（动力机械及工程专业论文）发动机工况实时仿真系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 要 ， f 。 l 发动机工况实时仿真系统是在皂篓丕筮开发中应用十分广泛的一种计算机仿 e 真技术，该技术的应用可以有效的缩短电控系统的开发周期，降低开发成本，是 发动机电控系统开发当中非常有用的辅助开发工具。随着我国对发动机电子拄哺0 技术水平要求的不断提高，发动机工况实时仿真系统必将得到广泛的应用。 1 本文通过查阅大量的有关文献，系统综述了发动机实时仿真系统的研究现状 和发展趋势。设计了一套适合发动机电控系统初期开发的计算机实时仿真系统。 该系统由模拟主机和模拟器组成，系统模拟作为控制对象的发动机，实时仿真发 动机的各种静态和动态特性。并通过模拟器的接口电路与真实的电控系统相连， 为其提供各种传感器信号。为系统设计了两种工作模式：静态控制模式和模型控 制模式。 设计了模拟器的核心电路和各种外围接口电路。核心电路被设计成双单片机 结构，并应用了f i f o 通讯技术来进行单片机之间的通讯，提高了模拟器的处理 速度，可以获得最高的t 作效率，同时扩展了系统的可用资源。在外围接口电路 的设计中，在控制成本的条件下，尽量采用了最新的元器件，以3 j 之获得最佳性能。 广泛采用了s p i 接口技术，使得整个系统具有良好的可扩展性。通过对不同通讯 方案的比较，设计了基于c a n 总线的高速通讯接口，该接口具有通讯速率高， 数据传送可靠等特点。对已有的发动机撰型进行简化，建立了适合于实时仿真系 统的发动机模型，编制了仿真程序。y 。 在通用电路板上进行了模拟电路的试验，结果表明，硬件系统实现了设计功 能，通讯接口效果令人满意，满足实际使用的需要。 最后，对全文进行了总结，并提出了继续完善和改进系统的建议。 关键词：内燃机实时仿真单片机c a n 总线 v 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 一。 t h er e a l - t i m ee n g i n es i m u l a t i o ns y s t e mi so n eo f c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u e s t h a ta r ew i d e l yu s e df o rt l l ed e v e l o p m e n to f e n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t i ti sav e r y u s e f u la s s i s t a n tt o o li nd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i cc e n t r e lu n i ta n dc a ns h o r t e nt h e t i m ea n dd e c r e a s ec o s te f f e c t i v e l y w i t ht h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so fe l e c t r o n i c 。 c o n t r o l l e de n g i n eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es t r i c t ，t h er e a l - t i m e e n g i n es i m u l a t i o n s y s t e mw i l lb eu s e dw i d e l y o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v es t u d yr e l e v a n tl i t e r a t u r e s ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c s u m m a r i z e st h es t a t u sa n dt r e n do f t h er e a l - t i m ee n g i n es i m u l a t i o ns y s t e ma r e a l t i m e s i m u l a t i o n s y s t e m i s d e s i g n e d t o a d a p t t o s a t i s f yd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e ds y s t e mi ni n i d a ls t a g e t h i ss y s t e mi sm a d eu po fah o s tc o m p u t e ra n da s i m u l a t o rt os i m u l a t eae n g i n e sp e r f o r m a n c e ，w h i c hi sq u aac o n t r o l l e do b j e c t ，a n di t c a l ls i m u l a t em a n yk i n d so fr e a t t i m es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f e n g i n e s c o n n e c t e dw i t ht h er e a le l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tt h r o u g ht h ei n t e r f a c ec i r c u i t ，t h i s s i m u l a t i o ns y s t e mm a y p r o v i d ev a r i o u st r a n s d u c e rs i m u l a t i o ns i g n a l s ，t h i ss y s t e mi s d e s i g n e dt ow o r ki nt w oo p e r a t i o nm o d e s ：s t a t i cc o n t r o l l e dm o d ea n dm o d e - c o n t r o l l e d m o d e t h ek e r n e lc i r c u i ta n dp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t so ft h es i m u l a t o ra r ea l s o d e s i g n e d 1 1 1 ek e r n e lc i r c u i ti sc o n s i s t e do ft w os i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r sa n do n e c h i po ff i f om e m o r y , t h ef i f om e m o r yi s u s e dt o e x c h a n g ed a t ab e t w e e nt w o s i n g l e c h i p sm i c r o p r o c e s s o r s ，i tc a ne n s u r et h es i m u l a t o rw o r ka th i g hs p e e d i no r d e r t oo b t a i nt h eb e s tp e r f o r m a n c ea n de x p a n s i b i l i t y , t h en e w e s t c h i p sa n ds p it e c h n i q u e a r eu s e d b yc o m p a r i n gw i t hv a r i o u sd a t ae x c h a n g em e t h o d s ，ah i g h e rc o m m u n i c a t i o n 1 r a t ei n t e r f a c eb a s e do nc a nb u si sm a d eo u tt or e a l i z ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nh o s t c o m p u t e ra n ds i m u l a t o r as i m p l ee n g i n em o d e la d a p t e dt ot h i sr e a l - t i m es i m u l a t i o n s y s t e mi se s t a b l i s h e d 。 a s i m u l a t i n ge x p e r i m e n ti s c a r r i e do u tb yb u i l d i n gt h es i m u l a t o ro nag e n e r a l p u r p o s ec i r c u i tb o a r d ，t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ew h o l e s y s t e mc a nr e a l i z et h ee x p e c t e d f u n c t i o n sa n dm e e tt h en e e d so ft h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o n t r o l l e du n i t f i n a l l y , ac o n c l u s i o na b o u tt h ed e s i g na n ds o m ei d e a l sa b o u th o w t or e f o r mt h e s y s t e m a r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ，r e a l - t i m es i m u l a t i o n ，s i n g l e - c h i p ，c a nb u s i j 华中科技大学硕士学位论文 1 1 计算机仿真技术概述 1 绪论 计算机仿真是利用研究对象的数学模型在计算工具上对真实系统和设想中的 系统进行性能测试的一门综合性技术。