基于ETAS的柴油機電子調速系統半物理仿真平臺研究

2019-06-28 08:36:28譚旭東薛勝峰周立平鄭祥東肖群雄

科技創新與應用 2019年16期

譚旭東薛勝峰周立平鄭祥東肖群雄

摘? 要：建立了MTU956增壓柴油機的進排氣系統、燃油系統、氣缸、轉子動力學的數學模型。并根據建立的數學模型，基于MATLAB/Simulink軟件為平臺，建立了增壓柴油機的平均值模型以及柴油機的典型故障模型。在此基礎上，基于ETAS Labcar半物理仿真平臺，將柴油機模型與MTU956柴油機的ECU實物以及執行器實物相連接，設計了柴油機電子調速器的半物理仿真驗證平臺。對ECU的啟動、停機、加速、減速、增壓器切入切出以及典型的故障工況進行了驗證。結果表明，仿真平臺的精度、實時性、可靠性均能滿足要求。

關鍵詞：柴油機;硬件在環;調速系統;平均值建模;故障模型

中圖分類號：TK421? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）16-0005-04

Abstract： The mathematical models of intake and exhaust system， fuel system， cylinder and rotor dynamics of MTU956 turbocharged diesel engine are established. According to the established mathematical model， based on the MATLAB/Simulink software platform， the average value model of turbocharged diesel engine and the typical fault model of diesel engine are established. On this basis， based on the ETAS Labcar semi-physical simulation platform， the diesel engine model is connected with the ECU object and the actuator object of MTU956 diesel engine， and the semi-physical simulation verification platform of diesel engine electronic governor is designed. The start， stop， acceleration， deceleration， turbocharger cut in and out of the ECU and the typical fault conditions are verified. The results show that the accuracy， real-time and reliability of the simulation platform can meet the requirements.

Keywords： diesel engine; hardware in the loop; speed control system; average modeling; fault model

1 渦輪增壓柴油機模型

本文以山西安特優MTU956核安全級柴油機為建模對象，按照模塊化的建模思想，將柴油機模型劃分為輸入模塊、輸出模塊、控制系統模塊、燃油供給模塊、進排氣系統模塊以及故障模型模塊。系統的整體組成以及柴油機本體的結構分別如圖1、圖2所示。

柴油機本體模型包括燃油系統、進排氣系統、氣缸、轉子動力學系統。模型中還包括了輸入輸出模塊、調速模塊以及故障模型。[2]

1.1 燃油系統

1.4 控制系統

在沒有接入外部實際ECU時，電子調速器設計的是經典的PID算法，根據目標轉速和實際轉速偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）進行控制。其原理是轉速偏差經過PID的算法處理轉變為執行器的控制信號，并最終作用于燃油系統的齒條位移，實現噴油[4]。

通過在線整定的方法，對PID系數進行調節，研究表明，當比例系數Kp=8，積分系數Ki=0.01，微分系數Kd=20時，能夠取得比較好的轉速調節效果，此時轉速響應曲線如圖3。

2 LabCar系統平臺

LabCar是由德國ETAS公司開發的硬件在環仿真測試系統，能夠依據建立的柴油機Simulink模型，接收實際ECU發出的控制信號，并將模型輸出實時反饋給ECU。

LabCar硬件在環仿真系統主要由硬件平臺、軟件平臺以及信號接口三部分組成，其邏輯結構如圖4所示[5]。

柴油機模型與ECU的輸入輸出信號接口關系如圖5。

2.1 硬件平臺

LabCar硬件平臺主要有上位機、ETAS仿真設備、硬件板卡、待測ECU、執行器等組成，如圖6所示。

上位機用于安裝MATLAB/Simulink以及LabCar軟件平臺，同時還可以控制和監視仿真系統運行狀態;ETAS仿真設備用于加載和運行柴油機模型并給硬件提供載體;硬件板卡型號為ES5340-ICE，為ETAS公司專門設計的內燃機仿真板卡，擁有8個模擬量輸出，8個數字量輸出，4個模擬量輸入以及20個數字量輸入，同時能夠產生和輸出PWM信號和方波，能夠滿足本柴油機仿真項目的需求;待測的ECU為德國MTU 956柴油機控制器，擁有主備兩個選擇模式。

