基于RTWT的汽車電子節(jié)氣門半實(shí)物仿真平臺(tái)

陳鳳祥，孫澤昌，趙治國，章 桐

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，新能源汽車工程中心，上海 201804)

0 引言

汽車電子技術(shù)對汽車工業(yè)的促進(jìn)作用已成為當(dāng)今社會(huì)的共識(shí)［1］。但是相應(yīng)汽車電子的教材難以適應(yīng)當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的要求，如經(jīng)典控制論的教材沒有較好反映出汽車電子的特色。同時(shí)，現(xiàn)有的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也無法滿足培養(yǎng)汽車電子這個(gè)新興專業(yè)的人才需求。因此，為學(xué)生提供一套具有汽車電子特色的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)迫在眉睫。

以汽車電子節(jié)氣門作為控制對象建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已在高校里出現(xiàn)。選用該控制對象的理由如下:①結(jié)構(gòu)較為簡單、建模相對容易;②業(yè)已成為發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中的一個(gè)重要的模塊;③具有典型的機(jī)電混合特性;④該對象是一個(gè)較為典型的線性系統(tǒng)。

我國高校已建成一些電子節(jié)氣門的控制平臺(tái)，如清華大學(xué)設(shè)計(jì)出了一種電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)［2］。該控制器以摩托羅拉單片機(jī)MC68HC912DG 128A為核心，用MC33186作H橋驅(qū)動(dòng)芯片。測試系統(tǒng)向節(jié)氣門控制器發(fā)送目標(biāo)開度值，控制節(jié)氣門完成動(dòng)作，同時(shí)記錄并分析實(shí)際控制效果。但是控制算法的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要了解單片機(jī)的具體資源且參數(shù)修改十分麻煩。

北京理工大學(xué)基于dSPACE設(shè)計(jì)了電子節(jié)氣門半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)［3］。由于dSPACE附件價(jià)格昂貴，而且利用Matlab生成的PWM的載波頻率小于1kHz，無法提高到10kHz以上。因此該平臺(tái)會(huì)伴有較為明顯的噪音，控制精度也相對較低，并不適合先進(jìn)控制算法的實(shí)現(xiàn)。

考慮到教學(xué)對象主要為機(jī)械類本科生，他們的嵌入式系統(tǒng)軟件編程能力相對較弱，而且課時(shí)有限，為了讓每一位學(xué)生能夠快速實(shí)現(xiàn)控制算法并在線修改相關(guān)參數(shù)，我們提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于Matlab實(shí)時(shí)視窗目標(biāo)RTWT(Real-Time Windows Target)低廉高效的電子節(jié)氣門半實(shí)物仿真平臺(tái)。

1 Matlab/RTWT介紹

實(shí)時(shí)視窗目標(biāo)RTWT是Matlab以PC機(jī)進(jìn)行半實(shí)物仿真的軟件平臺(tái)。通過RTWT中所提供的輸入和輸出模塊(目前模塊庫中已支持多達(dá)200種以上的數(shù)據(jù)采集板卡)，可以方便地把Simulink環(huán)境下搭建的控制器算法直接用于實(shí)際物理對象構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該方案中，PC機(jī)既作為宿主機(jī)，同時(shí)又作為目標(biāo)機(jī)存在。就控制實(shí)時(shí)性而言，Windows本身是一個(gè)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，一般而言其定時(shí)精度最多只能達(dá)到1ms，因此對于一些高精度實(shí)時(shí)控制場合是不合適的。RTWT則應(yīng)用一個(gè)小型實(shí)時(shí)內(nèi)核，該內(nèi)核以PC時(shí)鐘作為基本時(shí)鐘源并優(yōu)先從Windows操作系統(tǒng)獲得來自PC時(shí)鐘的中斷，這樣就阻斷了任何來自Windows操作系統(tǒng)的調(diào)用請求，從而保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。一般而言，對于較小的模型可以保證10kHz以上的采樣頻率。

2 電子節(jié)氣門半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 電子節(jié)氣門系統(tǒng)組成

