汽油/CNG兩用燃料發(fā)動機(jī)ECU在環(huán)仿真

挑戰(zhàn)：ECU快速模型構(gòu)建及硬件在環(huán)仿真的研究對國內(nèi)自主品牌車及新能源汽車研究具有重大意義。

應(yīng)用方案：將Simulink與LabVIEW結(jié)合，發(fā)揮前者算法易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢和后者強(qiáng)大編程功能，大大縮短ECU開發(fā)周期;基于CRIO和PXI的ECU快速原型和在環(huán)仿真降低設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本。

使用的產(chǎn)品：

　　LabVIEW 8.6

　　LabVIEW RT，FPGA，仿真模塊

　　NI RIO模塊

　　SIT仿真接口工具包

　　PXI-1042 PXI機(jī)箱

　　PXI-8196 嵌入式控制器

　　PXI-6713 高速模擬輸出模塊

　　PXI-6259 M系列數(shù)據(jù)采集卡

　　PXI-6602 數(shù)字定時模塊

　　PXI-6541 數(shù)字波形發(fā)生器

　　CompactRIO-9103 CRIO機(jī)箱

　　CompactRIO-9014 嵌入式控制器

　　CompactRIO-9215 模擬輸入模塊

　　CompactRIO-9263 模擬輸出模塊

　　以某品牌兩用燃料四缸汽油機(jī)電控系統(tǒng)為研究對象，用Simulink構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)模型。

　　構(gòu)建了基于PXI的發(fā)動機(jī)ECU快速原型和在環(huán)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)能輸出溫度等模擬信號、采集電壓等模擬信號，輸出或測量開關(guān)等數(shù)字信號，噴油脈寬、點(diǎn)火脈沖等PWM信號采集，以及曲軸、凸輪軸位置等定時脈沖信號的輸出。設(shè)計(jì)了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，聯(lián)合萬能表、示波器對系統(tǒng)進(jìn)行誤差對比分析, 進(jìn)行了基于CompactRIO(簡稱CRIO)的ECU快速原型和真實(shí)ECU在環(huán)測試。

　　快速構(gòu)建發(fā)動機(jī)ECU原型。實(shí)現(xiàn)基于Simulink的算法模型在CRIO上的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)接收包括曲軸轉(zhuǎn)速和以及節(jié)氣門位置等信號，輸出控制發(fā)動機(jī)的信號和傳動系參數(shù)。測試結(jié)果包括發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角和噴油MAP圖，為真實(shí)ECU構(gòu)建提供了參考。

研究目的和意義

　　針對能源和環(huán)境壓力問題以及越來越嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要有兩條主線：一是改善發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動機(jī)控制技術(shù);二是尋找可替代清潔燃料。兩用燃料發(fā)動機(jī)適合國情的環(huán)保節(jié)能方案之一。利用硬件在環(huán)(Hardware in Loop, HIL)仿真可以預(yù)先逐步檢驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，從而大大提高控制系統(tǒng)的研制質(zhì)量，減小研制風(fēng)險和提高設(shè)計(jì)成功率，是開發(fā)研制發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)理想工具。因此，近年來硬件在環(huán)仿真技術(shù)在系統(tǒng)開發(fā)和測試實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是，目前的解決方案普遍面臨成本高的不足，難以在極限條件下實(shí)時測試，另外，對汽車ABS或ESP的硬件在環(huán)ECU研究較多，對多輸入多輸出的發(fā)動機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真的案例較少。

　　綜合考慮性能、價格、開發(fā)時間、通用性、可擴(kuò)展性的特點(diǎn)等，本文最終選定了NI公司

　　的PXI和CompactRIO方案完成平臺構(gòu)建，研制開發(fā)了一套基于PXI的CNG/汽油兩用燃料發(fā)動機(jī)ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了發(fā)動機(jī)ECU在環(huán)仿真試驗(yàn)。技術(shù)路線

