基于Dymola/Modelica的商用車發動機模型開發

韓偉

摘 要：介紹發動機模型劃分和建模原則，采用簡易AMT自動變速器模型對發動機模型進行仿真試驗.試驗結果符合實際情況，可應用于自動變速器控制系統開發軟件在環、模型在環和硬件在環試驗.

關鍵詞：Dymola/Modelica；發動機模型；仿真測試

[中圖分類號]TP311 [文獻標志碼]A

文章編號：1003-6180（2018）02-0039-03

Abstract：The principle and method of engine model development and division are introduced. The simple AMT automatic transmission model is used to test the engine model. The test results show that， this engine model is close to actual engine， and can be widely used in Model-in-the-loop，Software-in-the-loop and Hardware-in-the-loop simulation test for automatic transmission control system development.

Key words：Dymola/Modelica；engine model；simulation test

隨著人們對商用車駕駛舒適性、整車安全性以及節能性要求的不斷提高，車輛控制系統已經變的越來越復雜，它包含發動機控制單元、變速器控制單元、整車控制單元、儀表控制單元、制動控制單元、ADAS輔助駕駛控制單元和電機控制單元等，每個控制單元的功能以及控制單元之間的協調配合也日趨復雜.整車開發過程中，每個控制單元均由不同的零部件供應商開發，供應商為了保證控制單元的功能可靠性，縮短后續整車控制系統集成和調試時間，需要按照主機廠提供的整車要求搭建相應的整車仿真平臺對控制單元進行模型在環MIL、軟件在環SIL和硬件在環HIL仿真測試.自動變速器供應商也有必要開發一個包括發動機模型在內的整車仿真平臺對自動變速器控制單元進行模型在環MIL、軟件在環SIL和硬件在環HIL仿真測試.本文介紹利用Dymola/Modelica開發的通用商用車發動機模型，在Matlab/Simulink中使用簡易AMT自動變速器模型對其進行測試驗證.

1 發動機模型開發

模塊劃分 發動機模型主要包含發動機輸入＼輸出接口模塊、發動機機械模塊、發動機基本控制模塊、發動機轉速控制模塊、發動機扭矩控制模塊和發動機轉速＼扭矩限制模塊.

發動機輸入＼輸出接口模塊 發動機輸入接口模塊在Simulink環境下開發，主要負責接收和解析來自外界的車輛點火請求、油門踏板信號和來自其他控制單元的發動機控制請求TSC1報文，解析后的信號以實際物理值發送給發動機模型.發動機輸出接口模塊也在Simulink環境下開發，主要負責向其他控制單元輸出反映發動機固有特性和工作狀態的EC1，ETC1，ETC2和ETC3等報文，其中，反映發動機固有特性的EC1報文通過在Simulink直接賦值輸出，反映工作狀態的轉速、扭矩和工作模式等信息則來自發動機模型.

發動機機械模塊及基本控制模塊 發動機機械模塊和基本控制模塊是發動機模型的基礎，在DYMOLA環境下開發實現.其中，發動機機械模塊主要負責實現發動機的機械響應特性，由發動機外特性組件、渦輪增壓發動機特性組件和發動機響應延遲特性組件組成.發動機基本控制模塊主要負責實現發動機的基本控制，包括怠速/超速限制控制和基于駕駛員油門的發動機噴油量控制，其中，怠速/超速限制控制通過PI控制實現，偏差量為設定轉速和實際轉速的差值，輸出控制信號為噴油量.發動機基本控制模塊如圖1所示.

發動機轉速控制 發動機轉速控制是發動機的重要控制模塊，當發動機收到TSC1的轉速請求后，發動機需要通過合適的控制方式將發動機從當前轉速調節到請求轉速，多用于傳動系統不同速差的轉速同步.本文通過PI控制實現，偏差量為設定轉速和實際轉速的差值，輸出控制信號為噴油量.

發動機扭矩控制 發動機扭矩控制也是發動機的重要控制模塊，當發動機收到TSC1的扭矩請求后，發動機需要通過合適的控制方式將發動機輸出扭矩從當前扭矩調節到扭矩請求值，多用于傳動系統分離及接合過程，控制原理為：

Q噴油量=K參考系數T請求扭矩-T摩擦扭矩T驅動扭矩-T摩擦扭矩.

發動機扭矩/轉速限制控制模塊 發動機扭矩/轉速限制控制主要用于車輛的平穩起步，當發動機收到TSC1的扭矩和轉速限制請求后，發動機需要通過合適的控制方式同時將發動機輸出扭矩和轉速控制在請求范圍之內.扭矩限制控制的實現原理為：

Q噴油量=Limitmax=T請求扭矩（K參考系數P油門開度T驅動扭矩+T經驗值）-T摩擦扭矩T驅動扭矩-T摩擦扭矩.

發動機轉速限制控制原理與發動機轉速控制類似，主要區別為，轉速限制控制只需要將發動機轉速穩定在請求范圍之內即可，通過PI調節實現，當轉速在請求范圍之內則不進行基于轉速的調節，轉速超出范圍則輸出一個基于轉速PI調節控制的噴油量，并通過該噴油量對扭矩限制調節的噴油量進行限制.

2 應用與測試

本文所研究開發的發動機模型是中國重汽集團大同齒輪有限公司主持開發的科技部國家國際合作專項項目“機械式自動變速器（AMT）的聯合開發”中整車物理模型開發的一部分，項目已使用簡易AMT自動變速器模型，通過DSPACE公司的仿真測試軟件Targetlink對本論文開發的發動機模型進行了模型在環MIL和軟件在環SIL仿真測試，仿真測試模型如圖2所示.

測試結果表明，該發動機模型能夠比較真實地模擬發動機怠速控制、發動機外特性、TSC1扭矩控制響應特性、TSC1轉速控制響應、TSC1轉速/扭矩限制控制響應特性以及相關機械特性，可廣泛應用于自動變速器等其他控制系統開發的模型在環MIL、軟件在環SIL和硬件在環HIL試驗.圖3為發動機扭矩及扭矩限制響應特性圖，圖4為發動機轉速及轉速限制響應特性圖.

3 結論

隨著人們對商用車駕駛舒適性、整車安全性以及節能性要求的不斷提高，車輛控制系統已經變的越來越復雜，它包含發動機控制單元、變速器控制單元、整車控制單元、儀表控制單元、制動控制單元、ADAS輔助駕駛控制單元和電機控制單元等，每個控制單元的功能以及控制單元之間的協調配合也日趨復雜.本文研究利用Dymola/Modelica開發的通用商用車發動機模型，采用簡易AMT自動變速器模型對發動機模型進行仿真試驗.試驗結果符合實際情況，可應用于自動變速器控制系統開發軟件在環、模型在環和硬件在環試驗.

參考文獻

[1] Tiller M M. Introduction to Physical Modeling with Modelica[M].Holland：Kluwer Academic Publishers， 2001：33-42.

[2] 奚旺，劉永文，杜朝輝，等. 基于Modelica語言的燃氣渦輪建模及應用[J].動力工程，2004，20（1）：41-44.

編輯：琳莉