用于大功率柴油機(jī)控制器測試的硬件在環(huán)仿真技術(shù)

孟長江，賈利，賈曉亮，劉濤，況涪洪，李菲菲，姜承賦，曹春芳，朱瑞武，仇會彬

(1.中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.中國人民解放軍駐616廠軍事代表室，山西 大同 037036；3.北京經(jīng)緯恒潤科技有限公司，北京 100191)

隨著大功率柴油機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，與其密切相關(guān)的控制器功能日益復(fù)雜，而控制器性能直接會影響到大功率柴油機(jī)的整體性能。在現(xiàn)代的控制器設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，國內(nèi)外著名整車廠都采用符合國際汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ASAM/ASAP)的V模式開發(fā)流程。在此流程中，硬件在環(huán)仿真技術(shù)可以全面測試控制器功能，包括發(fā)動機(jī)臺架上很難測試的極限工況下運(yùn)行功能和故障狀態(tài)下的診斷功能，同時(shí)極大地減少真實(shí)臺架和實(shí)車試驗(yàn)次數(shù)，降低控制器開發(fā)費(fèi)用，縮短控制器開發(fā)周期[1]。

1 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)原理與組成

控制器研發(fā)所采用的V模式開發(fā)流程見圖1。其中的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)[2]是把原來采用的通過臺架或者實(shí)車試驗(yàn)來測試和驗(yàn)證控制器算法和功能的工作轉(zhuǎn)移到試驗(yàn)室中進(jìn)行，測試真實(shí)柴油機(jī)控制器。使用柴油機(jī)仿真模型替代真實(shí)柴油機(jī)，通過上位機(jī)軟件把編譯完的仿真模型下載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行。仿真機(jī)通過IO板卡模擬控制器所需傳感器輸入信號，采集控制器控制執(zhí)行器的輸出信號，與真實(shí)控制器一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，模擬控制器在實(shí)車環(huán)境下運(yùn)行。最后采用自動化測試軟件全面測試控制器的軟件和硬件功能，方便快捷發(fā)現(xiàn)和解決控制器開發(fā)過程中遇到的問題。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由實(shí)時(shí)仿真機(jī)、大功率柴油機(jī)模型、試驗(yàn)管理軟件、真實(shí)被測控制器組成。

2 實(shí)時(shí)仿真機(jī)組成

2.1 實(shí)時(shí)仿真機(jī)硬件

實(shí)時(shí)仿真機(jī)硬件主要由實(shí)時(shí)組件和故障注入組件組成。

實(shí)時(shí)組件由dSPACE的處理器板卡DS1006和IO板卡DS2211組成，處理器板卡與IO板卡之間以PHS總線形式進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Gbit/s以上，同時(shí)可以擴(kuò)展各種IO板卡。

故障注入組件由故障注入板卡和操作軟件組成，可以模擬控制器線束在實(shí)車環(huán)境中產(chǎn)生的電氣故障，其電氣原理圖見圖3。

圖3 故障注入控制原理

2.2 實(shí)時(shí)仿真機(jī)測試軟件

仿真系統(tǒng)采用dSPACE公司開發(fā)的自動測試軟件AutomationDesk，通過擴(kuò)展測試庫來提供更加全面的自動測試功能，軟件的項(xiàng)目管理特性可以處理大量的自動化測試任務(wù)，能夠看到所有測試序列和數(shù)據(jù)體，以及執(zhí)行完成后的測試報(bào)告和結(jié)果。在硬件在環(huán)測試過程中，AutomationDesk可以讀寫訪問實(shí)時(shí)仿真工程、診斷工具、標(biāo)定工具和故障仿真工程。

2.3 大功率柴油機(jī)模型

為了實(shí)時(shí)仿真大功率柴油機(jī)動態(tài)變化規(guī)律，使用Matlab/Simulink工具，搭建以柴油機(jī)全工況穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的柴油機(jī)平均值模型[3]。此模型主要由氣路系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、氣缸系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及IO系統(tǒng)組成。

