汽油/​CNG​两用​燃料​发动​机​ECU​在​环​仿真

吴 伟​斌, 华南​理工​大学

"针对​两用​燃料​发动​机,​利用​虚拟​仪器​技术​构​建​了​基于​PXI​的​发动​机​ECU​硬件​在​环​仿真​系统,​系统​相对​误差​小​于​3.9 %;​快速​构​建​虚拟​发动​机​ECU,​实现​基于​Simulink​模型​在​CRIO​上​的​运行,​并​进行​了​系统​误差​分析。" ​

- 吴 伟​斌, 华南​理工​大学

挑战:

ECU​快速​模型​构​建​及​硬件​在​环​仿真​的​研究​对​国内​自主​品牌​车​及​新​能源​汽车​研究​具有​重大​意义。 ​

解决​方案:

将​Simulink​与​LabVIEW​结合,​发挥​前者​算法​易​实现​的​优势​和​后者​强大​编​程​功能,​大大​缩短​ECU​开发​周期;​基于​CRIO​和​PXI​的​ECU​快速​原型​和​在​环​仿真​降低​设计​和​试验​成本。 ​

作者:

吴 伟​斌 - 华南​理工​大学
​李 礼​夫 - 华南​理工​大学
​洪 添​胜 - 华南​农业​大学

 

介绍

以​某​品牌​两用​燃料​四​缸​汽油​机电​控​系统​为​研究​对象,​用​Simulink​构​建​了​以​平均值​模型​为​基础​的​发动​机电​控​系统​模型。

 

构​建​了​基于​PXI​的​发动​机​ECU​快速​原型​和​在​环​仿真​系统。​系统​能​输出​温度​等​模拟​信号、​采集​电压​等​模拟​信号,​输出​或​测量​开关​等​数字​信号,​喷​油​脉​宽、​点火​脉冲​等​PWM​信号​采集,​以及​曲轴、​凸轮轴​位置​等​定​时​脉冲​信号​的​输出。​设计​了​标定​实验,​联合​万能​表、​示波器​对​系统​进行​误差​对比​分析, 进行​了​基于​CompactRIO(简称​CRIO)​的​ECU​快速​原型​和​真实​ECU​在​环​测试。

 

快速​构​建​发动​机​ECU​原型。​实现​基于​Simulink​的​算法​模型​在​CRIO​上​的​运行,​实现​接收​包括​曲轴​转​速​和​以及​节​气门​位置​等​信号,​输出​控制​发动​机​的​信号​和​传​动​系​参数。​测试​结果​包括​发动​机​点火​提前​角​和​喷​油​MAP​图,​为​真实​ECU​构​建​提供​了​参考。

 

研究​目的​和​意义

针对​能源​和​环境​压力​问题​以及​越来越​严格​的​汽车​排放​标准,​发动​机​技术​的​发展​主要​有​两​条​主​线:​一是​改善​发动​机​结构,​提高​发动​机​控制​技术;​二​是​寻找​可​替代​清洁​燃料。​两用​燃料​发动​机​适合​国情​的​环保​节​能​方案​之一。​利用​硬件​在​环​(Hardware in Loop, HIL)​仿真​可以​预先​逐步​检验​控制​系统​设计​的​合理​性​和​可靠性,​从而​大大​提高​控制​系统​的​研制​质量,​减小​研制​风险​和​提高​设计​成功​率,​是​开发​研制​发动​机电​控​系统​理想​工具。​因此,​近年​来​硬件​在​环​仿真​技术​在​系统​开发​和​测试​实验​中​得到​了​广泛​的​应用,​但是,​目前​的​解决​方案​普遍​面临​成本​高​的​不足,​难以​在​极限​条件下​实​时​测试,​另外,​对​汽车​ABS​或​ESP​的​硬件​在​环​ECU​研究​较​多,​对​多​输入​多​输出​的​发动​机​ECU​硬件​在​环​仿真​的​案例​较​少。

 

综合​考虑​性能、​价格、​开发​时间、​通用​性、​可​扩展​性的​特点​等,​本文​最终​选定​了​NI​公司

 

的​PXI​和​CompactRIO​方案​完成​平台​构​建,​研制​开发​了​一套​基于​PXI​的​CNG/​汽油​两用​燃料​发动​机​ECU​在​环​仿真​系统,​进行​了​发动​机​ECU​在​环​仿真​试验。