　　技術(shù)路線如圖1所示，先根據(jù)各個子模型的控制策略，建立發(fā)動機(jī)ECU模型，獲得初始的點(diǎn)火提前角MAP圖，然后進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化模型和蟻群算法策略，得出新MAP圖，并將其寫入燃?xì)釫CU，進(jìn)行驗(yàn)證。

　　利用兩用燃料汽車在瞬態(tài)工況下進(jìn)行的底盤測功排放實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立發(fā)動機(jī)扭矩、三種有害排放物與點(diǎn)火提前角(或空燃比)的單目標(biāo)函數(shù);建立多目標(biāo)優(yōu)化的綜合目標(biāo)函數(shù);在Matlab環(huán)境下進(jìn)行基于智能算法(多目標(biāo)蟻群遺傳算法)的優(yōu)化;獲得新的MAP圖，并將其寫入發(fā)動機(jī)ECU，進(jìn)行驗(yàn)證。

　　發(fā)動機(jī)模型和軟件仿真

　　發(fā)動機(jī)平均值建模的概念最早由Rasmussen提出，經(jīng)過Powell等人的發(fā)展，最后由Hendricks進(jìn)行系統(tǒng)化的歸納和提煉給出了模型結(jié)構(gòu)和通用表達(dá)形式。它采用數(shù)個發(fā)動機(jī)循環(huán)中變量的平均值來描述發(fā)動機(jī)的動態(tài)過程，均值模型也由此得名?，F(xiàn)在最為常見和通用的均值模型由三個子系統(tǒng)模型構(gòu)成，即進(jìn)氣歧管空氣流量子模型、燃油蒸發(fā)與流動子模型和動力輸出子模型。

　　以某品牌兩用燃料四缸汽油機(jī)電控系統(tǒng)為研究對象，用Simulink構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)模型，主要是發(fā)動機(jī)ECU綜合仿真模型和發(fā)動機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)模型，包括了進(jìn)氣模塊、燃油模塊、曲軸模塊，傳感器模塊以及空燃比控制、點(diǎn)火提前角控制模塊、測功器模塊(負(fù)載調(diào)節(jié)器模塊)和排放模塊等。其中，排放模塊是根據(jù)廣東某檢測站在用汽車瞬態(tài)工況法底盤測功檢測實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建的空燃比、點(diǎn)火提前角與排放回歸關(guān)系的模型。

　　系統(tǒng)原理

　　基于PXI的ECU快速原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示， CompactRIO構(gòu)成的ECU快速原型為被測模型，PXI則是測試系統(tǒng)。將ECU控制器模型[11]下載到實(shí)時硬件平臺——CompactRIO以后，CompactRIO就相當(dāng)于一臺虛擬ECU，通過I/O口連接至PXI系統(tǒng)。PXI系統(tǒng)可以仿真溫度傳感器、曲軸傳感器、節(jié)氣門開度等信號，并測量虛擬ECU輸出的數(shù)據(jù)。

　　基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，真實(shí)ECU模型在通過快速原型環(huán)節(jié)驗(yàn)證之后，將該模型生成的代碼下載到ECU，并對所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼進(jìn)行測試。由PXI系統(tǒng)數(shù)字采集卡輸出高速可調(diào)脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經(jīng)過優(yōu)化策略的計(jì)算輸出點(diǎn)火脈寬信號和噴油脈寬信號給PXI系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)硬件環(huán)境的構(gòu)建

　　基于PXI的ECU快速原型系統(tǒng)硬件

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接圖如圖3(a)所示。例如，PXI系統(tǒng)為ECU快速原型中AI MOD1/TC0 提供熱電偶溫度(發(fā)動機(jī)水溫、油溫、環(huán)境溫度等)和采集AO MOD3/AO0 轉(zhuǎn)速信號。

