（轮机工程专业论文）中高速柴油机实时模型的设计与软硬件实现.pdf

武汉理r ：人学硕十学位论文 摘要 在当前节能环保的形势下，发动机节能减排技术为人们所重点关注。电控 技术作为发动机节能减排的核心技术，在国际上已经广泛采用。随着发动机电 控单元( e c u ) 的功能和复杂程度不断提高，传统的台架试验调试e c u 方法已 经被现代的计算机辅助控制系统设计技术所取代。在当前的e c u 开发流程当中， 硬件在环仿真技术( h i l ) 是提高开发效率的关键环节。基于这种发展要求，本 研究设计开发一种基于d s p 的h i l 测试平台，为发动机的e c u 的测试开发提供一 个平台。 要建立e c u 的硬件在环仿真平台，首先要建立发动机的实时仿真模型，本 研究在部分试验数据的基础上在b o o s t 中建立了发动机的模型，并根据实验数据 对此模型进行仿真验证和修改，保证该模型的准确性，然后利用该模型计算发 动机在各个工况下的运行参数，利用这些参数在s i m u l i n k 中建立发动机的本体模 型，并根据实验数据和经验公式建立发动机的各个附属模型，最终在s i m u l i i l l 【中 建立发动机的实时仿真模型。 传统的d s p 应用系统设计流程分为两个部分：开发设计和产品实现，并且这 两个部分分别在不同的开发环境下进行，为了提高d s p 的开发效率，本研究采用 系统级设计方法，系统级设计方法的核心是将d s p 开发流程的两个部分在统一的 开发环境中进行，从而有效地将开发流程的两个部分结合在一起。m a t l a b 中 的r e a l t i m ew 6 r k s h o pe n l b e d d e dc o d e r 和t a r g e tf o rt ic 2 0 0 0 工具箱就是为了完 成系统级设计而出现的，本研究就是利用这些工具箱实现d s p 的系统级设计，将 在s i m u l i n k 中建立的发动机模型直接转换为支持d s p 的c 语言代码和工程文件， 并且自动调用d s p 的集成开发环境c c s 对产生的工程文件进行编译，编译后可以 自动下载到d s p 目标板中运行，来模拟实际发动机运行。用新开发的e c u 控制该 电子柴油机模型可以检验e c u 的各项功能是否j 下常。这样可以极大减少开发成 本，缩短产品研发周期，准时提交一流的产品设计，抢占市场先机。 关键词：硬件在环仿真，共轨柴油机模型，自动代码生成，d s p 2 8 1 2 ， m a t l a b s i m u l i i l l ( ，嵌入式目标 武汉理一i ：大学硕十学位论文 a b s t r a c t p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea t t e n t i o n t o e n 百n ee i l e 唱ys a v i n g a 1 1 d锄i s s i o n r e d u c t i o nt e c l l i l o l o g ) ，u n d e rs i t l l a t i o no f 锄唱y - s a v i n ga i l d 锄i s s i o nr e d u c t i o n a si t s c o r et e c h n i q u e ，e l e c t r i cc o n t r o l t e c t u l o l o g ) ，h a sb e e na d o p t e dw i d e s p r e a di nt h ew o 订d 、i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h e 如n c t i o na n dc o m p l i c a c yo ft h ee c u ，i ti sm o r ed i f f c u l t t oe m p o l d e r 伊a d u a l l y a n dt h et r a d i t i o n a 巧b e n c ht e s th a sb e e nr 印l a c e db yt h e m o d 锄c o m p u t 昏a i d e dc o n t r o ls y s t 锄t e c h n o l o g y h i li sak e y1 i n kt oi m p r o v et h e e m p o l d e re m c i e i l c yi nt h em o d e n le c ue m p o l d e rf l o w 1 1 1m i se i l v i r o n m e n t ，t h i s s t u d yd e s i 印e dan e wh i lt e s ts y s t e n lb a s e do nd s p ，t h i so 触dap l a t f o mf o r d e v e l o p m e n to fe n 百n ee c u 1 ob u i l de c uh a r d w