用于大功率柴油機控制器測試的硬件在環仿真技術

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.中國北方發動機研究所(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.北京經緯恒潤科技有限公司，北京 100191)

隨著大功率柴油機的應用越來越廣泛，與其密切相關的控制器功能日益復雜，而控制器性能直接會影響到大功率柴油機的整體性能。在現代的控制器設計開發過程中，國內外著名整車廠都采用符合國際汽車行業標準(ASAM/ASAP)的V模式開發流程。在此流程中，硬件在環仿真技術可以全面測試控制器功能，包括發動機臺架上很難測試的極限工況下運行功能和故障狀態下的診斷功能，同時極大地減少真實臺架和實車試驗次數，降低控制器開發費用，縮短控制器開發周期[1]。

1 硬件在環仿真系統原理與組成

控制器研發所采用的V模式開發流程見圖1。其中的硬件在環仿真系統[2]是把原來采用的通過臺架或者實車試驗來測試和驗證控制器算法和功能的工作轉移到試驗室中進行，測試真實柴油機控制器。使用柴油機仿真模型替代真實柴油機，通過上位機軟件把編譯完的仿真模型下載到實時仿真機中運行。仿真機通過IO板卡模擬控制器所需傳感器輸入信號，采集控制器控制執行器的輸出信號，與真實控制器一起構成閉環控制系統，模擬控制器在實車環境下運行。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，方便快捷發現和解決控制器開發過程中遇到的問題。硬件在環仿真系統組成如圖2所示，主要由實時仿真機、大功率柴油機模型、試驗管理軟件、真實被測控制器組成。

2 實時仿真機組成

2.1 實時仿真機硬件

實時仿真機硬件主要由實時組件和故障注入組件組成。

實時組件由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總線形式進行通信，數據傳輸速率高達1 Gbit/s以上，同時可以擴展各種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車環境中產生的電氣故障，其電氣原理圖見圖3。

圖3 故障注入控制原理

2.2 實時仿真機測試軟件

仿真系統采用dSPACE公司開發的自動測試軟件AutomationDesk，通過擴展測試庫來提供更加全面的自動測試功能，軟件的項目管理特性可以處理大量的自動化測試任務，能夠看到所有測試序列和數據體，以及執行完成后的測試報告和結果。在硬件在環測試過程中，AutomationDesk可以讀寫訪問實時仿真工程、診斷工具、標定工具和故障仿真工程。

2.3 大功率柴油機模型

為了實時仿真大功率柴油機動態變化規律，使用Matlab/Simulink工具，搭建以柴油機全工況穩態數據為基礎的柴油機平均值模型[3]。此模型主要由氣路系統、燃油系統、氣缸系統、排氣系統、冷卻系統以及IO系統組成。

2.3.1氣路系統模型

氣路系統由渦輪增壓器、中冷器、進氣歧管和進氣門組成。基于質量守恒和能量守恒定律計算進氣歧管內氣體質量和溫度，根據理想氣體狀態方程計算進氣歧管內氣體壓力。

根據質量守恒定律，進氣歧管內的質量流量計算如下：

(1)

根據能量守恒定律，進氣歧管內的溫度計算為

(2)

根據理想氣體狀態方程式可獲得進氣歧管內的壓力：

(3)

進氣門模型依據理想氣體狀態方程原理來計算平均進氣量速率，并使用氣缸容積效率對所得進氣流量進行修正，計算式如下：

。

(4)

式中：ηV為氣缸容積效率[4]；PIn,Man為進氣歧管壓力；TIn,Man為進氣歧管溫度；R為空氣氣體常數；VDisp為發動機氣缸容積；n為發動機轉速[12-16]。

2.3.2燃油系統模型

燃油系統模型由油箱、高壓油泵、壓力控制閥、高壓油軌和噴油器組成。燃油系統各功能模塊主要以穩態試驗數據建立模型。

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，從而影響到柴油機扭矩輸出效果。為了讓柴油機工作在良好工作區間內，需準確控制噴油器燃油噴入氣缸的時刻和燃油量。

