用于大功率柴油機(jī)控制器測(cè)試的硬件在環(huán)仿真技術(shù)

孟長(zhǎng)江，賈利，賈曉亮，劉濤，況涪洪，李菲菲，姜承賦，曹春芳，朱瑞武，仇會(huì)彬

(1.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.中國人民解放軍駐616廠軍事代表室，山西 大同 037036；3.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司，北京 100191)

隨著大功率柴油機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，與其密切相關(guān)的控制器功能日益復(fù)雜，而控制器性能直接會(huì)影響到大功率柴油機(jī)的整體性能。在現(xiàn)代的控制器設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，國內(nèi)外著名整車廠都采用符合國際汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ASAM/ASAP)的V模式開發(fā)流程。在此流程中，硬件在環(huán)仿真技術(shù)可以全面測(cè)試控制器功能，包括發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上很難測(cè)試的極限工況下運(yùn)行功能和故障狀態(tài)下的診斷功能，同時(shí)極大地減少真實(shí)臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)次數(shù)，降低控制器開發(fā)費(fèi)用，縮短控制器開發(fā)周期[1]。

1 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)原理與組成

控制器研發(fā)所采用的V模式開發(fā)流程見圖1。其中的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)[2]是把原來采用的通過臺(tái)架或者實(shí)車試驗(yàn)來測(cè)試和驗(yàn)證控制器算法和功能的工作轉(zhuǎn)移到試驗(yàn)室中進(jìn)行，測(cè)試真實(shí)柴油機(jī)控制器。使用柴油機(jī)仿真模型替代真實(shí)柴油機(jī)，通過上位機(jī)軟件把編譯完的仿真模型下載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行。仿真機(jī)通過IO板卡模擬控制器所需傳感器輸入信號(hào)，采集控制器控制執(zhí)行器的輸出信號(hào)，與真實(shí)控制器一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，模擬控制器在實(shí)車環(huán)境下運(yùn)行。最后采用自動(dòng)化測(cè)試軟件全面測(cè)試控制器的軟件和硬件功能，方便快捷發(fā)現(xiàn)和解決控制器開發(fā)過程中遇到的問題。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由實(shí)時(shí)仿真機(jī)、大功率柴油機(jī)模型、試驗(yàn)管理軟件、真實(shí)被測(cè)控制器組成。

2 實(shí)時(shí)仿真機(jī)組成

2.1 實(shí)時(shí)仿真機(jī)硬件

實(shí)時(shí)仿真機(jī)硬件主要由實(shí)時(shí)組件和故障注入組件組成。

實(shí)時(shí)組件由dSPACE的處理器板卡DS1006和IO板卡DS2211組成，處理器板卡與IO板卡之間以PHS總線形式進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Gbit/s以上，同時(shí)可以擴(kuò)展各種IO板卡。

故障注入組件由故障注入板卡和操作軟件組成，可以模擬控制器線束在實(shí)車環(huán)境中產(chǎn)生的電氣故障，其電氣原理圖見圖3。

圖3 故障注入控制原理

2.2 實(shí)時(shí)仿真機(jī)測(cè)試軟件

仿真系統(tǒng)采用dSPACE公司開發(fā)的自動(dòng)測(cè)試軟件AutomationDesk，通過擴(kuò)展測(cè)試庫來提供更加全面的自動(dòng)測(cè)試功能，軟件的項(xiàng)目管理特性可以處理大量的自動(dòng)化測(cè)試任務(wù)，能夠看到所有測(cè)試序列和數(shù)據(jù)體，以及執(zhí)行完成后的測(cè)試報(bào)告和結(jié)果。在硬件在環(huán)測(cè)試過程中，AutomationDesk可以讀寫訪問實(shí)時(shí)仿真工程、診斷工具、標(biāo)定工具和故障仿真工程。

2.3 大功率柴油機(jī)模型

為了實(shí)時(shí)仿真大功率柴油機(jī)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，使用Matlab/Simulink工具，搭建以柴油機(jī)全工況穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的柴油機(jī)平均值模型[3]。此模型主要由氣路系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、氣缸系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及IO系統(tǒng)組成。

