伟世通使用NI LabVIEW控制设计和仿真模块简化汽车动力总成控制

作者：Arek Dutka - Industrial Systems and Control Limited

　　Gustav Ferrao - Industrial Systems and Control Limited

　　“在当今应用于汽车工业的软件中，LabVIEW主要具有两个主要优势：一个是其前面板，可以作为强大的用户界面；另一个是其生动的开发环境，可以避免底层语言编程。”

　　挑战：

　　对多个变量进行仿真，验证复杂的汽车发动机设计，以获得最佳的耗油量、发动机性能以及尾气排放控制。

　　解决方案：

　　使用NI LabVIEW控制设计和仿真模块，我们开发了一个可以进行实时控制、分析和测试的应用。

　　如今，汽车动力总成控制系统必须保持持续的发展以满足要求。这些要求包括调节尾气的排放以适应日益严格的排放标准；提供更好的耗油量以遵守企业平均耗油量的标准；并满足用户对性能和舒适性的需要。

　　这些要求是相互联系的，甚至经常是相互矛盾的。比如，贫燃技术可以显著地减少油耗，但同时降低了三元催化转换的效率，造成了额外的空气污染。

　　有两种方式可以满足如今的汽车规范，一种为改进现有的结构，另一种为引进新的更加复杂的机械设计。

　　在决定发动机性能的参数中，凸轮轴外形是最重要的设计参数。

　　在设计过程中，一些发动机着重满足扭矩的需要，另一些着重优化速度，因此没有某种外形可以满足所有的设计参数的要求。

　　双顶置凸轮轴（Double overhead camshaft， DOHC）发动机主要有四种可变凸轮定时策略：

　　• 只有进气凸轮相移 （只进气）

　　• 只有排气凸轮相移（只排气）

　　• 进气凸轮和排气凸轮等量相移 （两者相等）

　　• 进气凸轮和排气凸轮独立相移 （双独立）

　　在双独立可变凸轮轴发动机发动机（Twin-independent variable camshaft timing， TIVCT）中，进气凸轮轴和排气凸轮轴均独立完成校正。其变化量是气门位置和发动机速度的函数。

　　为提高发动机性能，系统提供了很大的自由度。正因如此，需要找到一种途径，能够优化气门定时参数，以获得最好的耗油量、发动机性能以及排放控制。

　　然而，这项技术的结果是一个高度复杂的实时控制算法。虽然在几年前TIVCT就已经被引入汽车发动机领域，但其仍然是如今研究和探索的焦点。

　　使用LabVIEW完成实时控制、分析和测试

　　此工程是基于TIVCT发动机进行建模和最优控制器设计，以达到特殊的发动机性能要求。控制策略的目标是为发动机提供扭矩的参考量跟踪，同时最大限度地减少制动时的油耗率，并优化燃料燃烧的稳定性。

　　使用LabVIEW控制设计和仿真模块及其自带的线性代数函数来完成此项目。在当今应用于汽车工业的软件中，LabVIEW主要具有两个主要优势：一个是其前面板，可以作为强大的用户界面；另一个是其生动的开发环境，可以避免底层语言编程。

　　另外，NI的很多硬件都集成了用来控制、设计和仿真的工具，以便于开发实时控制、分析和测试应用。这也让LabVIEW对于汽车研发部门来说很有吸引力。

　　对于发动机模型，控制系统操作最主要的变量包括进气歧管的气流量、独立凸轮轴在入口处的位置和相对于曲轴的排气阀排气时间。

　　控制输出为发动机扭矩，制动的油耗率以及平均有效压力示值的变化系数。其它影响系统性能的变量（如发动机转速，发动机冷却液温度）被当作外部参数，作为控制系统的调度变量使用。

　　通过使用LabVIEW控制设计和仿真模块，时间连续的TIVCT发动机模型将一种静态的典型燃烧过程特征方程与描述驱动器和进气歧管的微分方程结合，以得到一种动态模型。

　　最后得到的非线性TIVCT发动机模型具有多路输入、多路输出（Multiple input， multiple output， MIMO）的特性。通过操纵每一个输入变量，其输入输出关系出了明显的交叉作用。在此控制应用中，使用LabVIEW将系统设定于特定的工作点，将非线性的发动机模型线性化，从而开发了一种线性的模型。

　　使用LabVIEW前面板进行交互仿真

　　使用LabVIEW中的线性二次型调节器（LQR）设计了一种先进的优化控制器。功能上，此控制器完成两个目标：最小化偏移和实现校准器的作用。在有外界干扰的情况下，通过引入循环内积分可消除稳态误差，从而达到上述控制器的设计目标。

　　为了定义性能指标，并最小化输出误差和输出变化率，使用LabVIEW基于连续时域系统的最优化对理论对TIVCT发动机进行状态反馈和参考点追踪，并通过该工具来获得预期的增益。

　　本地控制器和线性模型在LabVIEW中搭建和仿真。在最小化制动油耗率（BSFC）和平均指示压力变动系数（COVIMEP）的同时，系统通过与设定值相关的一个准确的稳态值来追踪发动机扭矩。

　　将Q和R两个调谐变量置于前面板，可以保证对控制器直观的检测并进行在线调整，这也充分利用了LabVIEW交互仿真的特点。

　　为了可以轻松地将仿真转移到计算机硬件中以便最终应用，通常会将模型和控制器应用到离散时间系统中。离散控制器可以从连续控制器中衍生，也可以直接在离散时间系统中使用同样的线性二次型调节器VI重新设计。

　　由于模型是非线性的，在某个工作点产生预期响应的理想增益参数也许并不能在另外的工作点产生同样令人满意的响应。

　　因此，需要通过在非线性模型的不同的工作范围中使用相应的理想增益参数来实现增益调度。通过前面板完成参数的交互调整，以使增益调谐的过程合理化。

　　使用LabVIEW进行交互仿真、实时控制、分析和测试

　　演示多路输入多路输出控制（MIMO）设计方法的屏幕截屏