a r e - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o np l a t f o m ，t h e6 r s ts t 印i st o b u i l dar e a l - t i m ee n 舀n es i m u l a t i o nm o d e l t h i ss t u d yb u i l dae n 舀n em o d e l i nb o o s t b a s e do ns o m et e s td a t a a n ds i n l u l a t e da n dv 丽f i e dt h em o d e lw i t ht h et e s td a t et 0 e n s u r ei t sv e m c i t y t l l e nc a l c u l a t e dt h ed a t eu n d e rv 撕o u sc o n d i t i o n so ft h ee 1 1 舀n e w i t ht h em o d e l ，t h 肌u s et h ed a t et ob u i l de n 西n eb o d ym o d e li ns i m u l i n ka i l db u i l d i t ss u b o r d i n a t em o d e lw i t he x p e r i e n c ef o 彻u l a t h er e a l t i m es i m u l a t i o nm o d e lw a s b u i l ti ns i 舢l i l l l ( f i n a l l y t h et r a d i t i o n a 巧d s pa p p l 如n gs y s t e md e s i 朗f l o wc o n s i s t so fd e s i 印柚d r e a l i z a t i o n t h e ya r ec a 捕e do u tu n d e rd i f 】衙e n te n t i r o 彻嘲1 ts 印a r a t e l y - t oi m p r o v et h ee 伍c i e n c yo fd s pd e v e l o p m e n t ，m i ss t l l d yu s e ds y s t e m - l e v e l d e s i 印t l l ek e y o ft h es y s t 锄- l e v e ld 商印m e t h o d si st od ot h e 觚op a n so fd e s i 印 f l o wi no n eu n i f o 珊d e v e l o p m 朗te n v i r o l l m e n tt oh a n gt h 锄t o g e t h e re n e c t i v e l y t l l i s m e t h o dd o e st h ed s ps y s t e l n l e v e ld e s i g nw i t hr e a l - t i m ew o r k s h o pe l l l b e d d e d c o d e ra n dt a 唱e tf o rt ic 2 0 0 0i nm a t l a b i tc o n v e r t st h ee n 舀n em o d e lb u i l d e di n s i m u l i n l ( t od s p e i l a b l e dcc o d e 锄de n 季n e 舐n gd o c 啪e n t ，a n dc o m p i l et h e d o c 啪e n tw i t ht h ec c s a r e rt h a ti ta u t o m a t i cd o w n l o a d st h ed o c u m e n tt od s p t 鹕e tb o a r dt o s i m u l a t et h e1 1 l 衄i n go ft h ee n 百n e an e w l yd e v e l o p e de c uc a l l c o n t r o l t h ee l e c 仃0 1 1 i ce n 西n em o d e lt ot e s tt h ef h n c t i o n a l i t yo fe c u t h i sc a l lr e d u c e t h ee m p o l d e r 西s ta i l ds h o r t e nt h ep r o d u c td e s i 印c y c l e 锄do c c u p yt h em a r k e te 砌i 既 k e yw o r d s ：h a r d w a r e - i n t h e l o o ps i m u l a t i o n ，c o m m o nm i ld i e s e le n 百n em o d e l ， a u t i d m a l i cc o d eg e l l 硎i o n ，d s p 2 812 ，m a t l a b s i l i l u l i i l l ( ，e m b e d d e dt a i ：g d i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：聋丝起日期：型! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 嘶瑶超导师( 签名) 荔芝日期2 d d f 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 选题背景 目前，内燃机仍是世界上应用范围最广的一种动力机械，广泛应用于国民 经济各个领域和国防部门，尤其在水陆交通运输和农用动力机械中更是占有绝 对的优势。因此可以预见在2 1 世纪的相当长时间内内燃机依然会在动力机械中 保持其主导地位，但是与此同时内燃机也是环境的最大污染源之一。 柴油机的热效率可达4 5 5 【l 】，是当今世界各种动力机械中热效率最高的一 种。此外，柴油机的可靠性好，有害物的排放总体比汽油机低。这些优点使柴 油机被选为各种运输工具的动力源。特别是在船舶动力装置中，使用柴油机作 为其动力的占9 5 以上，在车用范围内，用于装载的车辆几乎都用柴油机作为动 力，并且已经逐渐地进入小客车使用领域。如今在欧洲，柴油轿车在新车的销 售中已经占4 5 以上，美国、日本也已占到2 0 以上【2 】，虽然我国现在柴油轿车 的比重还很小，但是也有逐渐向着柴油机方向发展的趋势。随着柴油机应用领 域日益扩大的同时，也带来了一系列严重的问题，如能源危机、环境污染等。 而且这些问题也被人们同益重视，尤其是对汽车降低排放减少污染的呼声越来 越高。因此，在当前降低油耗和减少排放已成为柴油机的发展趋势。 目前对于柴油机来说，提高经济性和降低排放最有效的方法仍然是优化燃 烧质量。如：改进进气道；改进燃烧室的结构、参数；改进燃油系统参数，如 对燃油压力、喷油正时、喷油量和喷油速率等参数进行优化【3 】。对于柴油机技术 的进一步发展，其着眼点必然是对燃烧系统的改进。柴油机的进排气系统、供 油系统和燃烧室形状的优化设计都是为了使柴油机更好的燃烧。其中对柴油机 的燃油喷射系统进行合理的改进，是目前提高柴油机经济性和降低排放最有效 的措施之一，高压共轨燃油喷射系统就是为了满足这样的要求而出现的，高压 共轨燃油喷射可以实行高的喷射压力、精确的喷油量和喷油定时、可控的喷油 速率等措施，这些措施可以降低柴油机的排放、提高其经济性。 电控的高压共轨式燃油喷射系统具有喷射压力高和控制精度高的特点，是 目前公认的最有潜力的下一代新型柴油机燃油喷射系统。高压共轨式电控燃油 喷射系统采用高压或超高压喷射，可以显著改善柴油机的微粒排放【4 】。并可以实 现对喷射压力、喷油量和喷油定时的灵活控制，有效降低n o x 的排放，并可以提 高车用柴油机的舒适性【5 卅。对喷油率的控制被认为是同时减少n o x 、微粒排放 武汉理工大学硕士学位论文 和降低噪音非常有效的技术【7 1 。采用预喷射、分段喷射、多次喷射以及快速停油 等喷油速率控制方法，对改善柴油机综合性能具有巨大潜力【8 】。高压共轨电控燃 油喷射系统被认为是综合实现上述途径的种最有效的方法【9 】。因此，可以预见 在未来的5 一1 0 年内，高压共轨电控喷射系统的研究，也必将成为我国内燃机行 业的一个研究热点，也必将促使我国柴油机燃油喷射系统的更新换代。 由于高压共轨式电控柴油机电子控制单元( e c u ) 的功能和复杂程度不断 提高，其开发的难度也在不断加大，传统的通过大量的台架试验来逐步调试e c u 的方法，由于需要耗费大量的人力物力，而且开发周期长、调试的环境不稳定、 可重复性差，已经很难适应现代e c u 系统快速升级换代需要。现代的e c u 开发 是采用计算机辅助工具来进行的，可以支持从最初的需求定义直到最终产品实 现的全过程。 目前在柴油机电子控制单元e c u 的设计上，已经形成了一种比较成熟的“v 型开发模式【1 0 1 ，如图1 1 所示，v 型开发模式包括五个部分：功能设计部分 ( f u n c t i o nd e s i 印) 、快速控制原型部分( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g ) 、代码生成 部分( t a r g e tc o d e g e n e r a t i o n ) 、硬件在环仿真部分( h a r d w a r ei n t h el o o p s i m u l a t i o n ) 和实机测试部分( l a b o r a t o 呷e s t ) 。在开发过程中如果发现其功能与 要求的不符，可以回到v 型模式中的任何一步进行修改和完善。并且可以看出， 在整个e c u 的v 型开发过程中，除了最后一步，其它的每一步都是借助计算机的 数字仿真功能来实现的。在e c u 的v 型开发模式中硬件在环仿真( h i l s ) 环节是 非常关键的一个环节，其已经成为发动机实时仿真系统研究开发的主流。