（动力机械及工程专业论文）电控柴油机控制模拟平台的研究.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 本文对国外先进的柴油机电控系统开发平台进行了分析，针对国际上流 行的并行工程开发模式及集控制器快速建模仿真( r c pr a p i dc o n t r o l l e r p r o t o t y p i n g ) 、软件在环仿真( s i l ss o r w a r ei n l o o ps i m u l a t i o n ) 和硬件在 回路仿真( h i l sh a r d w a r ei n l o o ps i m u l a t i o n ) 于一体的仿真开发平台的 优点，建立了一套经济实用的电控系统开发平台，并应用于柴油机电控系统 的开发。 通过建立一个规范的柴油机电控系统开发平台，遵循一条有效的开发流 程，使各个开发阶段之间有效地衔接，提高开发效率和开发水平，节省时间 降低成本；并能够通过调整模拟平台的各个功能算法中的控制参数，使系统 的性能达到最佳，从而在最大程度上加快电控柴油机e c u 软件开发的进程， 是本文研究的主要目标。主要进行的工作如下： 1 建立了柴油机电控系统开发仿真用零维模型。通过构造以曲轴转角为 时基的信号源模块和微分函数求解模块，成功的实现了在 m a t l a b s i m u l i n k 平台下对非连续的曲轴转角量积分的计算，并据此建立 了能够比较精确模拟柴油机工作过程的零维模型，用于柴油机电控系统的开 发仿真。利用所建立的零维模型对电控高压共轨柴油机进行仿真，从仿真结 果与实验数据的对比中看出，该模型能满足预期的电控系统开发仿真的要 求。 2 在m a t l a b s i m u l i n k 平台下建立了柴油机平均值模型及车辆纵向 运动学模型。对比平均值模型及b 0 0 s t 模型对实测工况的仿真结果，表明 该平均值模型具有较好的仿真精度；此外该平均值模型相对于零维模型具有 较高的运算速度，具有最佳的速度与精度折衷，满足柴油机电控系统动态仿 真的要求。 3 利用m a t l a b s i m u l i n k 、s t a t e n o w 建立了柴油机控制器模型。该控制器 模型能够实现e c u 的大部分控制功能。e c u 控制器模型中包含o b d 在线 故障诊断模块，实现了部分故障诊断功能。通过联合柴油机零维模型与控制 器模型进行了软件在环仿真，可以用于控制策略的开发。利用代码生成技术 将成熟的控制策略，生成可执行程序，并将所生成的代码嵌入到手工代码中， x i 目录 在k e i lc 平台下实现了程序的编译和下载。 4 根据柴油机电控e c u 的特点及要求，选用了合适的传感器及驱动芯片， 设计了基于i n f i n e o nx c 2 7 8 6 x 微控制器的柴油机电控e c u ，以用于电控柴 油机的开发。 5 搭建了无e c u 时的硬件在环仿真平台，并进行了柴油机急加速工况下的 柴油机转速变化的模拟。利用该模型可以有效的对控制器控制策略进行开发 与验证。 关键词：柴油机；零维模型；平均值模型；控制器模型；e c u 硬件；控制 器快速建模仿真；软件在环仿真；硬件在环仿真； x i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t as e l f - a u t h o r i z e dp l a t f o mf o rd i e s e le l e c t r o n i cc o n t r o lu n i td e v e l o p m e n tw a sb u i l t i nt h i st h e s i s ，t h et h e o 巧o fp l a t f o 加c a m eo u to fm o d e ms o r w a r e - i n - t h e - l o o p ( s i l ) ，r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g ( r c p ) a n dh a r d w a r e i n - t h e - l o o p ( h i l ) b a s e d d e v e l o p m e n tm e t h o d o l o g yi nf o r e i g nc o u n t r i e s t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s si ss t a n d a r d i z e d ， i n t e g r a t i v e a n ds h o n e n e db yt h e i n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n tp l a t f o m ，w h a t sm o r e ，c o s ta n dt i m et om a r k e t w h i c ha r ec r u c i a lf a c t o r st oe n s u