更全面地说，计算机仿真是应用系统模型 结合实际模拟的环境，或用实际的系统或其子系统结合模拟的环境进行分析和实 验的种科学方法1 i l l 2 | 。 二十世纪六十年代之后，科学技术发展极其迅速，航空航天、核能工程、化 学工程、电子信息工程、控制工程、材料科学的发展极其迅猛。科学技术所研究 的对象变得越来越复杂、越来越综合。在这种情况下，基于真实系统的研究不仅 耗资巨大，有的甚至难以实现，而传统的仿真技术又很难满足如此复杂系统的研 究需要。在矛盾交错之中，计算机仿真技术异军突起，为庞杂系统的研究( 包括 性能预测、性能控制、故障诊断等) 提供了非常有力的工具。 计算机仿真技术可以用在系统设计、发展和估计等方面。利用这种技术可以 去研究尚未建立或实现( 或虽然已实际建成但正待改进，而这种改进的系统尚未 建立时) 的系统的性能。可以用来比较很多方案以确定最佳方案，可以用来检验 某种或某些技术措施、设计意图是否达到预期的结果，或估计会不会发生某些问 题和情况。这些问题和情况也许在事先已有所怀疑，或者从未估计到的。可以充 分地检验这个系统在各种可以设想到的不同环境中表现的行为。以便制定适当的 技术策略使其行为满足运行的需要。也可以为这个系统投运前的调整做出估计， 并提供有实际参考价值的建议。计算机仿真是很经济的，不像做真实的实验( 或 试车、台架试验等) 那样需要花费很大的人力、财力、时间。仿真还可以完成实 际试验中无法做到的或者十分危险的实验。 仿真技术不仅在工程设计和制造中使用，它也可以用在医学卫生、商业、生 产管理、社会经济、生态发展等方面。仿真还广泛用于人员的训练，例如飞机、 船舰、汽车的驾驶训练，化工、电力等工业中技术工人的训练以及其他各种训练 教学中。 作为计算的工具可以是模拟、混合或数字计算机，仿真技术相应地可以分为 模拟仿真、混合仿真和纯数字仿真。模拟计算机的各部件是并行工作的，而不像 普通数字计算机那样只能进行串行运算，因此其运算速度比数字机要快。数字机 华中科技大学硕士学位论文 的优点之是：可以先编出一套程序，然后输入一些反映仿真对象的数据，即可 进行仿真。这比模拟机应用要方便。将模拟计算机和数字计算机联合成个系统 即是混合计算机系统。两种计算机通过中间接口交换信息。这样，混合计算机结 合了两种计算机的优点，是一种处理能力极强的仿真工具，得到了广泛的应用。 1 2 计算机实时仿真系统在发动机电控系统开发中的应用 发动机电控系统的开发一直是一件成本高、耗时长的工作。这主要是由于传 统的开发过程是以试验为基础，需要投入大量的人力、物力和时间，利用发动机 试验对电控系统进行测试、调整和标定工作。计算机实时仿真系统义称为硬件在 环( h a r d w a r e i n t h e 1 0 0 p ) 仿真系统，将其应用到发动机电控系统的开发当中， 可以有效的缩短开发周期，降低开发成本，是发动机电控系统开发当中非常有力 的开发工具。 计算机实时仿真系统应用于发动机电控系统开发工作中时，利用发动机数学 模型和接口电路为真实的控制系统实时模拟发动机的各种静态和动态特性，并通 过接口电路与真实的电控系统相连，为其提供虚拟的运行环境。控制系统在这种 虚拟的工作环境中完成其控制功能，就如同控制真实的发动机一样。其结构如图 卜1 所示唑 计算机实时模拟系统 厂叫系统数学模型卜 数据采集及控制电路 信号采集信号模拟 叫控制系统障 图1 - 1 计算机实时仿真系统结构图 整个系统可分为两个部分：一是模型计算部分。它是整个系统的核心，其任务是 根据系统提供的各种参数，计算控制对象的各种静态和动态特性；二是接口电路 部分。其任务是根据数学模型计算的结果为控制系统模拟各种传感器信号，并采 2 华中科技大学硕士学位论文 集控制系统的各种控制信号以用于模型计算。同时，计算机实时仿真系统的仿真 过程要求具有实时性，即模型的计算不仅要有一定的精度，而且还要有足够的速 度，以确保仿真环境中各种参数的变化与真实环境相同。 计算机实时仿真系统的应用具有两个突出的特点： 1 ) 可以替代许多实机试验，在仿真系统上就可以实现对电控系统的测试和调 整，如进行系统软、硬件参数的匹配和标定； 2 ) 可以完成一些在实际发动机试验中难于或无法实现的试验内容，如为电控 系统模拟高温( 1 5 0 ) 或低温( 一4 0 ) 的运行环境。 计算机实时仿真系统在发动机电控系统开发中的作用表现在以下几个方面 1 4 1 ： ( 1 ) 为硬件测试提供仿真运行环境 利用仿真系统可以为控制系统提供仿真运行环境，对控制的硬件及各种传感 器、执行器电路进行独立地、综合地测试，为硬件的选择、匹配提供依据。由于 测试过程是在计算机仿真环境下进行，因而可以有效的排除各种干扰的影响，同 时还有利于对贵重设备的保护。 ( 2 ) 为软件测试模拟各种运行工况 仿真系统可以灵活、方便地仿真发动机的各种运行工况( 稳态、瞬态、高温、 低温、变海拔等) ，因而具有很高的可重复性。在电控系统开发过程中，可以方便 地利用此环境对控制系统软件及控制策略进行测试，减少实机试验。 ( 3 )实现电控系统基本参数初步标定 电控系统在进行实机试验前，可以利用仿真系统中的发动机模型对基本控制 参数进行初步的匹配和标定，减少实机试验时间。同时，这样做还可以避免因在 实机上进行调整而可能给发动机或电控系统带来的损坏。 ( 4 ) 提高针对电控系统试验的灵活性和安全性 电控系统对可靠性和安全性的要求越来越高，而针对可靠性和安全性的试验 工作量很大，有时甚至是危险的。利用仿真系统在实验室内进行此类试验，可以 不受自然环境的限制，而且十分灵活、方便和安全。 ( 5 ) 根据模型运算结果对试验进行深入分析 利用仿真系统对发动机电控系统进行测试，可以方便的控制和记录测试过程， 并可以利用模型运算得到实际试验中无法或难于测量的参数，便于对测试结果进 行分析和比较。 出于仿真系统在电控系统开发中具有如此重要的地位，国外汽车生产厂家都 拥有自己专用的仿真系统。如b o s c h 公司声称“在开发电控系统时，我们借助 华中科技大学硕士学位论文 了建模及仿真技术。施韦伯丁根研究基地的许多实验设备及计算方法都是独特的， 它们在世界任何地方都是买不到的。借助强大的计算机系统，我们能有效的减少 路试内容，并以此赢得时间。”【5 l 1 3 发动机实时仿真系统的发展 1 3 1 实时仿真系统中的发动机模型一 发动机模型是整个计算机实时仿真系统的核心。系统通过对发动机模型的实 时运算。在线仿真发动机的各种静态和动态特性。由于计算机实时仿真系统中要 求系统实时运行，所以发动机模型的选择要受到硬件系统运算速度的限制，同时， 硬件系统运算速度的不断提高也促进了实时仿真系统中发动机模型的发展。现有 的发动机实时仿真系统中应用的模型主要有早期的图表模型和现在应用较多的平 均值模型。 图表模型的主要特点是模型的计算以查表和拟合公式为主，模型的建立主要 依赖于对实验数据的拟合。该模型的优点是计算量较小，对发动机稳态工况特性 的模拟能达到较高的精度。八十年代初期，计算机实时仿真系统的运算能力不强， 同时发动机电控系统的控制策略也较为简单，因而图表模型得到了广泛的应用。 其中较为典型的是1 9 8 0 年d o b n e r 建立的发动机数学模型【6 j 。 与图表模型不同，平均值模型以代数方程和微分方程的形式对发动机建立动 态模型，认为发动机的所有高频量都是瞬时变化并达到稳态的，从发动机的基本 物理量特性出发，按时间尺度原则，只考虑发动机状态变量的时间平均效应和各 个过程的综合结果。它力图描述在较大时间尺度内发动机参数的变化，而此时间 尺度又能满足研究控制系统中参数快速变化的要求【7 j 。平均值模型具有既可以描 述发动机动态特性，又不需很大的模型运算量的特点，因而在发动机电控系统的 设计中得到了广泛地应用。e l b e r t h e n d r i c k s 对平均值模型有深入的研究，在s a e 上发表过多篇关于平均值模型的文章【7 】【3 3 】【4 3 】【4 ”。 1 3 2实时仿真系统中的硬件系统 实时仿真系统中的硬件系统是整个系统运行的基础，它的结构将直接影响到 系统使用的灵活性、可扩展性、易维护性及成本等诸多方面。国外的仿真系统经 过很长时间的发展，现在已相当成熟。除了采用最新的电子元器件，还不断将最 新的硬件结构和设计思想应用进来，在极大地提高硬件系统性能的同时也推进了 4 华中科技大学硕士学位论文 发动机数学模型的发展。 1 9 8 2 年美国通用汽车公司汽车学院电子和计算机工程系研制成功了基于多 路微机并行结构的发动机实时仿真系统p l 。该系统选用了当时性能较高的单片机 设计为星型布置的多路微机并行结构，见图1 2 。系统中央单元采用m o t o r o l a 6 8 0 9 单片机，外围单元采用了g m g m ( g e n e r a lm o t o r sc u s t o mm i c r o c o m p u t e r ) 单片 机。外围单元负责对发动机的模型运算，中央处理单元负责对各外围处理单元的 控制和它们之间的通讯，其内部有系统的共用数据内存。该系统的结构和功能都 比较简单，仅能满足基本的实时仿真运行条件，但其并行处理的设计思想被广泛 应用到此类系统中。 图1 - 2 星童结构的多路微机系统。 1 9 9 0 年，i g e i g e r ，h j t h e u e r k a u f 和r j w o e r m a n n 在文献p 1 中介绍了一种用 于发动机电控系统控制策略开发和基本控制参数初步调整的发动机实时仿真系 统。该系统核心采用了西门子多路微机系统m m c 2 1 6 ，是一个工作于多任务实时 操作系统环境下的并行处理系统，具有较强的运算能力和可扩展性。其结构图见 图1 3 。与前一系统相比，除整体的运算能力和通讯能力有很大提高外，还扩展 了一台控制与评价计算机，主要用来记录试验过程数据、设定发动机模型及系统 运行模式、显示并打印试验结果，从而使得整个系统变得更加灵活。 随着计算机技术的发展，处理器的运算能力有了长足的进步，同时网络技术 的发展也为处理器之间的通讯提供了更好的解决方案。1 9 9 3 年，c l a r es a v a g l i o 5 华中科技大学硕士学位论文 在文献【”l 中介绍了一种基于分布式多处理器仿真系统a d r t s ( a p p l i e d d y n a m i c s i n t e r n a t i o n a lr e a l t i m es t a t i o n ) 而设计的发动机实时仿真系统。