2.2 軟件平臺

ETAS仿真系統的軟件平臺為LabCar-OPERATOR以及MATLAB/Simulink平臺，LabCar-OPERATOR包括兩個獨立的用戶界面，分別是集成平臺LabCar-IP和實驗環境平臺Experiment Environment（EE）。

LabCar-IP用于配置柴油機Simulink模型與外界的輸入輸出接口以及相關的輸入輸出信號之間的連接，柴油機輸入輸出接口與LabCar-IP連接界面如圖7。

LabCar-EE用于檢測、記錄、存儲、輸出相關的實驗數據，可以提供多種形式的顯示形式，圖8是設計的硬件在環仿真系統檢測顯示界面，通過EE平臺，可以在線修改柴油機運行參數，如模擬柴油機啟動、停車、加速、減速工況，修改目標轉速、負載，實時監測柴油機主機轉速、各增壓器轉速齒條位移，設置故障模型等，這給用戶帶來了很大的便利。

3 硬件在環仿真實驗

3.1 起動工況仿真實驗

在起動工況下，柴油機首先由起動電機給與啟動力矩，將柴油機轉速帶至65r/min，然后才開始噴油，此時，轉速控制為開環控制，齒條位移為15mm，轉速迅速上升，在轉速達到怠速600r/min時，轉為閉環控制，此時ECU動作，調節轉速使其保持在600轉數不變。在起動工況下，柴油機轉速響應曲線和齒條位移響應曲線如圖9，圖10。

實驗數據表明，該ETAS硬件在環仿真平臺能夠滿足柴油機的調速系統起動性能的需求，系統響應迅速，穩定性好。

3.2 加減載仿真試驗

在額定轉速1500r/min，空載工況下，增加3000Nm的負載，待轉速和齒條位移穩定后，再將負載降至0，柴油機轉速和齒條位移響應曲線如圖11，圖12。

試驗數據顯示，當負載突變時，齒條位移能在2.5s內達到穩定，轉速在負載變化后有小幅波動，但能夠迅速恢復原轉速狀態并保持穩定，表明該仿真平臺的調速性能良好。

3.3 渦輪增壓器切入切出

在額定轉數1500r/min時的增壓器切入曲線如圖13。

柴油機起動初期由電機帶動，此時不噴油，增壓器轉速為0，柴油機轉速大與65r/min之后，齒條動作，開始噴油，增壓器A1/A2轉速上升，當A1/A2轉速達到39000r/min時，增壓器B1切入，B1轉速由0開始迅速升高，達到3900r/min時，增壓器B2切入，B2轉速超過41000r/min時，B3切入，此時5組增壓器全部切入，且轉速最后均穩定在51000r/min左右。

4 故障模型

在建立完畢的柴油機基礎上，考慮到柴油機在實際運行的過程中，可能出現的一些典型故障，建立了柴油機典型的故障模型。

4.1 起動失敗

模擬起動失敗故障的方式是通過設置修正系數，使得在起動電機的初始扭矩為0，柴油機轉速無法上升，起動失敗。柴油機轉速響應曲線如圖14。

4.2 起動過慢

起動過慢的原因之一為啟動扭矩過小，可以從該角度，通過調整起動扭矩修正系數來模擬柴油機起動過慢現象。

故障觸發后，起動扭矩低于正常起動的最低扭矩值，柴油機未能在規定時間內達到開始噴油轉速65r/min，觸發ECS報警。轉速響應如圖15所示。

4.3 超速

柴油機在實際運行時，受到結構強度等各方面的影響，主機運行轉速存在上限，當達到該限制時，柴油機應緊急停車，以避免對設備和技術人員造成傷害。在本模型中，設置了超速故障模擬模塊。故障觸發后，柴油機主機轉速快速上升至3000r/min之上，超過ECS設置的轉速上限，相關警報被觸發。

5 結束語

在建立的ETAS硬件在環半物理仿真平臺上，驗證了柴油機調速系統的基本功能，包括起動、加減載和增壓器切入切出。相關試驗的結果表明：

（1）建立的柴油機模型兼顧了仿真系統實時性與精度，能夠比較準確的反應柴油機的工作性能，可以用于ECU硬件在環仿真平臺的研究。