 

技术​路线

技术​路线​如​图​1​所​示,​先​根据​各个​子​模型​的​控制​策略,​建立​发动​机​ECU​模型,​获得​初始​的​点火​提前​角​MAP​图,​然后​进行​多​目标​优​化​模型​和​蚁​群​算法​策略,​得出​新​MAP​图,​并​将​其​写​入​燃​气​ECU,​进行​验证。​利用​两用​燃料​汽车​在​瞬​态​工​况​下​进行​的​底盘​测​功​排放​实验​数据,​建立​发动​机​扭矩、​三​种​有害​排放​物​与​点火​提前​角​(或​空​燃​比)​的​单​目标​函数;​建立​多​目标​优​化​的​综合​目标​函数;​在​Matlab​环境​下​进行​基于​智能​算法​(多​目标​蚁​群​遗传​算法)​的​优​化;​获得​新的​MAP​图,​并​将​其​写​入​发动​机​ECU,​进行​验证。

 

发动​机​模型​和​软件​仿真     

发动​机​平均值​建​模​的​概念​最早​由​Rasmussen​提出,​经过​Powell​等​人的​发展,​最后​由​Hendricks​进行​系统​化​的​归纳​和​提炼​给​出了​模型​结构​和​通用​表达​形式。​它​采用​数​个​发动​机​循环​中​变量​的​平均值​来​描述​发动​机​的​动态​过程,​均​值​模型​也​由此​得​名。​现在​最为​常见​和​通用​的​均​值​模型​由三​个子​系统​模型​构成,​即​进​气​歧​管​空气​流量​子​模型、​燃油​蒸发​与​流动​子​模型​和​动力​输出​子​模型。

 

以​某​品牌​两用​燃料​四​缸​汽油​机电​控​系统​为​研究​对象,​用​Simulink​构​建​了​以​平均值​模型​为​基础​的​发动​机电​控​系统​模型,​主要是​发动​机​ECU​综合​仿真​模型​和​发动​机​标定​系统​模型,​包括​了​进​气​模​块、​燃油​模​块、​曲轴​模​块,​传感器​模​块​以及​空​燃​比​控制、​点火​提前​角​控制​模​块、​测​功​器​模​块​(负载​调节​器​模​块)​和​排放​模​块​等。​其中,​排放​模​块​是​根据​广东​某​检测​站在​用​汽车​瞬​态​工​况​法​底盘​测​功​检测​实验​基础​上,​构​建​的​空​燃​比、​点火​提前​角​与​排放​回归​关系​的​模型。

 

系统​原理

基于​PXI​的​ECU​快速​原型​系统​结构​如​图​2(a)​所​示, CompactRIO​构成​的​ECU​快速​原型​为​被​测​模型,​PXI​则​是​测试​系统。​将​ECU​控制器​模型​[11]​下载​到​实​时​硬件​平台​——​CompactRIO​以后,​CompactRIO​就​相当​于​一台​虚拟​ECU,​通过​I/​O​口​连接​至​PXI​系统。​PXI​系统​可以​仿真​温度​传感器、​曲轴​传感器、​节​气门​开​度​等​信号,​并​测量​虚拟​ECU​输出​的​数据。

 

基于​PXI​的​真实​ECU​在​环​仿真​结构​如​图​2(b)​所​示,​真实​ECU​模型​在​通过​快速​原型​环节​验证​之后,​将​该​模型​生成​的​代码​下载​到​ECU,​并​对​所​产生​的​目标​代码​进行​测试。​由​PXI​系统​数字​采集​卡​输出​高速​可​调​脉冲​作为​ECU​的​曲轴​脉冲​和​凸轮轴​脉冲​输入,​ECU​经过​优​化​策略​的​计算​输出​点火​脉​宽​信号​和​喷​油​脉​宽​信号​给​PXI​系统。

 

系统​硬件​环境​的​构建

基于​PXI​的​ECU​快速​原型​系统​硬件

 

本​实验​系统​连接​图​如​图​3(a)​所​示。​例如,​PXI​系统​为​ECU​快速​原型​中​AI MOD1/​TC0 提供​热电​偶​温度​(发动​机​水温、​油​温、​环境​温度​等)​和​采集​AO MOD3/​AO0 转​速​信号。

 

