偉世通使用NI LabVIEW簡(jiǎn)化汽車(chē)動(dòng)力總成控制

“在當今應用于汽車(chē)工業(yè)的軟件中，LabVIEW主要具有兩個(gè)主要優(yōu)勢：一個(gè)是其前面板，可以作為強大的用戶(hù)界面;另一個(gè)是其生動(dòng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以避免底層語(yǔ)言編程。”

挑戰：

對多個(gè)變量進(jìn)行仿真，驗證復雜的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機設計，以獲得最佳的耗油量、發(fā)動(dòng)機性能以及尾氣排放控制。

解決方案：

使用NI LabVIEW控制設計和仿真模塊，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、分析和測試的應用。

如今，汽車(chē)動(dòng)力總成控制系統必須保持持續的發(fā)展以滿(mǎn)足要求。這些要求包括調節尾氣的排放以適應日益嚴格的排放標準;提供更好的耗油量以遵守企業(yè)平均耗油量的標準;并滿(mǎn)足用戶(hù)對性能和舒適性的需要。

這些要求是相互聯(lián)系的，甚至經(jīng)常是相互矛盾的。比如，貧燃技術(shù)可以顯著(zhù)地減少油耗，但同時(shí)降低了三元催化轉換的效率，造成了額外的空氣污染。

有兩種方式可以滿(mǎn)足如今的汽車(chē)規范，一種為改進(jìn)現有的結構，另一種為引進(jìn)新的更加復雜的機械設計。

在決定發(fā)動(dòng)機性能的參數中，凸輪軸外形是最重要的設計參數。

在設計過(guò)程中，一些發(fā)動(dòng)機著(zhù)重滿(mǎn)足扭矩的需要，另一些著(zhù)重優(yōu)化速度，因此沒(méi)有某種外形可以滿(mǎn)足所有的設計參數的要求。

雙頂置凸輪軸(Double overhead camshaft, DOHC)發(fā)動(dòng)機主要有四種可變凸輪定時(shí)策略：

• 只有進(jìn)氣凸輪相移 (只進(jìn)氣)

• 只有排氣凸輪相移(只排氣)

• 進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪等量相移 (兩者相等)

• 進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪獨立相移 (雙獨立)

在雙獨立可變凸輪軸發(fā)動(dòng)機發(fā)動(dòng)機(Twin-independent variable camshaft timing, TIVCT)中，進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸均獨立完成校正。其變化量是氣門(mén)位置和發(fā)動(dòng)機速度的函數。

為提高發(fā)動(dòng)機性能，系統提供了很大的自由度。正因如此，需要找到一種途徑，能夠優(yōu)化氣門(mén)定時(shí)參數，以獲得最好的耗油量、發(fā)動(dòng)機性能以及排放控制。

然而，這項技術(shù)的結果是一個(gè)高度復雜的實(shí)時(shí)控制算法。雖然在幾年前TIVCT就已經(jīng)被引入汽車(chē)發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域，但其仍然是如今研究和探索的焦點(diǎn)。

使用LabVIEW完成實(shí)時(shí)控制、分析和測試

此工程是基于TIVCT發(fā)動(dòng)機進(jìn)行建模和最優(yōu)控制器設計，以達到特殊的發(fā)動(dòng)機性能要求?？刂撇呗缘哪繕耸菫榘l(fā)動(dòng)機提供扭矩的參考量跟蹤，同時(shí)最大限度地減少制動(dòng)時(shí)的油耗率，并優(yōu)化燃料燃燒的穩定性。

使用LabVIEW控制設計和仿真模塊及其自帶的線(xiàn)性代數函數來(lái)完成此項目。在當今應用于汽車(chē)工業(yè)的軟件中，LabVIEW主要具有兩個(gè)主要優(yōu)勢：一個(gè)是其前面板，可以作為強大的用戶(hù)界面;另一個(gè)是其生動(dòng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以避免底層語(yǔ)言編程。