r ec o n t i n u e ds u c c e s si nac o m p e t i t i v ew o r l da r e a l s or e d u c e da n ds h o n e n e d t h ep e r f 0 m a n c eo fs y s t e mi so p t i m i z e db ya d j u s t i n g p a r a m e t e r so fs t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m s t h ew o r ka n da c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i s a r em a i n l ya sf o l l o w s ： 1 d e v e l o p m e n to fz e r o d i m e n s i o n a ld i e s e lm o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i i l l ( f o rd i e s e ls i m u l a t i o n w i t ht h es u c c e s s f u l a p p e a r a n c e o fi n t e g r a t i o nf o r n o n c o n s e c u t i v ev a l u eb yb u i l d i n gc r a m ( a n g l eb a s e ds i g n a ls o u r c ea n di n t e g r a t i o n m o d e li nm a t l a b si m u l i n ke n v i r o i l i i l e n t ，az e r o d i m e n s i o n a ld i e s e lm o d e l w h i c hc a np r e c i s e l yr e v e a lt h ew o r k i n gp r o c e s so fd i e s e lw a sd e v e l o p e d a c c o r d i n g l y f r o mc o m p r e s s i o nb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm e a s u r e dv a l u e s o fa6 - c y l i n d e re l e c t r o n i cc o n t r o lh i g hp r e s s u r ec o m m o n - r a i ld i e s e l ，t h ep r e c i s i o n o ft h ez e r o d i m e n s i o n a ld i e s e lm o d e la c h i e v e dag r e a ts a t i s f a c t i o ni ns i m u l a t i o n f o r t h ed e v e l o p m e n to fd i e s e le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m m o r e o v e r t h ez e r o - d i m e n s i o n a ld i e s e lm o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i i 出i s 向l l yo p e n e d ， s o m eo t h e r 向n c t i o n a lm o d e l sc a nb ea d d e d ， e g e x h a u s ta n d a r e r t r e a t m e n tm o d e la n ds c rm o d e le t c c a l c u l a t i o nr e s u l t s ( c y l i n d e rp r e s s u r e a i l dt e m p e r a t u r ee t c ) o ft h i sm o d e ls u p p l yw i t hs i g n i f i c a n tp a r 锄e t e r sf o rm o d e l e x p a n s i o ni nt h em t u r e 2 d e v e l o p m e n to fd i e s e lm v e m ( m e a n v a l u ee n g i n em o d e l ) m o d e la sw e l la s d r i v e l i n ea n dv e h i c l ed y n a m i cm o d e l t h em v e mm o d e lh a sag o o ds i m u l a t i o n a c