电控柴油机控制模拟平台的研究

论文摘要

本文对国外先进的柴油机电控系统开发平台进行了分析,针对国际上流行的并行工程开发模式及集控制器快速建模仿真（RCP Rapid ControllerPrototyping）、软件在环仿真（SILS Software In-Loop Simulation）和硬件在回路仿真（HILS Hardware In-Loop Simulation）于一体的仿真开发平台的优点,建立了一套经济实用的电控系统开发平台,并应用于柴油机电控系统的开发。通过建立一个规范的柴油机电控系统开发平台,遵循一条有效的开发流程,使各个开发阶段之间有效地衔接,提高开发效率和开发水平,节省时间降低成本;并能够通过调整模拟平台的各个功能算法中的控制参数,使系统的性能达到最佳,从而在最大程度上加快电控柴油机ECU软件开发的进程,是本文研究的主要目标。主要进行的工作如下:1.建立了柴油机电控系统开发仿真用零维模型。通过构造以曲轴转角为时基的信号源模块和微分函数求解模块,成功的实现了在MATLAB/Simulink平台下对非连续的曲轴转角量积分的计算,并据此建立了能够比较精确模拟柴油机工作过程的零维模型,用于柴油机电控系统的开发仿真。利用所建立的零维模型对电控高压共轨柴油机进行仿真,从仿真结果与实验数据的对比中看出,该模型能满足预期的电控系统开发仿真的要求。2.在MATLAB/Simulink平台下建立了柴油机平均值模型及车辆纵向运动学模型。对比平均值模型及BOOST模型对实测工况的仿真结果,表明该平均值模型具有较好的仿真精度;此外该平均值模型相对于零维模型具有较高的运算速度,具有最佳的速度与精度折衷,满足柴油机电控系统动态仿真的要求。3.利用MATLAB/Simulink、stateflow建立了柴油机控制器模型。该控制器模型能够实现ECU的大部分控制功能。ECU控制器模型中包含OBD在线故障诊断模块,实现了部分故障诊断功能。通过联合柴油机零维模型与控制器模型进行了软件在环仿真,可以用于控制策略的开发。利用代码生成技术将成熟的控制策略,生成可执行程序,并将所生成的代码嵌入到手工代码中,在Keil C平台下实现了程序的编译和下载。4.根据柴油机电控ECU的特点及要求,选用了合适的传感器及驱动芯片,设计了基于Infineon XC2786X微控制器的柴油机电控ECU,以用于电控柴油机的开发。5.搭建了无ECU时的硬件在环仿真平台,并进行了柴油机急加速工况下的柴油机转速变化的模拟。利用该模型可以有效的对控制器控制策略进行开发与验证。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 电控系统传统开发模式的局限性
• 1.1.2 基于模型的V字形开发模式
• 1.1.3 V模式开发中的常用方法
• 1.2 国外电控系统仿真用模型研究现状
• 1.2.1 基于 MATLAB/Simulink建立仿真模型
• 1.2.2 基于内燃机工作过程模拟分析软件建立模型
• 1.3 国外常用的电控系统仿真开发平台简介
• 1.3.1 dSPACE实时仿真系统
• 1.3.2 LabVIEW FPGA硬件在环仿真平台
• 1.4 课题主要内容
• 第二章 控制仿真用柴油机零维模型
• 2.1 柴油机工作过程仿真模型
• 2.1.1 模型的假定条件
• 2.1.2 模型的基本微分方程
• 2.2 柴油机缸内热力过程分析
• 2.2.1 纯进气过程
• 2.2.2 压缩过程
• 2.2.3 燃烧过程
• 2.2.4 膨胀过程
• 2.2.5 纯排气过程
• 2.2.6 气门叠开过程
• 2.3 边界条件的确定
• 2.3.1 气体的瞬时过量空气系数
• 2.3.2 工质的比热容的计算
• 2.3.3 工质气体热力常数的计算
• 2.3.4 流入流出气缸的质量流量计算
• 2.3.5 气缸工作容积的计算
• 2.3.6 工质内能的计算
• 2.3.7 燃料放热量的计算
• 2.3.8 散热量计算
• 2.4 仿真模型采用的算法
