CN105425609B - 低速柴油机电控硬件在环测试系统 - Google Patents

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Abstract

一种低速柴油机电控硬件在环测试系统，包括至少一个上位机开发平台、实时仿真平台、信号调理模块、故障注入模块和断路测试盒；通过建立实时仿真系统运行低速柴油机的数学模型得到柴油机的状态参数，通过信号调理模块输出与安装在低速柴油机上的传感器一致的模拟信号，低速柴油机电控硬件接收到所述模拟信号后发出柴油机的控制信号并反馈回实时仿真系统，实时仿真系统以所述控制信号作为控制参数，重新对低速柴油机数学模型进行运算，重复上述过程以构成完整的闭环测试系统，实现对低速柴油机电控系统的测试和验证。本发明通过实物模拟的方式，能够在实验室环境中直接对低速柴油机电控系统的功能进行测试和虚拟标定，而无需真实柴油机运行，节省了成本，减少了环境污染。

Description

低速柴油机电控硬件在环测试系统
技术领域
本发明涉及柴油机电控系统的测试，具体涉及一种低速柴油机电控硬件在环测试系统，属于柴油机技术领域。
背景技术
上世纪90年代，德国勃朗施威格工业大学教授U.Varchmin提出一种控制器硬件在环的仿真测试平台——MOSIG。从此，硬件在环测试方法因其安全、高效等特点而广泛用于汽车、航空、机械、电子、武器研发等各个领域。硬件在环测试的优势在于，可实现自动化测试盒生成报告，减少人力成本，可重复性强，测试质量稳定可控，节省测试时间，缩短测试周期，可测量所有电气信号，并模拟各类的电气故障，测试功能易于扩展，可分阶段进行系统测试，此外，硬件在环测试能够模拟复杂工况和危险工况，避免实际测试时对人员的危害。
船用低速柴油机电控硬件在环测试系统一直是一个空白，其原因主要在于，硬件在环测试系统在专业领域有极强的针对性和较高的开发难度。低速柴油机不同于汽车发动机、高中速柴油机，从结构上来说低速柴油机的特点是，往往通过十字头结构来增大行程，排气阀驱动机构主要以液压为主，喷油器往往在两个以上，燃料通常为重油，控制系统一般由多个控制器组成。因此如何建立低速柴油机的模型，是在环测试系统的关键技术之一；另一个关键技术是，通过何种技术手段建立低速柴油机模型与柴油机控制硬件之间的联系，形成完整的闭环测试系统，实现对低速柴油机电控系统的硬件及软件的测试。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种低速柴油机电控硬件在环测试系统，利用低速柴油机数学模型建立实时仿真系统而无需真实柴油机进行运转，产生与安装在低速柴油机上的传感器一致的柴油机状态参数的模拟信号，传输给真实的被测柴油机控制器，柴油机控制器接收到模拟的传感器信号后，发出控制命令并且反馈回实时仿真系统，仿真系统以反馈的控制信号作为控制参数，重新对柴油机模型进行计算；重复以上过程，构成闭环系统，完成对低速柴油机控制器的测试验证。
本发明解决其技术问题的技术方案如下：
一种低速柴油机电控硬件在环测试系统，其特征在于：通过建立实时仿真系统运行低速柴油机的数学模型，产生与安装在低速柴油机上的传感器一致的柴油机状态参数的模拟信号，低速柴油机电控硬件接收到所述模拟信号后发出柴油机的控制信号并反馈回实时仿真系统，实时仿真系统以所述控制信号作为控制参数，重新对低速柴油机数学模型进行运算，重复上述过程以构成完整的闭环测试系统，实现对低速柴油机电控系统的测试和验证。
进一步地，所述的在环测试系统包括：
至少一个上位机开发平台，用于对低速柴油机的数学模型的开发和实时仿真系统的管理；
实时仿真平台，通过以太网与所述上位机开发平台进行通信，采用实时操作系统运行低速柴油机的数学模型，进行信号参数的输出与采集并输出柴油机状态参数的信号，包括处理器板卡、发动机信号板卡、模拟量输入板卡、模拟量输出板卡和数字I/O板卡；
信号调理模块，连接所述实时仿真平台，将接收的实时仿真平台的柴油机状态参数信号调理转换为与安装在低速柴油机上的传感器一致的模拟信号，包括能够将所述数学模型的计算结果数值转化为模拟量输出或数字量输出的输出类板卡和能够将模拟量输入或数字量输入转化为数值的采集类板卡；