2.3.1氣路系統(tǒng)模型

氣路系統(tǒng)由渦輪增壓器、中冷器、進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣門組成。基于質(zhì)量守恒和能量守恒定律計(jì)算進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體質(zhì)量和溫度，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體壓力。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)氣歧管內(nèi)的質(zhì)量流量計(jì)算如下：

(1)

根據(jù)能量守恒定律，進(jìn)氣歧管內(nèi)的溫度計(jì)算為

(2)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式可獲得進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力：

(3)

進(jìn)氣門模型依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程原理來計(jì)算平均進(jìn)氣量速率，并使用氣缸容積效率對所得進(jìn)氣流量進(jìn)行修正，計(jì)算式如下：

。

(4)

式中：ηV為氣缸容積效率[4]；PIn,Man為進(jìn)氣歧管壓力；TIn,Man為進(jìn)氣歧管溫度；R為空氣氣體常數(shù)；VDisp為發(fā)動機(jī)氣缸容積；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速[12-16]。

2.3.2燃油系統(tǒng)模型

燃油系統(tǒng)模型由油箱、高壓油泵、壓力控制閥、高壓油軌和噴油器組成。燃油系統(tǒng)各功能模塊主要以穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模型。

燃油在氣缸的混合程度會影響到空氣和燃油混合氣在氣缸中的燃燒效果，從而影響到柴油機(jī)扭矩輸出效果。為了讓柴油機(jī)工作在良好工作區(qū)間內(nèi)，需準(zhǔn)確控制噴油器燃油噴入氣缸的時(shí)刻和燃油量。

2.3.3氣缸系統(tǒng)模型

氣缸系統(tǒng)模型中包含燃燒扭矩模型和摩擦扭矩模型，燃燒扭矩模型主要是基于平均扭矩的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下：

Tme=Tmi(nEng,pMan)ηλ(λ)ηinj(tinj)-Tmr(nEng,TEng)

。

(5)

式中：Tme為發(fā)動機(jī)平均有效扭矩；Tmi為發(fā)動機(jī)燃燒扭矩；Tmr為摩擦扭矩；ηλ為空燃比效率；ηinj為點(diǎn)火提前角效率。

為了模擬扭矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而動態(tài)變化的規(guī)律，采用了一個(gè)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的扭矩調(diào)制函數(shù)，將之與平均指示扭矩相乘。扭矩調(diào)制函數(shù)見圖4。

2.3.4排氣系統(tǒng)模型

排氣系統(tǒng)模型使用二階延遲環(huán)節(jié)模擬催化劑前氧傳感器和催化劑后氧傳感器信號動態(tài)變化特性，二階傳遞函數(shù)計(jì)算公式如下：

。

(6)

2.3.5冷卻系統(tǒng)模型

對于冷卻系統(tǒng)模型，假設(shè)摩擦功所產(chǎn)生的熱量完全消耗于冷卻系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)指示功部分消耗于冷卻系統(tǒng)。手動設(shè)定發(fā)動機(jī)正常工作水溫，通過控制風(fēng)扇和冷卻液調(diào)節(jié)水溫在設(shè)定的最高水溫附近波動；當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)，通過風(fēng)冷功能逐漸降低發(fā)動機(jī)水溫。

2.3.6IO模型

IO模型集成了dSPACE封裝好的實(shí)時(shí)接口模塊(RTI)，其結(jié)構(gòu)示意見圖5。IO模型主要包含電源管理模塊、信號輸出模塊和信號輸入模塊。

3 模型參數(shù)化及自動化測試

3.1 模型參數(shù)化

完成模型整體架構(gòu)和物理建模后，設(shè)置發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如發(fā)動機(jī)壓縮比、缸徑、活塞直徑、進(jìn)氣歧管容積等。再針對配置難度較高的發(fā)動機(jī)動態(tài)特性參數(shù)，引入基于多元線性回歸方法的辨識方法，配合試驗(yàn)完成模型參數(shù)標(biāo)定。

針對軍用柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限的現(xiàn)狀，采用模型參數(shù)影響度分析技術(shù)，解決平均值模型數(shù)據(jù)需求量大、開發(fā)進(jìn)度慢及臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取費(fèi)用高等問題。引用如下計(jì)算公式對模型參數(shù)影響度結(jié)果進(jìn)行量化：

