柴油機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計 開題

1、 碩士研究生開題答辯 柴油機(jī)柴油機(jī)ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計答辯人：吳楊春答辯人：吳楊春導(dǎo)導(dǎo) 師：羅素云師：羅素云 2015. 11 . 20內(nèi)容提要內(nèi)容提要一、背景和意義一、背景和意義二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、研究內(nèi)容三、研究內(nèi)容四、研究方案四、研究方案六、工作計劃六、工作計劃五、研究重點、難點及解決方案五、研究重點、難點及解決方案背景和意義隨著柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)日益復(fù)雜以及控制參數(shù)增多，隨著柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)日益復(fù)雜以及控制參數(shù)增多，導(dǎo)致系統(tǒng)研制開發(fā)的難度也越來越大。如果按照電控系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)研制開發(fā)的難度也越來越大。如果按照電控系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計方案：

2、即首先設(shè)計電控單元，然后通過柴油機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計方案：即首先設(shè)計電控單元，然后通過柴油機(jī)臺架試驗進(jìn)行匹配測試，由測試結(jié)果修正電控系統(tǒng)參數(shù)及臺架試驗進(jìn)行匹配測試，由測試結(jié)果修正電控系統(tǒng)參數(shù)及相應(yīng)樣機(jī)結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行臺架試驗。這一系列的過程反相應(yīng)樣機(jī)結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行臺架試驗。這一系列的過程反復(fù)進(jìn)行，不僅開發(fā)周期長，耗費了大量的人力物力，而且復(fù)進(jìn)行，不僅開發(fā)周期長，耗費了大量的人力物力，而且電控系統(tǒng)設(shè)計時需大量的柴油機(jī)實驗數(shù)據(jù)，而一般的試驗電控系統(tǒng)設(shè)計時需大量的柴油機(jī)實驗數(shù)據(jù)，而一般的試驗臺架系統(tǒng)很難提供標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)工況，實際上由于條件限制，臺架系統(tǒng)很難提供標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)工況，實際上由于條件限制，進(jìn)行大量動態(tài)

3、試驗也是不可能的。進(jìn)行大量動態(tài)試驗也是不可能的。由此可以看出，要克服以上不足，加速由此可以看出，要克服以上不足，加速ECUECU的開發(fā)進(jìn)程，的開發(fā)進(jìn)程，關(guān)鍵就是要減少關(guān)鍵就是要減少ECUECU調(diào)試對臺架試驗的依賴性。在這一趨調(diào)試對臺架試驗的依賴性。在這一趨勢推動下，利用仿真技術(shù)，特別是硬件在環(huán)仿真技術(shù)來虛勢推動下，利用仿真技術(shù)，特別是硬件在環(huán)仿真技術(shù)來虛擬化柴油機(jī)等硬件設(shè)備，將臺架試驗簡化為在柴油機(jī)模擬擬化柴油機(jī)等硬件設(shè)備，將臺架試驗簡化為在柴油機(jī)模擬試驗平臺上進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗，可以方便快捷的完成試驗平臺上進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗，可以方便快捷的完成柴油機(jī)柴油機(jī)ECUECU的開發(fā)。的開發(fā)。國內(nèi)

4、外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1 1）美國）美國NINI公司的公司的Compact RIOCompact RIO平臺和平臺和PXIPXI實時系統(tǒng)平實時系統(tǒng)平臺：臺：Compact RIOCompact RIO平臺主要使用于面向控制算法相對簡單、平臺主要使用于面向控制算法相對簡單、I/OI/O數(shù)目相對較少的車身用電子控制單元數(shù)目相對較少的車身用電子控制單元ECUECU的快速原型的快速原型開發(fā)和硬件在環(huán)測試；開發(fā)和硬件在環(huán)測試；PXIPXI實時系統(tǒng)平臺主要用于較為復(fù)實時系統(tǒng)平臺主要用于較為復(fù)雜的主動懸架系統(tǒng)和動力總成系統(tǒng)的電子控制單元雜的主動懸架系統(tǒng)和動力總成系統(tǒng)的電子控制單元ECUECU的的快速原型

5、開發(fā)和硬件在環(huán)測試?？焖僭烷_發(fā)和硬件在環(huán)測試。（2 2）德國）德國dSPACEdSPACE公司開發(fā)的公司開發(fā)的dSPACEdSPACE實時控制仿真平實時控制仿真平臺，其可以在臺，其可以在MatlabMatlab/ /SimulinkSimulink中建立各種被控對象的模型，中建立各種被控對象的模型，如：發(fā)動機(jī)模型、變速箱模型、整車模型等。然后通過如：發(fā)動機(jī)模型、變速箱模型、整車模型等。然后通過MatlabMatlab工具箱中的自動代碼生成工具工具箱中的自動代碼生成工具(RTW(RTW：Real-Time Real-Time Workshop)Workshop)將建立的被控對象模型轉(zhuǎn)化為實時的

