基于ETAS的柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)半物理仿真平臺研究

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(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、氣缸、轉(zhuǎn)子動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB/Simulink軟件為平臺，建立了增壓柴油機(jī)的平均值模型以及柴油機(jī)的典型故障模型。在此基礎(chǔ)上，基于ETAS Labcar半物理仿真平臺，將柴油機(jī)模型與MTU956柴油機(jī)的ECU實(shí)物以及執(zhí)行器實(shí)物相連接，設(shè)計了柴油機(jī)電子調(diào)速器的半物理仿真驗(yàn)證平臺。對ECU的啟動、停機(jī)、加速、減速、增壓器切入切出以及典型的故障工況進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，仿真平臺的精度、實(shí)時性、可靠性均能滿足要求。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);硬件在環(huán);調(diào)速系統(tǒng);平均值建模;故障模型

中圖分類號：TK421? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)模型

本文以山西安特優(yōu)MTU956核安全級柴油機(jī)為建模對象，按照模塊化的建模思想，將柴油機(jī)模型劃分為輸入模塊、輸出模塊、控制系統(tǒng)模塊、燃油供給模塊、進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊以及故障模型模塊。系統(tǒng)的整體組成以及柴油機(jī)本體的結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

柴油機(jī)本體模型包括燃油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸、轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)。模型中還包括了輸入輸出模塊、調(diào)速模塊以及故障模型。[2]

1.1 燃油系統(tǒng)

1.4 控制系統(tǒng)

在沒有接入外部實(shí)際ECU時，電子調(diào)速器設(shè)計的是經(jīng)典的PID算法，根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制。其原理是轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過PID的算法處理轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行器的控制信號，并最終作用于燃油系統(tǒng)的齒條位移，實(shí)現(xiàn)噴油[4]。

通過在線整定的方法，對PID系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究表明，當(dāng)比例系數(shù)Kp=8，積分系數(shù)Ki=0.01，微分系數(shù)Kd=20時，能夠取得比較好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)效果，此時轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖3。

2 LabCar系統(tǒng)平臺

LabCar是由德國ETAS公司開發(fā)的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，能夠依據(jù)建立的柴油機(jī)Simulink模型，接收實(shí)際ECU發(fā)出的控制信號，并將模型輸出實(shí)時反饋給ECU。

LabCar硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。

柴油機(jī)模型與ECU的輸入輸出信號接口關(guān)系如圖5。

2.1 硬件平臺

LabCar硬件平臺主要有上位機(jī)、ETAS仿真設(shè)備、硬件板卡、待測ECU、執(zhí)行器等組成，如圖6所示。

上位機(jī)用于安裝MATLAB/Simulink以及LabCar軟件平臺，同時還可以控制和監(jiān)視仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài);ETAS仿真設(shè)備用于加載和運(yùn)行柴油機(jī)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(shè)計的內(nèi)燃機(jī)仿真板卡，擁有8個模擬量輸出，8個數(shù)字量輸出，4個模擬量輸入以及20個數(shù)字量輸入，同時能夠產(chǎn)生和輸出PWM信號和方波，能夠滿足本柴油機(jī)仿真項(xiàng)目的需求;待測的ECU為德國MTU 956柴油機(jī)控制器，擁有主備兩個選擇模式。

2.2 軟件平臺

ETAS仿真系統(tǒng)的軟件平臺為LabCar-OPERATOR以及MATLAB/Simulink平臺，LabCar-OPERATOR包括兩個獨(dú)立的用戶界面，分別是集成平臺LabCar-IP和實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺Experiment Environment（EE）。

LabCar-IP用于配置柴油機(jī)Simulink模型與外界的輸入輸出接口以及相關(guān)的輸入輸出信號之間的連接，柴油機(jī)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(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以提供多種形式的顯示形式，圖8是設(shè)計的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)檢測顯示界面，通過EE平臺，可以在線修改柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如模擬柴油機(jī)啟動、停車、加速、減速工況，修改目標(biāo)轉(zhuǎn)速、負(fù)載，實(shí)時監(jiān)測柴油機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)速、各增壓器轉(zhuǎn)速齒條位移，設(shè)置故障模型等，這給用戶帶來了很大的便利。

