偉世通使用NI LabVIEW控制設(shè)計(jì)和仿真模塊簡(jiǎn)化汽車動(dòng)力總成控制

　　作者：Arek Dutka - Industrial Systems and Control Limited

　　Gustav Ferrao - Industrial Systems and Control Limited

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

　　挑戰(zhàn)：

　　對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行仿真，驗(yàn)證復(fù)雜的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，以獲得最佳的耗油量、發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及尾氣排放控制。

　　解決方案：

　　使用NI LabVIEW控制設(shè)計(jì)和仿真模塊，我們開發(fā)了一個(gè)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、分析和測(cè)試的應(yīng)用。

　　如今，汽車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)必須保持持續(xù)的發(fā)展以滿足要求。這些要求包括調(diào)節(jié)尾氣的排放以適應(yīng)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)；提供更好的耗油量以遵守企業(yè)平均耗油量的標(biāo)準(zhǔn)；并滿足用戶對(duì)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)可以顯著地減少油耗，但同時(shí)降低了三元催化轉(zhuǎn)換的效率，造成了額外的空氣污染。

　　有兩種方式可以滿足如今的汽車規(guī)范，一種為改進(jìn)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，另一種為引進(jìn)新的更加復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)。

　　在決定發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)中，凸輪軸外形是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　在設(shè)計(jì)過程中，一些發(fā)動(dòng)機(jī)著重滿足扭矩的需要，另一些著重優(yōu)化速度，因此沒有某種外形可以滿足所有的設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。

　　雙頂置凸輪軸（Double overhead camshaft， DOHC）發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)立相移 （雙獨(dú)立）

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

　　為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，系統(tǒng)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)化氣門定時(shí)參數(shù)，以獲得最好的耗油量、發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及排放控制。

　　然而，這項(xiàng)技術(shù)的結(jié)果是一個(gè)高度復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制算法。雖然在幾年前TIVCT就已經(jīng)被引入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)試

　　此工程是基于TIVCT發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模和最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)，以達(dá)到特殊的發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求?？刂撇呗缘哪繕?biāo)是為發(fā)動(dòng)機(jī)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(wěn)定性。

　　使用LabVIEW控制設(shè)計(jì)和仿真模塊及其自帶的線性代數(shù)函數(shù)來完成此項(xiàng)目。在當(dāng)今應(yīng)用于汽車工業(yè)的軟件中，LabVIEW主要具有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：一個(gè)是其前面板，可以作為強(qiáng)大的用戶界面；另一個(gè)是其生動(dòng)的開發(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控制、設(shè)計(jì)和仿真的工具，以便于開發(fā)實(shí)時(shí)控制、分析和測(cè)試應(yīng)用。這也讓LabVIEW對(duì)于汽車研發(fā)部門來說很有吸引力。

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

　　控制輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，制動(dòng)的油耗率以及平均有效壓力示值的變化系數(shù)。其它影響系統(tǒng)性能的變量（如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度）被當(dāng)作外部參數(shù)，作為控制系統(tǒng)的調(diào)度變量使用。

　　通過使用LabVIEW控制設(shè)計(jì)和仿真模塊，時(shí)間連續(xù)的TIVCT發(fā)動(dòng)機(jī)模型將一種靜態(tài)的典型燃燒過程特征方程與描述驅(qū)動(dòng)器和進(jìn)氣歧管的微分方程結(jié)合，以得到一種動(dòng)態(tài)模型。

　　最后得到的非線性TIVCT發(fā)動(dòng)機(jī)模型具有多路輸入、多路輸出（Multiple input， multiple output， MIMO）的特性。通過操縱每一個(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(yīng)用中，使用LabVIEW將系統(tǒng)設(shè)定于特定的工作點(diǎn)，將非線性的發(fā)動(dòng)機(jī)模型線性化，從而開發(fā)了一種線性的模型。

　　使用LabVIEW前面板進(jìn)行交互仿真

　　使用LabVIEW中的線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）設(shè)計(jì)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(biāo)：最小化偏移和實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)器的作用。在有外界干擾的情況下，通過引入循環(huán)內(nèi)積分可消除穩(wěn)態(tài)誤差，從而達(dá)到上述控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　為了定義性能指標(biāo)，并最小化輸出誤差和輸出變化率，使用LabVIEW基于連續(xù)時(shí)域系統(tǒng)的最優(yōu)化對(duì)理論對(duì)TIVCT發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)反饋和參考點(diǎn)追蹤，并通過該工具來獲得預(yù)期的增益。

　　本地控制器和線性模型在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(shù)（COVIMEP）的同時(shí)，系統(tǒng)通過與設(shè)定值相關(guān)的一個(gè)準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)值來追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

　　將Q和R兩個(gè)調(diào)諧變量置于前面板，可以保證對(duì)控制器直觀的檢測(cè)并進(jìn)行在線調(diào)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(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)硬件中以便最終應(yīng)用，通常會(huì)將模型和控制器應(yīng)用到離散時(shí)間系統(tǒng)中。離散控制器可以從連續(xù)控制器中衍生，也可以直接在離散時(shí)間系統(tǒng)中使用同樣的線性二次型調(diào)節(jié)器VI重新設(shè)計(jì)。

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

　　因此，需要通過在非線性模型的不同的工作范圍中使用相應(yīng)的理想增益參數(shù)來實(shí)現(xiàn)增益調(diào)度。通過前面板完成參數(shù)的交互調(diào)整，以使增益調(diào)諧的過程合理化。

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

　　演示多路輸入多路輸出控制（MIMO）設(shè)計(jì)方法的屏幕截屏