发动机硬件在环仿真试验台搭建

1、发动机硬件在环仿真试验台搭建摘要：针对目前汽车发动机管理系统开发过程中研发成本较高，难度较大的问题，利用仿真的方法，设计并搭建了硬件在环仿真试验台，同时进行了部分试验验证。利用matlab模块化技术，实现快速原型代码生成和硬件在环仿真功能。使用表明，该试验台具备良好的在环仿真功能，能够模拟发动机各种工作工况，为实际试验和产品开发提供仿真依据和参考。关键词：发动机模型；硬件在环仿真；控制器模型Establishment of Engine Hardware-in-loop Simulation Test BedAbstract: To deal with high cost and great

2、difficulty in the development of engine management systems, hardware in the loop simulator is designed and built, and test verification is partly proceeded. Using Matlab modular technique, achieve rapid prototyping code generation and hardware in-the-loop simulation. It is showed that the simulator

3、has a good in-the-loop simulation function, can simulate all kinds of the engine mode and provide the basis and reference for the actual test and product development.Key words: Engine model; Hardware-in-loop simulation; Controller model发动机电控单元的开发面临着开发效率和开发质量的双重压力，如何在产品开发过程中快速地测试控制系统的功能性与可靠性，在保证开发质量的

4、前提下，提高系统开发效率，是所有开发人员面临的难题 1。目前采取硬件在环开发发动机管理系统技术在国外比较成熟，建立的硬件在环试验，利用dSPACE的AUTOBOX搭建的试验台对防抱死系统和整车稳定系统进行研究，既降低了开发成本，也缩短了开发周期。而国内还没有形成一套完整和有效的开发平台。文章搭建了一套实时发动机管理系统硬件在回路仿真试验台，利用该设备实现V模型控制器开发流程，加快开发进度和降低开发成本，为开展进一步研究打下了基础。2机管理系统主要包括空气供给系统、汽油供给系统和电控系统（喷油控制、电子点火、怠速控制和废气再循环等），而电控系统是发动机管理系统的核心技术。建立的实时仿真平台网络图

5、，如图1所示。1 试验台整体规划设计发动机管理系统一般工作原理为：采集车载传感实时仿真试验平台控制网络结构包括：发动机模型系统、控制器模型系统、总线系统、执行机构（发动机点火系统、发动机喷油系统、电子节气门控制系统及电子转向系统）、显示系统和信号采集系统。通过硬件在环仿真试验台验证发动机管理系统的控制算- 29 -器信号，直接或间接计算得到空气流量，查找空燃比进气流量MAP图得到基本供油量；然后根据各种传感器修正点火提前角、节气门开度及空燃比等各种工作参数；最后得到某一工况下的最佳喷油量。发动3法，为实车试验前，进行了充分的仿真准备，降低了试验开发成本。废气再循环系统进入气管的废气质量之和。用

6、能量守恒定律计算进气歧管的温度。根据能量守恒定律，进气歧管的温度变化量与进气管和排气管的气体质量相关，即建立进气气体流量和排气气体流量与温度的函数关系。为了保证所建立的发动机模型的实时性和通用性，假设发动机中所有气体符合理想气体方程计算条件，通过理想气体方程计算所需要的气体质量，如式（4）所示。2 发动机硬件在环试验台控制模型试验车辆采用4冲程燃油喷射汽油机，对于该发动机，文献4中建立了包括4个状态和2个时间延时的平均值发动机模型。4个状态为发动机转速、进气歧管压力、废气再循环率以及进入燃烧室的燃料流量；2个时延为从点火到力矩产生的时延和从进气到力矩产生的时延。平均值发动机模型需要多个发动机动

7、态特性参数，这些参数的获取需要通过大量的试验RmIMTIM （4）拟合得到。由于发动机制造的工艺限制以及试验工况IM的变化，导致发动机多种参数是时变的，不容易测量，式中： pIM进气歧管处的压力，Pa；R进气歧管内的气体混合常数；所以平均值模型的通用性受到了一定的限制。VIM进气歧管的容积，m3；在发动机平均值模型和dSPACE公司提供的模mIM进气歧管中的气体质量，kg；型 5基础上，考虑实际情况建立了发动机模型。该模pIM=型主要包括：扭矩计算模块、进排气道模型、油路模型、冷却系模型以及排放系统等。发动机扭矩计算模块采用平均值原理计算扭矩，如式（1）所示。TIM进气歧管内的气体温度，。由于

