|
挑戰：ECU快速模型構建及硬件在環(huán)仿真的研究對國內自主品牌車(chē)及新能源汽車(chē)研究具有重大意義。 應用方案：將Simulink與LabVIEW結合，發(fā)揮前者算法易實(shí)現的優(yōu)勢和后者強大編程功能，大大縮短ECU開(kāi)發(fā)周期；基于CRIO和 PXI的ECU快速原型和在環(huán)仿真降低設計和試驗成本。 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系列數據采集卡 PXI-6602 數字定時(shí)模塊 PXI-6541 數字波形發(fā)生器 CompactRIO-9103 CRIO機箱 CompactRIO-9014 嵌入式控制器 CompactRIO-9215 模擬輸入模塊 CompactRIO-9263 模擬輸出模塊 介紹 以某品牌兩用燃料四缸汽油機電控系統為研究對象，用Simulink構建了以平均值模型為基礎的發(fā)動(dòng)機電控系統模型。 構建了基于PXI的發(fā)動(dòng)機ECU快速原型和在環(huán)仿真系統。系統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(kāi)關(guān)等數字信號，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(shí)脈沖信號的輸出。設計了標定實(shí)驗，聯(lián)合萬(wàn)能表、示波器對系統進(jìn)行誤差對比分析, 進(jìn)行了基于CompactRIO（簡(jiǎn)稱(chēng)CRIO）的ECU快速原型和真實(shí)ECU在環(huán)測試。 快速構建發(fā)動(dòng)機ECU原型。實(shí)現基于Simulink的算法模型在CRIO上的運行，實(shí)現接收包括曲軸轉速和以及節氣門(mén)位置等信號，輸出控制發(fā)動(dòng)機的信號和傳動(dòng)系參數。測試結果包括發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火提前角和噴油MAP圖，為真實(shí)ECU構建提供了參考。 研究目的和意義 針對能源和環(huán)境壓力問(wèn)題以及越來(lái)越嚴格的汽車(chē)排放標準，發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展主要有兩條主線(xiàn)：一是改善發(fā)動(dòng)機結構，提高發(fā)動(dòng)機控制技術(shù)；二是尋找可替代清潔燃料。兩用燃料發(fā)動(dòng)機適合國情的環(huán)保節能方案之一。利用硬件在環(huán)（Hardware in Loop, HIL）仿真可以預先逐步檢驗控制系統設計的合理性靠性，從而大大提高控制系統的研制質(zhì)量，減小研制風(fēng)險和提高設計成功率，是開(kāi)發(fā)研制發(fā)動(dòng)機電控系統理想工具。因此，近年來(lái)硬件在環(huán)仿真技術(shù)在系統開(kāi)發(fā)和測試實(shí)驗中得到了廣泛的應用，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(shí)測試，另外，對汽車(chē)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(dòng)機ECU硬件在環(huán)仿真的案例較少。 綜合考慮性能、價(jià)格、開(kāi)發(fā)時(shí)間、通用性、可擴展性的特點(diǎn)等，本文最終選定了NI公司的PXI和CompactRIO方案完成平臺構建，研制開(kāi)發(fā)了一套基于PXI的CNG/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機ECU在環(huán)仿真系統，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機ECU在環(huán)仿真試驗。 技術(shù)路線(xiàn) 技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示，先根據各個(gè)子模型的控制策略，建立發(fā)動(dòng)機ECU模型，獲得初始的點(diǎn)火提前角MAP圖，然后進(jìn)行多目標優(yōu)化模型和蟻群算法策略，得出新MAP圖，并將其寫(xiě)入燃氣ECU，進(jìn)行驗證。 
圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖 利用兩用燃料汽車(chē)在瞬態(tài)工況下進(jìn)行的底盤(pán)測功排放實(shí)驗數據，建立發(fā)動(dòng)機扭矩、三種有害排放物與點(diǎn)火提前角（或空燃比）的單目標函數；建立多目標優(yōu)化的綜合目標函數；在Matlab環(huán)境下進(jìn)行基于智能算法（多目標蟻群遺傳算法）的優(yōu)化；獲得新的MAP圖，并將其寫(xiě)入發(fā)動(dòng)機ECU，進(jìn)行驗證。 發(fā)動(dòng)機模型和軟件仿真 發(fā)動(dòng)機平均值建模的概念最早由Rasmussen提出，經(jīng)過(guò)Powell等人的發(fā)展，最后由Hendricks進(jìn)行系統化的歸納和提煉給出了模型結構和通用表達形式。它采用數個(gè)發(fā)動(dòng)機循環(huán)中變量的平均值來(lái)描述發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)過(guò)程，均值模型也由此得名�，F在最為常見(jiàn)和通用的均值模型由三個(gè)子系統模型構成，即進(jìn)氣歧管空氣流量子模型、燃油蒸發(fā)與流動(dòng)子模型和動(dòng)力輸出子模型。 以某品牌兩用燃料四缸汽油機電控系統為研究對象，用Simulink構建了以平均值模型為基礎的發(fā)動(dòng)機電控系統模型，主要是發(fā)動(dòng)機ECU綜合仿真模型和發(fā)動(dòng)機標定系統模型，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（負載調節器模塊）和排放模塊等。其中，排放模塊是根據廣東某檢測站在用汽車(chē)瞬態(tài)工況法底盤(pán)測功檢測實(shí)驗基礎上，構建的空燃比、點(diǎn)火提前角與排放回歸關(guān)系的模型。 系統原理 基于PXI的ECU快速原型系統結構如圖2（a）所示， CompactRIO構成的ECU快速原型為被測模型，PXI則是測試系統。將ECU控制器模型[11]下載到實(shí)時(shí)硬件平臺——CompactRIO以后，CompactRIO就相當于一臺虛擬ECU，通過(guò)I/O口連接至PXI系統。PXI系統可以仿真溫度傳感器、曲軸傳感器、節氣門(mén)開(kāi)度等信號，并測量虛擬ECU輸出的數據。
圖2 基于PXI的ECU在環(huán)仿真系統原理結構 基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真結構如圖2（b）所示，真實(shí)ECU模型在通過(guò)快速原型環(huán)節驗證之后，將該模型生成的代碼下載到ECU，并對所產(chǎn)生的目標代碼進(jìn)行測試。由PXI系統數字采集卡輸出高速可調脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經(jīng)過(guò)優(yōu)化策略的計算輸出點(diǎn)火脈寬信號和噴油脈寬信號給PXI系統。 系統硬件環(huán)境的構建 基于PXI的ECU快速原型系統硬件 本實(shí)驗系統連接圖如圖3（a）所示。例如，PXI系統為ECU快速原型中AI MOD1/TC0 提供熱電偶溫度（發(fā)動(dòng)機水溫、油溫、環(huán)境溫度等）和采集AO MOD3/AO0 轉速信號。 ECU快速原型由CompactRIO系統構建并且使用NI RIO技術(shù)，可以利用FPGA芯片和LabVIEW來(lái)定制測量硬件電路，可利用可重新配置的FPGA技術(shù)來(lái)自動(dòng)合成高度優(yōu)化的電路，從而實(shí)現輸入/輸出，通信和控制應用。把發(fā)動(dòng)機的ECU模型編譯成動(dòng)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)仿真系統硬件 基于PXI的真實(shí)ECU的仿真實(shí)驗硬件連接如圖3（b）所示。由PXI 6602輸出高速可調脈沖作為ECU的曲軸脈沖和凸輪軸脈沖輸入，ECU經(jīng)過(guò)優(yōu)化策略的計算輸出點(diǎn)火脈寬信號和噴油脈寬信號，由PXI 6259來(lái)采集，通過(guò)LabVIEW界面的顯示控件把波形顯示出來(lái)，以便判斷該目標硬件是否達到要求。
圖3 基于PXI的ECU在環(huán)仿真系統硬件連接 系統軟件環(huán)境的構建 基于PXI的ECU的快速原型系統軟件設計 給ECU快速原型搭建仿真環(huán)境，在CompactRIO的AI口接上PXI數據采集卡的輸出端，提供節氣門(mén)開(kāi)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設計的軟件界面，使用控制制件調節輸出電壓，在顯示控件上觀(guān)察CompactRIO的輸出波形。如圖4所示為基于 PXI的ECU快速原型系統的軟件界面。
