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» 2016年09月28日 10時00分 UPDATE

いまさら聞けないHILS入門(5):HILSとプラントモデル(その1) (1/3)

車載システムの開発に不可欠なものとなっているHILSについて解説する本連載。今回は、実世界の電気信号やHILS内部のデジタル信号と関連して動作する「プラントモデル」がどのようなものであるかについて考えてみましょう。

[高尾英次郎,MONOist]

 連載の第3回第4回の2回にわたって、実世界の電気信号とHILS内部のデジタル信号とのインタフェース回路について説明しました。今回は、これらの信号と関連して動作するプラントモデルとはどのようなものかを考えてみましょう。

エンジントルク発生の仕組み

 エンジントルク発生の仕組みを図1でおさらいします。発電システムのエンジンは、4気筒4ストロークのガソリンエンジンとします。エンジンは、①吸入行程、②圧縮工程、③燃焼・膨張行程および④排気行程の4つの行程を行います。

図1 図1 エンジントルク発生の仕組み(クリックで拡大) 参考資料:知っておきたいカーエレクトロニクス基礎(5):ガソリンエンジン制御の主役「EFI」と「ESA」

 「吸気工程」では、スロットルバルブや吸気バルブの抵抗がなければ、行程容積に等しい大気が流れ込みます。しかし、エンジンが高速回転して時間が限られると同時に、スロットルバルブや吸気バルブによって吸気通路が絞られているために吸気流量が制限を受けます。吸気量制御のために設けられているスロットルバルブは、大きく開くと吸入量が増加し、バルブを閉じると吸入量が減少します。

 ガソリンエンジンは、吸気量に合わせて混合気が爆発する濃度となるように、インジェクターから燃料を噴射します。燃料噴射量の制御は、噴射時間を調節することで行います。

 イグニッションプラグは、「圧縮工程」終了段階の上死点前に放電を行い、混合気に点火します。放電時期は、エンジン回転数や混合気量に対して最適の時期に行います。

 「燃焼・膨張行程」で、混合気は爆発的に燃焼して熱を発生し、高温高圧のガスとなります。温度と圧力の上昇の度合いは、吸入された混合気の量と濃度、点火時期によって変化します。高温高圧のガスは、ピストンを押し下げクランク軸を通して回転力(トルク)を発生します。

物理モデル

 工学的手法を使って上記の仕組みの物理法則を計算モデルとして構築することにより、エンジン状態変化をシミュレーションすることができます。このシミュレーションの方式を物理モデルと呼びます。

 物理モデルを構築するには、吸気排気の流動、温度圧力変化、燃焼と熱発生、圧力によるトルク発生などの多様な現象についての幅広い専門知識が必要です。また、必要とされる数十〜数百の計算式を記述しなければなりません。

 今日では、1Dシミュレーションツールを使って専門知識を補完しつつ、効率的に計算モデルを作ることができます。CAEソフト(連載第2回の表1 代表的なHILSのソフトウェアを参照)を使用することにより、さらに精密なプラントモデルを構築することも可能です。

 物理モデルの特徴は、対象システムの設計仕様があれば、実機が存在しなくてもプラントモデルを作成できることです。精密なモデルであっても、サイクル時間内に計算実行できる範囲ならば、HILSに組み込むことができます。逆に、対象システムの物理的な仕組みを理解できない場合や設計仕様が得られない場合は、物理モデルを作ることができません。

 図2は、発電機システムのプラントモデルのイメージです。プラントモデルを作成する前段階の機能ブロックとデータフローを示しています。ここで注意すべきは、HILSのプラントモデルには上述のトルクを発生するエンジン本体だけでなく、アクチュエーターやセンサーのサブモデルが不可欠なことです。アクチュエーターモデルは、エンジンECUの出力信号を得て、エンジン本体が必要とする物理量を作り出してエンジン本体に渡します。また、プラントモデルの状態をECUに渡すためには、プラントモデル状態からHILSのセンサー信号発生回路が必要とするデータを作り出すセンサーモデルが必要です。アクチュエーターとセンサーモデルは共に、エンジン本体ほど複雑ではありませんが、物理的な仕組みを分析してモデルを構築しなければなりません。

図2 図2 発電機システムのプラントモデルのイメージ(クリックで拡大)

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