6、代碼，并將建立的被控對象模型轉(zhuǎn)化為實時的代碼，并將代碼下載到將代碼下載到dSPACEdSPACE實時仿真平臺設(shè)備中的硬件板卡后，實時仿真平臺設(shè)備中的硬件板卡后，即可以完成硬件在環(huán)仿真測試環(huán)境的搭建。即可以完成硬件在環(huán)仿真測試環(huán)境的搭建。（3 3）清華大學(xué)的陳林等應(yīng)用）清華大學(xué)的陳林等應(yīng)用MatlabMatlab的的X XPC-targetPC-target工具箱工具箱配合研華的配合研華的PCI1711PCI1711數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了一個共軌柴油機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了一個共軌柴油機(jī)的ECUECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真框圖如下圖所示。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真框圖如下圖所示。圖中的宿主機(jī)為搭載柴油

7、機(jī)仿真模型的普通的圖中的宿主機(jī)為搭載柴油機(jī)仿真模型的普通的PCPC機(jī)；機(jī)；采用采用MPC563MPC563作為信號發(fā)生器和外部轉(zhuǎn)角計算器。作為信號發(fā)生器和外部轉(zhuǎn)角計算器。（2 2）下圖為清華大學(xué)開發(fā)的柴油機(jī)電控）下圖為清華大學(xué)開發(fā)的柴油機(jī)電控ECUECU硬件在環(huán)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在上位機(jī)上建立實時仿真模型來計算柴油機(jī)該系統(tǒng)通過在上位機(jī)上建立實時仿真模型來計算柴油機(jī)的工作狀態(tài)，其中的工作狀態(tài)，其中DSPDSP的數(shù)據(jù)采集模塊是基于的數(shù)據(jù)采集模塊是基于ISAISA總線的總線的高速處理系統(tǒng)。該硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)通過采集油門位置和高速處理系統(tǒng)。該硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)通過采集油門位置和噴油、

8、點火信號仿真模擬計算出柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)。噴油、點火信號仿真模擬計算出柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)。研究內(nèi)容研究內(nèi)容本選題在總結(jié)國內(nèi)外柴油機(jī)本選題在總結(jié)國內(nèi)外柴油機(jī)ECUECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的基硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運用計算機(jī)技術(shù)以及自動控制技術(shù)完成仿真系統(tǒng)的礎(chǔ)上，運用計算機(jī)技術(shù)以及自動控制技術(shù)完成仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計。軟件設(shè)計。 主要研究內(nèi)容有：主要研究內(nèi)容有： 1.通過對比分析選擇硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)工具與實驗平臺，通過對比分析選擇硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)工具與實驗平臺， 確定系統(tǒng)總體方案。確定系統(tǒng)總體方案。 2.柴油機(jī)仿真模型設(shè)計。柴油機(jī)仿真模型設(shè)計。 3.采用圖形化編程工具采用圖形化編程工具 M

9、atlab/Simulink 實現(xiàn)柴油發(fā)動實現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)的建模仿真。機(jī)的建模仿真。 4.上位機(jī)操作顯示界面以及測控系統(tǒng)設(shè)計。上位機(jī)操作顯示界面以及測控系統(tǒng)設(shè)計。5.仿真系統(tǒng)結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，采用仿真系統(tǒng)結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，采用 LabVIEW 軟件開發(fā)上軟件開發(fā)上位機(jī)界面以及測控系統(tǒng)。位機(jī)界面以及測控系統(tǒng)。6.通過通過Matlab/Simulink 與與 LabVIEW 的混合編程方法研究，的混合編程方法研究，實現(xiàn)實現(xiàn)LabVIEW 軟件可調(diào)用軟件可調(diào)用Simulink編寫的柴油機(jī)模型程編寫的柴油機(jī)模型程序。序。7.系統(tǒng)調(diào)試并進(jìn)行實驗分析。系統(tǒng)調(diào)試并進(jìn)行實驗分析。研究方案研究方案柴油機(jī)柴油機(jī)EC

10、U硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件程序采用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)軟件程序采用Simulink和和Labview混合編程的方式混合編程的方式來開發(fā)。軟件架構(gòu)如下圖所示。來開發(fā)。軟件架構(gòu)如下圖所示。采用采用Simulink仿真軟件建立柴油機(jī)模型仿真軟件建立柴油機(jī)模型,利用利用Matlab實時工具實時工具(RTW)編譯器編譯器由框圖由框圖文件生成優(yōu)化文件生成優(yōu)化的的C語言代碼程序文件。整個仿真系統(tǒng)采用虛擬儀語言代碼程序文件。整個仿真系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)器技術(shù),通過通過LabVIEW開發(fā)上位機(jī)界面并提供數(shù)據(jù)開發(fā)上位機(jī)界面并提供數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動采集卡驅(qū)動,利用利用VisualC/C+編譯器將柴油機(jī)仿真編譯器將柴油機(jī)仿真模型