ECU​快速​原型​由​CompactRIO​系统​构​建​并且​使用​NI RIO​技术,​可以​利用​FPGA​芯​片​和​LabVIEW​来​定制​测量​硬件​电路,​可​利用​可​重新​配置​的​FPGA​技术​来​自动​合成​高度​优​化​的​电路,​从而​实现​输入/​输出,​通信​和​控制​应用。​把​发动​机​的​ECU​模型​编译​成​动态​链​接​库​文件​后​再​下载​到​CompactRIO​的​FPGA,​CompactRIO​则为​一台​虚拟​ECU。

 

基于​PXI​的​真实​ECU​在​环​仿真​系统​硬件

 

基于​PXI​的​真实​ECU​的​仿真​实验​硬件​连接​如​图​3(b)​所​示。​由​PXI 6602​输出​高速​可​调​脉冲​作为​ECU​的​曲轴​脉冲​和​凸轮轴​脉冲​输入,​ECU​经过​优​化​策略​的​计算​输出​点火​脉​宽​信号​和​喷​油​脉​宽​信号,​由​PXI 6259​来​采集,​通过​LabVIEW​界面​的​显示​控​件​把​波形​显示​出来,​以便​判断​该​目标​硬件​是否​达到​要求。

 

系统​软件​环境​的​构建

基于​PXI​的​ECU​的​快速​原型​系统​软件​设计

         给​ECU​快速​原型​搭建​仿真​环境,​在​CompactRIO​的​AI​口​接​上​PXI​数据​采集​卡​的​输出​端,​提供​节​气门​开​度​值、​点火​提前​角​等​仿真​信号;​再​给​AO​口​接​上​PXI​的​输入​端,​使用​LabVIEW​设计​的​软件​界面,​使用​控制​制​件​调节​输出​电压,​在​显示​控​件​上​观察​CompactRIO​的​输出​波形。​如​图​4​所​示​为​基于​PXI​的​ECU​快速​原型​系统​的​软件​界面。

 

  在​整个​快速​原型​的​实现​和​实验​中,​LabVIEW Real-​Time​模​块​是​用于​LabVIEW​开发​系统​的​附加​组​件。​该​软件​为​特定​的​实​时​目标​编译​和​优​化​LabVIEW 图形​化​代码;​借助​NI LabVIEW FPGA​和​可​重新​配置​I/​O (RIO)​硬件,​可​创建​自​定义​的​I/​O​和​控制​硬件,​而无​需​预先​了解​传统​的​HDL​语言​或​硬件​板​卡​设计。

 

           ECU​快速​原型​流程​如下:

1)​用​Matlab Simulink​生成​ECU​模型​的​DLL​文件,​以便​编译​进​CompactRIO。

2)​用​LabVIEW​生成​CompactRIO​的​lvbit​文件,​对​CompactRIO​的​I/​O​口​进行​初始​化。

3)​连​通​LabVIEW​及​CompactRIO,​并​把​ECU​模型​的​DLL​下载​到​CompactRIO​中。

4)​在​SIT​管理​器​中​调​用​CompactRIO​的​lvbit​文件,​并​设置​好​与​模型​相关​的​输入​输出​口。

5)​用​函数​发生​器​对​CompactRIO​的​AI​口​进行​输入,​并​用​示波器​观察​CompactRIO​的​输出​口。

6)​用​PXI​系统​和​示波器、​电压​表​对​CompactRIO​的​AI​口​输入​及​测试​AO​口​输出,​记录​波形​和​数据

基于​PXI​的​真实​ECU​在​环​仿真​系统​软件​设计

使用​LabVIEW​的​DAQ​助手​和​仿真​信号​模​块​创建​模拟​信号​输入​输出​程序。​采样​设置​设​为​连续​采样,​采样​数​为​15000,​采样​率​10kHz。​仿真​节​气门​开​度​的​电压​信号,​选用​直流​输出。

 

实验​与​分析

基于​PXI​的​ECU​快速​原型​测试

按照​PXI​与​虚拟​ECU​的​连接​方法​连​好​硬件,​点火​提前​角​设​为​15°,​节​气门​开​度​为​7°,​设定​转​速​为​4500 r/​min,​点​击​RUN​开始​测试。​扭矩、​曲轴​转​速​变化​如​图​5(a)​(b)​所​示。​点​击​保存​数据​即可​保存​CSV​格式​的​数据。

 