。

(7)

式中：S表示影響度的量化指標(biāo)；vmax表示影響因素改變時(shí)模塊輸出值的最大值；vmin表示影響因素改變時(shí)模塊計(jì)算結(jié)果的最小值；vmed為影響因素取初始值時(shí)模塊計(jì)算結(jié)果的大小；Amax表示影響因素的最大值；Amin為影響因素的最小值；Amed為影響因子的初始值。

3.2 自動化測試實(shí)施

圖6 自動測試流程

大功率柴油機(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件和硬件集成、閉環(huán)功能調(diào)試完成后，即可進(jìn)行控制器功能自動化測試，自動化測試操作流程見圖6。按照測試需求搭建好測試序列后，仿真機(jī)可以自動、重復(fù)且長時(shí)間運(yùn)行測試工況，并生成測試報(bào)告和結(jié)果，極大縮短了控制器功能測試時(shí)間。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 怠速工況

在實(shí)時(shí)仿真機(jī)上通過修改水溫等傳感器信號，模擬柴油機(jī)從高寒到高溫工作環(huán)境，依次測試了控制器對柴油機(jī)起動的控制功能。測試數(shù)據(jù)記錄見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：柴油機(jī)在不同環(huán)境溫度下起動時(shí)，控制器都能夠很好控制其正常起動，隨著環(huán)境溫度和水溫的升高，控制柴油機(jī)起動轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)溫度大于20 ℃后，柴油機(jī)起動轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在600 r/min。

表1 起動轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

4.2 柴油機(jī)外特性

在實(shí)時(shí)仿真機(jī)上采用測功機(jī)模式，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從1 200 r/min變化到2 200 r/min，步長為200 r/min，油門踏板全開，測試柴油機(jī)的外特性扭矩。柴油機(jī)模型仿真扭矩與實(shí)際臺架測試扭矩對比見圖7。在仿真機(jī)上測試的扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)與臺架上測試數(shù)據(jù)的誤差在±10%之內(nèi)，主要原因是發(fā)動機(jī)模型在建模原理上就存在一定誤差，但誤差在工程允許范圍內(nèi)。對比數(shù)據(jù)表明，硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)仿真精度能夠滿足柴油機(jī)功能測試的需求。

圖7 柴油機(jī)仿真與試驗(yàn)扭矩對比

4.3 自動測試

在實(shí)時(shí)仿真機(jī)上使用AutomationDesk執(zhí)行控制器自動化測試功能。以測試柴油機(jī)斷油功能為例，搭建完測試序列后，仿真機(jī)在自動執(zhí)行過程中，通過AutomationDesk軟件會顯示每個(gè)步驟運(yùn)行的結(jié)果(見圖8)。如果測試序列中某個(gè)步驟不通過，則會在run state列顯示fail，便于測試人員直觀發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)自動化測試完成后，可以查看發(fā)動機(jī)斷油功能測試數(shù)據(jù)圖(見圖9)。油門踏板在0～4.5 s之間一直在全開狀態(tài)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速600 r/min迅速上升到最高轉(zhuǎn)速2 350 r/min，噴油器的預(yù)噴油量隨著轉(zhuǎn)速升高而減少，噴油量則先增加到最大值后再減小到一個(gè)穩(wěn)定值；當(dāng)油門踏板開度突然為0后，控制器根據(jù)油門踏板信號的突變信息，控制噴油器不工作，此時(shí)發(fā)動機(jī)進(jìn)入斷油狀態(tài)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也開始下降，一直降到控制器內(nèi)部設(shè)定的最低噴油轉(zhuǎn)速700 r/min，之后控制器重新控制噴油器開始噴油，以保證發(fā)動機(jī)能夠正常運(yùn)行。測試結(jié)果表明，通過自動化測試可以方便分析、測試和驗(yàn)證控制器的每個(gè)模塊功能。