　　(a) ECU快速原型 (b)真實(shí)ECU在環(huán)仿真

　　圖3 基于PXI的ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)硬件連接　ECU快速原型由CompactRIO系統(tǒng)構(gòu)建并且使用NI RIO技術(shù)，可以利用FPGA芯片和LabVIEW來定制測量硬件電路，可利用可重新配置的FPGA技術(shù)來自動合成高度優(yōu)化的電路，從而實(shí)現(xiàn)輸入/輸出，通信和控制應(yīng)用。把發(fā)動機(jī)的ECU模型編譯成動態(tài)鏈接庫文件后再下載到CompactRIO的FPGA，CompactRIO則為一臺虛擬ECU。

　　基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)硬件

　　基于PXI的真實(shí)ECU的仿真實(shí)驗(yàn)硬件連接如圖3(b)所示。由PXI 6602輸出高速可調(diào)脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經(jīng)過優(yōu)化策略的計(jì)算輸出點(diǎn)火脈寬信號和噴油脈寬信號，由PXI 6259來采集，通過LabVIEW界面的顯示控件把波形顯示出來，以便判斷該目標(biāo)硬件是否達(dá)到要求。

　　系統(tǒng)軟件環(huán)境的構(gòu)建

　　基于PXI的ECU的快速原型系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　給ECU快速原型搭建仿真環(huán)境，在CompactRIO的AI口接上PXI數(shù)據(jù)采集卡的輸出端，提供節(jié)氣門開度值、點(diǎn)火提前角等仿真信號;再給AO口接上PXI的輸入端，使用LabVIEW設(shè)計(jì)的軟件界面，使用控制制件調(diào)節(jié)輸出電壓，在顯示控件上觀察CompactRIO的輸出波形。如圖4所示為基于PXI的ECU快速原型系統(tǒng)的軟件界面。

　　在整個快速原型的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)中，LabVIEW Real-Time模塊是用于LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)的附加組件。該軟件為特定的實(shí)時目標(biāo)編譯和優(yōu)化LabVIEW 圖形化代碼;借助NI LabVIEW FPGA和可重新配置I/O (RIO)硬件，可創(chuàng)建自定義的I/O和控制硬件，而無需預(yù)先了解傳統(tǒng)的HDL語言或硬件板卡設(shè)計(jì)。

　　ECU快速原型流程如下：

　　1)用Matlab Simulink生成ECU模型的DLL文件，以便編譯進(jìn)CompactRIO。

　　2)用LabVIEW生成CompactRIO的lvbit文件，對CompactRIO的I/O口進(jìn)行初始化。

　　3)連通LabVIEW及CompactRIO，并把ECU模型的DLL下載到CompactRIO中。

　　4)在SIT管理器中調(diào)用CompactRIO的lvbit文件，并設(shè)置好與模型相關(guān)的輸入輸出口。

　　5)用函數(shù)發(fā)生器對CompactRIO的AI口進(jìn)行輸入，并用示波器觀察CompactRIO的輸出口。

　　6)用PXI系統(tǒng)和示波器、電壓表對CompactRIO的AI口輸入及測試AO口輸出，記錄波形和數(shù)據(jù)。

　　基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　使用LabVIEW的DAQ助手和仿真信號模塊創(chuàng)建模擬信號輸入輸出程序。采樣設(shè)置設(shè)為連續(xù)采樣，采樣數(shù)為15000，采樣率10kHz。仿真節(jié)氣門開度的電壓信號，選用直流輸出。實(shí)驗(yàn)與分析

　　基于PXI的ECU快速原型測試

　　按照PXI與虛擬ECU的連接方法連好硬件，點(diǎn)火提前角設(shè)為15°，節(jié)氣門開度為7°，設(shè)定轉(zhuǎn)速為4500 r/min，點(diǎn)擊RUN開始測試。扭矩、曲軸轉(zhuǎn)速變化如圖5(a)(b)所示。點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)即可保存CSV格式的數(shù)據(jù)。