a dr t s 是v m e 总线分布式多处理器仿真系统，可以与局域网( 1 0 c a ln e t w o r k ) 相连。通讯处理 器( c o p ) 由a m 2 9 0 0 0 构成。控制v m e 总线上所以处理器之间的通讯。系统中 各处理器以异步方式并行工作。其余外围处理器( s p ) 由m o t o r o l a 的m c 6 8 0 4 0 构成，负责与外部的通讯和计算。由于引进了网络技术，使得该实时仿真系统的 外围处理器的数目可以大大增加，有效地提高了整个系统的运算和扩展能力。 i 控制单元控制单元 i ( 喷油)( 点火) 节气门体 if。 模拟计算机 、 lff r i c p u i l 蒿霉ll 三p u v - q 界面 绘图仪i i 一计算 图1 3 基于并行处理的硬件在线仿真系统i 此后，文献】中又报道了基于t r a n s p u t e r 模块设计的实时仿真系统。t r a n s p u t e r 是一种具有很强通讯能力的高性能微处理器，由它构成并行处理系统具有运算能 力强、通讯速率高的特点。随着硬件性能的大幅度提高，该系统所选用的模型已 不再是图表模型，而是典型的平均值模型。 以上介绍的几种实时仿真系统基本上是基于并行结构的设计，这种设计由于 其结构没有按照标准化的思想进行设计，受硬件结构的限制，灵活性不大、通用 性不强。 针对这种情况，德国d s p a c e 公司研制了商业化的板卡式实时仿真系统。该 系统采用了标准化的设计思想，由具有不同功能和性能的板卡构成。其主控处理 器可以选用t m s 3 2 0 c 4 0 、p o w e r p c 或a l p h a ，运算能力有了大幅度的提高，可以 很快完成十分复杂的模型运算。同时，系统在应用的开放性上也有了很大地改进， 6 华中科技大学硕士学位论文 开发了基于控制系统设计仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 的开发和测试平台。但是 该系统的售价非常昂贵，一般只有大型汽车公司在大量的电控系统开发工程中才 - 会应用。 一1 3 3国内的研究情况 国外发动机电控技术已经有了几十年的发展历程，具有长期的技术积累、丰 富的开发经验和成套的技术支持。其具体的开发工作也主要集中在针对性能要求 进行的控制策略设计和实现上。要实现这些功能，必须以精密的发动机模型和强 大的运算能力为保障。另一方面，国外汽车工业的规模大，实力雄厚，功能强大 的计算机仿真系统可以满足同时为多种型号的电控系统的开发工作服务的需求。 这些特点都使得国外对研制的电控发动机仿真系统功能要求很强，而不必过多考 虑成本高低。 我国汽车工业的水平与国外存在较大的差距，发动机电控系统的开发工作起 步晚、起点低。但来自于国际市场的竞争和环保节能方面的压力，又迫使我们必 须加快汽车工业的发展速度，迅速提高汽车工业的技术水平、在这种情况下，我 国发动机电控系统开发的特点是：一方面基础薄弱、经验少：另一方面目标较高， 要面对现代汽车工业发展的要求，达到较高的技术水平。随着我国汽车工业的发 展，发动机电控系统的开发工作已经从解剖分析国外的系统，逐步发展到自主开 发阶段。在开发电控系统的实际工作中，急需应用先进的开发工具和开发手段， 以提高工作效率。 清华大学于1 9 9 2 年研制了e s i i 型电控发动机工况仿真系统【1 2 j 。该系统由模 拟主机和模拟器两部分组成，结构如图1 4 所示。该系统模拟主机为3 8 6 3 3 型p c 机，发动机模型用汇编语言编写；模拟器由8 0 3 1 单片机及外围扩展电路组成。该 系统实现了实时仿真系统的基本功能。在剖析国外电控系统的工作中起了不可替 代的作用。但由于模拟主机运算能力的影响，模型的精度不高，系统应用也不方 便和灵活。 华中理工大学的刘克东硕士提出了采用数- 模混合仿真方法来进行柴油机仿 真研究【引。文中提出对柴油机设计一个专用的混合计算机，而不是在通常的通用 机上进行仿真，这样可以根据柴油机自身的特点，适当的设置运算部件，以降低 成本。文中根据柴油机经验模型，建立了增压柴油机瞬态过程的线性和非线性模 型。设计了非增压柴油机的非线性仿真电路，对仿真电路中的重要元件之一的模 拟乘法器进行了重点设计、分析。进行了部分模拟电路的仿真试验，试验结果表 明，混合计算机是研究柴油机瞬态性能的有力工具。 7 华中科技大学硕士学位论文 数据信号电阻 温度 i 兰兰h ：h 二兰卜 盥 缓存蕊离转换负荷 片电平 节气门 转换 氧传感器 l c r t hr s 2 3 2 电平转换i -机 多路 d l 一 最 转换 - t 转速i l 缓冲| | a d i 小 i 蓓莓卜_ 转速 1 _ j _ 二一l 彳 l卜 唷 l _ j 信号整形i - 喷油 电平调整 系 阿由磊习 统 - 4 定时器i - 点火 f - 图1 - 4e s 鲞电控发动机工况仿真系统 l9 9 8 年，清华大学又研制了针对装有多点顺序喷射控制系统s b e ci i 的切诺 基2 5 l 发动机而设计的电控发动机工况实时仿真系统【4 】。该系统同样由模拟主机 和模拟器两部分组成，结构如图l - 5 所示。