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柴油机电控单元硬件在环仿真系统的设计及其相关研究

李彬轩  
【摘要】: 为了满足日趋严格发动机排放和燃油经济性法规限制,发动机电控系统(ECU)的功能复杂程度在不断提高,相应的开发难度也在不断加大,通过台架试验来逐步调试ECU的传统方法由于耗费大量人力物力,开发周期长,调试环境不稳定、可重复性差等缺点,已难以适应ECU系统快速升级换代的需求,对此可采用硬件在环仿真技术予以解决。作为一门新兴的应用技术,ECU硬件在环仿真系统(ECU HILSS)可以看成是一套软硬件集成的实时仿真工具,在对外部ECU系统进行调试时,它作为虚拟发动机的载体直接与ECU系统相连,接受ECU的控制调节,并向ECU提供相应控制下的发动机实时运转工况信息,这样就相应地减少了台架试验,在节省各种人力物力的同时缩短了调试时间;此外由于HILSS是通过编制软件来实现各种信息传递,它能给操作者提供方便友好的调节观测环境,从而大大增强ECU调试过程的灵活性和可靠性,消除由于某些试验因素可能导致的危险性。本文的任务即是以向电控系统提供这样一个更理想的开发平台为目标,对研制开发出一套完整可行的ECU硬件在环仿真系统进行全面的研究。 硬件在环仿真系统的实现是建立在高性能的软硬件基础之上的。为了研制这样一个复杂的实时系统,本文首先针对其实时性要求严格、系统衔接紧密的基本特征,通过实时结构化方法对系统的逻辑可行性和物理实施可行性进行了判断,在从设计目标和国内现有技术支持两方面对系统可行性进行论证的基础上,成功研制出整套ECU硬件在环仿真系统。在这一系统中,PC上位机、单片机和DSP系统通过共享存储器构成了一个紧密耦合的多处理器平台,友好的图形化用户界面、高速的信息采集和控制响应、模块化的系统功能构成为外部电控系统的调试创造了良好的开发环境,同时也为系统今后进一步的扩展奠定了扎实便利的基础。 在实时仿真系统中动态模型的设计至关重要,它决定着整套系统的可行性和可靠性。本文采用模块化方法,根据模块独立性原则和物理划分原则将整个仿真系统中虚拟化的考察对象进行了细分,并逐一建模。在所有模型模块中,发动机的燃烧模块作为影响发动机性能和影响仿真实时性的主要因素,是建模工作的核心环节。在对各方面因素进行综合比较后,本文最终确定选用Vibe燃烧模型,并以改进的欧拉算法实现整个模型的计算。 考虑到今后仿真系统的扩展必然会导致动态模型的相应变化,在改进实时仿真模型之前利用某些简化途径对模型的改进方案进行仿真分析,可为实际的实时模型建立提供有益的帮助。动态仿真软件MATLAB/SIMULINK能够利用图形化模块进行快速的建模仿真,这对于加速仿真系统的构建,对所建模型进行可行性预测可起到很好的作用。本文将这一软件作为对模型简化策略的快速检验环节引入整个仿真系统,将两者进行了有效的融合,并具体利用这一环节对实时模型的简化改进途径进行了分析。 为了进一步完善整个仿真系统的功能,本文尝试在系统中引入了神经网络建模技术和压力重构技术。神经网络模型与实时运转模型的构成原理不同,实时模型以发动机运转机理为 设计依据,使于充分观测控制策略对发动机各种性能指标的影响;而神经网络模型是根据己 有的试验数据进行直接推理,可避免大量的简化、推导、求解过程,对于诸多机理繁复的发 动机变量而言是一极佳的求解方案,因此就更全面的进行电控系统的调试评估考虑,两种模 型有着良好的互补性。本文在对神经网络建模进行介绍分析的基础上,对供油模型的神经网 络建模方案作了全面的考证,并对系统中其它的神经网络模型应用进行了分析探讨。系统功 能扩展的另一个环节就是利用压力重构技术来实现对仿真系统的在线实时校验。模型的检验 存在多种途径,最直接有效的方案就是利用压力曲线的仿真值与真实值进行对比分析。考虑 到压力测试存在诸多不便,本文提出利用模态分析技术与小波技术,通过缸盖振动信号反推 缸内压力,以重构缸内压力与仿真值进行比较的办法,来实现对仿真系统的在线实时校验。 研究表明,由振动信号重构出的压力曲线在总体趋势上与实际压力相吻合,因而完全能够作 为评判的标准用干对模型仿真的在线校验。由此,整个硬件在环仿真系统的验证手段被大大 强化,系统的可靠性也进一步得到保证。 最后,利用江铃4JBI柴油机为样机,浙江大学内燃机研究所研制的电控喷油系统为控 “制主体进行了部分工况的对比试验,结果证明本文研制的ECU硬件在环仿真系统合理可行, 在进一步完善后可达到良好的实用性。


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