c u r a c yb yc o m p a r i n gt h em e a nv a l u es i m u l a t i o nr e s u l t so fm v e m m o d e la n d z e r o d i m e n s i o n a lm o d e lb a s e do nb o o s t f u r t h e 珊o r e ，m v e mm o d e lm n s 目录 f a s t e rt h a nz e r o d i m e n s i o n a lm o d e l c o m p a r et oo t h e re n g i n em o d e l s ，m v e mh a s t h eb e s tc o m p r o m i s eb e t w e e nc a l c u l a t i o ns p e e da n da c c u r a c y ，f i t sf o rr e a lt i m e d y n a m i cs i m u l a t i o ni nd i e s e le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t 3 d e v e l o p m e n t o fe c um o d e l ( c o n t r o ls t r a t e g ym o d e l )b a s e d o n m a t l a b s i m u l i n k ，s t a t e f l o w t h ee c um o d e l w h i c hi n t e g r a t e do b d ( o n - b o a r d d i a g n o s i s ) m o d e lc o u l dr e a l i z em o s tf u n c t i o n so fe l e c t r o n i cc o n t r o l l e r t h ee c u m o d e la sw e l la sz e r o - d i m e n s i o n a lm o d e lw a si n t e g r a t e df o rs i l s i nt h i sw a y ， c o n t r o ls t r a t e g yw a sd e v e l o p e da n d v a l i d a t e d t h e n ，t h ee c um o d e lw a sc o m p i l e d t oe x e c u t a b l ec p r o g r a mb ya u t o c o d eg e n e r a t o ra n de m b e d d e di n t om a n u a lc o d e t h ei n t e g r a t e dc o d ew a ss u c c e s s f u l l y c o m p i l e d a n dd o w n l o a d e di nk e i lc e n v i r o n m e n t 4 ae c uh a r d w a r ew a sd e s i g n e df o rt h ed e v e l o p m e n to fd i e s e le l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m h i g h p e r f o n n a n c el6 3 2b i tm i c r o c o n t r o l l e ri n f i n e o nx c 2 7 8 6 xw a s s e l e c t e da sm a i np r o c e s s o ro fe c u s e n s o r sa n dd r i v i n gc i r c u i t sw e r ea l s o d e p i c t e di nt h i st h e s i s 5 as i n l p l i f i e dh i l sp l a t f ；o n nw a sd e v e l o p e da n d u s i n gw h i c h ，d y n a m i cp r o c e s s o fd i e s e lw a ss i m u l a t e d a sar e s u l t ，t h i sh i l sp l a t f 0 肌c a nb eu s e da sae f 佗c t i v e t o o lt ot h ed e v e l o p m e n ta n dv a l i d a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：d i e s e l ；z e r o d i m e n s i o n a lm o d e l ；m v e mm o d e l ；c o n t r o l s t r a t e g ym o d e l ；e c uh a r d w a r e ；r c p ；s i l s ；h i l s ； x i v 山东大学硕士学位论文 口：韦伯函数形状因子 彳：气门流通截面积 4 ：车辆行驶迎风面积 r ，彳、 l 烈： 实际空燃比 主要符号表 ( 詈) 。