利用 它可以大大缩短e c u 开发周期，减少开发费用。 功能设计 实概测试 ( f u n c t i o nd e s i g n )( l a b o r a t o 拶t e s t ) 。7 强标代码生成 ( t a r g e tc o d | 巴g e n e r a t i o n ) 图1 1e c u 现代开发流程 2 武汉理_ t 大学硕士学位论文 要实现e c u 开发的h i l s ，需要在计算机上建立被控对象即发动机的数学模 型，然后再利用软件将模型算法直接编译为目标代码，下载到微处理器上运行 来模拟发动机。在对e c u 系统进行开发调试时，将它作为虚拟发动机的载体直 接与e c u 相连，接受e c u 的调节和控制，并向e c u 反馈相应控制下的发动机实 时运行的工况信息，这样就可以大大的减少台架试验，在节省人力物力的同时， 还可以大大缩短调试时间。此外，由于硬件在环仿真系统是通过计算机编写软 件来实现各种信息传递的，因此，它能给操作者提供方便、友好的调试环境， 并可以消除由于某些试验因素可能导致的危险性。由上面的分析可知，在柴油 机e c u 开发设计过程中，建立准确的发动机模型，并开发硬件在环仿真平台是 非常重要的环节。 1 2 国内外柴油机高压共轨燃油喷射系统研究现状 最开始的高压共轨式喷射系统是由意大利的f i a t 公司在上世纪8 0 年代研制 成功的，但是直到9 0 年代的中后期才正式进入产品化阶段，此时世界上各大公 司也相继推出了各具特色的高压共轨式燃油喷射系统：同本电装公司的e c d u 2 系统、德国b o s c h 公司的c r 系统、美国c a t e r p i l l a r 公司的h e u i 系统、英国l u c 嬲 公司的l d c r 系统等【j 。 b o s c h 作为目前世界上最著名的汽车零部件制造商之一，其制造的高压共轨 式燃油喷射系统始终走在世界的前列，为了满足日益严格的排放法规的要求， 进一步降低油耗、提高柴油机的经济性，b o s c h 大力研发电控燃油喷射技术，以 求更加精确的控制喷油正时和喷油量。下表1 1 为b o s c h 开发的三代高压共轨电控 喷油系统2 j ： 表1 1博士三代高压共轨喷油系统 系统第一代共轨燃油喷射第二代共轨燃油喷射第三代共轨燃油喷射 雾拦 系统系统系统 最大喷射压力 1 3 5 0 b a r1 6 0 0 b a r】8 0 0 b a r 喷油器特点 带电磁阀的喷油器带电磁阀的喷油器压电式喷油器 喷嘴形式柱式( 内外一致)锥形( 内人外小)锥形( 内大外小) 喷孔直径和数量 0 2 m m ；5 孔o 1 4 m m ；5 6 孔0 1 l 0 1 3 m m ：6 孔 有预喷、主喷和后喷有预喷、主喷和后喷 喷射次数有预喷、主喷1 2 次 1 4 次1 5 次 达剑的排放标准 欧i i i欧i v欧i v 、欧v 武汉理上大学硕：仁学位论文 国内在高压共轨燃油系统方面的研究起步比较晚，目前国内正在进行这方 研究的有清华大学、上海交通大学、天津大学、北京理工大学和无锡油泵油嘴 研究所等，但他们也只是主要从事部件研制、控制算法、系统开发、系统控制 参数的影响等方面的研究，并没有做出具体使用的产品【l l 】。 国内在这方面的研究是从中压共轨系统开始的，其中也取得一些研究成果， 如：天津大学开发了f i r c r i 型柴油机中压共轨电控燃油喷射系统【1 3 1 ；北京理工 大学开发了蓄压共轨电控泵喷嘴系统【l4 1 。目前也都开始进行高压共轨燃油喷射 系统的研制，其中主要成果有：上海交通大学针对广西玉柴的6 缸车用柴油机， 研制的g d 1 型高压共轨式燃油喷射系统，该系统主要包括供油泵、共轨管和喷 油器等部件【1 5 】；无锡油泵油嘴研究所在e q b 2 3 1 柴油机上进行了高压共轨电控系 统的研制以及匹配研究u 引。 总之，国内的高压共轨燃油喷射系统大都还处于研究阶段，还没有成熟的 高压共轨喷油系统的产品投入市场。国内的柴油机企业为了满足日益严格的排 放要求，大都直接引进国外成熟的高压共轨燃油喷射系统来配机，高压共轨燃 油喷射系统和电子控制系统全部采用国外的成熟产品，上柴、一汽锡柴分别在 6 c k 系列和6 d l 系列的中型柴油机上，采用了日本电装公司的高压共轨燃油喷射 系统，虽然在较短时间内生产出了样机，但都没有掌握高压共轨的核心技术【l 。 高压共轨燃油喷射系统是上世纪9 0 年代柴油机工业的一大技术进步。代表 着未来柴油机燃油喷射系统的发展方向，并且引起了内燃机界的极大关注。以 上只是简单介绍了一下国内外的几种共轨燃油喷射系统。目前，国内还有一些 高校和企业在进行这方面的开发和研究工作。可以预见，在未来高压共轨电控 燃油喷射系统必将成为柴油机的一种最理想的燃油喷射系统。 1 3e c u 硬件在环仿真平台的国内外研究现状 硬件在环仿真技术是将物理模型和数学模型联合在一起进行试验的一种仿 真方法，它综合了物理仿真和数学仿真的优点，充分利用计算机仿真建模的简 易性，实现了在改变参数的同时就可以详细观察系统性能的变化，同时对于系 统中的一些复杂环节，可以直接将其硬件连入仿真系统，与其它模型的实时仿 真一起运转，这样就不用对系统的全部细节建立数学建模【17 1 。