该系统设计了基于f i f o 芯片的高速通 讯电路，并选用了性能更好的电子元件，软件编程也采用了高级语言编制。利用 该系统可以进行稳态模拟试验，研究电控系统的稳态控制特性，可进行过渡过程 模拟试验，还可以开发电控系统的特殊工况控制策略( 例如启动暖机控制) 。 电控 系统 图1 - 5 发动机工况实时仿真系统结构框图 模拟主机 8 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本文以柴油机为研究对象，研究一种辅助开发柴油机电控系统的发动机工况 实时仿真系统，用于相关课题的研究。 本文的主要工作内容包括以下几个方面： 1 ) 进行仿真系统的结构和功能的设计。 所开发的系统应具有良好的系统结构，以较低的成本实现较好的通用性 和可扩展性。在系统具体功能的设计上要兼顾未来开发工作的需要，尽 量提高系统的实用性和灵活性，扩大使用范围和使用对象。 2 ) 模拟器接口电路的设计与集成。 根据使用要求对具体的硬件元器件进行选择，并对可行性方案进行试验 和选择。为了保证系统运行的实时性，要求硬件系统的通讯电路具有较 高的通讯速率和数据传送可靠性，因此，通讯方案的确立是硬件系统设 计的重要内容。 3 ) 研究如何建立发动机实时模型。 选用哪种模型需要充分考虑模拟精度和模型运算速度之间的矛盾。本文 准备对已有的模型进行适当的简化，在保证精度的条件下简化其运算， 使之适用于实时仿真系统。 4 ) 编写硬件系统的控制、测量及通讯软件和模型仿真程序。 软件设计应当在保证实现其既定功能和实时性的基础上，提高系统操作 的方便性。最后，将对软、硬件系统进行联调。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 仿真系统的配置方案 由于国外的汽车工业规模较大，实力雄厚，有长期的电控技术开发经验，因 此在进行计算机实时仿真系统功能的设计时对系统功能要求很强，功能的重点一 般都放在对电控系统控制策略的评价及控制效果的验证上，也不必过多考虑成本 的高低。例如，通用汽车公司的s i m u c a r 实时仿真系统中，仅模型运算的部分便 由5 个t ic 4 0 微处理器和若干t a n s p u t e r 处理器组成。因此，在进行计算机实时 仿真系统功能的设计时，应当充分考虑到我国发动机电控系统开发工作的特点： 基础薄s b 、经验少，又要面对现代发动机发展的要求，达到较高的技术水平。此 外，受开发工作资金的限制，还要特别注意开发工作和开发工具的成本问题。 2 1 仿真系统的结构 实时仿真系统结构与系统的性能和成本有着密切的关系，它的确定将决定整 个系统的设计方案。本文是针对柴油机电控系统的开发来进行的，因此仿真系统 的设计要根据柴油机的一些特点来进行。 本文提出的实时仿真系统的主要功能为： 1 ) 模拟部分传感器的输出信号，为电控系统提供虚拟的运行环境； 2 ) 采集、测量电控系统的输出信号，对电控系统的控制特性及控制参数进 行测试，并可以根据测试结果进行分析； 3 ) 根据建立的数学模型对发动机的部分工况进行仿真。 根据系统的主要功能、结合实际情况，并考虑到成本，本文提出的实时模拟 的系统结构如图2 1 所示。从图中可以看出，整个仿真系统可以分为两个部分： 模拟主机和模拟器两部分。其中，模拟主机主要完成发动机模型的运算、系统工 作监控及数据分析和显示等功能。 模拟器的功能主要有两个： 一、将模拟主机根据发动机模型计算而得到的各种发动机参数转换成实际物 理量( 传感器的输出信号) 提供给电控系统的电控单元； 二、测量电控单元输出的控制信号，并传送给模拟主机。模拟器与模拟主机 之间通过高速通讯电路进行通讯。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 模拟器 圈2 - 1 仿真系统结构图 2 2 硬件系统的设计方案 硬件系统是整个仿真系统的重要组成部分，是仿真系统运行的基础，它的性 能将直接影响到整个仿真系统的性能。在进行硬件系统的设计时，主要考虑下面 几个方面的内容： 1 ) 硬件系统要有足够强劲的运算能力以尽快完成系统模型的运算，确保仿 真系统运行的实时性； 2 ) 有较强的信号处理能力以快速实现仿真系统对电控系统的各种传感器信 号和控制所需的参考信号的模拟和电控系统控制信号的采集； 3 ) 各个处理器之间要有足够快的通讯速度以保证各个处理器之间进行数据 处理和交换时不会出现滞后和相互等待的现象。 在本文中，模拟主机采用了高性能的微型计算机，凭借其强大的计算能力， 使得进行一次发动机数学模型计算可以在较短的时间内完成，从而有效的保证了 仿真系统运行的实时性。此外，由于模拟主机这时独自承担了发动机模型的计算 任务，使得模拟器不用为模拟主机承担辅助计算工作，可以全力进行信号处理， 提高了系统的工作效率。 模拟器被设计成一个以单片机为核心的信号采集和控制电路，它一方面通过 接口电路与发动机电控单元相连接，为其提供各种传感器信号和参考信号( 主要 包括发动机转速信号、蓄电池电压信号、各种温度、共轨压力信号等，另外还有 曲轴转角和油缸判别等参考信号) ，并采集发动机电控单元输出的控制信号( 采集 的主要信号是e c u 输出的喷油提前角和喷油脉宽等) ；另一方面通过高速通讯电路 华中科技大学硕士学位论文 与模拟主机相连接，为其提供发动机模型运算所需的各种电控单元控制参数，并 接受发动机模型运算的输出参数。