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以RTWT為基礎(chǔ)將普通PC機(jī)模擬成宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電子節(jié)氣門ETCS的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。在圖1中數(shù)據(jù)采集板卡(PCI-1711)起著A/D和D/A的作用，它負(fù)責(zé)把模擬電壓信號(hào)(節(jié)氣門位置)經(jīng)過采集后轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，同時(shí)又把驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。圖中板卡和PC機(jī)所交換的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，用后綴［D］表示，板卡和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電子節(jié)氣門所交換信號(hào)為模擬信號(hào)，用后綴［A］表示。電子節(jié)氣門采用博世公司的DVE-5。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定制購買，其主要功能如下:通過輸入電壓改變PWM占空比，從而控制電機(jī)的實(shí)時(shí)供電電壓，其中輸入電壓0-2.4V正轉(zhuǎn)，2.4V-2.6V停轉(zhuǎn)，2.6V-5.0V反轉(zhuǎn)。考慮到電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的噪音問題，選取系統(tǒng)PWM載波頻率為12kHz。

圖1 電子節(jié)氣門實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)原理圖

2.2 軟件系統(tǒng)

在Simulink環(huán)境下搭建的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)如圖2所示。圖中Analog Output為輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制電壓信號(hào);Analog Input為電子節(jié)氣門位置傳感器的電壓信號(hào);如圖3所示的Controller為靜態(tài)前饋+PID反饋的控制器，其中PID反饋控制器部分添加了死區(qū)以克服節(jié)氣門因噪聲或擾動(dòng)的頻繁作動(dòng);Filter1為系統(tǒng)前置濾波器(主要為了減少系統(tǒng)的超調(diào)量);Filter為傳感器信號(hào)濾波器(主要為了剔除采樣噪聲);Saturation模塊實(shí)現(xiàn)上限為+10，下限為－10的飽和輸出;chg模塊實(shí)現(xiàn)如下映射:

式中，y為輸出，u為輸入，h＞0為死區(qū)值，實(shí)驗(yàn)中取h=0.0001。該映射的目的就是實(shí)現(xiàn)如下區(qū)間的轉(zhuǎn)換:(h，10］→［0，2.4］，［-h，h］→［2.4，2.6］，［-10，-h)→(2.6，5］，以方便控制算法的參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖2 基于RTWT的實(shí)時(shí)控制框圖

圖3 Controller模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，其中縱坐標(biāo)表示節(jié)氣門位置的反饋電壓信號(hào)及控制電壓信號(hào)，橫坐標(biāo)表示時(shí)間(單位秒)。從圖4(a)可以看出，期望輸入為單位階躍信號(hào)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線的調(diào)整時(shí)間小于100毫秒，經(jīng)過大量仿真實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間不大于200毫秒(這是由于本半實(shí)物仿真并未對節(jié)氣門體的復(fù)位彈簧進(jìn)行拆除，因此系統(tǒng)帶有較強(qiáng)的非線性，從而導(dǎo)致不同工作點(diǎn)的調(diào)整時(shí)間的差異性)，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.6%。圖4(b)則描述了驅(qū)動(dòng)器輸入的控制電壓信號(hào)。由此可見，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建是成功的，不僅可以滿足一般的本科教學(xué)，而且還可以滿足科研單位對高性能節(jié)氣門控制器研發(fā)的需要。

圖4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)及其電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入電壓

4 結(jié)語

基于Matlab/RTWT和PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡所建立的電子節(jié)氣門半實(shí)物仿真平臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，參數(shù)修改簡單，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以讓學(xué)生完全從硬件實(shí)現(xiàn)和嵌入式軟件編程中解放出來，在數(shù)分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制算法的設(shè)計(jì)并實(shí)時(shí)得到相應(yīng)控制效果。對于經(jīng)典控制論的本科生教學(xué)意義上，這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)至少可以實(shí)現(xiàn)三種實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì):系統(tǒng)建模，頻率特性測試和系統(tǒng)辨識(shí)和串聯(lián)校正。

［1］ 周云山，鐘勇，汽車電子控制技術(shù)［M］，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004

［2］ 李雅博，張俊智，盧青春，甘海云，發(fā)動(dòng)機(jī)電控節(jié)氣門控制器的研發(fā)［J］，北京:公路交通科技，2004，21(3):106-109

［3］ 王斌等，基于dSPACE的汽車電子節(jié)氣門半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)［J］，天津:小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36(4):1-4