基于ETAS的柴油机电子调速系统半物理仿真平台研究

谭旭东 薛胜峰 周立平 郑祥东 肖群雄

摘  要：建立了MTU956增压柴油机的进排气系统、燃油系统、气缸、转子动力学的数学模型。并根据建立的数学模型，基于MATLAB/Simulink软件为平台，建立了增压柴油机的平均值模型以及柴油机的典型故障模型。在此基础上，基于ETAS Labcar半物理仿真平台，将柴油机模型与MTU956柴油机的ECU实物以及执行器实物相连接，设计了柴油机电子调速器的半物理仿真验证平台。对ECU的启动、停机、加速、减速、增压器切入切出以及典型的故障工况进行了验证。结果表明，仿真平台的精度、实时性、可靠性均能满足要求。

关键词：柴油机;硬件在环;调速系统;平均值建模;故障模型

中图分类号：TK421         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）16-0005-04

Abstract： The mathematical models of intake and exhaust system， fuel system， cylinder and rotor dynamics of MTU956 turbocharged diesel engine are established. According to the established mathematical model， based on the MATLAB/Simulink software platform， the average value model of turbocharged diesel engine and the typical fault model of diesel engine are established. On this basis， based on the ETAS Labcar semi-physical simulation platform， the diesel engine model is connected with the ECU object and the actuator object of MTU956 diesel engine， and the semi-physical simulation verification platform of diesel engine electronic governor is designed. The start， stop， acceleration， deceleration， turbocharger cut in and out of the ECU and the typical fault conditions are verified. The results show that the accuracy， real-time and reliability of the simulation platform can meet the requirements.

Keywords： diesel engine; hardware in the loop; speed control system; average modeling; fault model

1 涡轮增压柴油机模型

本文以山西安特优MTU956核安全级柴油机为建模对象，按照模块化的建模思想，将柴油机模型划分为输入模块、输出模块、控制系统模块、燃油供给模块、进排气系统模块以及故障模型模块。系统的整体组成以及柴油机本体的结构分别如图1、图2所示。

柴油机本体模型包括燃油系统、进排气系统、气缸、转子动力学系统。模型中还包括了输入输出模块、调速模块以及故障模型。[2]

1.1 燃油系统

1.4 控制系统

在没有接入外部实际ECU时，电子调速器设计的是经典的PID算法，根据目标转速和实际转速偏差的比例（P），积分（I）和微分（D）进行控制。其原理是转速偏差经过PID的算法处理转变为执行器的控制信号，并最终作用于燃油系统的齿条位移，实现喷油[4]。

通过在线整定的方法，对PID系数进行调节，研究表明，当比例系数Kp=8，积分系数Ki=0.01，微分系数Kd=20时，能够取得比较好的转速调节效果，此时转速响应曲线如图3。

2 LabCar系统平台

LabCar是由德国ETAS公司开发的硬件在环仿真测试系统，能够依据建立的柴油机Simulink模型，接收实际ECU发出的控制信号，并将模型输出实时反馈给ECU。

LabCar硬件在环仿真系统主要由硬件平台、軟件平台以及信号接口三部分组成，其逻辑结构如图4所示[5]。

柴油机模型与ECU的输入输出信号接口关系如图5。

2.1 硬件平台

LabCar硬件平台主要有上位机、ETAS仿真设备、硬件板卡、待测ECU、执行器等组成，如图6所示。

上位机用于安装MATLAB/Simulink以及LabCar软件平台，同时还可以控制和监视仿真系统运行状态;ETAS仿真设备用于加载和运行柴油机模型并给硬件提供载体;硬件板卡型号为ES5340-ICE，为ETAS公司专门设计的内燃机仿真板卡，拥有8个模拟量输出，8个数字量输出，4个模拟量输入以及20个数字量输入，同时能够产生和输出PWM信号和方波，能够满足本柴油机仿真项目的需求;待测的ECU为德国MTU 956柴油机控制器，拥有主备两个选择模式。

2.2 软件平台

ETAS仿真系统的软件平台为LabCar-OPERATOR以及MATLAB/Simulink平台，LabCar-OPERATOR包括两个独立的用户界面，分别是集成平台LabCar-IP和实验环境平台Experiment Environment（EE）。