因此，这种实时 的仿真技术在电子、机械、航空航天和武器的研制开发等领域，都己经得到了 广泛的应用。特别是在控制系统的设计开发过程中，由于控制系统的功能同益 复杂、设计的难度也日益加大，利用硬件在环仿真技术可以预先检查控制系统 4 武汉理上= 大学硕士学位论文 设计的合理性和可靠性，从而可以大大的提高控制系统的质量、减小研制的风 险、提高设计的成功率。正是由于硬件在环仿真的这些优点，其日益被视为开 发研制发动机e c u 的最佳技术，在国内外得到了广泛应用。就查找的资料来看， 目的e c u 硬件在环仿真系统在国外主要有以下几种形式： 1 ) 美国n i 公司的c 0 m p a c t r i o 平台和p x i 实时系统平台：c o m p a c t r i o 平台主 要使用于面向控制算法相对简单、i o 数目相对较少的车身用电子控制单元e c u 的快速原型开发和硬件在环测试；p x i 实时系统平台主要用于较为复杂的主动悬 架系统和动力总成系统的电子控制单元e c u 的快速原型开发和硬件在环测试。 这两个平台都具有开发时间短、通用性、可扩展性的特点，在国内外都获得了广 泛应用，k p i tc 啪m i n s 、w i n e m a n1 e c h n o l o d y 、m i c r o n o v a 、k g c 、a v e n l a n 等 公司都己经成功应用了这些平台，并为整车开发提供了解决方案；在国内，上 海大众的一些车型也已经将全车的多个电子控制单元e c u 硬件在环测试在n i p x i 平台下实现l j 引。 2 ) 德国d s p a c e 公司开发的d s p a c e 实时控制仿真平台，其可以在 m a t l a b s i m u l i i l k 中建立各种被控对象的模型，如：发动机模型、变速箱模型、整 车模型等。然后通过m a t l a b 工具箱中的自动代码生成工具( r 1 w ：r e a l t i m e w b r k s h o p ) 将建立的被控对象模型转化为实时的代码，并将代码下载到d s p a c e 实时仿真平台设备中的硬件板卡后，即可以完成硬件在环仿真测试环境的搭建。 上海梅赛德斯奔驰车辆技术有限公司就采用这个平台对汽车的e c u 进行测试和 开发。上海交通大学与无锡油泵油嘴研究所一起利用这个平台开发了控制高压 共轨系统的e c u ，并在油泵试验台上实现了对轨压和喷油量的控制【1 9 1 。 3 ) 德国e t a s 公司开发了一套计算机辅助控制系统丌发的工具，这套工具中 a s c e t 提供图形化的建模、代码自动生成、快速原型等功能；l a b c a r 提供硬 件在环仿真系统；i n c a 应用于e c u 的匹配调试。它贯穿于基于计算机辅助控制 器开发“v ”型模式的所有阶段。m a n 公司与e t a s 公司及s e r v i c e x p 嘶公司合作， 利用e t a s 公司的l a b c a r a u t o m a t i o nv 3 1 自动化测试工具使m a n 公司的 硬件在环测试台架升级为更先进的自动化测试系统，可以在复杂的e c u 网络中 轻松的分析出不同e c u 间的交互作用。昆明理工大学交通工程学院利用e t a s 公 司的a s c e t 工具在进行柴油机高压共轨电控e c u 的研究【2 0 1 。 4 ) 美国精确技术公司a t i ( a c c u r a t e t e c h n o l o 西e si n c ) 是车载嵌入式电控系 统e c u 开发、标定与测试工具技术的知名提供商。该公司的e c u 标定系统 ( v i s i o n ) 功能强大，而且和m a t l a b s i m u l i l l l 【开发平台无缝连接，多年来v i s i o n 5 武汉理丁大学硕士学位论文 被福特汽车公司、德尔福公司、沃尔沃卡车公司等公司指定为标准匹配标定系 统。v i s i o n 是一套通用的e c u 测试、开发、标定系统平台。该系统可用于：发 动机e c u 、刹车e c u 、车身e c u 、车内温控e c u 、自动变速箱e c u 及其它工程 控制系统的开发研究中。 在国内，现在也有一些高校和科研院所在进行这方面的研究开发工作，但 是研究开发的产品只能对e c u 进行一些简单的测试工作，真j 下研发出成套的 e c u 开发和测试产品的还没有。另外，国内一些汽车制造厂、发动机制造厂以 及汽车电子制造厂也在进行这方面的开发研究工作，但是其中大多都是与国外 的几家大公司合作开发，很少开发出自己独立产品。下面也对一些研究成果做 一下介绍。 1 ) 清华大学应用m a t l a b 的x p ct a r g e t 工具箱配合研华的数据采集卡p c l l 7 1 1 设计了一个共轨柴油机的e c u 硬件在环仿真系统，系统仿真框图如图1 - 2 所示。 