2.3.1氣路系統(tǒng)模型

氣路系統(tǒng)由渦輪增壓器、中冷器、進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣門組成?；谫|(zhì)量守恒和能量守恒定律計(jì)算進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體質(zhì)量和溫度，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體壓力。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)氣歧管內(nèi)的質(zhì)量流量計(jì)算如下：

(1)

根據(jù)能量守恒定律，進(jìn)氣歧管內(nèi)的溫度計(jì)算為

(2)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式可獲得進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力：

(3)

進(jìn)氣門模型依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程原理來計(jì)算平均進(jìn)氣量速率，并使用氣缸容積效率對(duì)所得進(jìn)氣流量進(jìn)行修正，計(jì)算式如下：

。

(4)

式中：ηV為氣缸容積效率[4]；PIn,Man為進(jìn)氣歧管壓力；TIn,Man為進(jìn)氣歧管溫度；R為空氣氣體常數(shù)；VDisp為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[12-16]。

2.3.2燃油系統(tǒng)模型

燃油系統(tǒng)模型由油箱、高壓油泵、壓力控制閥、高壓油軌和噴油器組成。燃油系統(tǒng)各功能模塊主要以穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模型。

燃油在氣缸的混合程度會(huì)影響到空氣和燃油混合氣在氣缸中的燃燒效果，從而影響到柴油機(jī)扭矩輸出效果。為了讓柴油機(jī)工作在良好工作區(qū)間內(nèi)，需準(zhǔn)確控制噴油器燃油噴入氣缸的時(shí)刻和燃油量。

2.3.3氣缸系統(tǒng)模型

氣缸系統(tǒng)模型中包含燃燒扭矩模型和摩擦扭矩模型，燃燒扭矩模型主要是基于平均扭矩的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下：

Tme=Tmi(nEng,pMan)ηλ(λ)ηinj(tinj)-Tmr(nEng,TEng)

。

(5)

式中：Tme為發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效扭矩；Tmi為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒扭矩；Tmr為摩擦扭矩；ηλ為空燃比效率；ηinj為點(diǎn)火提前角效率。

為了模擬扭矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律，采用了一個(gè)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的扭矩調(diào)制函數(shù)，將之與平均指示扭矩相乘。扭矩調(diào)制函數(shù)見圖4。

2.3.4排氣系統(tǒng)模型

排氣系統(tǒng)模型使用二階延遲環(huán)節(jié)模擬催化劑前氧傳感器和催化劑后氧傳感器信號(hào)動(dòng)態(tài)變化特性，二階傳遞函數(shù)計(jì)算公式如下：

。

(6)

2.3.5冷卻系統(tǒng)模型

對(duì)于冷卻系統(tǒng)模型，假設(shè)摩擦功所產(chǎn)生的熱量完全消耗于冷卻系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)指示功部分消耗于冷卻系統(tǒng)。手動(dòng)設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作水溫，通過控制風(fēng)扇和冷卻液調(diào)節(jié)水溫在設(shè)定的最高水溫附近波動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，通過風(fēng)冷功能逐漸降低發(fā)動(dòng)機(jī)水溫。

2.3.6IO模型

IO模型集成了dSPACE封裝好的實(shí)時(shí)接口模塊(RTI)，其結(jié)構(gòu)示意見圖5。IO模型主要包含電源管理模塊、信號(hào)輸出模塊和信號(hào)輸入模塊。

3 模型參數(shù)化及自動(dòng)化測(cè)試

3.1 模型參數(shù)化

完成模型整體架構(gòu)和物理建模后，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、缸徑、活塞直徑、進(jìn)氣歧管容積等。再針對(duì)配置難度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，引入基于多元線性回歸方法的辨識(shí)方法，配合試驗(yàn)完成模型參數(shù)標(biāo)定。

針對(duì)軍用柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限的現(xiàn)狀，采用模型參數(shù)影響度分析技術(shù)，解決平均值模型數(shù)據(jù)需求量大、開發(fā)進(jìn)度慢及臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取費(fèi)用高等問題。引用如下計(jì)算公式對(duì)模型參數(shù)影響度結(jié)果進(jìn)行量化：

。

(7)