• 2.4.1 仿真模型的求解过程
• 2.4.2 微分方程的求解方法
• 2.5 柴油机Simulink模型的建立
• 2.5.1 仿真算法的实现
• 2.5.2 工作过程模型的建立
• 2.5.3 仿真模型验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 动态仿真用平均值模型的开发
• 3.1 动态仿真用柴油机平均值模型
• 3.1.1 柴油机输出功率的计算
• 3.1.2 柴油机有效输出转矩的计算
• 3.1.3 柴油机平均指示压力的计算
• 3.1.4 指示热效率拟和公式
• 3.1.5 柴油机平均有效压力的计算
• 3.1.6 摩擦损失的计算
• 3.1.7 柴油机循环进气量的计算
• 3.1.8 充气效率的计算公式
• 3.1.9 柴油机过量空气系数的计算
• 3.1.10 柴油机排气温度的计算
• 3.1.11 中冷器出口温度的计算
• 3.1.12 压气机模型
• 3.1.13 涡轮模型
• 3.1.14 增压器转子模型
• 3.2 动态仿真用车辆纵向运动学模型
• 3.2.1 滚动阻力的计算
• 3.2.2 空气阻力
• 3.2.3 坡度阻力的计算
• 3.2.4 加速阻力
• 3.2.5 车辆传动系到驱动轮的输出转矩
• 3.2.6 车辆行驶平衡方程
• 3.3 基于 MATLAB/Simulink动态仿真用模型设计
• 3.3.1 基于 MATLAB/Simulink的柴油机平均值模型
• 3.3.2 基于 MATLAB/Simulink的车辆纵向运动学模型
• 3.4 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 ECU控制器模型的建立及软件在环仿真
• 4.1 控制器快速建模仿真技术
• 4.2 控制器模型开发相关介绍
• 4.2.1 stateflow工具箱
• 4.2.2 lookup table模块
• 4.2.3 switch case模块
• 4.3 基于 MATLAB/Simulink、stateflow的控制器模型的设计方案
• 4.3.1 柴油机工作状态判断
• 4.3.2 车载诊断系统（OBD）在 ECU模型中的实现
• 4.3.3 控制器动作执行
• 4.4 控制器模型的建立及柴油机模型的软件在环仿真
• 4.4.1 柴油机零维模型算法的改进
• 4.4.2 软件在环仿真模型方案设计
• 4.5 仿真结果及数据分析
• 4.6 可执行代码、程序的自动生成
• 4.7 本章小结
• 第五章 电控系统开发平台 ECU硬件开发
• 5.1 电控柴油机 ECU微控制器芯片选择
• 5.2 传感器选择
• 5.2.1 曲轴、凸轮轴位置传感器
• 5.2.2 车速传感器
• 5.2.3 温度传感器
• 5.2.4 进气歧管压力传感器（MAP）和大气压力传感器（BAP）
• 5.2.5 共轨压力传感器
• 5.2.6 位置传感器
• 5.2.7 开关量信号
• 5.2.8 传感器输入信号的处理
• 5.3 驱动模块设计
• 5.3.1 电动燃油泵驱动
• 5.3.2 直流电机/步进电机驱动
• 5.3.3 冷却水风扇
• 5.4 ECU通信接口设计
• 5.4.1 CAN接口电路
• 5.4.2 UART接口电路
• 5.4.3 LIN接口电路
• 5.4.4 OCDS仿真调试接口
• 5.5 抗干扰设计
• 5.6 电控柴油机 ECU设计方案
• 5.7 本章小结
• 第六章 硬件在环仿真
• 6.1 硬件在环仿真系统设计方案
• 6.1.1 硬件在环仿真系统原设计方案
• 6.1.2 无ECU时的硬件在环仿真系统设计方案
• 6.2 无 ECU时的硬件在环仿真系统设计方案的实现
• 6.2.1 信号发生器板设计
• 6.2.2 替代 ECU的选择
• 6.2.3 仿真模型的选择
• 6.3 硬件在环仿真结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表