　　基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)測試

　　曲軸轉(zhuǎn)速設(shè)為1000 r/min時點(diǎn)擊RUN開始運(yùn)行，如圖6分別顯示了硬件ECU輸出的1-4缸點(diǎn)火信號、2-3缸點(diǎn)火信號、1缸噴油和2缸噴油信號。

　　硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用反映了以下特點(diǎn)：

　　1)系統(tǒng)用戶界面友好、直觀易用，可自定義界面。

　　2)PXI系統(tǒng)滿足ECU開發(fā)準(zhǔn)確度要求，可以重復(fù)配置，擴(kuò)展模塊方便，適合ECU的低風(fēng)險、低成本、短周期開發(fā)。

　　3)測試數(shù)據(jù)可存取為CSV格式，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

　　進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)誤差分析，系統(tǒng)相對誤差<3.9 %，滿足ECU測試的要求。最后，進(jìn)行了基于PXI的ECU快速原型和基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)測試。

　　瞬態(tài)試驗(yàn)

　　基于PXI的CompactRIO 虛擬ECU標(biāo)定系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速n為5000 r.min-1，節(jié)氣門開度Throttle為17 ，Pm為43 kPa，點(diǎn)火提前角θ為9°下的輸出信號波形，包括曲軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)氣壓力Pm、噴油量信號Mass Fuel、氧傳感器O2、扭矩T、HC排放、CO排放、NOx排放、空燃比AFR和功率PO。當(dāng)Simulink中的ECU模型編譯到CompactRIO虛擬ECU上運(yùn)行，由PXI系統(tǒng)對ECU快速原型提供所需要的輸入信號及測試其輸出信號，輸出信號波形及數(shù)據(jù)由LabVIEW的示波器模塊及數(shù)據(jù)保存模塊所得到。

　　以轉(zhuǎn)速n為5000 r.min-1，Pm為43 kPa，點(diǎn)火提前角θ為9°下為例，Simulink系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出波形與虛擬ECU標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)際輸出的波形相似，誤差較小。圖7為參數(shù)轉(zhuǎn)速的比較圖，其中圖7(a)為Simulink輸出，圖7(b)為虛擬ECU輸出。

　　穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)分析與討論

　　表1為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為5000 r.min-1，進(jìn)氣壓力Pm為39 kPa的穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)(以參數(shù)轉(zhuǎn)速為例)，進(jìn)行10種點(diǎn)火提前角下的標(biāo)定，然后與Simulink 軟件在環(huán)仿真數(shù)據(jù)比較的誤差分析。

　　在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為5000 r.min-1，進(jìn)氣壓力Pm分別為39 kPa、43 kPa、48 kPa和54 kPa下的穩(wěn)態(tài)工況，進(jìn)行10種點(diǎn)火提前角下的標(biāo)定，得到點(diǎn)火提前角的MAP圖，以Simulink系統(tǒng)仿真結(jié)果為基準(zhǔn)，各參數(shù)相對誤差平均<0.5%。表2是10個參數(shù)誤差絕對值之和的平均A和相對誤差平均B的綜合分析。

　　結(jié) 論

　　ECU快速模型開發(fā)的研究對國內(nèi)自主品牌車發(fā)動機(jī)及新能源汽車研究具有重大意義，以某品牌兩用燃料四缸汽油機(jī)電控系統(tǒng)為研究對象，構(gòu)建了以平均值模型為基礎(chǔ)的Simulink發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)模型，包括發(fā)動機(jī)ECU綜合仿真模型和發(fā)動機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)模型。

　　針對兩用燃料發(fā)動機(jī)，利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了基于PXI的發(fā)動機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)相對誤差小于3.9 %;快速構(gòu)建虛擬發(fā)動機(jī)ECU，實(shí)現(xiàn)基于Simulink模型在CRIO上的運(yùn)行，并進(jìn)行了系統(tǒng)誤差分析。