式中：S表示影響度的量化指標(biāo)；vmax表示影響因素改變時(shí)模塊輸出值的最大值；vmin表示影響因素改變時(shí)模塊計(jì)算結(jié)果的最小值；vmed為影響因素取初始值時(shí)模塊計(jì)算結(jié)果的大??；Amax表示影響因素的最大值；Amin為影響因素的最小值；Amed為影響因子的初始值。

3.2 自動(dòng)化測(cè)試實(shí)施

圖6 自動(dòng)測(cè)試流程

大功率柴油機(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件和硬件集成、閉環(huán)功能調(diào)試完成后，即可進(jìn)行控制器功能自動(dòng)化測(cè)試，自動(dòng)化測(cè)試操作流程見圖6。按照測(cè)試需求搭建好測(cè)試序列后，仿真機(jī)可以自動(dòng)、重復(fù)且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試工況，并生成測(cè)試報(bào)告和結(jié)果，極大縮短了控制器功能測(cè)試時(shí)間。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 怠速工況

在實(shí)時(shí)仿真機(jī)上通過修改水溫等傳感器信號(hào)，模擬柴油機(jī)從高寒到高溫工作環(huán)境，依次測(cè)試了控制器對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)的控制功能。測(cè)試數(shù)據(jù)記錄見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：柴油機(jī)在不同環(huán)境溫度下起動(dòng)時(shí)，控制器都能夠很好控制其正常起動(dòng)，隨著環(huán)境溫度和水溫的升高，控制柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)溫度大于20 ℃后，柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在600 r/min。

表1 起動(dòng)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

4.2 柴油機(jī)外特性

在實(shí)時(shí)仿真機(jī)上采用測(cè)功機(jī)模式，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從1 200 r/min變化到2 200 r/min，步長(zhǎng)為200 r/min，油門踏板全開，測(cè)試柴油機(jī)的外特性扭矩。柴油機(jī)模型仿真扭矩與實(shí)際臺(tái)架測(cè)試扭矩對(duì)比見圖7。在仿真機(jī)上測(cè)試的扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)與臺(tái)架上測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差在±10%之內(nèi)，主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)模型在建模原理上就存在一定誤差，但誤差在工程允許范圍內(nèi)。對(duì)比數(shù)據(jù)表明，硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)仿真精度能夠滿足柴油機(jī)功能測(cè)試的需求。

圖7 柴油機(jī)仿真與試驗(yàn)扭矩對(duì)比

4.3 自動(dòng)測(cè)試

在實(shí)時(shí)仿真機(jī)上使用AutomationDesk執(zhí)行控制器自動(dòng)化測(cè)試功能。以測(cè)試柴油機(jī)斷油功能為例，搭建完測(cè)試序列后，仿真機(jī)在自動(dòng)執(zhí)行過程中，通過AutomationDesk軟件會(huì)顯示每個(gè)步驟運(yùn)行的結(jié)果(見圖8)。如果測(cè)試序列中某個(gè)步驟不通過，則會(huì)在run state列顯示fail，便于測(cè)試人員直觀發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)自動(dòng)化測(cè)試完成后，可以查看發(fā)動(dòng)機(jī)斷油功能測(cè)試數(shù)據(jù)圖(見圖9)。油門踏板在0～4.5 s之間一直在全開狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速600 r/min迅速上升到最高轉(zhuǎn)速2 350 r/min，噴油器的預(yù)噴油量隨著轉(zhuǎn)速升高而減少，噴油量則先增加到最大值后再減小到一個(gè)穩(wěn)定值；當(dāng)油門踏板開度突然為0后，控制器根據(jù)油門踏板信號(hào)的突變信息，控制噴油器不工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入斷油狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也開始下降，一直降到控制器內(nèi)部設(shè)定的最低噴油轉(zhuǎn)速700 r/min，之后控制器重新控制噴油器開始噴油，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果表明，通過自動(dòng)化測(cè)試可以方便分析、測(cè)試和驗(yàn)證控制器的每個(gè)模塊功能。

圖8 自動(dòng)化序列執(zhí)行圖

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)斷油功能測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

4.4 問題與措施

4.4.1函數(shù)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)

