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1、 硕士研究生开题答辩 柴油机柴油机ECU硬件在环仿真系统硬件在环仿真系统软件设计软件设计答辩人：吴杨春答辩人：吴杨春导导 师：罗素云师：罗素云 2015. 11 . 20内容提要内容提要一、背景和意义一、背景和意义二、国内外研究现状二、国内外研究现状三、研究内容三、研究内容四、研究方案四、研究方案六、工作计划六、工作计划五、研究重点、难点及解决方案五、研究重点、难点及解决方案背景和意义随着柴油机电子控制系统日益复杂以及控制参数增多，随着柴油机电子控制系统日益复杂以及控制参数增多，导致系统研制开发的难度也越来越大。如果按照电控系统导致系统研制开发的难度也越来越大。如果按照电控系统传统的设计方案：
2、即首先设计电控单元，然后通过柴油机传统的设计方案：即首先设计电控单元，然后通过柴油机台架试验进行匹配测试，由测试结果修正电控系统参数及台架试验进行匹配测试，由测试结果修正电控系统参数及相应样机结构，然后再进行台架试验。这一系列的过程反相应样机结构，然后再进行台架试验。这一系列的过程反复进行，不仅开发周期长，耗费了大量的人力物力，而且复进行，不仅开发周期长，耗费了大量的人力物力，而且电控系统设计时需大量的柴油机实验数据，而一般的试验电控系统设计时需大量的柴油机实验数据，而一般的试验台架系统很难提供标准的动态工况，实际上由于条件限制，台架系统很难提供标准的动态工况，实际上由于条件限制，进行大量动态
3、试验也是不可能的。进行大量动态试验也是不可能的。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的开发进程，的开发进程，关键就是要减少关键就是要减少ECUECU调试对台架试验的依赖性。在这一趋调试对台架试验的依赖性。在这一趋势推动下，利用仿真技术，特别是硬件在环仿真技术来虚势推动下，利用仿真技术，特别是硬件在环仿真技术来虚拟化柴油机等硬件设备，将台架试验简化为在柴油机模拟拟化柴油机等硬件设备，将台架试验简化为在柴油机模拟试验平台上进行硬件在环仿真试验，可以方便快捷的完成试验平台上进行硬件在环仿真试验，可以方便快捷的完成柴油机柴油机ECUECU的开发。的开发。国内
4、外研究现状国内外研究现状（1 1）美国）美国NINI公司的公司的Compact RIOCompact RIO平台和平台和PXIPXI实时系统平实时系统平台：台：Compact RIOCompact RIO平台主要使用于面向控制算法相对简单、平台主要使用于面向控制算法相对简单、I/OI/O数目相对较少的车身用电子控制单元数目相对较少的车身用电子控制单元ECUECU的快速原型开的快速原型开发和硬件在环测试；发和硬件在环测试；PXIPXI实时系统平台主要用于较为复杂实时系统平台主要用于较为复杂的主动悬架系统和动力总成系统的电子控制单元的主动悬架系统和动力总成系统的电子控制单元ECUECU的快的快速原
5、型开发和硬件在环测试。速原型开发和硬件在环测试。（2 2）德国）德国dSPACEdSPACE公司开发的公司开发的dSPACEdSPACE实时控制仿真平台，实时控制仿真平台，其可以在其可以在Matlab/SimulinkMatlab/Simulink中建立各种被控对象的模型，中建立各种被控对象的模型，如：发动机模型、变速箱模型、整车模型等。然后通过如：发动机模型、变速箱模型、整车模型等。然后通过MatlabMatlab工具箱中的自动代码生成工具工具箱中的自动代码生成工具(RTW(RTW：Real-Time Real-Time Workshop)Workshop)将建立的被控对象模型转化为实时的代