11、模型C代碼文件轉(zhuǎn)為代碼文件轉(zhuǎn)為DLL文件文件,再將再將DLL文件下載到文件下載到虛擬儀器虛擬儀器中供中供LabVIEW調(diào)用調(diào)用。系統(tǒng)軟件的主程序在系統(tǒng)軟件的主程序在Labview 環(huán)境下采用環(huán)境下采用G語言語言編寫。具體分為編寫。具體分為4個模塊：發(fā)動機(jī)仿真模型模塊；用個模塊：發(fā)動機(jī)仿真模型模塊；用戶界面模塊；數(shù)據(jù)采集卡模塊；戶界面模塊；數(shù)據(jù)采集卡模塊；CAN通信模塊。通信模塊。（1 1）建立硬件在環(huán)仿真的發(fā)動機(jī)動態(tài)模型的關(guān)鍵在于兩個方）建立硬件在環(huán)仿真的發(fā)動機(jī)動態(tài)模型的關(guān)鍵在于兩個方面：一是要能準(zhǔn)確的預(yù)測發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能，滿足精確面：一是要能準(zhǔn)確的預(yù)測發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能，滿足精確性

12、要求；另一方面就是要滿足實時性的要求。但是在很多情況性要求；另一方面就是要滿足實時性的要求。但是在很多情況下仿真的精度和實時性又是一對矛盾。下仿真的精度和實時性又是一對矛盾。（2 2）發(fā)動機(jī)模型龐大而復(fù)雜，需要找到合適的平臺在合理的）發(fā)動機(jī)模型龐大而復(fù)雜，需要找到合適的平臺在合理的時間段內(nèi)構(gòu)建出模型并能與監(jiān)控系統(tǒng)相兼容。時間段內(nèi)構(gòu)建出模型并能與監(jiān)控系統(tǒng)相兼容。（3 3）硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及編程實現(xiàn)。）硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及編程實現(xiàn)。研究重點、難點研究重點、難點（1 1）針對發(fā)動機(jī)模型需滿足精確性與實時性的問題，解決方法一般是在）針對發(fā)動機(jī)模型需滿足精確性與實時性的

13、問題，解決方法一般是在保證一定精度的前提下簡化模型，盡量達(dá)到二者的平衡。綜合考慮采用平均保證一定精度的前提下簡化模型，盡量達(dá)到二者的平衡。綜合考慮采用平均值模型對柴油機(jī)進(jìn)行仿真。平均值模型計算量合理、仿真速度快值模型對柴油機(jī)進(jìn)行仿真。平均值模型計算量合理、仿真速度快, ,可以滿足系可以滿足系統(tǒng)實時性要求；在柴油機(jī)各組成部分的仿真中能結(jié)合特定柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)實時性要求；在柴油機(jī)各組成部分的仿真中能結(jié)合特定柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性參數(shù)和特性參數(shù), ,保證了模型的精確性達(dá)到目標(biāo)要求。保證了模型的精確性達(dá)到目標(biāo)要求。（2 2）SimulinkSimulink提供了一個動態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境

14、。在該環(huán)提供了一個動態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序而只要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的境中，無需大量書寫程序而只要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。用系統(tǒng)。用 SimulinkSimulink 對柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模具有直觀快速的特點，能在一定程對柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模具有直觀快速的特點，能在一定程度上滿足硬件在環(huán)仿真對實時性的要求。度上滿足硬件在環(huán)仿真對實時性的要求。（3 3）通過）通過LabVIEWLabVIEW強(qiáng)有力的圖形化編程環(huán)境，可以創(chuàng)建一個友好的人機(jī)強(qiáng)有力的圖形化編程環(huán)境，可以創(chuàng)建一個友好的人機(jī)交互界面。不僅能顯示仿真的狀態(tài)和結(jié)果，而且能調(diào)用發(fā)動機(jī)模型程序、進(jìn)交互界面。不僅能顯示仿真的狀態(tài)和結(jié)果，而且能調(diào)用發(fā)動機(jī)模型程序、進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理。行實時數(shù)據(jù)處理。解決方案解決方案工作計劃工作計劃1. 2016.1-2016.41. 2016.1-2016.4根據(jù)柴油機(jī)根據(jù)柴油機(jī)ECUECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的功能要硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的功能要求，對仿真系統(tǒng)的總體方案求，對仿真系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行設(shè)計進(jìn)行設(shè)計。2. 2016.4-2016.92. 2016.4-2016.9根據(jù)柴油機(jī)根據(jù)柴油機(jī)ECUECU硬件在環(huán)仿真