Brevet FR2755525A1 — publié le 19980507

La présente invention concerne une méthode de modélisation d'un circuit ou réseau hydraulique ou électrique permettant une large automatisation des opérations de détermination des valeurs de différents paramètres de fonctionnement. Le calcul ou la simulation du fonctionnement de réseaux hydrauliques ou électriques présentent des difficultés dès lors qu'il s'agit de créer des logiciels qui ne sont pas dédiés à une configuration unique et sont capables de s'adapter facilement à des évolutions ou variantes du circuit pour lequel ils ont été conçus. On sait que les réseaux électriques et hydrauliques peuvent être modélisés de façon semblables car les phénomènes qu'ils mettent en jeu peuvent être traités en utilisant le même formalisme mathématique. Pour simuler le comportement hydraulique et thermique d'un moteur par exemple, il est connu de décomposer les circuits o circule les fluides en petits éléments dont les paramètres caractéristiques sont pour chacun les pressions et températures des fluides en question à leurs extrémités et les débits qui les traversent. Pour chaque élément, on écrit une équation correspondant à la relation quadratique existant entre la variation de pression dans l'élément et le débit, compte-tenu des pertes de charge linéiques et singulières. On obtient de cette manière autant d'équations que d'éléments, auxquelles il faut ajouter les relations qui traduisent la conservation des débits aux différents noeuds du circuit. Le nombre total de relations F correspond finalement au nombre de variables inconnues qui relient les pressions aux extrémités des éléments et les débits qui les traversent. Ces relations entre les pressions, les débits et les pertes de charge sont du type: Elément i: Fi(pi-1, Pi, Qj) = Ri (1) Noeud j: Fj(Qk) = _kQk = Rj (2) o Ri et Rj sont des résidus non nuls au départ que l'on cherche à minimiser. La résolution de l'ensemble de ces équations est réalisée simultanément suivant un algorithme d'optimisation non linéaire analogue par exemple à celui de Levenberg- Marquardt,bien connu des spécialistes. En partant des fonctions, l'algorithme comporte le calcul des variables Pi et Qj de manière que les résidus Ri, Rj soient sensiblement nuls lorsque la convergence est atteinte. Les variables sont initialisées en affectant à toutes les pressions et les températures, les valeurs respectives mesurables à l'entrée du circuit c'est-à-dire à la sortie de la pompe de circulation. Les débits à chaque sortie (paliers, pissettes etc. dans le cas de circuits de lubrification par exemple) sont ensuite déterminés compte- tenu de ces pressions, ce qui permet d'initialiser les débits traversant chaque élément. Le calcul s'effectue en boucle, par itérations successives, les valeurs en début de boucle des débits et des températures sont comparées aux valeurs correspondantes en fin de boucle, jusqu'à ce que les écarts deviennent inférieurs à un proportion fixée (généralement 1%). Les températures et tous les paramètres concernant la thermique (flux thermique entre le fluide et les parois) sont traités après que les débits aient été calculés. Pour modéliser un circuit ou réseau électrique, on a à résoudre des ensembles d'équations analogues reliant pour chaque élément, l'intensité du courant qui y passe, la chute de tension électrique à ses bornes et son impédance. Deux types de méthode sont pratiqués pour la modélisation de circuits ou réseaux. Tous les deux impliquent le découpage du circuit en en éléments simples interconnectés. Suivant l'un, le réseau est simulé par un calcul en série o les paramètres de fonctionnement des différents éléments sont calculés successivement selon un ordre prédéterminé, chaque étape donnant les conditions initiales de la suivante. Suivant le deuxième, les éléments sont traités en parallèle, les paramètres de fonctionnement sont calculés simultanément et de façon indépendante. La liaison entre eux est réalisée par un algorithme d'optimisation. Les deux types de méthode sont pratiqués mais le deuxième est généralement considéré comme plus performant et plus apte que le premier à des adaptations pour des configurations a priori quelconques. Des exemples de l'art antérieur