基于NI CompactRIO的壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

史衛(wèi)全，李鐵,2

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

基于NICompactRIO的壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

史衛(wèi)全1，李鐵1,2

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

設(shè)計(jì)開發(fā)了基于預(yù)燃式高溫高壓定容燃燒彈的壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)?？紤]到嵌入式系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性高、安全可靠性高、控制精度高和任務(wù)復(fù)雜度高等特點(diǎn)，使用CompactRIO-9036以及相應(yīng)的I/O模塊，利用FPGA可重復(fù)配置的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了壓力信號(hào)采集、配氣電磁閥驅(qū)動(dòng)、點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)、噴油器驅(qū)動(dòng)及軌壓閉環(huán)控制等功能。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了壓力反饋噴油觸發(fā)試驗(yàn)，從結(jié)果可以看出本系統(tǒng)可以較為精確地、良好地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻的環(huán)境。

定容彈；電控系統(tǒng)；高壓共軌；燃油噴霧；閉環(huán)控制

柴油霧化混合的狀態(tài)會(huì)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生重要的影響，而燃燒過程及燃燒特性與柴油機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性和噪聲振動(dòng)特性密切相關(guān)。因此研究柴油機(jī)的電控噴油及測(cè)試燃油的噴霧特性對(duì)柴油機(jī)的推廣具有重要意義[1-2]。

定容燃燒彈測(cè)試系統(tǒng)可以建立與發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)附近相似的熱力學(xué)氛圍，搭配光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)噴霧以及燃燒過程進(jìn)行可視化研究。國外方面，Sandia國家實(shí)驗(yàn)室是研發(fā)定容彈的先行者，其研發(fā)出的定容彈能夠模擬較大范圍的環(huán)境溫度、密度以及燃燒后的氧濃度，用以研究燃油直噴的噴霧與燃燒。國外的大學(xué)也相繼研制出不同類型的定容彈，如美國愛荷華大學(xué)、密西根理工大學(xué)、日本廣島大學(xué)[3-5]。國內(nèi)方面，天津大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校[6-8]也利用定容彈對(duì)噴霧進(jìn)行可視化研究。

柴油被噴入氣缸后，經(jīng)歷的霧化混合等準(zhǔn)備過程和燃燒過程具有高速、高溫和高壓的特點(diǎn)，與其相應(yīng)的嵌入式控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上必須保證實(shí)時(shí)性高、安全可靠性高、控制精度高和任務(wù)復(fù)雜度高等特點(diǎn)。因此，綜合考慮了以上設(shè)計(jì)要求，本研究采用NI CompactRIO控制器和LabVIEW軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于預(yù)燃式高溫高壓定容燃燒彈的壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)地根據(jù)定容彈內(nèi)的壓力信號(hào)反饋實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)地噴油觸發(fā)，較好地模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻的瞬時(shí)環(huán)境條件，同時(shí)使試驗(yàn)操作安全可靠，降低了試驗(yàn)的復(fù)雜度，提高了研究的效率。

1 壓力反饋式噴油控制必要性

利用定容燃燒彈對(duì)噴霧燃燒的研究是在一固定容積內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)其工作時(shí)，預(yù)先向定容彈內(nèi)充入一定比例的不同氣體以形成預(yù)混合氣體，點(diǎn)火燃燒后，會(huì)形成高溫高壓的環(huán)境，可以模擬柴油機(jī)氣缸內(nèi)的噴射環(huán)境。通過調(diào)整預(yù)混氣體配比和燃油噴射時(shí)刻，能方便地改變EGR率、環(huán)境密度、溫度等條件。當(dāng)定容彈內(nèi)環(huán)境條件達(dá)到試驗(yàn)條件時(shí)，開始噴油，并觸發(fā)攝像系統(tǒng)，對(duì)噴霧燃燒進(jìn)程進(jìn)行可視化研究。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在定容彈內(nèi)，當(dāng)氣密性良好時(shí)，由化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量守恒定律可知，質(zhì)量m不變，容積V一定時(shí)，由于Rg是常數(shù)，壓力p和溫度T是一一對(duì)應(yīng)的[9]。

pV=mRgT。

(1)