圖4 基于PXI的虛擬ECU仿真系統 在整個(gè)快速原型的實(shí)現和實(shí)驗中，LabVIEW Real-Time模塊是用于LabVIEW開(kāi)發(fā)系統的附加組件。該軟件為特定的實(shí)時(shí)目標編譯和優(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(wú)需預先了解傳統的HDL語(yǔ)言或硬件板卡設計。 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管理器中調用CompactRIO的lvbit文件，并設置好與模型相關(guān)的輸入輸出口。 5）用函數發(fā)生器對CompactRIO的AI口進(jìn)行輸入，并用示波器觀(guān)察CompactRIO的輸出口。 6）用PXI系統和示波器、電壓表對CompactRIO的AI口輸入及測試AO口輸出，記錄波形和數據。 基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)仿真系統軟件設計 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。采樣設置設為連續采樣，采樣數為15000，采樣率10kHz。仿真節氣門(mén)開(kāi)度的電壓信號，選用直流輸出。 實(shí)驗與分析 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)火提前角設為15°，節氣門(mén)開(kāi)度為7°，設定轉速為4500 r/min，點(diǎn)擊RUN開(kāi)始測試。扭矩、曲軸轉速變化如圖5（a）（b）所示。點(diǎn)擊保存數據即可保存CSV格式的數據。
圖5 虛擬ECU的輸出信號圖 基于PXI的真實(shí)ECU在環(huán)測試 曲軸轉速設為1000 r/min時(shí)點(diǎn)擊RUN開(kāi)始運行，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。
圖6 真實(shí)ECU噴油和點(diǎn)火信 硬件在環(huán)仿真系統的應用反映了以下特點(diǎn)： 1）系統用戶(hù)界面友好、直觀(guān)易用，可自定義界面。 2）PXI系統滿(mǎn)足ECU開(kāi)發(fā)準確度要求，可以重復配置，擴展模塊方便，適合ECU的低風(fēng)險、低成本、短周期開(kāi)發(fā)。 3）測試數據可存取為CSV格式，方便后續數據處理。 進(jìn)行了實(shí)驗誤差分析，系統相對誤差<3.9 %，滿(mǎn)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 基于PXI的CompactRIO 虛擬ECU標定系統在轉速n為5000 r/min，節氣門(mén)開(kāi)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Simulink中的ECU模型編譯到 CompactRIO虛擬ECU上運行，由PXI系統對ECU快速原型提供所需要的輸入信號及測試其輸出信號，輸出信號波形及數據由LabVIEW的示波器模塊及數據保存模塊所得到。 以轉速n為5000 r.min-1，Pm為43 kPa，點(diǎn)火提前角θ為9°下為例，Simulink系統仿真結果輸出波形與虛擬ECU標定系統實(shí)際輸出的波形相似，誤差較小。圖7為參數轉速的比較圖，其中圖7（a）為Simulink輸出，圖7（b）為虛擬ECU輸出。
圖7 曲軸轉速波形比較 穩態(tài)測試數據分析與討論 表1為發(fā)動(dòng)機轉速為5000 r.min-1，進(jìn)氣壓力Pm為39 kPa的穩態(tài)工況數據（以參數轉速為例），進(jìn)行10種點(diǎn)火提前角下的標定，然后與Simulink 軟件在環(huán)仿真數據比較的誤差分析。
在發(fā)動(dòng)機轉速為5000 r.min-1，進(jìn)氣壓力Pm分別為39 kPa、43 kPa、48 kPa和54 kPa下的穩態(tài)工況，進(jìn)行10種點(diǎn)火提前角下的標定，得到點(diǎn)火提前角的MAP圖，以Simulink系統仿真結果為基準，各參數相對誤差平均<0.5%。 表1是10個(gè)參數誤差絕對值之和的平均A和相對誤差平均B的綜合分析。 表2 Simulink仿真與虛擬ECU標定系統測試誤差平均分析總表 結論 ECU快速模型開(kāi)發(fā)的研究對國內自主品牌車(chē)發(fā)動(dòng)機及新能源汽車(chē)研究具有重大意義，以某品牌兩用燃料四缸汽油機電控系統為研究對象，構建了以平均值模型為基礎的Simulink發(fā)動(dòng)機電控系統模型，包括發(fā)動(dòng)機ECU綜合仿真模型和發(fā)動(dòng)機標定系統模型。 針對兩用燃料發(fā)動(dòng)機，利用虛擬儀器技術(shù)構建了基于PXI的發(fā)動(dòng)機ECU硬件在環(huán)仿真系統，系統相對誤差小于3.9 %；快速構建虛擬發(fā)動(dòng)機ECU，實(shí)現基于Simulink模型在CRIO上的運行，并進(jìn)行了系統誤差分析。 作者：華南理工大學(xué)/華南農業(yè)大學(xué)教授 吳偉斌，李禮夫，洪添勝 本文獲NI公司2009 案例征文大賽網(wǎng)絡(luò )人氣獎(控制與仿真) |
