用dSPACE研究柴油机电子调速单元调速策略的方法.pdf

第3 9 卷第3 期 2 0 1 0 年6 月 船海工程 S H I P & O C E A NE N G I N E E R I N G V O L3 9N o 3 J u r L2 0 1 0 D O I ：1 0 3 9 6 3 j is s n 1 6 7 1 - 7 9 5 3 2 0 1 0 0 3 0 2 7 用d S P A C E 研究柴油机电子调速单元 调速策略的方法 孙俊。易涛 ( 武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉4 3 0 0 6 3 ) 摘要：基于M a t la b S im u lin k 及d S P A C E 系统建立开放的仿真平台，采用平均值模型理论建立发动机 的动态模型，分析d S P A C E 系统的软件和硬件，并利用该仿真平台进行油门突变的仿真试验。结果表明，该 仿真平台能提供实时的被控对象瞬态模型，进行电子调速器的硬件在环仿真，所设计的电子调速器系统很好 地配合了柴油机的控制，验证了仿真平台的实用性。 关键词：电子调速单元；调速策略；仿真；M a t la b S im u lin k ；d S P A C E 系统 中图分类号：U 6 6 4 1 2 1 文献标志码：B 文章编号：1 6 7 1 7 9 5 3 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 9 5 0 3 柴油机电子控制已由当初的燃油系统单一控 制逐步发展到柴油机各个系统控制、故障诊断、实 时管理等功能在内的综合管理系统，各种先进的电 子控制技术在电控单元中得到了越来越广泛的应 用 1 。电控单元的工作原理是用转速调整电位器 设定需要的转速，传感器通过飞轮上的齿圈测量发 动机转速的实际值，并送至控制器；在控制器中与 设定值相比较，其比较的插值经控制线路( 模拟式) 或控制算法程序( 数字式) ；按设计的控制规律整理 或运算，再经放大，驱动执行器 输出；通过调节拉杆拉动喷油 泵齿杆，进行供油量的调节，从 而达到保持此设定转速的目 的。 1 仿真模型的建立 1 1 柴油机本体模型的建模 以4 1 3 5 柴油机为研究对 象。该机为四缸、四冲程、单作 用、直喷式、非增压柴油机，缸径 1 3 5n 2 1 T l，额定转速为15 0 0r m 。 部分的复杂计算，只表示过程的综合结果和状态变 量的时间平均效应，对物理过程的综合结果和状态 变量的时间平均效应。对物理过程清晰的环节用代 数方程或微分方程表示，对物理过程复杂的环节则 用经验公式或试验数据表示。突出实时性，不考虑 柴油机的循环波动，重在描述柴油机的状态变量的 平均值随时间的变化过程。 在M a t la b S im u lin k 平台上搭建柴油机工作 过程模型以及电子调速系统的控制模型。柴油机 采用平均值模型理论建立 柴油机的动态模型。柴油机平均值模型不涉及各个 收稿日期：2 0 0 9 - 0 4 - 1 6 修回日期：2 0 0 9 - 0 5 - 0 7 作者简介：孙俊( 1 9 6 8 一) ，男，博士，副教授。 研究方向：内燃机燃烧模拟与排放控制。 E - m a il：s u n j u n w h u Le d , xc n 图1 柴油机工作过程模型 电子调速系统仿真的对象包括柴油机本体模型、 动力系统模型、负载模型、电子调速器单元模型、 供油调节控制模型5 个主要部分，见图1 。 1 2 模型的动态特性 用阶跃信号模拟油门及负载的突变，将仿真 结果输出到M a t la b 工作空间。在仿真前需要对 9 5 第3 期 船海工程 第3 9 卷 仿真参数进行设置。仿真参数设置主要是选择仿 真算法和仿真时间。采用经典O D E 5 算法进行 仿真，试算表明可以满足仿真要求。确定仿真时 间主要是依据模型的复杂程度以及需要仿真的实 际过程来决定，所以其运算过程需要给出一定的 裕量，以免在变化过程尚未结束之前就提前停止 了仿真。试算确定8 0S 的仿真时间足够完成一 次变化过程仿真。 2 调速单元的设计 电子调速单元调节方式设计为经典的P I D 调节。