由于熱電偶的采樣遲滯，用定容彈來模擬柴油機(jī)噴油時(shí)刻的溫度條件時(shí)，能根據(jù)彈內(nèi)壓力而進(jìn)行噴油，進(jìn)而達(dá)到控制噴油時(shí)刻瞬時(shí)溫度的目的。圖1示出了燃燒過程中的彈內(nèi)壓力曲線。壓力由預(yù)混氣著火后開始上升，迅速達(dá)到峰值，之后由于傳熱等因素的影響而緩慢下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)壓力時(shí)，觸發(fā)噴油。

確定噴油時(shí)刻的通常做法是在正式試驗(yàn)前先對(duì)相應(yīng)配比的預(yù)混氣體的燃燒壓力曲線進(jìn)行標(biāo)定，以確定目標(biāo)壓力所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，并用延遲信號(hào)發(fā)生器在該時(shí)刻下觸發(fā)噴油器。一般來說，定容彈工作的循環(huán)變動(dòng)越小，此方法的精準(zhǔn)度和可靠性越高。但是由于每次試驗(yàn)預(yù)混氣體的混合均勻程度及每次燃燒的完全程度有差異，使得每次的彈內(nèi)壓力曲線存在差異，差異越大，得到的噴霧特性數(shù)據(jù)越不可靠。

因此，能夠?qū)崟r(shí)地根據(jù)壓力信號(hào)反饋來決定噴油時(shí)刻，對(duì)研究目標(biāo)熱力學(xué)狀態(tài)的噴霧特性和燃燒特性是非常必要的。然而，從圖1[10]中可以看出，在冷卻過程中，要想精準(zhǔn)地在壓力下降的過程中捕捉到目標(biāo)壓力，對(duì)控制系統(tǒng)采集板卡的采樣率的要求非常高，要想在目標(biāo)壓力下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的噴油觸發(fā)，對(duì)程序代碼的執(zhí)行效率也有較高的要求。

圖1 預(yù)燃式定容燃燒彈的工作流程

2 壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于定容彈的壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)以NI LabVIEW 2015 為開發(fā)環(huán)境，代碼分別部署在FPGA(Field Programmable Gate Array)端和Linux Real-Time System(RT)端。FPGA上編寫的LabVIEW程序需要LabVIEW編譯服務(wù)器對(duì)LabVIEW代碼進(jìn)行編譯，得到Bit File 并部署到FPGA上，以通過I/O模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制與采集；在RT端編寫的LabVIEW程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA端程序的調(diào)用。

圖2示出了CompactRIO控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及代碼部署情況。其結(jié)構(gòu)包括控制器、FPGA以及I/O模塊?？刂破魇褂肐ntel Atom處理器，1 GB內(nèi)存，搭載實(shí)時(shí)(Linux RT)系統(tǒng)。相對(duì)于平常使用的Windows 系統(tǒng)，Linux RT系統(tǒng)抖動(dòng)更小，執(zhí)行任務(wù)時(shí)間更準(zhǔn)確，可以保證執(zhí)行任務(wù)的實(shí)時(shí)性。FPGA使用的是Xilinx Kintex-7系列，有較多的資源(查找表和觸發(fā)器)，同時(shí)搭載40 MHz的板載時(shí)鐘(必要時(shí)可以倍頻)，運(yùn)算速度快，可以更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)定時(shí)、同步等功能。CompactRIO控制系統(tǒng)與PC的通信遵循TCP/IP協(xié)議[11]。

圖2 CompactRIO控制系統(tǒng)部署情況

圖3示出了壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。先在預(yù)混容器內(nèi)充入一定比例的氮?dú)狻⒀鯕夂鸵蚁?，待混合均勻后充入定容彈，電磁閥由NI 9474模塊驅(qū)動(dòng)。NI 9205模塊和NI 9222模塊都是模擬信號(hào)采集模塊，NI 9205模塊是所有通道共用ADC，所以傳感器連接太多會(huì)拉低每個(gè)通道的采樣率，而NI 9222的4個(gè)通道有獨(dú)立的ADC，每通道采樣率高達(dá)500 kHz，所以由NI 9205模塊采集預(yù)混容器的壓力信號(hào)以及兩路定容彈溫度信號(hào)，對(duì)于采樣率要求高的共軌壓力信號(hào)和彈內(nèi)壓力信號(hào)由NI 9222模塊采集。本系統(tǒng)由于后續(xù)需要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證噴油時(shí)刻的彈內(nèi)壓力是否達(dá)到目標(biāo)壓力值，所以使用了Hioki 8860-50數(shù)據(jù)采集儀來同時(shí)采集彈內(nèi)壓力和電流鉗兩路信號(hào)。電流鉗用來捕捉噴油器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。彈內(nèi)壓力信號(hào)由電荷放大器通過三通BNC接頭分為兩路分別給到NI 9222和Hioki 8860-50數(shù)據(jù)采集儀。根據(jù)NI 9222模塊采集到的軌壓信號(hào)，NI 9474會(huì)發(fā)出合適占空比的PWM波驅(qū)動(dòng)IMV閥，控制進(jìn)入共軌管的燃油流量，從而使軌壓穩(wěn)定在目標(biāo)值。軌壓穩(wěn)定后，通過NI 9474發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，將預(yù)先充入定容彈內(nèi)的預(yù)混氣體點(diǎn)燃，同時(shí)觸發(fā)Hioki數(shù)據(jù)采集儀采集彈內(nèi)壓力信號(hào)以及電流鉗捕捉的噴油器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將數(shù)據(jù)保存等待后續(xù)分析。