2.3.3氣缸系統模型

氣缸系統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態試驗數據，計算公式如下：

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

。

(5)

式中：Tme為發動機平均有效扭矩；Tmi為發動機燃燒扭矩；Tmr為摩擦扭矩；ηλ為空燃比效率；ηinj為點火提前角效率。

為了模擬扭矩隨曲軸轉角的變化而動態變化的規律，采用了一個隨曲軸轉角變化的扭矩調制函數，將之與平均指示扭矩相乘。扭矩調制函數見圖4。

2.3.4排氣系統模型

排氣系統模型使用二階延遲環節模擬催化劑前氧傳感器和催化劑后氧傳感器信號動態變化特性，二階傳遞函數計算公式如下：

。

(6)

2.3.5冷卻系統模型

對于冷卻系統模型，假設摩擦功所產生的熱量完全消耗于冷卻系統，發動機指示功部分消耗于冷卻系統。手動設定發動機正常工作水溫，通過控制風扇和冷卻液調節水溫在設定的最高水溫附近波動；當發動機停機時，通過風冷功能逐漸降低發動機水溫。

2.3.6IO模型

IO模型集成了dSPACE封裝好的實時接口模塊(RTI)，其結構示意見圖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 模型參數化及自動化測試

3.1 模型參數化

完成模型整體架構和物理建模后，設置發動機結構參數，如發動機壓縮比、缸徑、活塞直徑、進氣歧管容積等。再針對配置難度較高的發動機動態特性參數，引入基于多元線性回歸方法的辨識方法，配合試驗完成模型參數標定。

針對軍用柴油機試驗數據有限的現狀，采用模型參數影響度分析技術，解決平均值模型數據需求量大、開發進度慢及臺架試驗數據獲取費用高等問題。引用如下計算公式對模型參數影響度結果進行量化：

。

(7)

式中：S表示影響度的量化指標；vmax表示影響因素改變時模塊輸出值的最大值；vmin表示影響因素改變時模塊計算結果的最小值；vmed為影響因素取初始值時模塊計算結果的大小；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 自動化測試實施

圖6 自動測試流程

大功率柴油機硬件在環仿真系統軟件和硬件集成、閉環功能調試完成后，即可進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，仿真機可以自動、重復且長時間運行測試工況，并生成測試報告和結果，極大縮短了控制器功能測試時間。

4 仿真結果與分析

4.1 怠速工況

在實時仿真機上通過修改水溫等傳感器信號，模擬柴油機從高寒到高溫工作環境，依次測試了控制器對柴油機起動的控制功能。測試數據記錄見表1。試驗數據表明：柴油機在不同環境溫度下起動時，控制器都能夠很好控制其正常起動，隨著環境溫度和水溫的升高，控制柴油機起動轉速降低，當溫度大于20 ℃后，柴油機起動轉速穩定在600 r/min。

表1 起動轉速數據

4.2 柴油機外特性

在實時仿真機上采用測功機模式，柴油機轉速從1 200 r/min變化到2 200 r/min，步長為200 r/min，油門踏板全開，測試柴油機的外特性扭矩。柴油機模型仿真扭矩與實際臺架測試扭矩對比見圖7。在仿真機上測試的扭矩試驗數據與臺架上測試數據的誤差在±10%之內，主要原因是發動機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。對比數據表明，硬件在環仿真系統仿真精度能夠滿足柴油機功能測試的需求。