反馈控制是控制系统的主要功能模块之 一，若P I D 参数对反馈控制的效果和控制参数的 性能有直接的影响。当柴油机处于稳定- T 况时， P I D 控制参数选取不当，可能会出现游车或振荡。 仿真研究表明，当柴油机处于稳定工况时，只 要选择比较合适的控制参数，常规P I D 控制器是 能满足柴油机转速控制要求的。用在线整定P I D 控制器初始参数的方法，得出的P I D 参数为：K 。 = 0 0 9 ，K i O 0 0 6 ，K d 一0 3 4 。由于P I D 参数的 理论整定值是基于数学模型的理想系统来整定 的，在实际系统中应用还需要进行调整。 图2 电子调速器单元模型 3基于d S P A C E 的电子调速单元 d S P A C E 实时仿真系统是德国d S P A C E 公 司基于M a t la b S im u lin k 的控制系统开发及测试 的工作平台，实现了和M a t la b S im u lin k 的完全 无缝连接。d S P A C E 实时系统由两大部分组成， 一是硬件系统，二是软件环境。d S P A C E 的硬件 系统具有高速计算能力，包括处理器、I O 板等， 还拥有方便易用的实现代码生成下载和试验调 试的软件环境 2 。 3 1d S P A C E 的软件环境 d S P A C E 的软件环境由两大部分组成，一部分 是实时代码的生成和下载软件f 汀W ，是连接d S P A C E 实时系统与M a t la b S im u lin k 的纽带。通过 R T W 进行拓展，可以实现从S im u lin k 模型到 9 6 d s 嗍实时硬件代码的自动下载。另一部分为测 试软件其中包含了综合实验与测试环境C o n t r o lD e s k 、自动试验及参数调整软件M I J B M r RA ( = E 。 3 1 1R T W 创建过程， 实时工作间( R e a l- t im ew o r k s h o p ，R T W ) 是 M a t la b 图形建模和仿真环境S im u lin k 的一个重 要补充功能模块。简而言之，是一个基于S im u lin k 的代码生成环境。R T W 创建过程包括几个 步骤：分析模型和对模型描述文件进行编译；由目 标语言编译器从模型中生成代码；程序联编文件 ( m a k e f ile ) 的生成；在自定义的程序创建文件的 控制下，由联编实用程序生成可执行程序。 3 1 2C o n t r o lD e s k 软件工具 C o n t r o lD e s k 是德国d S P A C E 公司开发的新 一代综合实验和测试软件工具( 软件平台) ，主要 用于实时系统在快速原型化( R C P ) 和半实物仿真 ( H I I 。) 过程中的仿真过程控制，以及模型信号的 动态显示及记录、模型参数的在线调整及存储 3 。 利用C o n t r o lD e s k 可以实现的主要功能包括： 1 ) 对实时硬件的图形化管理。 2 ) 用户虚拟仪表的建立。 通过建立的虚拟仪表与实时程序进行动态数 据交换、跟踪实时曲线、完成在线调参、并能记录 实时数据、实现实时数据回放等。 3 ) 变量的可视化管理。 4 ) 参数的可视化管理。 在C o n t r o lD e s k 界面中可以根据实时变量树 生成参数文件，通过参数文件对实时试验进行批 参数修改，并可通过将多个参数文件顺序调入研 究不同参数组对实时试验的影响。 3 2d S P A C E 的硬件环境 硬件系统主要分两大类：一是把处理器和l O 集成到一个板子上，形成一个完整的实时仿真 的单板系统；二是将实时处理器和用户接口完全 分开，以实现处理器能力和I O 能力的自由扩展 的标准组件系统。 本例采用的是组件系统，如图3 所示。包括 处理器板D S l0 0 5 和I o 板D S 2 2 1 1 。处理器板 是d S P A C E 标准组件系统的核心，通过内部高速 总线 P H S ( p e r ip h e r a lh ig h - s p e e db u s ) 总线扩 展各种I 0 板，满足用户对I 0 的需求。同时， 也可以通过专用的处理器接口扩展处理器板，组 成并行多处理器系统，从而大大加快模型的仿真 用d S P A C E 研究柴油机电子调速单元调速策略的方法 孙俊。