艮匾豳蛩羽= 回 图1 2 系统仿真图 图中的宿主机为搭载仿真模型的普通的p c 机，在该仿真平台中选用的c p u 为a m da t h l o n2 4g h z 的兼容机；采用m p c 5 6 3 ( 5 6 m h z ) 作为信号发生器和 外部转角计算器；i o 板卡选用研华的p c i l 7 1 1 【2 l 】。 下图1 3 也是清华大学开发的柴油机电控e c u 硬件在环仿真系统，该系统是 专门针对柴油机的硬件在环仿真系统的，该系统通过在上位机上建立实时仿真 模型来计算柴油机的工作状态，其中d s p 的数据采集模块，是以t m s 3 2 0 c 3 0 为 核心的基于i s a 总线的高速处理系统。该系统通过采集油门位置和捕捉到的喷 油、点火信号仿真模拟计算出柴油机的转速等工作参数1 2 6 1 。 图1 3 柴油机电控e c u 硬件在环仿真系统 6 武汉理- = 大学硕十学位论文 2 ) 上海交通大学汽车电子技术研究所以工控机为平台开发了一套电控柴油 机的e c u 可靠性检测系统。此系统以工控机为平台，利用数据采集卡、数字量输 出卡、c a n 卡、继电器端子板和波形发生器等构建其硬件环境；用v b 编写上层 的程序，用c 与汇编语言编写底层程序。针对e c u 的工作原理，模拟它的工作参 数，并将标准信号和反馈信号进行比较，对e c u 各模块及工作参数进行出厂检 测【2 2 】。 3 ) 哈尔滨工业大学机器人研究所和一汽技术中心基础部电控单元开发室一 起开发了一套电控柴油机e c u 标定系统，此系统基于c a n 总线，采用c c p 协议， 使用商业化的标定软件c a n a p e 作为标定系统上位机软件。此标定系统在一汽生 产的6 d e 和6 d l 系列柴油机的标定测试中得到了应用，试验的结果表明，该标定 系统基本满足了标定工作的需要，明显提高发动机的性能，降低了排放【2 3 1 。 4 ) 江苏大学、大连理工大学、大连交通大学和恒驰科技有限公司联合开发 了一款基于c a n 总线的e c u 自动测控系统，此系统中e c u 硬件用m p c 5 6 3 系列芯 片，c p u 软件程序在c o d e w 枷o r 环境下编制，并使用v c 开发了人机交互界面 m c s 平台软件，使数据的显示和控制更加简明直观。此系统可以直接获取产品 e c u 中的数据，并为自主研发的e c u 提供检验支持。针对e c u 研究开发的不同 阶段，设计了硬件在环仿真测试和上车实测两个测试平台【2 4 1 。 5 ) 北京理工大学丌发设计了一款柴油机各缸供油量不均匀调节的e c u 硬件 在环仿真系统，该系统通过硬件在环技术，研究柴油机供油量不均匀性控制的 仿真问题，此系统基于m a t la b s i m u l i n l ( 和m a t l a b 瓜t w 及d s p a c e 系统建立了柴油 机供油量不均匀调节的e c u 硬件在环仿真系统，在m a t l a b s i m u l i l l l ( 中建立了一 个四缸柴油机模型，利用此系统进行不均匀性油量的调节试验，研究结果表明， 采用硬件在环仿真技术可以方便快捷地对控制系统进行开发测试【2 5 1 。 6 ) 天津大学针对f a i 电喷系统e c u 设计了一套硬件在环仿真系统，此系统 针对摩托车的发动机建立仿真模型，建立了一套针对摩托车发动机的数据采集 和分析系统。此系统可以模拟发动机的各种运行工况，从而检测e c u 的控制策 略和响应的速率。此系统能进行e c u 和各种传感器的在环实时仿真，并能检测 e c u 和传感器的工作性能是否正常。此外，其还能实时检测发动机运行状态和 控制参数，并将这些参数进行图形化和数字化的实时显示，可以实时的了解e c u 以及模拟的发动机的工作情况【2 6 】。 7 ) 济南捷特汽车电子技术研究所设计了一款汽油机电控e c u 测试与丌发平 台，用m a t l a b s i m u l i n k 建立车辆及发动机模型，采用j t 专用采集卡实现模拟发动 7 武汉理工人学硕士学位论文 机e c u 输入输出全部功能，可以精确的模拟发动机曲轴和凸轮轴脉冲的相关关 系，该系统的最高采集速率达到2 0 0 u s ，可以精确地采集发动机喷油信号和点火 线圈信号，此系统可以用作发动机电控系统e c u 的测试，也可以用作发动机e c u 的开发工具。 通过以上对发动机电控系统硬件在环技术国内外研究现状的分析可以看 出：大多的研究都采用m a t l a b s i m u l i n k 建立实时的仿真模型，然后将模型进行代 码转换，再将代码直接下载到功能硬件中运行来模拟发动机工作，以此实现e c u 开发的硬件在环仿真，或者也采用了与之相类的方法。由此可见基于 m a t l a b s i m u l i n k 的自动代码转换技术来建立e c u 的硬件在环仿真平台是e c u 刀= 发过程中的一个重要研究方向。 1 4 基于m a t l a b s i m u l i n k 的实时仿真开发平台研究现状【2 7 】 1 ) x p ct a 堰e t 是m a t h w 6 r k 公司开发的一个基于i 汀w ( r e a l t i m ew 6 r k s h o p ) 体系框架的附加产品，可将一般的p c 机转变为一个实时系统，它支持许多种类 的i o 设备板卡( 包括p c i 和i s a 两种类型) 。