6、码，并将建立的被控对象模型转化为实时的代码，并将代码下载到将代码下载到dSPACEdSPACE实时仿真平台设备中的硬件板卡后，实时仿真平台设备中的硬件板卡后，即可以完成硬件在环仿真测试环境的搭建。即可以完成硬件在环仿真测试环境的搭建。（3 3）清华大学的陈林等应用）清华大学的陈林等应用MatlabMatlab的的X XPC-targetPC-target工具工具箱配合研华的箱配合研华的PCI1711PCI1711数据采集卡设计了一个共轨柴油机数据采集卡设计了一个共轨柴油机的的ECUECU硬件在环仿真系统，系统仿真框图如下图所示。硬件在环仿真系统，系统仿真框图如下图所示。图中的宿主机为搭载柴油机
7、仿真模型的普通的图中的宿主机为搭载柴油机仿真模型的普通的PCPC机；采机；采用用MPC563MPC563作为信号发生器和外部转角计算器。作为信号发生器和外部转角计算器。（2 2）下图为清华大学开发的柴油机电控）下图为清华大学开发的柴油机电控ECUECU硬件在环仿硬件在环仿真系统。真系统。该系统通过在上位机上建立实时仿真模型来计算柴油机该系统通过在上位机上建立实时仿真模型来计算柴油机的工作状态，其中的工作状态，其中DSPDSP的数据采集模块是基于的数据采集模块是基于ISAISA总线的高总线的高速处理系统。该硬件在环仿真系统通过采集油门位置和喷速处理系统。该硬件在环仿真系统通过采集油门位置和喷油、
8、点火信号仿真模拟计算出柴油机的转速等工作参数。油、点火信号仿真模拟计算出柴油机的转速等工作参数。研究内容研究内容本选题在总结国内外柴油机本选题在总结国内外柴油机ECUECU硬件在环仿真系统的基硬件在环仿真系统的基础上，运用计算机技术以及自动控制技术完成仿真系统的础上，运用计算机技术以及自动控制技术完成仿真系统的软件设计。软件设计。 主要研究内容有：主要研究内容有： 1.通过对比分析选择硬件在环仿真系统工具与实验平台，通过对比分析选择硬件在环仿真系统工具与实验平台， 确定系统总体方案。确定系统总体方案。 2.柴油机仿真模型设计。柴油机仿真模型设计。 3.采用图形化编程工具采用图形化编程工具 Ma
9、tlab/Simulink 实现柴油发动实现柴油发动机的建模仿真。机的建模仿真。 4.上位机操作显示界面以及测控系统设计。上位机操作显示界面以及测控系统设计。5.仿真系统结合虚拟仪器技术，采用仿真系统结合虚拟仪器技术，采用 LabVIEW 软件开发上软件开发上位机界面以及测控系统。位机界面以及测控系统。6.通过通过Matlab/Simulink 与与 LabVIEW 的混合编程方法研究，的混合编程方法研究，实现实现LabVIEW 软件可调用软件可调用Simulink编写的柴油机模型程编写的柴油机模型程序。序。7.系统调试并进行实验分析。系统调试并进行实验分析。研究方案研究方案柴油机柴油机ECU
10、硬件在环仿真系统软件程序采用硬件在环仿真系统软件程序采用Simulink和和Labview混合编程混合编程的方式的方式来开发来开发。软件架构如下图所示。软件架构如下图所示。采用采用Simulink仿真软件建立柴油机模型仿真软件建立柴油机模型,利用利用Matlab实时工具实时工具(RTW)编译器编译器由框图由框图文件生成优化文件生成优化的的C语言代码程序文件。整个仿真系统采用虚拟仪语言代码程序文件。整个仿真系统采用虚拟仪器技术器技术,通过通过LabVIEW开发上位机界面并提供数据开发上位机界面并提供数据采集卡驱动采集卡驱动,利用利用VisualC/C+编译器将柴油机仿真编译器将柴油机仿真模型模型