：化学计量燃空比 吃：燃油消耗率 ：活塞运动平均速度 c d ：空气阻力系数 c 。：缸内工质定压比热容 c 儿：废气定压比热容 c 彤：流过压气机的工质的定压热容 气：缸内工质定容比热容 c v ：缸内工质定容摩尔热容 e 洲：空气定容比摩尔热容 ：燃气定容比摩尔热容 d ：气缸直径 e ：滚动阻力值 f ：加速阻力 f ：坡度阻力 e ：空气阻力 最：底面作用于车辆驱动轮的切向 反作用力 厂：滚动阻力系数 石：预混燃烧部分的燃烧放热率 以：扩散燃烧部分的燃烧放热率 岛：循环供油量 g ：整车重力 吃：流出气缸工质的焓 厅。：流入气缸工质的焓 m ：燃料低热值 f ：路面的坡度 ，：飞轮转动惯量 t ：变速器的传动比 l ：车轮转动惯量 乇：主减速器的传动比 z 。：增压器转子转动惯量 七：定熵指数 t ：混合气中燃烧产物所占比例 k ：比热容比 毛：化学计量空燃比 脚：缸内工质质量 ：每循环进入发动机的空气质量 碗：空气质量流量 聊8 ：缸内燃油质量 碗：流过压气机的空气质量流量 ：扩散燃烧段的形状系数 他：流出缸内空气质量 所? ：柴油机机燃油消耗率 历，：缸内空气质量 小。：预混燃烧形状系数 聊，：残余废气质量 聊i ：涡轮内工质质量流量 删。：进入缸内空气质量 m ：混合气摩尔质量 m ：纯燃烧产物的摩尔质量 ：燃烧开始前缸内工质的摩尔 质量 聆：柴油机转速 ：发动机的气缸数 惕。：增压器转子转速 p ：缸内压力 见：压气机出口空气压力 见：柴油机平均有效压力 p ，：摩擦损失平均压力 b ：平均指示压力 麒：进气歧管压力 旦：压气机压比 p n 丝：涡轮的膨胀比 p 。 所：流动上游压力 鳓：流动下游压力 ：压气机所消耗的功率 ：柴油机有效功率 ：柴油机最大爆发压力 弓：涡轮产生的功率 绕：燃油放热量 q ：缸内散热量 ，：车轮半径 r ：气体热力常数 疋：压气机内工质气体常数 ：曲轴转角9 下工质气体热力 常数 碍：温度为丁时热敏电阻的阻值 x r ：温度2 7 3 1 5 k 时，热敏电阻阻 值 s ：行程 f 。：柴油机喷油提前角 丁：缸内工质温度 乙：压气机入口温度 乃：缸内的工质的初始温度 乙：压气机入口空气温度 乙：压气机出口空气温度 瓦：柴油机输出有效转矩 乙：排气温度 l ：柴油机摩擦转矩 瓦：中冷器入口的气体温度 z ：车辆驱动轮端转矩 瓦：中冷器冷却介质温度 巧：进气歧管温度 乃：涡轮产生的转矩 l 。：缸盖底面平均温度 l ：活塞顶部平均温度 瓦，：气缸套壁平均温度 甜：比内能 ：车辆行驶速度 甜，：空气相对车辆的运动速度 矿：气缸容积 圪：循环燃油体积 圪：柴油机单缸排量 ：余隙容积 形：车轮纵向负荷 x ：燃烧累积放热率 a ：过量空气系数 山东大学硕+ 学位论文 a 。：瞬时平均换热系数 口，：路面的坡度角 卢：预混燃烧所占的百分率 风：理论分子变更系数 ，：残余废气系数 以：压气机内工质的比热 y 。：废气比热容比 6 ：计入旋转质量惯性力矩后的汽 车旋转质量换算系数 ：压缩比 s 。：中冷器效率 仉：压气机的定熵热效率 吃：柴油机指示热效率 ：柴油机机械效率 叩f ：传动系的机械效率 珊：涡轮的定熵热效率 t 7 砌：涡轮的机械效率 仉：柴油机气缸的充气效率 允：瞬时过量空气系数 砧：曲轴连杆比 j l l ：气门处流量系数 7 r ，：压气机的增压比 成：压气机入口处空气密度 j d ：空气密度 成：进气管前空气密度 p ，：燃油密度 成：进气管状态下的空气密度 f ：扩散燃烧段的迟后期 9 ：曲轴转角 ：扩散燃烧的持续期 纯：燃烧终点处曲轴转角 ：预混燃烧持续期 纯：燃烧持续期 旦：无因次时间 吼 虬。：流函数 国：曲轴旋转角速度 ：增压器转子旋转角速度 血：柴油机转速变化量 丁：发动机缸内工质温度变化量 x v i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：邀日期：2 堂：摹叼 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 、) 八，a 7 论文作者签名：诹导师签名： 坚篁 日期：塑呈：乡 山东大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 柴油机电子控制技术提高了柴油发动机的燃油经济性、降低了排放及 噪声，同时也为柴油机发展中的多项新技术的引入奠定了基础【l 】，许多新技 术，如可变气门正时升程、可变进气系统、怠速熄火、停缸技术等的应用， 使传统发动机中相抵触的性能参数有了平行的提高。电子控制技术在柴油机 中起到了越来越重要的作用，已经成为柴油机应用和发展中必不可少的一个 环节，是当今柴油机发展的重要方向之一。然而柴油机电子控制技术集中掌 握在国外少数几个公司手中，他们拥有完整的柴油机电控系统开发平台，并 采用最新的电控系统开发模式，可以达到较快的开发速度和最优的资源利用 率，符合当今市场对产品需求的多样性、快速性要求的趋势。