LabCar-IP用于配置柴油机Simulink模型与外界的输入输出接口以及相关的输入输出信号之间的连接，柴油机输入输出接口与LabCar-IP连接界面如图7。

LabCar-EE用于检测、记录、存储、输出相关的实验数据，可以提供多种形式的显示形式，图8是设计的硬件在环仿真系统检测显示界面，通过EE平台，可以在线修改柴油机运行参数，如模拟柴油机启动、停车、加速、减速工况，修改目标转速、负载，实时监测柴油机主机转速、各增压器转速齿条位移，设置故障模型等，这给用户带来了很大的便利。

3 硬件在环仿真实验

3.1 起动工况仿真实验

在起动工况下，柴油机首先由起动电机给与启动力矩，将柴油机转速带至65r/min，然后才开始喷油，此时，转速控制为开环控制，齿条位移为15mm，转速迅速上升，在转速达到怠速600r/min时，转为闭环控制，此时ECU动作，调节转速使其保持在600转数不变。在起动工况下，柴油机转速响应曲线和齿条位移响应曲线如图9，图10。

实验数据表明，该ETAS硬件在环仿真平台能够满足柴油机的调速系统起动性能的需求，系统响应迅速，稳定性好。

3.2 加减载仿真试验

在额定转速1500r/min，空载工况下，增加3000Nm的负载，待转速和齿条位移稳定后，再将负载降至0，柴油机转速和齿条位移响应曲线如图11，图12。

试验数据显示，当负载突变时，齿条位移能在2.5s内达到稳定，转速在负载变化后有小幅波动，但能够迅速恢复原转速状态并保持稳定，表明该仿真平台的调速性能良好。

3.3 涡轮增压器切入切出

在额定转数1500r/min时的增压器切入曲线如图13。

柴油机起动初期由电机带动，此时不喷油，增压器转速为0，柴油机转速大与65r/min之后，齿条动作，开始喷油，增压器A1/A2转速上升，当A1/A2转速达到39000r/min時，增压器B1切入，B1转速由0开始迅速升高，达到3900r/min时，增压器B2切入，B2转速超过41000r/min时，B3切入，此时5组增压器全部切入，且转速最后均稳定在51000r/min左右。

4 故障模型

在建立完毕的柴油机基础上，考虑到柴油机在实际运行的过程中，可能出现的一些典型故障，建立了柴油机典型的故障模型。

4.1 起动失败

模拟起动失败故障的方式是通过设置修正系数，使得在起动电机的初始扭矩为0，柴油机转速无法上升，起动失败。柴油机转速响应曲线如图14。

4.2 起动过慢

起动过慢的原因之一为启动扭矩过小，可以从该角度，通过调整起动扭矩修正系数来模拟柴油机起动过慢现象。

故障触发后，起动扭矩低于正常起动的最低扭矩值，柴油机未能在规定时间内达到开始喷油转速65r/min，触发ECS报警。转速响应如图15所示。

4.3 超速

柴油机在实际运行时，受到结构强度等各方面的影响，主机运行转速存在上限，当达到该限制时，柴油机应紧急停车，以避免对设备和技术人员造成伤害。在本模型中，设置了超速故障模拟模块。故障触发后，柴油机主机转速快速上升至3000r/min之上，超过ECS设置的转速上限，相关警报被触发。

5 结束语

在建立的ETAS硬件在环半物理仿真平台上，验证了柴油机调速系统的基本功能，包括起动、加减载和增压器切入切出。相关试验的结果表明：

（1）建立的柴油机模型兼顾了仿真系统实时性与精度，能够比较准确的反应柴油机的工作性能，可以用于ECU硬件在环仿真平台的研究。

（2）通过对柴油机调速功能的验证，表明该仿真平台功能完善，精度较高，可以用于柴油机ECU的测试与研发，能有效降低开发成本，提高效率与经济性。

（3）建立的柴油机典型故障模型，能够较为准确的反应柴油机在故障工况下的实际运行情况，进一步完善了仿真平台的功能与性能。

参考文献：

[1]Schuette H， Ploeger M. Hardware-in-the-loop testing of engine control units-A technical survey[J]. Sae Technical Papers， 2007.

[2]余宏峰，陈辉.基于Matlab/Simulink的车用增压柴油机建模与仿真[J].内燃机，2006（2）：47-49.