在模型參數(shù)化時(shí)，當(dāng)導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行do MAPPING后，對(duì)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖和評(píng)價(jià)時(shí)，出現(xiàn)了Poiston Engine部件功能模型的Friction Torque數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò),使用的評(píng)價(jià)函數(shù)為dspar_Friction_fcn.Dl.m。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新梳理和分析，初步可以確定，模型參數(shù)化的評(píng)價(jià)函數(shù)內(nèi)部計(jì)算的數(shù)學(xué)公式的數(shù)據(jù)取值范圍無法涵蓋該機(jī)型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算步長(zhǎng)偏大。

查看對(duì)應(yīng)部件功能模型的評(píng)價(jià)函數(shù)，在Edit模式下打開函數(shù)文件，查看文件中的所有數(shù)學(xué)公式，對(duì)數(shù)學(xué)公式計(jì)算的數(shù)據(jù)變量名稱和取值范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模板中的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，查看是哪個(gè)數(shù)據(jù)變量的取值范圍不同或計(jì)算步長(zhǎng)偏大。

查看m文件中的數(shù)學(xué)公式，對(duì)計(jì)算的數(shù)據(jù)變量和取值范圍進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)“T_Water_out=[min(T_Water):10:max(T_Water)]”公式中水溫計(jì)算的步長(zhǎng)偏大，當(dāng)將步距由“10”改為1時(shí)，函數(shù)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)消失。

4.4.2柴油機(jī)輸出扭矩仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差大

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門踏板一致的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩仿真數(shù)據(jù)與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大，最大偏差達(dá)到-30%。

調(diào)整油門踏板和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速從1 200 r/min到2 200 r/min，步長(zhǎng)為200 r/min，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板開度和噴油脈寬的仿真數(shù)據(jù)與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門踏板一致的情況下，噴油脈寬誤差在±1%之內(nèi)，HIL平臺(tái)各通道噴油脈寬采集數(shù)據(jù)誤差達(dá)到-20%，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)模型采集到的噴射油量誤差達(dá)到-20%，輸出扭矩最大偏差達(dá)到-30%。

針對(duì)以上問題，檢查HIL平臺(tái)各噴油通道參數(shù)配置，調(diào)整噴射采集通道門限電壓，噴油脈寬誤差減小，但噴油脈寬數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定，原因是采集門限電壓太低，采集到了噴射信號(hào)中的干擾信號(hào)。將門限電壓增大，設(shè)計(jì)噴射信號(hào)采集補(bǔ)償模塊，輸入為噴射脈寬，0～1 100 μs(涵蓋最大噴射脈寬)，步長(zhǎng)為100 μs，輸出補(bǔ)償脈寬，對(duì)采集到的噴油脈寬進(jìn)行補(bǔ)償。調(diào)整后噴油脈寬采集數(shù)據(jù)與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在±1%之內(nèi)，扭矩仿真數(shù)據(jù)與臺(tái)架測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差在±10%之內(nèi)。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了測(cè)試大功率柴油機(jī)控制器功能的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)中包含的實(shí)時(shí)仿真組件、故障注入單元和自動(dòng)測(cè)試軟件，詳細(xì)闡述了在Matlab/Simulink下開發(fā)的大功率柴油機(jī)仿真模型各個(gè)模塊的建模原理和方法，并進(jìn)行了怠速工況測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測(cè)試、故障仿真測(cè)試和自動(dòng)化測(cè)試。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)能夠方便測(cè)試大功率柴油機(jī)控制器的功能，特別是在極限工況下；基于Simulink環(huán)境開發(fā)的大功率柴油機(jī)平均值仿真模型，外特性仿真誤差在10%以內(nèi)，滿足控制器功能測(cè)試的需求；使用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中故障注入功能，可以有效模擬實(shí)際線束的電氣故障，為測(cè)試控制器的診斷功能提供有效手段；使用AutomationDesk自動(dòng)化測(cè)試軟件，可以方便管理對(duì)控制器功能全面測(cè)試的需求，自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試序列并生成測(cè)試報(bào)告，極大減少了測(cè)試時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試費(fèi)用，縮短了控制器開發(fā)周期。