dans le domaine de la modélisation des circuits de moteurs sont décrits notamment par: - Huebner, K.H., "A Simplified Approach to Flow Network Analysis: Application to Engine Lubricating Systems"; SAE paper 750080, 1975; ou - Neu, E.A. et al, "Simulating the Lubrication System of a Diesel Engine", SAE paper 770032, 1977; - Trapy, J. et al, "An Investigation of Lubricating System Warm-up for the Improvement of Cold Start Efficiency and Emissions of S. I. Automotive Engines"; SAE paper 902089, 1990. Les méthodes connues, quelles soient de type "série" ou "parallèle", ont pour défaut commun qu'un changement de l'architecture ou configuration des réseaux implique une modification du système d'équations qui décrivent ses éléments, et par voie de conséquence, une obligation de réécrire une partie au moins du code numérique qui traite les équations de modélisation. Les modifications qu'il faut lui apporter pour l'adapter à un nouveau circuit ne sont pas simples, hors généralement de la compétence du simple utilisateur. La méthode selon l'invention propose une nouvelle organisation des tâches de modélisation qui rend possible l'écriture ou la réécriture du code de modélisation d'un circuit par utilisation de routines de programmation spécialisées, si bien que la modélisation d'un circuit peut être conduite directement par un utilisateur ne possédant aucune connaissance particulière en programmation. Elle comporte le découpage du circuit en éléments définis chacun par un ensemble de données caractéristiques, et la résolution combinée d'équations traduisant la circulation du fluide le long de chacun des éléments du circuit. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte la constitution préalable et la mémorisation d'au moins un fichier ordonné des éléments du circuit o les données caractéristiques de chacun des différents éléments du circuit sont définies et reliées à celles d'au moins un élément de circuit directement en amont, et l'utilisation d'outils logiciels d'édition spécialisés permettant la mise en relation fonctionnelle des données caractéristiques de tous les éléments du circuit compte-tenu de leurs positions respectives imposées par le dit fichier, le modèle convenant spécifiquement à ce circuit étant réalisé automatiquement à partir des données mises en relation. Pour la modélisation d'un circuit hydraulique par exemple, on constitue un fichier ordonné o chaque élément simple est défini par des données de positionnement, des données géométriques et/ou éventuellement des données thermodynamiques (pression, température, débit etc.), en relation avec des données d'au moins un élément simple en amont. La méthode peut comporter aussi par exemple l'incorportation de conditions aux limites pour les données caractéristiques, imposées par des éléments fonctionnels (pompes, filtres, échangeurs etc.) connectés au circuit. On constitue le fichier ordonné en associant par exemple à chaque élément un numéro d'ordre propre, un numéro d'ordre associé à chaque élément directement à la jonction amont, sauf s'il est en tête, le nombre de sous-éléments inclus dans l'élément, quand on peut le fractionner en plusieurs portions de même géométrie, et l'identité d'un élément fonctionnel éventuellement connecté à lui. On peut compléter le fichier de données de positionnement en associant à chacun desdits éléments, le numéro d'ordre d'au moins un élément connecté à lui à la jonction aval, sauf s'il est terminal. Pour constituer le fichier ordonné, on peut associer par exemple à chaque élément ou à chaque sous-élément s'il est fractionné, des données géométriques permettant de calculer la perte de charge qu'il produit. 2755525 La méthode selon l'invention est avantageuse car sa mise en oeuvre est rapide et peu contraignante. La phase de génération du modèle approprié à un circuit particulier, est rendue tout à fait transparente pour l'utilisateur et débouche sur des outils de calcul directement exploitables capables de fournir tous les renseignements utiles à l'utilisateur. Les outils logiciels sont élaborés une fois pour toutes et totalement indépendants des données qu'ils traitent. En cas d'évolution du circuit, il suffit de modifier en conséquence le fichier ordonné des éléments le nouveau modèle qui lui correspond étant obtenu directement par application automatique de ces outils, aux données du nouveau fichier. Il s'ensuit une diminution très importante des coûts de modélisation. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation appliquée à un circuit hydraulique, en se référant aux dessins annexés o - la Fig. 1 montre un organigramme de la méthode suivie; et la Fig. 2 illustre un exemple de mode de numérotation des éléments d'un circuit représenté schématiquement. L'automatisation recherchée dans la construction du modèle de circuit est rendue possible selon l'invention, par une partition ordonnée du circuit en éléments de base définis chacun par un ensemble de paramètres aussi bien géographiques que géométriques et en utilisant des pré- processeurs PP1, PP2, PP3 qui ont pour objet d'éditer les sous- programmes et les données adaptés à la simulation d'un circuit particulier, le programme exécutable étant obtenu classiquement en compilant les sous-programmes ainsi créés et en effectuant une édition de liens. Les pré- processeurs sont utilisés en deux étapes: a) une étape d'édition du fichier de base ordonné avec des données caractérisant le circuit, et b) une étape d'édition des fonctions et de sous-programmes spécifiques à partir de ces données. La modélisation d'un circuit passe d'abord par sa décomposition en éléments, leur rattachement à une catégorie et la définition des données géographiques et géométriques qui les concernent, de façon à constituer une base de données. Constitution du fichier de données de base F1 Pour établir le fichier de base de données, on respecte de préférence les recommandations suivantes: - Il est en premier lieu conseillé de tracer un schéma du circuit, o apparaîtront les débranchements, les changements de direction, de section, les composants (filtres, échangeurs etc.), les organes en sortie de circuit (paliers, orifices divers, etc.). - D'après le schéma du circuit, on délimite ensuite les différents éléments constitutifs. Ils doivent être à la fois assez nombreux pour que l'on dispose d'indications sur les pressions et températures en suffisamment de points du circuit (ces variables ne sont en effet calculées qu'à l'entrée et à la sortie des éléments), mais pas trop nombreux cependant pour que le temps de calcul, compte-tenu des moyens de calcul disponibles, reste dans des limites raisonnables. Si les opérations de modélisation sont menées avec un micro-ordinateur de type PC par exemple, on peut limiter par exemple à 100 le nombre d'éléments, et à , celui des variables (pressions, débits) ce qui correspond au nombre maximal d'équations à résoudre et aussi à la somme du nombre d'éléments et du nombre de noeuds du réseau. Pour limiter le nombre d'éléments, on peut regrouper au sein d'un même élément, plusieurs sous-éléments de même nature tels que par exemple des portions de conduite de même nature (de même section par exemple). Avec les mêmes moyens de calcul que précédemment, on fixe à 200 par exemple, le nombre total maximal de sous-éléments. - Il ne doit pas y avoir de débranchement entre les extrémités d'entrée et de sortie d'un même élément. Un noeud dans le circuit sera donc obligatoirement localisé à la jonction de plusieurs éléments. - Les sorties du circuits sont obligatoirement rattachées à des éléments, dont elles constitueront la terminaison. - Pour satisfaire à la précédente obligation, on pourra définir si nécessaire des éléments dits "virtuels". Ce sont des éléments qui n'ont qu'une existence formelle, toutes les données les concernant étant nulles, exceptées celles qui se rapportent à leur position dans le circuit. Ils sont utiles pour simuler des sorties qui autrement ne pourraient pas être des terminaisons d'éléments, des orifices dans une paroi de conduite par exemple. Il suffit dans ce cas de définir un élément "virtuel" portant l'orifice, que l'on reliera à l'élément précédent en créant un noeud et un débranchement. On accroît de cette manière le nombre de variables et d'équations, sans incidence notable sur le temps de calcul, car les fonctions Fi qui représentent les éléments virtuels sont systématiquement considérées comme nulles par l'algorithme de résolution. - Lorsque