而我国柴油机 电子控制技术与国外有着较大的差距，缺少自主的与国外相媲美的电控系统 开发平台，在一定程度上影响了我国柴油机电控技术的发展。国外电控系统 开发平台价格极为昂贵，对国内大部分中小型企业而言，引进国外优异的电 控系统开发平台及其开发模式无疑是一个很大的负担。因此，建立拥有自主 知识产权的柴油机电控系统开发平台，对促进我国柴油机电控技术的发展具 有重要的理论意义和实用价值，本课题也正是在这个背景下提出的。 1 1 1 电控系统传统开发模式的局限性 传统的柴油机电控系统开发流程是在确定好系统需求和设计目标后， 根据经验提出系统结构，由硬件设计人员设计制造硬件电路，由控制工程师 提出控制方案，由软件工程师实现控制方案，由系统工程师将控制代码集成 于硬件电路中，最后在测试台上对真实的控制系统进行系统测试【2 j 。在这个 过程中，如果硬件的设计制造不能保证系统对控制规律的控制特性或控制效 果或在测试阶段发现控制效果不理想，则需要重复这些工作，增加了开发投 入，延长了开发周期，甚至还可能导致系统开发以失败而告终。 鉴于传统电控系统开发模式的不足，国外目前普遍采用了并行工程的 开发模式，即设计、实现、测试和生产准备同时进行的v 型开发模式。 第一章绪论 1 1 2 基于模型的v 字形开发模式 v 模式开发是以m a t l a b s i m u l i n k 软件及其他相关软硬件产品为平台，以 模型为设计思想的开发模式。其开发流程由离线功能仿真、控制器快速建模 仿真、自动代码生成、硬件在环仿真、台架及装车实验构成。借助于计算机 辅助工具，v 模式开发支持从需求定义直到最终产品的全过程，可以结合现有 的测试系统，构成统一的从开发到标定的一体化方案。图l 为基于模型、面向 应用的v 字形开发流程，它是一个以多个开发工具构成的封闭的开发链。该开 发流程在目前的发动机电控系统开发中得到了越来越多的应用。 图1 1电控系统v 字形开发模式 基于模型、面向应用的现代开发技术的重要特征，就是采用计算机辅助 控制系统设计c a c s d ( c o m p u t e r a i d e dc o n t r 0 1s y s t e md e s i g n ) 将计算机支持 工具贯穿于控制系统开发测试的全过程。图1 2 为基于模型的v 模式开发流程， 这个完整的控制系统开发步骤，由下列过程组成： 1 ) 概念定义及需求定义。与采用文字进行说明的传统方法不同，现代开 发技术中采用基于模型的方式，即用信号流图进行定义。 2 ) 控制方案设计。利用诸如m a t l a b s i m u l i n k 等计算机辅助建模分析软 件，建立尽可能贴近对象的模型，并进行离线仿真。 3 ) 控制器快速建模仿真的建立r c p ( r a p i dc o n t r o l l e rp r o t o t y p i n g ) 。在 开发的初期阶段，建立控制对象及控制模型，并对整个系统进行离线及在线 仿真，验证控制系统软、硬件方案的可行性。 4 ) 生成产品代码。与采用手工编程实现代码生成的传统方法不同，现代 器开发模式采用代码自动生成技术生成产品的大部分代码。 5 ) 硬件在环仿真h i l s ( h a u r d w a u r e i n t h e l o o ps i m u l a t i o n ) 。采用真实的控 2 山东大学硕士学位论文 制器、被控对象及系统运行环境，可以部分采用实际的物体，部分采用实时 数字模型，进行整个系统的仿真测试。 r 黧酚攥_ 图1 2v 模式嵌入式控制开发 应用该开发模式，不仅可在开发初期通过r c p 技术及时对所设计的算法进 行功能验证及性能优化，而且可以在开发后期对成熟的算法进行代码自动生 成。此外，自动生成的代码能和早期手工编写的代码很好地集成。因此，利 用v 模式开发技术，电控单元的开发将会是积木式的把硬件、操作系统、功能 算法和通讯诊断等集成在一起。而控制系统开发后期的主要工作将集中在控 制器与系统的匹配标定上，通过调整各功能算法中的控制参数使系统的性能达 到最佳。由于硬件在环仿真技术实现了先期的虚拟标定，因此可以大大减少试 验台标定工作量，缩短台架标定时间。 1 1 3v 模式开发中的常用方法 1 1 3 1 控制器快速建模仿真r c p 图1 3 为控制器快速建模仿真过程示意图，整个过程包括受控对象模型及 控制策略模型的建立、离线在线仿真、代码生成等环节。在整个过程中，模 型仿真、仿真结果分析以及控制策略优化是几个重要的环节，通常通过图形 式编程软件m a t l a b s i m u l i n k 、s t a t e f l o w 建立相应的控制器模型，也称为 控制策略模型。控制模型完成后，在计算机上与选用的发动机仿真模型进行 联合仿真，即软件在环仿真。控制器模型对柴油机模型进行控制，而柴油机 模型完成工作状态模拟输出仿真结果，并将计算结果反馈给控制器模型。通 3 第一章绪论 图卜3控制器快速建模仿真流程 过反复修改模型设计，进行离线及实时仿真就可以将错误及不当之处消除于 设计初期，这种方法被认为在开发过程中节省了大量的时间【3 ，4 l 。 