使用x p ct a 瑗e t ，只需安装相关软件 和i o 设备板卡，就可以将一个p c 机作为实时系统，来实现控制系统的快速原型 化和硬件在环仿真测试。 x p ct a r g e t 采用宿主机一目标机的方法，在宿主机上运行m a l l a b s i m u l i n k ，在 目标机上运行所生成的代码程序，这些程序运行在一个高度浓缩型的实时操作 核上。x p ct a r g e t 通过以太网或串口来实现宿主机和目标机之间的通信。 2 ) d s p a c e 实时仿真系统是由德国d s p a c e 公司开发的一套基于 m a t l a b s i m u l i n l ( 的控制系统开发及测试平台，其实现了与m a t l a b s i m u l i n k 的无缝 连接。此系统由两部分组成，即：硬件系统和软件系统。硬件系统的特点是具 有高速的计算能力，软件系统可以方便地实现自动代码生成、代码下载、调试 等工作。d s p a c e 的开发思路是实现产品系统化的开发，即将产品的开发过程集 成到一套平台中来完成。d s p a c e 的两大典型应用是快速原型仿真( r c p ) 和硬 件在环仿真( h i l ) 。 3 ) t a r g e tf o rt ic 2 0 0 0 6 0 0 0 利用i h w 直接从s i m u l i l l l ( 模型生成t ic 2 0 0 0 6 0 0 0 的高效代码，不再需要传统的d s p 编程过程。t a r g e tf o rt ic 2 0 0 0 6 0 0 0 能够自动 生成c c s 的工程文件，开发人员可以在s i m u l i n l ( 环境下利用t a 瑗e tf o rt i c 2 0 0 0 6 0 0 0 提供的模块和s i m u l i n k 的基本模块建立系统模型，并对模型进行仿真 验证，仿真的结果满意后，可以直接加入t a r g e tf o rt ic 2 0 0 0 6 0 0 0 工具箱提供的 武汉理t 大学硕士学位论文 各种d s p 的参数模块，利用t a r g e t6 ”t ic 2 0 0 0 6 0 0 0 和r t w 能够自动完成代码产 生、编译下载、运行及与目标d s p 的通信等功能。利用这种从概念设计到最终产 品实现的集成化开发环境，可以极大的缩短产品的研发周期，加快新产品的上 市速度。 在上述的三个平台中本研究选择了最后一个平台，之所以选择这个平台是 因为它与前面讲到的两个平台( x p ct a r g e t 和d s p a c e ) 相比具有一定的优势， x p ct a 聘e t 和d s p a c e 虽然功能很强大，也可以加快我们的研发时间，但是它们 的硬件体积比较大，而且成本都比较高。而d s p 的硬件体积小、价格相对前两种 也要低很多，有利于进行嵌入式产品的开发，它即能被开发为e c u 的丌发测试 平台，也可以直接转化为实际的发动机e c u 硬件产品，所以其具有更大的灵活 性。本研究采用的就是该平台。 1 5 本文研究内容 本文在研究d s p 自动代码产生技术的基础上设计开发一个电子柴油机，为高 压共轨柴油机电子控制单元e c u 的测试开发提供一个硬件在环仿真的平台。 要满足e c u 开发测试的需要，电子柴油机就必须能够真实的模拟柴油机所 有的输入输出信号，这些信号主要包括喷油脉宽信号、轨压控制信号、曲轴凸 轮轴信号以及各种压力和温度传感器信号等。 电子柴油机的实现包括软件和硬件两个部分：硬件部分本研究选择d s p 处理 器，之所以选择d s p 是因为实时运行的发动机模型的计算量比较大，而d s p 正好 有比较强大的数字计算能力，而且其有丰富的外设接口，能够满足发动机模型 输入输出信号的需求。在本研究中用d s p 的捕捉单元( c a p ) 来捕获e c u 发出的 脉冲宽度信号；用d s p 的s c i 通讯模块与p i c 单片机结合来获得e c u 发出的轨压控 制信号；用d s p 的p w m 模块与一个c p l d 结合输出曲轴与凸轮轴信号；用d s p 的 s p i 通讯模块扩展d a 输出来模拟各种压力温度传感器的信号输出；用d s p 的c a n 通讯模块来与上位机监控界面通讯。 软件部分主要是发动机模型的建立以及模型的自动代码转换，本研究在发 动机模型建立过程中首先用a v lb o o s t 计算发动机在各个工况下的运行参数， 然后利用这些参数在m a t l a b s i m u l i n l ( 中建立发动机的实时模型，并通过m a t l a b 的i 汀we m b e d d e dc o d e r 和e m b e d d e dt a r g e tf o rt ic 2 0 0 0 6 0 0 0d s p 工具箱的自动 代码生成技术将该实时模型转化为d s p 2 8 1 2 支持的c 语言代码，之后通过将该代 码直接下载到d s p 功能板上运行来模拟高压共轨柴油机。 