汽油/CNG两用燃料发动机ECU在环仿真

Hardware-in-loop of alternative fuel engine ECU

作者：吴伟斌，李礼夫，洪添胜
职称：助理研究员，教授，教授
单位：华南理工大学，华南农业大学

应用领域：嵌入式设计（汽车）

挑战：ECU快速模型构建及硬件在环仿真的研究对国内自主品牌车及新能源汽车研究具有重大意义。

应用方案：将Simulink与LabVIEW结合，发挥前者算法易实现的优势和后者强大编程功能，大大缩短ECU开发周期；基于CRIO和PXI的ECU快速原型和在环仿真降低设计和试验成本。

使用的产品：

• LabVIEW 8.6
• LabVIEW RT，FPGA，仿真模块
• NI RIO模块
• SIT仿真接口工具包
• PXI-1042 PXI机箱                      
• PXI-8196 嵌入式控制器                       
• PXI-6713 高速模拟输出模块                    
• PXI-6259 M系列数据采集卡                        
• PXI-6602 数字定时模块                       
• PXI-6541 数字波形发生器                       
• CompactRIO-9103 CRIO机箱
• CompactRIO-9014 嵌入式控制器         
• CompactRIO-9215 模拟输入模块
• CompactRIO-9263 模拟输出模块

介绍

以某品牌两用燃料四缸汽油机电控系统为研究对象，用Simulink构建了以平均值模型为基础的发动机电控系统模型。

构建了基于PXI的发动机ECU快速原型和在环仿真系统。系统能输出温度等模拟信号、采集电压等模拟信号，输出或测量开关等数字信号，喷油脉宽、点火脉冲等PWM信号采集，以及曲轴、凸轮轴位置等定时脉冲信号的输出。设计了标定实验，联合万能表、示波器对系统进行误差对比分析, 进行了基于CompactRIO（简称CRIO）的ECU快速原型和真实ECU在环测试。

快速构建发动机ECU原型。实现基于Simulink的算法模型在CRIO上的运行，实现接收包括曲轴转速和以及节气门位置等信号，输出控制发动机的信号和传动系参数。测试结果包括发动机点火提前角和喷油MAP图，为真实ECU构建提供了参考。

图1  技术路线图

研究目的和意义

针对能源和环境压力问题以及越来越严格的汽车排放标准，发动机技术的发展主要有两条主线：一是改善发动机结构，提高发动机控制技术；二是寻找可替代清洁燃料。两用燃料发动机适合国情的环保节能方案之一。利用硬件在环（Hardware in Loop, HIL）仿真可以预先逐步检验控制系统设计的合理性和可靠性，从而大大提高控制系统的研制质量，减小研制风险和提高设计成功率，是开发研制发动机电控系统理想工具。因此，近年来硬件在环仿真技术在系统开发和测试实验中得到了广泛的应用，但是，目前的解决方案普遍面临成本高的不足，难以在极限条件下实时测试，另外，对汽车ABS或ESP的硬件在环ECU研究较多，对多输入多输出的发动机ECU硬件在环仿真的案例较少。

综合考虑性能、价格、开发时间、通用性、可扩展性的特点等，本文较终选定了NI公司

的PXI和CompactRIO方案完成平台构建，研制开发了一套基于PXI的CNG/汽油两用燃料发动机ECU在环仿真系统，进行了发动机ECU在环仿真试验。

技术路线

技术路线如图1所示，先根据各个子模型的控制策略，建立发动机ECU模型，获得初始的点火提前角MAP图，然后进行多目标优化模型和蚁群算法策略，得出新MAP图，并将其写入燃气ECU，进行验证。

利用两用燃料汽车在瞬态工况下进行的底盘测功排放实验数据，建立发动机扭矩、三种有害排放物与点火提前角（或空燃比）的单目标函数；建立多目标优化的综合目标函数；在Matlab环境下进行基于智能算法（多目标蚁群遗传算法）的优化；获得新的MAP图，并将其写入发动机ECU，进行验证。

发动机模型和软件仿真     

发动机平均值建模的概念较早由Rasmussen提出，经过Powell等人的发展，较后由Hendricks进行系统化的归纳和提炼给出了模型结构和通用表达形式。它采用数个发动机循环中变量的平均值来描述发动机的动态过程，均值模型也由此得名。现在较为常见和通用的均值模型由三个子系统模型构成，即进气歧管空气流量子模型、燃油蒸发与流动子模型和动力输出子模型。

以某品牌两用燃料四缸汽油机电控系统为研究对象，用Simulink构建了以平均值模型为基础的发动机电控系统模型，主要是发动机ECU综合仿真模型和发动机标定系统模型，包括了进气模块、燃油模块、曲轴模块，传感器模块以及空燃比控制、点火提前角控制模块、测功器模块（负载调节器模块）和排放模块等。其中，排放模块是根据广东某检测站在用汽车瞬态工况法底盘测功检测实验基础上，构建的空燃比、点火提前角与排放回归关系的模型。

系统原理

基于PXI的ECU快速原型系统结构如图2（a）所示， CompactRIO构成的ECU快速原型为被测模型，PXI则是测试系统。将ECU控制器模型^[11]下载到实时硬件平台——CompactRIO以后，CompactRIO就相当于一台虚拟ECU，通过I/O口连接至PXI系统。PXI系统可以仿真温度传感器、曲轴传感器、节气门开度等信号，并测量虚拟ECU输出的数据。

基于PXI的真实ECU在环仿真结构如图2（b）所示，真实ECU模型在通过快速原型环节验证之后，将该模型生成的代码下载到ECU，并对所产生的目标代码进行测试。由PXI系统数字采集卡输出高速可调脉冲作为ECU的曲轴脉冲和凸轮轴脉冲输入，ECU经过优化策略的计算输出点火脉宽信号和喷油脉宽信号给PXI系统。

系统硬件环境的构建

本实验系统连接图如图3（a）所示。例如，PXI系统为ECU快速原型中AI MOD1/TC0 提供热电偶温度（发动机水温、油温、环境温度等）和采集AO MOD3/AO0 转速信号。

ECU快速原型由CompactRIO系统构建并且使用NI RIO技术，可以利用FPGA芯片和LabVIEW来定制测量硬件电路，可利用可重新配置的FPGA技术来自动合成高度优化的电路，从而实现输入/输出，通信和控制应用。把发动机的ECU模型编译成动态链接库文件后再下载到CompactRIO的FPGA，CompactRIO则为一台虚拟ECU。

基于PXI的真实ECU在环仿真系统硬件

基于PXI的真实ECU的仿真实验硬件连接如图3（b）所示。由PXI 6602输出高速可调脉冲作为ECU的曲轴脉冲和凸轮轴脉冲输入，ECU经过优化策略的计算输出点火脉宽信号和喷油脉宽信号，由PXI 6259来采集，通过LabVIEW界面的显示控件把波形显示出来，以便判断该目标硬件是否达到要求。

系统软件环境的构建

基于