文献【5 1 6 】利用控制器快速建模仿真技术实现了柴油机控制系统的开 发，通过采用控制器快速建模仿真技术能够大大提高控制系统的开发速度。 控制器快速建模仿真的优势是其代码的自动生成和下载功能，即利用代码自 动生成工具准确快速的将控制策略模型生成可执行程序或代码，从而大大节 省了手工编写控制程序的时间。代码自动生成技术提供了设计助手和自动代 码生成器，减少了嵌入式信号处理器的设计成本，降低了手工代码量。这种 技术便于对系统原型设计中的控制策略进行反复调整1 1 7 j ，能加快开发速度， 但部分实时运行效率将受到损失，由于高运算速度硬件和大容量存储设备的 不断出现，这种用损失代码的部分实时运行效率来提高开发速度的方法是可 以接受的。在实际应用情况表明，自动生成代码的运行效率不低于手工代码 的1 0 ，内存占用量也不超过手工代码的1 0 。文献【1 8 】在动力传动系统 的应用中成功的实现了自动生成代码与其它组件的无误编译，并对自动代码 和手工代码占用的存储器( r o m 和r a m ) 空间进行了比较，认为自动生成的 代码仅比手工编写的代码效率稍有降低。作为该技术应用的成功范例，戴姆 勒一克莱斯勒公司通过自动代码生成技术，将基于m a t l a b s i m u l i n k 、 s t a t e f l o w 开发的控制策略模型生成了可执行代码，并利用t a r g e t l i m ( 工具下载 到d s p a c e 控制器仿真系统中进行硬件在环仿真【19 1 。 1 1 3 2 硬件在环仿真( h i l s ) 硬件在环仿真是指采用真实的控制器，而被控对象或者系统运行环境， 部分采用实际的物体，如喷油器、高压共轨等，部分采用实时数字模型，如 4 山东大学硕十学何论文 柴油机等，来进行整个系统的仿真测试。硬件在环仿真将成为汽车组件开发 的标准工具【2 0 1 。采用硬件在环仿真可以进行极限条件的测试，试验可重复性 好，测试结果容易纪录，便于分析。在实际过程中，控制工程师把硬件在环 仿真作为代替真实环境或设备的一种典型方法。通过实际的控制器和用来代 替真实环境或设备的仿真模型一起组成闭环测试系统，可以在实验室的环境 下完成对e c u 的测试，大幅度降低开发费用，缩短开发周期。文献【2 1 】对 硬件在环仿真系统进行了描述，认为硬件在环仿真技术为复杂系统的仿真提 供了可能。文献【2 2 2 5 】分别描述了采用硬件在环仿真技术进行控制器开 发的实例，通过硬件在环仿真，最大程度的模拟了真实环境，优化了控制系 统，加快了开发进度。 1 2 国外电控系统仿真用模型研究现状 实时仿真i 汀s ( r e a l t i m es i m u l a t i o n ) 是v 模式开发过程中的重要一环， 它利用诸如m a t l a b s i m u l i n l ( 等计算机辅助建模及分析软件对控制系统进 行模拟。为保证仿真结果的准确性，使仿真结果具有指导意义，需要建立尽 可能贴近真实对象的模型。通常对模型的复杂性及运算速度进行折衷处理， 以便使模型更适用于柴油机电控系统的仿真。 柴油机模型可以分为零维模型、准维模型和多维模型三种。零维模型和 准维模型是用热力学原理描述燃烧过程，对所涉及的流体动力学过程不予考 虑，或只做简单的处理，其控制方程是以时间为唯一变量的微分方程。多维 模型是用数值方法描述燃烧过程中的质量、动量、能量和化学组分的守恒方 程，是由很多自变量组成的偏微分方程。多维模型一般由描述缸内各个物理 化学过程的若干子模型组成，如气体流动模型、燃油喷雾模型、化学反应模 型和传热模型等。多维模型根据空间坐标数又可以分为一维、二维、三维模 型。以上几种模型中，零维模型和准维模型虽然无法从本质上描述燃烧反应 基理，也不能对发动机的性能做详尽的分析和预测，但模型方法简便，计算 速度较高，因此在控制仿真中有广泛的应用；而多维模型在计算中需要高速 大容量计算机且花费很长的计算时间，因此难以直接应用到控制仿真过程中 【2 6 2 7 】 o 1 2 1 基于m a t l a b s i m u i i n k 建立仿真模型 5 第一章绪论 利用m a t l a b s i m u l i n k 建立发动机模型，并利用所建立的发动机模型 进行软件、硬件仿真是发动机控制仿真中的常用方法。由于模型的建立完全 在m a t l a b s i m u l i m ( 平台下实现，用户可以对模型进行深入的优化，并针 对特定的机型进行相应的配置。文献【2 8 】对利用m a t l a b s i m u l i n k 建立 发动机模型的方法进行了深入的讨论，并提出了通用的、模块化的发动机动 态仿真用模型。 1 2 1 1 基于物理过程的理论模型 此类模型通常基于热力学原理，经过一系列的简化假设，用平衡方程， 如质量守恒、动量守恒和能量守恒方程对柴油机的工作过程描述。柴油机燃 烧过程的燃烧燃烧放热率用经验公式或拟合的曲线表示。文献【2 9 ，3 0 】建 立了基于充排法原理和热力学第一定律的单区模型，该模型在计算中采用热 力学第一定律和气体状态方程描述缸内的热力过程，用式( 1 1 ) 计算缸内 压力。燃烧放热过程采用韦伯函数进行模拟，采用经验公式对发动机的工作 过程的边界条件进行描述。 