易涛 速度，适应用户对快速实时计算模型的要求。 i 查! 垒婴 A u t o b o x j 图3 油门突变时的仿真结果 4 仿真平台的应用 为分析该电子调速单元的工作性能优劣，在 d S P A C E 仿真平台上对4 1 3 5 柴油机模型进行油 门突变过程的仿真试验L 4 | 。 当负载同定时，油门开启位置由初始的5 0 突变 为1 0 0 ，得到如图4 所示的油门突变时的仿真结果。 ， 量 昌 o t 歪 l 巳 t s 图4 负荷突变时的仿真结果 由图4 可以看出：循环油量和转速会急剧升 高，由于调速特性的作用，循环油量会急剧下降并 稳定在某一油量范围内，转速会稳定在14 0 0r r a in 左右。所建立的4 1 3 5 柴油机模型很好地仿真出了 油门突变这一瞬态过程中转速的动态变化。 5结论 1 ) 基于M a t la b S im u lin k 及d S P A C E 系统 建立了开放、组合性好、过渡性好、对产品实时控 制的支持性很强、可靠性高的仿真平台。 2 ) d S P A C E 实时仿真系统不同的模型之间 具有互补性，可靠性高。 3 ) 进行了油门突变仿真实验，所设计的电子 调速单元很好地配合了柴油机的控制，验证了仿真 平台的实用性，该平台可用于电子调速器的测试。 参考文献 1 康凤举，杨惠珍现代仿真技术与应用I - M 北京：国 防工业出版社，2 0 0 6 2 恒润科技实时快速原型及硬件在回路仿真的一体化 解决途径E R 恒润科技。2 0 0 5 E 3 3 杨涤，李立涛系统实时仿真开发环境与应用E M 北京：清华大学出版社，2 0 0 2 r 4 李长文，张宏波，赵长禄，等E C U 硬件在环柴油机控 制仿真平台研究 J - I 北京理工大学学报，2 0 0 4 ( 5 ) ； 4 0 7 4 1 0 AC o n t r o l S t r a t e g yo fE le c t r o n icC o n t r 0 1U n itf o rD ie s e l E n g B a s e d d S P n g ln e a s e dO nI - A C EA 乙乜 S U NJ I m ，Y I T a o ( S c h o o lo fE n e r g ya n dP o w e rE n g in e e r in g ，W u h a nU n iv e r s it yo fT e c h n o lo g y ，W u h a n4 3 0 0 6 3 ，C h in a ) A b s t r a c t ：A no p e ns im u la t io np la t f 0 1 T nw a ss e tu pb a s e do nM A T L A B S im u lin ka n dt h ed S P A C Es y s t e m A f t e ra n a ly z in gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed s P A C Es y s t e m 。t h ea v e r a g e - v a lu em o d e l w a sa p p lie dt Oe s t a b lis ht h ed y n a m ic m o d e lo ft h ee n g in et os im u la t et h ep la t f o I T nt h r o t t lem u t a t io n E x p e r im e n t a lr e s u lt ss h o w e dt h a tt h es im u la t io np la t f o r m c a np r o v id er e a l t im et r a n s ie n tm o d e l o b j e c tc h a r g e dw it ht h ec o n d u c to fe le c t r o n icg o v e r n o ro ft h eh a r d w a r eint h elo o p s im u l