající“ na povrch až v konečném stadiu vývoje nového vozu. V takových případech je nutné přinejmenším dílčí část vývoje opakovat, což ve výsledku znamená ztrátu času i peněz. Do budoucna bylo tedy nutné pro tyto činnosti najít jednotné vývojové prostředí.

Obr. 1.

Obr. 1. Model dynamiky automobilu s pohonem všech čtyř kol v prostředí Simulink/SimDriveline

Při hledání vhodných vývojových nástrojů se pracovníci střediska ACE Lab soustředili na produkty americké firmy MathWorks a jako jednotné vývojové prostředí vybrali její systém Matlab, vynikající mj. schopností snadné integrace již existujících vývojových nástrojů a procesů. Při práci se systémem Matlab a s jeho knihovnami mohou studenti z univerzity v Hanyangu současně obohacovat své znalosti a dovednosti z oblasti vývoje v automobilovém průmyslu, což jim významně usnadní vstup do vývojářské praxe po ukončení studia.

Systém Matlab v ACE Lab

Prostředí Matlab je univerzální prostředí pro vědeckotechnické výpočty s účinnou grafikou a s možností vytvářet uživatelské aplikační programy v jednoduchém programovacím jazyce s množstvím ladicích nástrojů. Systém Matlab je dotvářen několika dedikovanými nadstavbami a knihovnami, umožňujícími používat tento software v mnoha specializovaných oborech. Jednou z hlavních nadstaveb vlastního programu Matlab je prostředí Simulink, které je určeno k modelování a simulaci dynamických systémů. Vývojář při návrhu v tomto prostředí vytváří funkční blokové schéma cílového systému, jež je sestaveno z jednotlivých funkčních bloků s nastavitelnými parametry. Stejně jako jádro systému Matlab má i program Simulink mnoho nadstavbových knihoven, které umožňují stanovovat dynamické systémy jak z hlediska regulace, tak jako mechanické celky.

Obr. 2.

Obr. 2. Průběh dopředné rychlosti automobilu získaný s použitím simulačního modelu

Ve středisku ACE Lab se při vývoji využívá vedle programu Simulink i jeho nadstavba SimDriveline, ve spojení s programem Matlab určená k návrhu pohonných jednotek a hnacích ústrojí. Vstupem do systému je výkon nebo krouticí moment motoru a výstupem je odezva simulovaného modelu. Sestavené schéma rotačního mechanického systému lze kombinovat s ostatními bloky prostředí Simulink, a vytvářet tak modely regulovaných mechanických soustav. Schémata sestavená při použití nadstavby SimDriveline lze pomocí nadstavby Real-Time Workshop přeložit do kódu v jazyce C, který je po překladu součástí systémů reálného času. Popsaným způsobem lze provádět simulace typu Hardware In the Loop (HIL), kde jsou vytvořené modely přímo spojeny se skutečnými hardwarovými komponentami systému. Součástí nadstavby SimDriveline je několik specializovaných knihoven, obsahujících komponenty automobilu. Jde o různé typy převodovek (jednoduché, planetové, diferenciály atd.), spojky, části motoru, snímače, posilovače a dynamické prvky, jako jsou např. řízené třecí spojky nebo torzní tlumiče. Příkladem použití nadstavby SimDriveline je schéma popisující dynamiku celého automobilu s pohonem všech čtyř kol. Schéma obsahuje blok motoru, blok předního a zadního diferenciálu a blok s dynamikou podélného pohybu automobilu (obr. 1). Při simulaci se sleduje např. zatížení pneumatik, dopředná rychlost automobilu (obr. 2), otáčky kol apod.

Obr. 3.

Obr. 3. Model mechanismu spojky sestavený při použití bloků nadstavby Simulink (červeně) a z bloků knihovny SimMechanics (modře)

Systém Matlab s nadstavbou Simulink ovšem nabízí ještě další nadstavbovou knihovnu pro vývoj mechanických systémů. Je to knihovna SimMechanics, umožňující modelovat mechanické systémy složené z tuhých mechanických prvků a jejich sestav (skupiny tuhých mechanických těles, otočných a posuvných komponent, kloubů, snímačů apod.). Ukázka dvou modelů mechanismu spojky je na obr. 3, kde je dynamika spojky znázorněna jednak prostředky systému Simulink, jednak z bloků obsažených v nadstavbě SimMechanics. Na osciloskopu v pravé části obr. 3 jsou jako výstupy z obou modelů porovnány výstupní úhlové rychlosti. Rozdíl mezi výstupy z obou modelů je malý, řádu 6 · 10–14 (blok Error).

Jestliže jsou mechanické systémy závislé na elektrické energii, lze při modelování použít také nadstavbovou knihovnu SimPowerSystems. Do modelu tak lze zařadit elektromotory, dynama, polovodičové prvky atd.

Dalšími částmi systému Matlab, které středisko ACE Lab využívá, jsou nástroje Control System Toolbox a Signal Processing Toolbox. Nástroj Control System Toolbox se používá zejména k modelování řídicí jednotky motoru (ECU), zatímco Signal Processing Toolbox je určen ke zpracování měřených signálů. K automatickému generování kódu z modelů vytvořených v prostředí Simulink používají vývojáři ve středisku ACE Lab nadstavby Real-Time Workshop a Real-Time Workshop Coder. Výsledný ověřený kód je načten do cílové platformy Motorola MPC555 a HC2/2.

O středisku ACE Lab a dostupnosti produktů The MathWorks

Středisko ACE Lab bylo ustaveno konsorciem výrobců Hyundai/Kia Motors, Hyundai Mobis, Kefico a NGV se záměrem studia a posléze realizace síťově ovládaných elektronických prvků automobilů. Základním nástrojem pro navrhování automobilových řídicích systémů příští generace do roku 2011 je zde systém Matlab.

Distributorem produktů firmy The MathWorks v ČR a SR je společnost Humusoft s. r. o.

Ing. Karel Bittner,
Humusoft s. r. o.

Humusoft s. r. o.
Pobřežní 20
186 00 Praha 8
tel.: 284 011 730
fax: 284 011 740
e-mail: info@humusoft.cz
http://www.humusoft.cz