圖3 壓力反饋噴油控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 高壓共軌電噴子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)過程中，建立目標(biāo)共軌壓力是最重要的一環(huán)。研究直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃料射流的相關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的噴射量和噴射速率等條件是極其必要的。在本系統(tǒng)中，共軌壓力閉環(huán)控制的穩(wěn)定精準(zhǔn)性，關(guān)系到噴射量的準(zhǔn)確性，更關(guān)系到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性[12-13]。本節(jié)著重介紹軌壓閉環(huán)控制部分。

為了維持當(dāng)前軌壓與目標(biāo)軌壓的一致，本系統(tǒng)采用增量式PID算法[14]：

Δy(k)=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)T+
Kd(Δe(k)-Δe(k-1))/T。

(2)

式中：Δy(k)表示系統(tǒng)輸出；e(k)表示第k次采樣所獲得的偏差信號(hào)；T為采樣周期；Δe(k)為本次和上次測(cè)量值偏差的差，即Δe(k)=e(k)-e(k-1)；Kp，Ki，Kd分別表示比例常數(shù)，積分常數(shù)和微分常數(shù)。通過在FPGA上利用移位寄存器存儲(chǔ)每次采樣循環(huán)中的偏差來實(shí)現(xiàn)該算法。由于微分常數(shù)會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，所以本算法中的微分常數(shù)始終為0。

在軌壓的閉環(huán)控制中，本系統(tǒng)使用了NI 9474數(shù)字輸出模塊和NI 9222模擬輸入模塊。NI 9222模擬輸入模塊AI0通道對(duì)軌壓傳感器返回的電壓進(jìn)行采集，軌壓傳感器輸出電壓為0.5～4.5 V，對(duì)應(yīng)軌壓為0～200 MPa；NI 9474數(shù)字輸出模塊DO0通道根據(jù)當(dāng)前軌壓與目標(biāo)軌壓的差值，由PID算法計(jì)算出適當(dāng)占空比，并發(fā)送相應(yīng)占空比的PWM波對(duì)IMV閥的進(jìn)油量進(jìn)行閉環(huán)控制。具體流程見圖4。

圖4 PID自動(dòng)控制軌壓流程圖

當(dāng)前軌壓與目標(biāo)軌壓的差值不同，相應(yīng)的PID參數(shù)也不同，所以需要在實(shí)際調(diào)試過程中對(duì)不同偏差進(jìn)行PID參數(shù)整定，得到不同偏差對(duì)應(yīng)的Kp，Ki的MAP圖，使其響應(yīng)曲線達(dá)到最佳[15]。MAP圖上的值最終通過插值算法部署在RT系統(tǒng)上，以便實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)整的PID閉環(huán)控制。圖5示出了基于LabVIEW平臺(tái)記錄的軌壓數(shù)據(jù)，描述的是在60，90，120，150 MPa下，噴射1.5 ms脈寬柴油時(shí)對(duì)應(yīng)的軌壓響應(yīng)曲線。可以看出本系統(tǒng)可以使軌壓穩(wěn)定地保持在目標(biāo)值，并且在單次噴油造成當(dāng)前軌壓與目標(biāo)軌壓存在偏差時(shí)，當(dāng)前軌壓能迅速回復(fù)到目標(biāo)值，說明PID參數(shù)整定合格，這也為今后的多段噴射及多次噴射試驗(yàn)要求打下了基礎(chǔ)，但對(duì)本系統(tǒng)要求的單次噴射試驗(yàn)沒有影響。