8、进气歧管内的压力、温度和体积可以通过传感器等手段测得，因此可以计算出进气歧管内的气体质量。综上，利用理想气体方程计算得到发动机系统中进排气管中的气体质量，进而得到发动机气缸中的空气质量，根据最佳空燃比系数计算出最佳喷油量。所建立的发动机模型与平均值发动机模型比较，简化了发动机燃油燃烧过程的时间和扭矩传递时间时延，简化了发动机模型，提高了发动机模型的通用性和效率。根据dSPACE公司提供的模型5和试验车辆，设计发动机控制模型。该模型主要包括：状态模块、空气质量估计模块、扭矩估计模块、压力控制模块以及气缸位置模块等。状态模块是通过车载传感器综合判断发动机工作的状态，通过模块输出判断怠速起停和加减速

9、行驶等工况；空气质量估计模块是发动机管理系统最重要的模块之一，直接关系到发动机的经济性和动力性的优化。考虑经济性等因素，没有采用空气流量计测量进入进气歧管的空气流量，而是通过测量进气歧管内的压力和温度对空气流量进行估计。通过节气门开度（0100%）的控制实现对发动机进气量的控制。进气流量是温度、压力以及节气门开度的函数，如式（5）所示。（5）式中： mOT进气质量，kg；OT=A(Th)PpmeiVD（1）式中： Teff发动机输出扭矩，N·m； pme平均压力，Pa； i气缸数； VD有效容积，m3。基于质量守恒定律建立进排气道模型。其中，进气道空气的变化量，如式（2）所示。Tef

10、f=dm=TO+EGREIA （2）式中： mIA进气道的空气质量，kg； mTO通过节气门进入的空气质量，kg；mEGR废气再循环系统进入进气道的气体质量，kg； mEIA进入发动机中的空气质量，kg。同理，根据质量守恒定律可以得到排气管道的模型。排气管气体的变化量，如式（3）所示。dm=EGREEIE （3）dt式中： mIE排气道的气体质量，kg； mEGRE废气再循环系统进入排气道的气体质量，kg； mEIE发动机气缸中的废气质量，kg。排气管气体质量等于进入气管的空气质量与通过R节气门的气体混合常数；- 30 -TIn节气门处的气体温度，；常数，该值通过试验拟合得到；A节气门有效截面

11、积，m2；PIn节气门口处的压力，Pa；Th节气门开度，0100%。通过使用某型号发动机和整车数据，对试验台进行验证。首先通过输入阶跃信号作为期望发动机转速，选取发动机转速为900 r/min，测试仿真的数据，如图5所示。从试验结果可以看出，发动机转速快速准确地跟踪期望发动机转速。 S NJO节气门有效面积具体计算，如式（6）所示。1Amax(1cos(2Th) （6）由于节气门的压力和温度可以通过传感器等手段测得，通过计算得到节气门有效截面积，建立节气门开度和期望的进气量等式。对节气门执行器中直流电机采用脉宽调制信号进行控制，通过控制占空比实现对节气门开度的控制。根据试验测试，选择脉宽调制信

12、号的频率为2 kHz，其占空比由期望节气门开度和实际节气门开度之间的误差经过一个PI控制器产生，控制系统结构，如图2所示。A(Th)=18. 18.1* T图5 发动机转速曲线从图5可以看到，发动机转速从静止状态能够较快速和平稳地达到期望转速，且稳态误差较小，验证了该仿真系统具有较高的模型精度和控制精度。4 结论发动机管理系统、整车牵引力控制系统及制动防抱死系统等是汽车电子中的核心部分，也是利润较高点，各国和各公司逐渐在该领域中投入大量研究经费，而高稳定性与可靠性是对汽车的基本要求，所以开发周期和试验经费成几何数级增加。因而降低成本、缩短开发周期及满足相关法规要求是众多汽车生产厂商的研究热点。

13、V模型开发流程是目前比较流行并且被图2 节气门执行器控制系统结构联立式（1）（6），得到发动机基本模型，通过该模型搭建发动机硬件在环试验台控制模型，如图 3所示。 国际认可的开发模式，它通过精确的被控对象模型，利用快速原型的方法，对被控对象进行部分提前测试。文章通过参考国内外相关汽车公司的设备，结合实际情况搭建出一套快速原型代码生成系统和部分实现硬件在回路功能。利用该设备实现了发动机核心部件（点火系统、喷油系统和电子节气门智能控制）和相关硬件的可靠性试验与控制精度测试，为进一步开展相关研究打下基础。参考文献1 杭勇，杨明.基于NI平台的共轨电控单元测试系统的建立 J.现代车用动力，2005（3

14、）：1-5.2 H.Straky, M.Kochem, J.Schmitt, et al. Influences braking systemfaults on vehicle dynamicsJ.CONTROL ENGINEERING PRACTICE, 2003, 11（3）：337-343.3 冯渊.汽车电子控制技术M.北京：机械工业出版社，2005：52-55.4 H Phtsuka, L Vlacic. Stop and go vehicle longitudinal modelC.Intelligent Transportation Systems. American:IEEE, 2002：206-209.5 GmbH. ASM Gasoline Engine ReferenceM.Germany