另外，NI的很多硬件都集成了用來(lái)控制、設計和仿真的工具，以便于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)控制、分析和測試應用。這也讓LabVIEW對于汽車(chē)研發(fā)部門(mén)來(lái)說(shuō)很有吸引力。

對于發(fā)動(dòng)機模型，控制系統操作最主要的變量包括進(jìn)氣歧管的氣流量、獨立凸輪軸在入口處的位置和相對于曲軸的排氣閥排氣時(shí)間。

控制輸出為發(fā)動(dòng)機扭矩，制動(dòng)的油耗率以及平均有效壓力示值的變化系數。其它影響系統性能的變量(如發(fā)動(dòng)機轉速，發(fā)動(dòng)機冷卻液溫度)被當作外部參數，作為控制系統的調度變量使用。

通過(guò)使用LabVIEW控制設計和仿真模塊，時(shí)間連續的TIVCT發(fā)動(dòng)機模型將一種靜態(tài)的典型燃燒過(guò)程特征方程與描述驅動(dòng)器和進(jìn)氣歧管的微分方程結合，以得到一種動(dòng)態(tài)模型。

最后得到的非線(xiàn)性TIVCT發(fā)動(dòng)機模型具有多路輸入、多路輸出(Multiple input, multiple output, MIMO)的特性。通過(guò)操縱每一個(gè)輸入變量，其輸入輸出關(guān)系出了明顯的交叉作用。在此控制應用中，使用LabVIEW將系統設定于特定的工作點(diǎn)，將非線(xiàn)性的發(fā)動(dòng)機模型線(xiàn)性化，從而開(kāi)發(fā)了一種線(xiàn)性的模型。

使用LabVIEW前面板進(jìn)行交互仿真

使用LabVIEW中的線(xiàn)性二次型調節器(LQR)設計了一種先進(jìn)的優(yōu)化控制器。功能上，此控制器完成兩個(gè)目標：最小化偏移和實(shí)現校準器的作用。在有外界干擾的情況下，通過(guò)引入循環(huán)內積分可消除穩態(tài)誤差，從而達到上述控制器的設計目標。

為了定義性能指標，并最小化輸出誤差和輸出變化率，使用LabVIEW基于連續時(shí)域系統的最優(yōu)化對理論對TIVCT發(fā)動(dòng)機進(jìn)行狀態(tài)反饋和參考點(diǎn)追蹤，并通過(guò)該工具來(lái)獲得預期的增益。

本地控制器和線(xiàn)性模型在LabVIEW中搭建和仿真。在最小化制動(dòng)油耗率(BSFC)和平均指示壓力變動(dòng)系數(COVIMEP)的同時(shí)，系統通過(guò)與設定值相關(guān)的一個(gè)準確的穩態(tài)值來(lái)追蹤發(fā)動(dòng)機扭矩。

將Q和R兩個(gè)調諧變量置于前面板，可以保證對控制器直觀(guān)的檢測并進(jìn)行在線(xiàn)調整，這也充分利用了LabVIEW交互仿真的特點(diǎn)。

為了可以輕松地將仿真轉移到計算機硬件中以便最終應用，通常會(huì )將模型和控制器應用到離散時(shí)間系統中。離散控制器可以從連續控制器中衍生，也可以直接在離散時(shí)間系統中使用同樣的線(xiàn)性二次型調節器VI重新設計。

由于模型是非線(xiàn)性的，在某個(gè)工作點(diǎn)產(chǎn)生預期響應的理想增益參數也許并不能在另外的工作點(diǎn)產(chǎn)生同樣令人滿(mǎn)意的響應。

因此，需要通過(guò)在非線(xiàn)性模型的不同的工作范圍中使用相應的理想增益參數來(lái)實(shí)現增益調度。通過(guò)前面板完成參數的交互調整，以使增益調諧的過(guò)程合理化。

使用LabVIEW進(jìn)行交互仿真、實(shí)時(shí)控制、分析和測試

演示多路輸入多路輸出控制(MIMO)設計方法的屏幕截屏