由于需要处理的信号类型和数目比较多，同时 还需要系统具有良好的扩展性，而单片机本身的资源有限。所以在设计时要充分 考虑核心单片机和各种外围元器件的接口方式，应尽量采用占用单片机口线少的 接口方式，像s p i 串行接口、1 2 c 等接口方式。同时，模拟器的设计借鉴了并行 结构的思想，模拟器核心系统由主、从两片单片机组成。 高速通讯电路是连接模拟主机和模拟器的桥梁，通讯时数据的传送速度和数 据传送的准确性是设计时考虑的重点：一方面要有较高的通讯速率；另一方面要 求通讯规程要尽量简单，并且数据传送要可靠。在设计的过程当中，本文考察了 几种通讯方案，并进行了部分测试，最后决定采用的通讯方案是基于c a n 总线 的高速通讯电路。 虽然本文是针对柴油机电控系统的开发来进行的，但是仿真系统的输出量和 测量的输入量都是常规类型的信号，考虑到只要将发动机模型改成汽油机模型 适当改变一些参数同样适用于针对汽油机电控系统的开发，因此在进行硬件系统 的设计时，要充分考虑到系统的可扩展性。 从总体上来看，整个硬件系统的设计工作集中在模拟器和通讯电路的设计上。 2 3 系统的软件设计方案 系统的软件设计也是实时仿真系统设计中的重要内容，包括模拟主机的软件 设计和模拟器的软件设计两部分。由于这两部分基于不同的硬件设备，所以采用 编程工具和程序设计语言都不一样。 在整个系统中，模拟主机负责模型的运算和同模拟器的通讯，为保证系统的 实时性对程序运行的速度要求较高，因此在进行软件设计时选用了基于m i c r o s o f t w i n d o w s 平台的d e l p h i 系列高级程序设计开发工具。d e l p h i 是i n p r i s e 公司开发 的w i n d o w s 编程工具它不但功能非常强大而且用户界面直观友好，可以方便 的建立各种美观的用户界面。这部分的软件控制整个实时仿真系统的运行，实现 模型运算、发动机各种参数的显示、各种数据管理及通讯控制等任务。 模拟器的软件设计主要是对模拟器的核心单片机进行编程，这部分的软 件设计主要是通讯控制软件的设计( 包括与模拟主机的通讯软件设计和主、从单 片机之间的通讯软件的设计) 、与信号产生和信号采集相关的接口软件的设计。所 使用的软件开发工具是f r a n k l i nc 5 l 编译器。 仿真系统设计了两种不同的工作模式：静态控制模式和模型控制模式。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 静态控制模式：主要应用于电控系统的开发初期，目的是检验电控单元输出 的静态控制参数是否正确。应用时，模拟主机控制模拟器输出使用者设定的发动 机静态参数( 如转速等) ；同时，模拟器对电控单元输出的控制参数( 如喷油脉宽) 进行测量，并在模拟主机上显示。在这种模式下，不进行发动机模型运算，因此， 发动机的各参数之间相互独立、互不影响，可对电控单元的一些控制参数进行单 独的测试。 模型控制模式：此模式主要用于对电控单元基本控制参数进行初步标定。在 这种模式下，仿真系统中加入了发动机的模型运算，发动机的各参数之闯不再独 立，而是相互影响。应用时，电控单元根据模拟器模拟的发动机的工况状态参数 输出相应的控制参数，模拟器将对其进行测量，并将测得控制参数发送给模拟主 机，模拟主机则根据发动机状态参数和电控单元的控制参数进行模型运算，得到 发动机的各项性能参数，并将其发送给模拟器，模拟器将模拟发动机新的工况状 态参数，如此循环。利用这一模式，可以将电控单元的部分控制参数调整到一个 合理的范围内。 2 4 本章小节 本章介绍了此次设计的电控发动机实时仿真系统的系统配置方案。本文提出 的实时仿真系统主要由模拟主机和模拟器组成，模拟主机的主要功能是完成发动 机模型的计算，模拟器的主要功能是为电控单元提供模拟信号，并测量电控单元 输出的控制信号，模拟主机和模拟器之间通过专门的通讯电路相连。该系统设计 的特点是系统简单灵活，具有较强的扩展性。为本系统设计了两种工作模式：静 态控制模式和模型控制模式，可分别用于电控系统不同的开发阶段。 华中科技大学硕士学位论文 3 模拟器核心电路的设计 在实时仿真系统的硬件设计当中，由于模拟主机采用了高性能的微型计算机， 只需要为其提供适当的通讯接口进行通讯就可以工作了，因而整个硬件系统的设 计工作主要是针对模拟器和通讯电路来进行设计。在本文中，模拟器是一个以单 片机为核心的信号采集和控制电路，担负着对发动机传感器信号进行模拟、对电 控系统的控制信号进行采集和与模拟主机进行通讯的任务。本文兼顾了性能和成 本两方面的要求，在控制成本的条件下，充分利用了各种新技术和新元件。此外， 本文还借鉴了并行结构的思想，并将f i f o 通讯技术应用于单片机之间高速通讯 中，有效的提高了系统的运行性能。 3 1 模拟器的组成 模拟器的主要功能是进行信号测量、信号模拟和通讯： 1 ) 信号测量：测量电控系统的各种控制参数。本文中需要测量的控制参数 是发动机喷油脉宽和喷油提前角，它们都属于脉冲量。另外，设置发动 机负荷的信号也需要测量，它属于电压类信号： 2 ) 信号模拟：根据模拟主机的计算，模拟发动机测量中的各种传感器信号， 本文中需要模拟的信号包括： 。 电阻类信号：冷却液温度信号、机油温度信号、大气温度信号等； 电压类信号：蓄电池电压信号、共轨压力信号、大气压力信号等： 。 