等= 罢c 警一警，一去警 ( - 1 ) 其中： 鼬：缸内压力5 y ：缸内工质多变指数； ：气缸瞬时容积； 如：燃料放热量； q ，：缸内散热量。 1 9 9 4 年，密西根大学、爱荷华州立大学、韦恩大学及威斯康星大学联合成 立了汽车研究中心a r c ( a u t o m o t i v er e s e a r c hc e n t e r ) ，进行先进车辆仿真模 型的开发与研究。在其合作研究中，m o s k w a 和c h e n 开发了基于 m a t l a b s i m u l i n k 的发动机模型3 1 1 ，m u i u l s 将该模型进行了模块化处理，形 成各缸独立封装的发动机模型( c y l i n d e r - b y c y l i n d e re n g i n em o d e l ) 【3 2 1 ，同时 追加了增压器模型和车辆传动系统模型【3 3 1 ，构成了完整的基于s i m u l i m ( 的动力 系统模型。文献【3 4 】在s i m u l i n k 框架下，将发动机缸内模型分解成不同工作 过程的模块，并在发动机冷启动状况下对该模型进行了动态特性的验证，并 6 l i j 东大学硕十学位论文 指出当使用大量的s i m u l i n k 模块时，模型内部通信量的增加将大大增加模型的 运行时间，因此对模型进行模块化分解时，需要在模块灵活性和整体计算速 度上进行折衷。 1 2 1 2 平均值模型 在发动机电控系统仿真中另一种常见的发动机模型是平均值模型 m v e m ( m e a i lv a l u ee n g i n em o d e l ) ，所谓平均值模型是指以较大的时间间 隔来描述发动机动态特性参数的模型，在仿真过程中忽略发动机一个循环内 的过程变化及波动情况。这种模型不包含细节方面，如进排气、燃烧等过程 的描述，而只是简单抽象的表达这些过程的变化，因此该类模型通常以发动 机的动力性为主要描述对象。在柴油机电控系统开发的仿真中，平均值模型 既能保证一定的运算精度又能满足控制仿真的实时性要求，因此得到了广泛 的应用。文献【3 5 】建立了基于描述发动机动力性的方程、试验数据、和特 性曲线m a p 的增压柴油机平均值模型。进气歧管、压气机和废气涡轮中的 流动被认为是连续的，并在模型中大量采用了经验公式，提高了计算速度。 文献 3 6 4 6 】也开发了能高速运算的、具有较高仿真精度的平均值模型。这 些模型的一个共同的特征是以动态仿真为目标对发动机转矩进行计算。 1 2 1 3 基于实验与物理方程相结合的模型 模型的模块可以由物理过程的描述方程和数据m a p 图表来保证运算速 度【4 7 】。采用物理方程、拟合曲线、数据m a p 建立模型的方法也被广泛应用 到发动机控制仿真模型的建立中。文献【4 8 】将反映发动机工作过程及增压 器状态的参数进行了预处理，将预处理的数据进行回归，作为一维稳态和非 稳态工况模拟的基础；用微分方程对工质状态变化相对缓慢的部分，如发动 机歧管( 进气管、排气管、中冷器、e g r 管路等) 、燃油泵( 特别是高压共 轨系统) 等进行描述；同时用数学边界条件加以补充，建立了增压柴油机模 型。该模型具有较高的运算速度，同时对所研究机型可以达到很高的仿真精 度。文献【2 6 】建立了基于试验数据与物理方程的柴油机动态仿真用模型， 用于计算发动机的输出扭矩。该模型的仿真结果同试验数据的吻合性较好。 而且计算过程比较简单，可以达到较高的仿真速度。文献【4 9 】将发动机工 作过程分为7 个不同部分，并通过数学方程和图表的方法得到柴油机的相关 性能指数。在模型中预处理的试验结果用拟合曲线表达，并且用实测参数对 7 第一章绪论 模型进行了修正。 1 2 2 基于内燃机工作过程模拟分析软件建立模型 除了利用m a t l a b s i m u l i n j ( 建立发动机模型外，还可以利用其它的软件 包来建立发动机模型，并通过软件包与m a t l a b s i m u l i n k 的接口交换数据进 行仿真，这种方法可以建立更为复杂的和准确的发动机模型。文献【5 0 】建 立了基于g t p o w e r 的动态仿真用6 缸增压发动机模型，该模型包括进排气系 统、燃烧室、预热组件等部分。模型利用数据m a p 获取发动机性能参数，减 少计算工作量，加快运行速度。 文献【5 l 】利用f o r t & 语言建立了同步、非线性微分方程表达循环过 程的单缸模型，并对程序源码进行修改使其具有与s i m u l i i l l ( 完全兼容和开放的 通信接口，通过模型与s i m u l i n k 的接口交换数据，进行仿真。这个过程包括开 发f o r t r a n m e x 文件，涵盖所有必需的处理输入、输出向量的状态派生及 入口规则。其开发的单缸模型就成为像s i m u l i n k 其它模块一样的，在图形编程 环境下可以拷贝的模块。利用该单缸柴油机模型模块可以建立更复杂的多缸 发动机模型。文献【5 2 】对f o r t r a n 与s i m u l i n k 的接口技术进行了描述。 文献【5 3 】建立了包括柴油机和排放后处理系统的集成模型。其中一维 柴油机模型及排放生成模型通过w a v e 软件建立，颗粒捕捉器模型通过 m a t l a b s i m u l i n k 建立。