11、C代码文件转为代码文件转为DLL文件文件,再将再将DLL文件下载到文件下载到虚拟仪器虚拟仪器中供中供LabVIEW调用调用。系统软件的主程序在系统软件的主程序在Labview 环境下采用环境下采用G语言语言编写。具体分为编写。具体分为4个模块：发动机仿真模型模块；用个模块：发动机仿真模型模块；用户界面模块；数据采集卡模块；户界面模块；数据采集卡模块；CAN通信模块。通信模块。（1 1）建立硬件在环仿真的发动机动态模型的关键在于两个方）建立硬件在环仿真的发动机动态模型的关键在于两个方面：一是要能准确的预测发动机的稳态和瞬态性能，满足精确面：一是要能准确的预测发动机的稳态和瞬态性能，满足精确性要求
12、；另一方面就是要满足实时性的要求。但是在很多情况性要求；另一方面就是要满足实时性的要求。但是在很多情况下仿真的精度和实时性又是一对矛盾。下仿真的精度和实时性又是一对矛盾。（2 2）发动机模型庞大而复杂，需要找到合适的平台在合理的）发动机模型庞大而复杂，需要找到合适的平台在合理的时间段内构建出模型并能与监控系统相兼容。时间段内构建出模型并能与监控系统相兼容。（3 3）硬件在环仿真系统上位机监控系统设计及编程实现。）硬件在环仿真系统上位机监控系统设计及编程实现。研究重点、难点研究重点、难点（1 1）针对发动机模型需满足精确性与实时性的问题，解决方法一般是在）针对发动机模型需满足精确性与实时性的问题
13、，解决方法一般是在保证一定精度的前提下简化模型，尽量达到二者的平衡。综合考虑采用平均保证一定精度的前提下简化模型，尽量达到二者的平衡。综合考虑采用平均值模型对柴油机进行仿真。平均值模型计算量合理、仿真速度快值模型对柴油机进行仿真。平均值模型计算量合理、仿真速度快, ,可以满足可以满足系统实时性要求；在柴油机各组成部分的仿真中能结合特定柴油机的结构参系统实时性要求；在柴油机各组成部分的仿真中能结合特定柴油机的结构参数和特性参数数和特性参数, ,保证了模型的精确性达到目标要求。保证了模型的精确性达到目标要求。（2 2）SimulinkSimulink提供了一个动态建模、仿真和综合分析的集成环境。在
14、该提供了一个动态建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序而只要通过简单直观的鼠标操作就可构造出复杂环境中，无需大量书写程序而只要通过简单直观的鼠标操作就可构造出复杂的系统。用的系统。用 Simulink Simulink 对柴油发动机进行建模具有直观快速的特点，能在一对柴油发动机进行建模具有直观快速的特点，能在一定程度上满足硬件在环仿真对实时性的要求。定程度上满足硬件在环仿真对实时性的要求。（3 3）通过）通过LabVIEWLabVIEW强有力的图形化编程环境，可以创建一个友好的人机交强有力的图形化编程环境，可以创建一个友好的人机交互界面。不仅能显示仿真的状态和结果，而且能
15、调用发动机模型程序、进行互界面。不仅能显示仿真的状态和结果，而且能调用发动机模型程序、进行实时数据处理。实时数据处理。解决方案解决方案工作计划工作计划1. 2016.1-2016.41. 2016.1-2016.4根据柴油机根据柴油机ECUECU硬件在环仿真系统的功能硬件在环仿真系统的功能要求，对仿真系统的总体方案要求，对仿真系统的总体方案进行设计进行设计。2. 2016.4-2016.92. 2016.4-2016.9根据柴油机根据柴油机ECUECU硬件在环仿真系统的基本硬件在环仿真系统的基本工作原理和特性，运用工作原理和特性，运用simulinksimulink软件进行柴油机模型的构软件进行柴油机模型的构建。建。3. 2016.9-2016.103. 2016.9-2016.10根据仿真系统上位机需要实现的功能，根据仿真系统上位机需要实现的功能，运用运用LabviewLabview软件进行上位机监控程序的编写并实现对柴软件进行上位机监控程序的编写并实现对柴油机模型的调用。油机模型的调用。 谢谢各位老师！谢谢各位老师！