圖5 單次噴射時(shí)不同設(shè)定軌壓對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線

3 試驗(yàn)與分析

為了對(duì)通過標(biāo)定及延遲發(fā)生器確定噴油時(shí)刻的方法和通過壓力反饋確定噴油時(shí)刻的方法進(jìn)行對(duì)比，共進(jìn)行5組試驗(yàn)(見圖6)，每次試驗(yàn)時(shí)定容彈中充入預(yù)混合氣并在上位機(jī)界面中設(shè)置觸發(fā)噴射壓力為3.96 MPa，環(huán)境密度為15 kg/m3。按燃燒后氧濃度為0%進(jìn)行配氣，所以柴油被噴出后并不會(huì)燃燒。

圖6 噴油觸發(fā)試驗(yàn)

通過圖6中壓力曲線數(shù)據(jù)得知，5組壓力曲線到達(dá)3.96 MPa時(shí)的平均時(shí)刻為0.614 84 s。采用標(biāo)定法及延遲發(fā)生器來確定噴油時(shí)刻時(shí)，以此平均時(shí)刻作為噴油時(shí)刻，實(shí)際噴射環(huán)境條件與目標(biāo)環(huán)境條件最大可造成2.21%的誤差，而這5組試驗(yàn)在0.614 84 s處的環(huán)境壓力的循環(huán)變動(dòng)為7.21%，由此可以看出，5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不夠，試驗(yàn)數(shù)據(jù)少造成誤差較大，這就導(dǎo)致了此方法前期需要做大量的標(biāo)定試驗(yàn)，效率很低。

通過壓力反饋確定噴油時(shí)刻時(shí)，當(dāng)定容彈內(nèi)預(yù)混合氣燃燒后壓力回落至3.96 MPa，電控系統(tǒng)輸出噴油觸發(fā)信號(hào)使得電磁閥開啟，采集到驅(qū)動(dòng)電流(由于開啟持續(xù)期僅為1.5 ms，所以圖中僅顯示為一條豎線)，完成噴油觸發(fā)。5組試驗(yàn)在噴油時(shí)刻的彈內(nèi)壓力平均為3.982 MPa，與目標(biāo)環(huán)境壓力的最大誤差僅為0.73%，循環(huán)變動(dòng)為0.54%?？梢奛I CompactRIO控制器能實(shí)現(xiàn)燃油噴射時(shí)環(huán)境的精確控制，且相較于傳統(tǒng)標(biāo)定法，壓力反饋式噴油控制方法能更精確地實(shí)現(xiàn)噴油瞬時(shí)的環(huán)境條件，再現(xiàn)性高，也提高了試驗(yàn)的效率。

4 結(jié)束語

利用NI CompactRIO控制器搭建了基于定容燃燒彈的壓力反饋式噴油控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了噴油觸發(fā)試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)采集到的彈內(nèi)壓力曲線采用兩種方法處理并進(jìn)行了比較。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，壓力反饋式噴油控制法相較于傳統(tǒng)標(biāo)定法，能更精確地再現(xiàn)噴油瞬時(shí)的環(huán)境條件。通過精確控制初始?jí)毫εc溫度以保證燃燒彈充氣結(jié)束后密度不變，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知本試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確的噴油時(shí)刻的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)控制。

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DesignandDevelopmentofPressureFeedbackInjectionControlSystemBasedonNICompactRIO

SHI Weiquan1,LI Tie1,2

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240,China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240,China)

Pressure feedback control system was designed for direct injection system based on high temperature and high pressure constant volume pre-combustion cell (CVPC). Considering the requirements of real time, high reliability, accurate control and multi-task, CompactRIO-9036 and corresponding I/O modules and repeated configuration property of FPGA were utilized to build the closed loop system of pressure signal acquisition, solenoid valve driving, ignition driving, injector actuation and rail pressure control. Then the injection test was carried out based on pressure feedback. The results show that the system can simulate the injection environment accurately and reliably.

constant volume bomb；electronic control system；high-pressure common rail system；fuel spray；closed loop control

姜曉博]

2017-04-21；

2017-08-30

國家自然科學(xué)基金(91541104);國家國際科技合作(政府間)專項(xiàng)(2014DFG61320)

史衛(wèi)全(1993—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)噴霧燃燒特性；swqwlj@sjtu.edu.cn。

李鐵(1974—)，男，研究員，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)噴霧燃燒特性；marine_engine@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.009

TK421

B

1001-2222(2017)06-0048-04