排放模型中包括一个含有人工神经网络预测碳烟生 成的现象学碳烟模型。该文献成功的实现了软件w a v e 与m a t l a b s i m u l i n k 之间的数据交换。 m o s k w a 和h e n d r i c k 【5 4 ，5 5 】等人利用m a t r i x x s y s t e m 开发了用于实时仿真 的车用柴油机模型。c i e s l a 和j e n n i n g s 【5 6 5 7 】等人在e a s y 5 下建立了动力系统 模型，该平均扭矩模型被用来描述动力系统操纵性、供油参数改变时油耗响 应情况及进行控制策略的开发。 f i l i p i 和a s s a n i s 【5 8 】将基于f o r t r a n 编写的模型进行了分解，并补充了 发动机动力学方程，建立了以单缸工作过程为对象的非线性的可用于瞬态工 况仿真的源代码。文献【5 9 】通过实验对该模型进行了了验证，实验结果表 明了模型的准确性，文献【6 0 】将其f o r t m 州源码转换成f o r t r a n m e x 文件，将该单缸模型添加到了m a t l a b s i m u l i n k 图形编程环境下。s a y e r s 和 8 山东大学硕十学位论文 r i l e y 【6 l 6 2 1 用a u t o s i m 软件【6 2 j 建立了非线性三维动态车辆模型，模型包括悬 挂、转向、制动及轮胎等部分。运动方程采用标准c 语言编写，并转化成c m e x 格式文件，从而实现了其在s i m u l i n k 下的集成。文献【6 3 】在a m e s i m 开放式 数字建模和动态仿真系统环境下，开发了i f p e n g 烈e 库，利用所建立的发动 机模块库进行发动机建模和仿真。 1 3 国外常用的电控系统仿真开发平台简介 1 3 1d s p a c e 实时仿真系统 d s p a c e 实时仿真系统是由d s p a c e 公司开发的，基于 m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发及测试工作平台。d s p a c e 实时系统拥 有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器及高速i o 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。 文献 6 4 】描述了利用d s p a c ea u t o b o x 和进行底层i o 控制的从处理器以 及进行信号调理的内部接口卡，开发的完全自主的柴油机控制系统。底层软 件包用来模型实际发动机的产品代码，通过这种方法对新添加的控制运算逻 辑与原产品的运算逻辑进行了真实和准确的对比。而仿真系统的发动机包含 了所有体现现代柴油机技术水平的部件，如共轨喷射系统、e g r 、增压器等。 1 3 2l a b v i e wf p g a 硬件在环仿真平台 n a t i o n a l i n s t m m e n t s ( 以下简称n i ) 公司的r 系列产品提供了可重新配置 型输入输出硬件，用户可借助它和l a b v i e wf p g a 软件模块建立自己的硬 件在环仿真系统。 利用n i 的硬件平台可以方便地获取常用传感器的信号，如热电偶、热 敏电阻等传感器的信号；也可以生成用于继电器、l e d 控制的数字信号。 硬件平台提供了用于r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 协议的硬件以及可在最高lm b s 速度 下与c a n 协议相连接的硬件接口。利用这个平台就可以创建一个功能极为 强大的硬件在环仿真系统。由于n i 的所有硬件产品都通过同一个公用的软 件界面进行通信，因此系统的集成和管理也很方便。文献【6 5 】利用控制器 快速建模仿真技术在f p g a 平台下成功的实现了6 0 0 c c 摩托车控制器的开 发。 9 第一章绪论 1 4 课题主要内容 本课题参考国外先进的柴油机电控系统开发模式，开发自己的经济实用 的柴油机电控系统开发平台，用于柴油机电控系统控制策略的开发。 研究工作包括以下几个部分： 1 ) 在m a t l a b s i m u l i n l 【下建立柴油机零维模型，以用于柴油机电控系统开 发的仿真。要求该模型能够反映柴油机内部的工作状况，如缸内压力、温度 等，模型应具有较高的计算精度。 2 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 下建立柴油机平均值模型及其负载模型。利用经验 公式和实验数据m a p 对柴油机的工作状态进行描述，减少微分方程的求解 的工作量，提高模型运算速度，满足模型在动态仿真中的实时性要求。3 ) 建立基于m a t l a b s i m u l i n k 、s t a t e n o w 的e c u 控制器模型，并结合柴油机 零维模型进行软件在环仿真。运用代码自动生成技术将建立的控制器模型生 成可执行程序，同时将生成的