圖8 自動化序列執(zhí)行圖

圖9 發(fā)動機(jī)斷油功能測試數(shù)據(jù)記錄

4.4 問題與措施

4.4.1函數(shù)評價(jià)數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)

在模型參數(shù)化時(shí)，當(dāng)導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行do MAPPING后，對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖和評價(jià)時(shí)，出現(xiàn)了Poiston Engine部件功能模型的Friction Torque數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò),使用的評價(jià)函數(shù)為dspar_Friction_fcn.Dl.m。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新梳理和分析，初步可以確定，模型參數(shù)化的評價(jià)函數(shù)內(nèi)部計(jì)算的數(shù)學(xué)公式的數(shù)據(jù)取值范圍無法涵蓋該機(jī)型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算步長偏大。

查看對應(yīng)部件功能模型的評價(jià)函數(shù)，在Edit模式下打開函數(shù)文件，查看文件中的所有數(shù)學(xué)公式，對數(shù)學(xué)公式計(jì)算的數(shù)據(jù)變量名稱和取值范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模板中的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，查看是哪個(gè)數(shù)據(jù)變量的取值范圍不同或計(jì)算步長偏大。

查看m文件中的數(shù)學(xué)公式，對計(jì)算的數(shù)據(jù)變量和取值范圍進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)“T_Water_out=[min(T_Water):10:max(T_Water)]”公式中水溫計(jì)算的步長偏大，當(dāng)將步距由“10”改為1時(shí)，函數(shù)評價(jià)數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)消失。

4.4.2柴油機(jī)輸出扭矩仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差大

在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油門踏板一致的情況下，發(fā)動機(jī)輸出扭矩仿真數(shù)據(jù)與臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大，最大偏差達(dá)到-30%。

調(diào)整油門踏板和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速從1 200 r/min到2 200 r/min，步長為200 r/min，記錄發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板開度和噴油脈寬的仿真數(shù)據(jù)與臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油門踏板一致的情況下，噴油脈寬誤差在±1%之內(nèi)，HIL平臺各通道噴油脈寬采集數(shù)據(jù)誤差達(dá)到-20%，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)模型采集到的噴射油量誤差達(dá)到-20%，輸出扭矩最大偏差達(dá)到-30%。

針對以上問題，檢查HIL平臺各噴油通道參數(shù)配置，調(diào)整噴射采集通道門限電壓，噴油脈寬誤差減小，但噴油脈寬數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定，原因是采集門限電壓太低，采集到了噴射信號中的干擾信號。將門限電壓增大，設(shè)計(jì)噴射信號采集補(bǔ)償模塊，輸入為噴射脈寬，0～1 100 μs(涵蓋最大噴射脈寬)，步長為100 μs，輸出補(bǔ)償脈寬，對采集到的噴油脈寬進(jìn)行補(bǔ)償。調(diào)整后噴油脈寬采集數(shù)據(jù)與臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在±1%之內(nèi)，扭矩仿真數(shù)據(jù)與臺架測量數(shù)據(jù)的誤差在±10%之內(nèi)。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了測試大功率柴油機(jī)控制器功能的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)中包含的實(shí)時(shí)仿真組件、故障注入單元和自動測試軟件，詳細(xì)闡述了在Matlab/Simulink下開發(fā)的大功率柴油機(jī)仿真模型各個(gè)模塊的建模原理和方法，并進(jìn)行了怠速工況測試、發(fā)動機(jī)外特性測試、故障仿真測試和自動化測試。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)能夠方便測試大功率柴油機(jī)控制器的功能，特別是在極限工況下；基于Simulink環(huán)境開發(fā)的大功率柴油機(jī)平均值仿真模型，外特性仿真誤差在10%以內(nèi)，滿足控制器功能測試的需求；使用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中故障注入功能，可以有效模擬實(shí)際線束的電氣故障，為測試控制器的診斷功能提供有效手段；使用AutomationDesk自動化測試軟件，可以方便管理對控制器功能全面測試的需求，自動執(zhí)行測試序列并生成測試報(bào)告，極大減少了測試時(shí)間和發(fā)動機(jī)臺架測試費(fèi)用，縮短了控制器開發(fā)周期。