圖7 柴油機仿真與試驗扭矩對比

4.3 自動測試

在實時仿真機上使用AutomationDesk執行控制器自動化測試功能。以測試柴油機斷油功能為例，搭建完測試序列后，仿真機在自動執行過程中，通過AutomationDesk軟件會顯示每個步驟運行的結果(見圖8)。如果測試序列中某個步驟不通過，則會在run state列顯示fail，便于測試人員直觀發現問題。當自動化測試完成后，可以查看發動機斷油功能測試數據圖(見圖9)。油門踏板在0～4.5 s之間一直在全開狀態，發動機轉速從怠速600 r/min迅速上升到最高轉速2 350 r/min，噴油器的預噴油量隨著轉速升高而減少，噴油量則先增加到最大值后再減小到一個穩定值；當油門踏板開度突然為0后，控制器根據油門踏板信號的突變信息，控制噴油器不工作，此時發動機進入斷油狀態，發動機轉速也開始下降，一直降到控制器內部設定的最低噴油轉速700 r/min，之后控制器重新控制噴油器開始噴油，以保證發動機能夠正常運行。測試結果表明，通過自動化測試可以方便分析、測試和驗證控制器的每個模塊功能。

圖8 自動化序列執行圖

圖9 發動機斷油功能測試數據記錄

4.4 問題與措施

4.4.1函數評價數據報錯

在模型參數化時，當導入標準試驗數據并進行do MAPPING后，對導入的數據進行繪圖和評價時，出現了Poiston Engine部件功能模型的Friction Torque數據報錯,使用的評價函數為dspar_Friction_fcn.Dl.m。

對數據進行重新梳理和分析，初步可以確定，模型參數化的評價函數內部計算的數學公式的數據取值范圍無法涵蓋該機型的試驗數據，計算步長偏大。

查看對應部件功能模型的評價函數，在Edit模式下打開函數文件，查看文件中的所有數學公式，對數學公式計算的數據變量名稱和取值范圍進行統計，然后與標準參數化模板中的實際數據進行對比分析，查看是哪個數據變量的取值范圍不同或計算步長偏大。

查看m文件中的數學公式，對計算的數據變量和取值范圍進行了對比，發現“T_Water_out=[min(T_Water):10:max(T_Water)]”公式中水溫計算的步長偏大，當將步距由“10”改為1時，函數評價數據報錯消失。

4.4.2柴油機輸出扭矩仿真與試驗數據偏差大

在發動機轉速和油門踏板一致的情況下，發動機輸出扭矩仿真數據與臺架試驗數據差異較大，最大偏差達到-30%。

調整油門踏板和發動機轉速，轉速從1 200 r/min到2 200 r/min，步長為200 r/min，記錄發動機轉速、油門踏板開度和噴油脈寬的仿真數據與臺架試驗數據。在發動機轉速和油門踏板一致的情況下，噴油脈寬誤差在±1%之內，HIL平臺各通道噴油脈寬采集數據誤差達到-20%，導致發動機模型采集到的噴射油量誤差達到-20%，輸出扭矩最大偏差達到-30%。

針對以上問題，檢查HIL平臺各噴油通道參數配置，調整噴射采集通道門限電壓，噴油脈寬誤差減小，但噴油脈寬數據采集不穩定，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，設計噴射信號采集補償模塊，輸入為噴射脈寬，0～1 100 μs(涵蓋最大噴射脈寬)，步長為100 μs，輸出補償脈寬，對采集到的噴油脈寬進行補償。調整后噴油脈寬采集數據與臺架試驗數據偏差在±1%之內，扭矩仿真數據與臺架測量數據的誤差在±10%之內。

5 結束語

設計了測試大功率柴油機控制器功能的硬件在環仿真系統，介紹了系統中包含的實時仿真組件、故障注入單元和自動測試軟件，詳細闡述了在Matlab/Simulink下開發的大功率柴油機仿真模型各個模塊的建模原理和方法，并進行了怠速工況測試、發動機外特性測試、故障仿真測試和自動化測試。仿真試驗結果表明：硬件在環仿真系統能夠方便測試大功率柴油機控制器的功能，特別是在極限工況下；基于Simulink環境開發的大功率柴油機平均值仿真模型，外特性仿真誤差在10%以內，滿足控制器功能測試的需求；使用硬件在環仿真系統中故障注入功能，可以有效模擬實際線束的電氣故障，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，自動執行測試序列并生成測試報告，極大減少了測試時間和發動機臺架測試費用，縮短了控制器開發周期。