3 硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 起動工況仿真實(shí)驗(yàn)

在起動工況下，柴油機(jī)首先由起動電機(jī)給與啟動力矩，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速帶至65r/min，然后才開始噴油，此時，轉(zhuǎn)速控制為開環(huán)控制，齒條位移為15mm，轉(zhuǎn)速迅速上升，在轉(zhuǎn)速達(dá)到怠速600r/min時，轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制，此時ECU動作，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使其保持在600轉(zhuǎn)數(shù)不變。在起動工況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和齒條位移響應(yīng)曲線如圖9，圖10。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該ETAS硬件在環(huán)仿真平臺能夠滿足柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)起動性能的需求，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，穩(wěn)定性好。

3.2 加減載仿真試驗(yàn)

在額定轉(zhuǎn)速1500r/min，空載工況下，增加3000Nm的負(fù)載，待轉(zhuǎn)速和齒條位移穩(wěn)定后，再將負(fù)載降至0，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和齒條位移響應(yīng)曲線如圖11，圖12。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)負(fù)載突變時，齒條位移能在2.5s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在負(fù)載變化后有小幅波動，但能夠迅速恢復(fù)原轉(zhuǎn)速狀態(tài)并保持穩(wěn)定，表明該仿真平臺的調(diào)速性能良好。

3.3 渦輪增壓器切入切出

在額定轉(zhuǎn)數(shù)1500r/min時的增壓器切入曲線如圖13。

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

4 故障模型

在建立完畢的柴油機(jī)基礎(chǔ)上，考慮到柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中，可能出現(xiàn)的一些典型故障，建立了柴油機(jī)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(shè)置修正系數(shù)，使得在起動電機(jī)的初始扭矩為0，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速無法上升，起動失敗。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)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(diào)整起動扭矩修正系數(shù)來模擬柴油機(jī)起動過慢現(xiàn)象。

故障觸發(fā)后，起動扭矩低于正常起動的最低扭矩值，柴油機(jī)未能在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到開始噴油轉(zhuǎn)速65r/min，觸發(fā)ECS報警。轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖15所示。

4.3 超速

柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時，受到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等各方面的影響，主機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速存在上限，當(dāng)達(dá)到該限制時，柴油機(jī)應(yīng)緊急停車，以避免對設(shè)備和技術(shù)人員造成傷害。在本模型中，設(shè)置了超速故障模擬模塊。故障觸發(fā)后，柴油機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升至3000r/min之上，超過ECS設(shè)置的轉(zhuǎn)速上限，相關(guān)警報被觸發(fā)。

5 結(jié)束語

在建立的ETAS硬件在環(huán)半物理仿真平臺上，驗(yàn)證了柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本功能，包括起動、加減載和增壓器切入切出。相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果表明：

（1）建立的柴油機(jī)模型兼顧了仿真系統(tǒng)實(shí)時性與精度，能夠比較準(zhǔn)確的反應(yīng)柴油機(jī)的工作性能，可以用于ECU硬件在環(huán)仿真平臺的研究。

（2）通過對柴油機(jī)調(diào)速功能的驗(yàn)證，表明該仿真平臺功能完善，精度較高，可以用于柴油機(jī)ECU的測試與研發(fā)，能有效降低開發(fā)成本，提高效率與經(jīng)濟(jì)性。

（3）建立的柴油機(jī)典型故障模型，能夠較為準(zhǔn)確的反應(yīng)柴油機(jī)在故障工況下的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)一步完善了仿真平臺的功能與性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]Schuette H， Ploeger M. Hardware-in-the-loop testing of engine control units-A technical survey[J]. Sae Technical Papers， 2007.

[2]余宏峰，陳輝.基于Matlab/Simulink的車用增壓柴油機(jī)建模與仿真[J].內(nèi)燃機(jī)，2006（2）：47-49.