tous les éléments sont définis, on leur attribue un numéro d'ordre. Il est préférable que la numérotation aille en croissant de l'entrée du circuit vers les sorties, l'élément d'entrée étant toujours le numéro 1. Il est recommandé de numéroter le circuit branche par branche comme le montre l'exemple de la Fig. 2 o les éléments de circuit sont successivement numérotées de 1 à 9 entre une entrée E et des sorties S 1 à S5. La partition du circuit en éléments simples numérotés ayant été soigneusement menée, on peut former le fichier de base de données spécifique au circuit à modéliser en attribuant à chaque élément à la fois des données géographiques et géométriques. Données géographiques pour chaque élément - numéro d'ordre que l'opérateur impose à l'élément; - numéros d'ordre des éléments (ou de l'élément s'il est unique) connectés à lui à la jonction amont, sauf s'il est en tête; numéros d'ordre des éléments (ou de l'élément s'il est unique) connectés à lui à la jonction aval, sauf s'il est terminal; - nombre de sous-éléments inclus dans l'élément, quand on peut le fractionner en plusieurs portions de même géométrie (de même section par exemple); - présence éventuelle d'un organe particulier tel que filtre, échangeur etc. Données géométriques de chaque élément (ou de chacun de ses sous-éléments s'il est fractionné - longueur de l'élément; - type de sa section: circulaire, annulaire, rectangulaire, elliptique, etc.; - diamètre(s) de l'élément; différence de cote entre les extrémités; - pour les éléments situés dans une pièce en rotation (le vilebrequin par exemple), distances des extrémités amont et aval à l'axe de rotation (mm); - angle d'embranchement ou de dédoublement si l"élément est relié à plusieurs autres en amont; nombre de coudes à angle vif, s'il y en a, et leur angle; et - nombre de coudes arrondis, s'il y en a, et pour chacun d'eux, rapport du rayon de la conduite à son rayon de courbure. Ce travail d'établissement du fichier initial Fl peut être fait par tout moyen mais il est commode de le faire exécuter par des programmes informatiques spécialisés adaptés. Un premier programme P1 dit "Réseau" constitue le fichier à partir des données géométriques et géographiques. Le pré-processeur PP 1 dit "DataEditor", transforme les données du fichier et les arrange dans un format de lecture reconnu par le programme d'optimisation des différentes relations définies par les relations 1, 2, de façon à créer un fichier résultant F2 dit "Circuit. dat". Dans le fichier F2 qu'il édite, chaque sous-élément apparaît avec un numéro d'ordre et ses caractéristiques propres. On donne aussi à ce pré-processeur PP1 dit"DataEditor" une fonction de calcul des coefficients singuliers de perte de charge dans chaque élément. Les pertes de charge qui proviennent de changements de section entre des éléments consécutifs, se déduisent en partant des rapports des diamètres, auxquels on fait correspondre des valeurs tabulées. Les pertes dues à des changements de direction sont aussi évaluées à partir de données tabulées, en fonction de l'angle du coude, ou pour les coudes arrondis, à partir du rapport rayon de section sur rayon de courbure. Enfin, lorsque l'élément suit un débranchement (ou un dédoublement), l'angle de débranchement permet de déduire le coefficient de perte de charge en partant de données elles aussi tabulées. Pour chaque élément, la valeur du coefficient est écrite dans un fichier F2 ("Circuit.dat"). C'est la somme de toutes les pertes singulières, et elle seule sera prise en compte par les fonction Fi. Le pré-processeur PP1 ("DataEditor") peut attribuer une température par défaut à la paroi des éléments, à charge de l'utilisateur de les modifier si nécessaire. Lorsqu'il a terminé l'écriture des données concernant les éléments, le pré- processeur PP1 saisit les caractéristiques des organes situés aux sorties du circuit: paliers, orifices, etc. De préférence, les caractéristiques des paliers sont saisies dans leur ordre d'apparition sur les arbres, ceci afin de permettre à la simulation de distinguer les paliers situés aux extrémités. Pour chaque orifice, il faut ensuite indiquer le numéro de l'élément arrivant en amont et le diamètre du trou de sortie (mm). - Le pré-processeur PP2 ("TQeditor") est adapté à éditer les sousprogrammes TQi qui calculent les transferts thermiques dans les éléments. Il repère les éléments dans le fichier "Réseau.dat" en écrivant pour chacun d'eux, un sous-programme TQi adapté, compte-tenu des débits, des températures et des géométries, à calculer la chaleur échangée entre le fluide hydraulique et les parois, ainsi que la variation de température du fluide qui lui correspond. - Le pré-processeur PP3 ("FEditor") édite les fonctions Fi, Fj et les regroupe, il initialise les débits dans les éléments et associe à chacun d'eux le débit qui le traverse, et il gère les débits aux sorties du circuit à modéliser. Les différents éléments ou sous-éléments, sont repérés et numérotés dans leur ordre d'arrivée, qui coincide avec celui des fonction Fi et de sous-programmes TQi adaptés à calculer les transferts thermiques dans les éléments. Une fonction Fi est formée pour chaque élément dans laquelle apparait pour chaque sous-élément une relation formelle entre la chute de pression et le débit de fluide, compte-tenu des pertes de charge linéiques ou singulières qui lui sont propres. Pour chacun des noeuds, de même, une fonction Fj est formée, qui formalise la conservation des débits à partir des données le concernant puisés dans la table correspondante de valeurs des différents paramètres. Avec cette étape préalable de fractionnement du circuit en éléments, leur classification ordonnée et la définition de leurs données caractéristiques (géométrie et dimensions) ainsi que des liens entre ces données et celles des éléments de part et d'autre, appliqué spécifiquement au cas concret d'un circuit à modéliser, il est possible d'automatiser la formation du modèle correspondant et, par exemple, d'éditer automatiquement le modèle spécifique du circuit. 1l REVENDICATIONS 1) Méthode pour constituer un modèle permettant la simulation du comportement d'un circuit hydraulique ou électrique, comportant le découpage du circuit en éléments définis chacun par un ensemble de données caractéristiques et la résolution combinée d'équations traduisant la circulation du fluide le long du circuit, caractérisée en ce qu'elle comporte la constitution préalable et la mémorisation d'au moins un fichier ordonné (F1) des éléments du circuit o les données caractéristiques de chacun de ces différents éléments sont définies et reliées à celles d'au moins un élément de circuit directement en amont, et l'utilisation d'outils logiciels d'édition spécialisés permettant la mise en relation fonctionnelles des données caractéristiques de tous les éléments du circuit compte-tenu de leurs positions respectives imposées par le dit fichier, le modèle convenant spécifiquement à ce circuit étant réalisé automatiquement à partir des données mises en relation. 2) Méthode selon la revendication 1, adaptée à la modélisation d'un circuit hydraulique, caractérisée en ce qu'elle comporte la constitution d'un fichier ordonné o chaque élément est défini par des données de positionnement et des données géométriques, en relation avec des données d'au moins un élément en amont. 3) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte l'incorportation de conditions aux limites pour les données caractéristiques, imposées par des éléments fonctionnels intercalés sur le circuit. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on constitue le fichier ordonné (F1) en associant à chaque élément un numéro d'ordre propre, un numéro d'ordre associé à chaque élément directement à la jonction amont, sauf s'il est en tête, le nombre de sous-éléments inclus dans l'élément, quand on peut le fractionner en plusieurs portions de même géométrie, et l'identification de tout élément fonctionnel connecté à lui. ) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on associe à chacun desdits éléments, le numéro d'ordre d'au moins un élément connecté à lui à la jonction aval, sauf s'il est terminal. 6) Méthode selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que l'on constitue le fichier ordonné (F1) en associant à chaque élément ou à chaque sous- élément de celui-ci s'il est fractionné, des données géométriques permettant de calculer la perte de charge qu'il produit.