脉冲类信号：转速脉冲信号、发动机上止点信号等； 3 ) 通讯：通讯的主要任务是从模拟主机获得发动机各参数值，并将测量所 得的电控系统的控制信号传给模拟主机。 根据模拟器所要实现的功能，本文设计了以主、从两片a t 8 9 c 5 2 单片机为核 心的接口电路，包括控制核心电路、信号测量电路、信号模拟电路和e c u 监控电 路等部分。对于各种电压类信号测量电路，本文是用a d 转换电路来实现：对于 各种电压类信号输出电路，是用d a 转换电路来实现；对于电阻类信号是用可编 程数字电阻电路来实现；对于各种脉冲类信号的测量和输出，可以充分利用单片 机的本身资源，用自带的定时器计数器来实现：对于开关量信号的采集，可以利 1 4 华中科技大学硕士学位论文 用单片机本身的i o 口来实现。模拟器硬件结构框图见图3 i 。 d a 接i 醚 刊模拟主机 口电路 一 一 o 、 通讯 模 r 。 接口 i 数控电1 拟 电路 + - 4 电源电路f 阻电路i 器 核 心 a d 接 一 控 转速信号、上止 口电路 制 点信号发生电 电 路 开关量接喷油脉宽和喷 口电路油提前角测量 3 2 模拟器的工作原理 圈3 - 1 模拟嚣硬件结构 模拟器中的主单片机主要完成的任务有t 1 ) 跟模拟主机和从单片机进行数据通讯： 2 ) 模拟各种电压类信号； 3 ) 模拟转速信号、发动机上止点信号。 模拟器中的从单片机主要完成的任务有： 1 ) 钡4 量喷油提前角和喷油脉宽： 2 ) 采集负荷信号并监视蓄电池电压信号的模拟输出： 3 ) 将采集到的数据发送到主单片机。 模拟器工作时，首先是从单片机获得电控装置输出的喷油提前角和喷油脉宽， 然后连同采集到的发动机负荷信号和蓄电池电压信号的模拟输出信号一并发送到 主单片机。主单片机收到从单片机发出的数据后立即又将数据通过c a n 总线发 送给模拟主机，模拟主机将从模拟器得到的各种数据和系统设置的一些初始化参 1 5 华中科技大学硕士学位论文 数代入发动机模型进行运算，之后模拟主机再将计算的结果发送给模拟器中的主 单片机。主单片机根据模拟主机发来的数据分别模拟各种信号。至此，一个工作 循环结束，紧接着开始下一个循环，如此反复直到仿真结束。 3 3 模拟器的核心电路 。 在现代先进的信号处理系统中，大都使用了高性能的d s p ( 数字信号处理器) 或者是使用嵌入式操作系统的处理器这类的高档处理器。这类处理器虽然从性能 上来讲无可挑剔，但是价格昂贵，而且需要另外购买价格不菲的专用系统开发工 具和软件来进行开发，成本太高。考虑到成本和性能两方面的要求，在本文中， 模拟器的核心电路由两片a t 8 9 c 5 2 单片机、f i f o 缓冲存贮器芯片和外部时钟电 路等部分组成，其中的f i f o 缓冲存贮器芯片用来在两片单片机之间进行数据交 换。 3 3 1e c u 的选择 单片机又称为控制器( m i c r o - c o n t r o l l e ru n i t ) 或嵌埋式控制器( e m b e d d e d c o n t r o l l e r ) ，是将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片 内含有c p u 、r o m 、r a m 、并行i o 、串行i o 、定时器计数器、中断控制、系 统时钟及系统总线等等，具备可输入输出数据、可编程、体积小、功耗低等特点。 单片机是模拟器的一个关键器件，它的优劣将直接影响到整个电路的软硬件设计 和性能指标。现在广泛运用的单片机类型有下面几种： 1 ) m o t o r o l a 单片机：其特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较i n t e l 单 片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣 环境，近年来将d s p 作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。m o t o r o l a 3 2 位单片 机，它集成了包括各种通讯协议在内的g o 模块。 2 ) s c e n i x 单片机i 0 模块除集成了传统的i 0 功能模块，如并行i 0 ，u r t ， s p i ，a d ，p w m ，1 2 c 。d t m f 与新的i o 模块也不断出现，如u s b ，c a n ，j 18 5 0 。 s c e n i x 采用了r i s c 结构的c p u ，使c p u 最高工作频率达到5 0 m h z ，运算速度 接近5 0 m p s 。有了强有力的c p u ，s c e n i x 引入了虚拟i o 的新概念，各种i o 功 能便可以用软件的方法模拟。公司提供各种i 0 的库函数，用于实现各种i o 模 块的功能，这比用软件完成的模块包括每路u a r t ，多路a d ，p w m ，s p i ，d t m f ， f s k ，l c d 驱动等，这些都是通常用硬件实现起来相当复杂的模块。 3 ) m c s 5 1 系列单片机是当前8 位单片机功能最强的系列之一。8 0 5 1 单片机 1 6 华中科技大学硕士学位论文 系列指的是m c s 5 1 系列和其它