9 武汉理工人学硕士学位论文 用新开发的e c u 控制这样的模拟电子柴油机，可以检验新开发的e c u 的控 制策略以及其各种输入输出信号是否正确，此种方法可以减少在发动机台架上 的试验时间，大大缩短e c u 的开发时间，节约开发成本。 1 6 本文组织结构 第1 章介绍课题背景、研究的目的意义、国内外现状及论文研究内容与方 向，提出了以m a t l a b 的r t we m b e d d e dc o d e r 和e m b e d d e dt a r g e tf o rt i c 2 0 0 0 6 0 0 0d s p 工具箱的自动代码生产技术为基础构建电子柴油机的设想。 第2 章详细介绍发动机本体模型和各个附属模型的建立，并对模型进行仿 真验证。 第3 章深入分析m a t l a b 的r t we m b e d d e dc o d e r 工具箱的工作原理、代码产 生的流程以及各个控制代码产生的文件的结构，在此基础上构建了自己的实时 目标，并用此目标进行了代码转换，将产生的代码直接导到v i s u a lc + + 6 o 的编译 环境中编译和运行，可以很好的运行。 第4 章介绍m a t l a b 的e m b e d d e dt a r g e t6 wt ic 2 0 0 0 d s p 工具箱，在此基础对 发动机模型各个输入输出的参数模块的参数设置进行了详细介绍，并将发动机 模型转换为d s p 2 8 1 2 支持的c 语言代码，然后将其下载到d s p 2 8 1 2 的功能板上运 行来模拟实际发动机的运行。 第5 章简单介绍用l a b v i e w 编写的上位机监控界面，在此基础上分析课题组 研究开发的e c u 控制本研究开发的模拟电子柴油机的运行试验结果。 l o 武汉理t 大学硕十学位论文 第2 章高压共轨柴油机模型的建立 本研究要设计一个电子柴油机，为高压共轨电控柴油机e c u 的开发提供一 个硬件在环仿真的平台，该电子柴油机要能接收e c u 的喷油脉宽和轨压控制等 信号，然后通过柴油机模型的计算，输出其各种工作参数，并通过传感器模型 的转换将这些参数转变为与实际发动机相同的传感器输出信号并反馈给e c u 。 本章就是要建立柴油机模型，由于要与实际的e c u 交互计算，该柴油机模型必 须要具有很好的实时性，所以就不能采用零维模型或准维模型来建立该柴油机 模型，但是为了保证模型的精度又不能完全脱离零维模型，因此本研究建立了 一个均值发动机模型，本章将对模型的建立过程详细介绍。 2 1 硬件在环仿真模型特点 硬件在环仿真系统( h i l s ) 允许在系统中接入部分实物，这就意味着可以 把部分需要检测的实物放在系统中进行考察，从而使该部件能在近似其工作状 态的环境中得到检验。因此，实时性是h i l s 的必要前提，它同其它类型的仿真 方法相比具有更高的真实性。其仿真试验过程一般包括以下几个阶段【2 引。 1 ) 建立模型：在此阶段，分块建立系统中各个模块的模型，然后根据整个 系统的工作原理，将各个子系统的模型进集成为整个系统的仿真模型。 2 ) 模型检验：在此阶段，先根据试验目的制定检验计划，根据检验计划， 设计一个检测流程，选定要测量的变量以及相应的测量点。然后运行仿真模型， 并记录仿真结果。 3 ) 结果分析：在此阶段，对仿真结果进行分析，根据分析结果判断仿真模 型是否正确。如果结果不符合要求，就返回建模和模型检验阶段查找原因，对 模型结构和模型参数进行修改，然后再对修改后的模型进行检验，往复进行， 直到获得满意的调试结果。 由于硬件在环仿真有实物系统介入仿真计算，这就要求仿真模型的计算时 间必须能满足实物的运行时间。所以在进行硬件在环仿真时必须采用实时仿真 算法来建立模型。与非实时仿真算法相比。其具有如下一些特点： 1 ) 快速性：这是硬件在环仿真对模型算法的基本要求。因为在一个固定的 时间内仿真模型必须计算出下一个采样时刻的输出，否则实物系统就不能正常 运行，更无法检测其运行情况。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 鲁棒性：鲁棒性指的是在不同的计算环境下，算法都能良好的运行，都 能给出合理的计算结果。 3 ) 相容性：相容性是指当用数字处理过程来替代系统中的某个子系统时， 保证替代后的系统具有与原系统相同的特性。 总之，将要检测的系统模型化是应用硬件在环仿真技术对其进行分析研究 的基础。建立准确、高效的仿真模型，是保证仿真结果具有较高的置信度的关 键和前提。 建立用于硬件在环仿真的发动机动态模型的关键在两个方面：一方面要能 准确的预测发动机的稳态和瞬念性能；另一方面就是要满足实时性的要求。但 是在很多情况下仿真的精度和实时性又是一对矛盾。针对这个问题，解决方法一 般是在保证一定精度的前提下简化模型，尽量达到二者的平衡。本文就是采用这种 方法利用试验数据和经验公式相结合建立实时性能好的发动机均值模型。 2 2 柴油机本体模型的建立 为了提高仿真模型的实时性本研究采用实验数据来建立发动机的本体模 型，所以就需要大量的实验数据，如果所有的数