基于​PXI​的​真实​ECU​在​环​测试

曲轴​转​速​设​为​1000 r/​min​时​点​击​RUN​开始​运行,​如​图​6​分别​显示​了​硬件​ECU​输出​的​1-4​缸​点火​信号、​2-3​缸​点火​信号、​1​缸​喷​油​和​2​缸​喷​油​信号。

 

硬件​在​环​仿真​系统​的​应用​反映​了​以下​特点:

1)​系统​用户​界面​友好、​直观​易​用,​可​自​定义​界面。

2)​PXI​系统​满足​ECU​开发​准确​度​要求,​可以​重复​配置,​扩展​模​块​方便,​适合​ECU​的​低​风险、​低成本、​短​周期​开发。

3)​测试​数据​可​存取​为​CSV​格式,​方便​后​续​数据​处理。

进行​了​实验​误差​分析,​系统​相对​误差​<3.9 %,​满足​ECU​测试​的​要求。​最后,​进行​了​基于​PXI​的​ECU​快速​原型​和​基于​PXI​的​真实​ECU​在​环​测试。

瞬​态​试验

基于​PXI​的​CompactRIO 虚拟​ECU​标定​系统​在​转​速​n​为​5000 r.min-1,​节​气门​开​度​Throttle​为​17 ,​Pm​为​43 kPa,​点火​提前​角​θ​为​9°​下​的​输出​信号​波形,​包括​曲轴​转​速​n、​进​气​压力​Pm、​喷​油​量​信号​Mass Fuel、​氧​传感器​O2、​扭矩​T、​HC​排放、​CO​排放、​NOx​排放、​空​燃​比​AFR​和​功率​PO。​当​Simulink​中的​ECU​模型​编译​到​CompactRIO​虚拟​ECU​上​运行,​由​PXI​系统​对​ECU​快速​原型​提供​所​需要​的​输入​信号​及​测试​其​输出​信号,​输出​信号​波形​及​数据​由​LabVIEW​的​示波器​模​块​及​数据​保存​模​块​所​得到。

以​转​速​n​为​5000 r.min-1,​Pm​为​43 kPa,​点火​提前​角​θ​为​9°​下​为​例,​Simulink​系统​仿真​结果​输出​波形​与​虚拟​ECU​标定​系统​实际​输出​的​波形​相似,​误差​较​小。​图​7​为​参数​转​速​的​比较​图,​其中​图​7(a)​为​Simulink​输出,​图​7(b)​为​虚拟​ECU​输出。

稳​态​测试​数据​分析​与​讨论

表​1​为​发动​机​转​速​为​5000 r.min-1,​进​气​压力​Pm​为​39 kPa​的​稳​态​工​况​数据​(以​参数​转​速​为​例),​进行​10​种​点火​提前​角​下​的​标定,​然后​与​Simulink 软件​在​环​仿真​数据​比较​的​误差​分析。

在​发动​机​转​速​为​5000 r.min-1,​进​气​压力​Pm​分别​为​39 kPa、​43 kPa、​48 kPa​和​54 kPa​下​的​稳​态​工​况,​进行​10​种​点火​提前​角​下​的​标定,​得到​点火​提前​角​的​MAP​图,​以​Simulink​系统​仿真​结果​为​基准,​各​参数​相对​误差​平均​<0.5%。

表​2​是​10​个​参数​误差​绝对​值​之​和​的​平均​A​和​相对​误差​平均​B​的​综合​分析。

 

结 论

ECU​快速​模型​开发​的​研究​对​国内​自主​品牌​车​发动​机​及​新​能源​汽车​研究​具有​重大​意义,​以​某​品牌​两用​燃料​四​缸​汽油​机电​控​系统​为​研究​对象,​构​建​了​以​平均值​模型​为​基础​的​Simulink​发动​机电​控​系统​模型,​包括​发动​机​ECU​综合​仿真​模型​和​发动​机​标定​系统​模型。

针对​两用​燃料​发动​机,​利用​虚拟​仪器​技术​构​建​了​基于​PXI​的​发动​机​ECU​硬件​在​环​仿真​系统,​系统​相对​误差​小​于​3.9 %;​快速​构​建​虚拟​发动​机​ECU,​实现​基于​Simulink​模型​在​CRIO​上​的​运行,​并​进行​了​系统​误差​分析。

 

作者​信息:

吴 伟斌
​华南​理工​大学

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