故障注入模块，连接位于所述信号调理模块与低速柴油机电控硬件之间，具有自动模拟故障注入功能和手动模拟故障注入功能，通过所述信号调理模块发出的开关控制信号，控制故障开关通断，实现自动模拟故障注入，通过直接引入激励信号或者断开连接，实现手动模拟故障注入；
断路测试盒，用于低速柴油机电控硬件与所述故障注入模块的连接，在不中断信号连接的情况下对信号进行静态测试，以确认信号是否正确，或者直接引入激励信号实现断开连接；
所述低速柴油机电控硬件根据收到的所述信号调理模块的与安装在低速柴油机上的传感器一致的模拟信号，通过本身的柴油机控制软件发出柴油机的控制信号，并反馈回所述实时仿真平台，该实时仿真平台以所述控制信号作为控制参数，重新对低速柴油机数学模型进行运算并重复上述过程，实现对低速柴油机电控系统的测试和验证。
进一步地，所述的采集类板卡包括电流采集调理0～24mA电流转0～10V电压板卡、大电流采集调理0～5A电流转0～10V电压板卡和大电流采集调理0～25A电流转0～10V电压板卡；所述的输出类板卡包括电流输出调理0～10V电压转0～24mA电流板卡和数字信号输出调理标准TTL电平转0～50V电压板卡。
本发明的有益效果是，利用所述低速柴油机电控硬件在环测试系统能够在实验室环境中，直接对柴油机控制器功能进行测试，并根据测试结果调整控制器的控制策略，而无需真实柴油机运行，本发明更进一步能够实现对低速柴油机控制器和执行器部件进行虚拟标定，从而节省了大量的燃料和人工成本，减少了对环境的污染。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明利用低速柴油机的数学模型实现与低速柴油机电控硬件的实物构成闭环系统，达到测试低速柴油机电控系统的目的。
所述低速柴油机电控硬件在环测试系统利用仿真机建立实时仿真环境对低速柴油机的数学模型进行计算，将计算得到的柴油机状态参数，通过输出类板卡传输给信号调理模块，模拟与安装在低速机上的传感器一致的信号，柴油机控制器实物接收到模拟的传感器信号后，对柴油机执行器发出控制命令，执行器将反馈信号通过以上途径传回实时仿真系统，实时仿真系统以这些反馈的控制信号作为控制参数，重新对低速柴油机的数学模型进行计算，重复以上过程，构成闭环系统，完成对低速柴油机电控硬件的测试验证和电控系统的研发。
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的低速柴油机电控硬件在环测试系统作进一步的详细说明，但不能以此来限制本发明的保护范围。
所述低速柴油机电控硬件根据收到的所述信号调理模块的与安装在低速柴油机上的传感器一致的模拟信号，通过本身的柴油机控制软件发出柴油机的控制信号，并反馈回所述实时仿真平台，该实时仿真平台以所述控制信号作为控制参数，重新对低速柴油机数学模型进行运算并重复上述过程，实现对低速柴油机电控系统的测试和验证。
请参阅图1，以某型号6缸低速柴油机模型及控制器为例，图示低速柴油机电控硬件在环测试系统包括至少一个上位机开发平台、实时仿真平台、信号调理模块、故障注入模块和断路测试盒。
低速柴油机电控硬件在环测试系统包含一台高性能服务器和两个机柜。上位机开发平台由一台高性能服务器构成，用于对整个平台研发和测试过程的管理。计算机服务器与机柜内的实时仿真平台间通过路由器构建的以太网进行通信，实现对实时仿真平台的管理。一个机柜内部的器件主要由仿真机箱、信号调理箱、自动故障注入箱、机柜电源、程控电源组成，另一机柜内部的器件主要由执行器、ECU控制器、传感器挂架、断路测试箱、配线箱等组成。
上位机开发平台用于对低速柴油机的数学模型的开发和实时仿真过程的管理，内部设有仿真软件、自动化测试软件、标定软件和故障注入软件，该上位机开发平台通过以太网与实时仿真平台进行通信，实现对实时仿真系统的管理功能。
实时仿真平台采用一种实时操作系统，运行由GT-Power或Matlab/Simulink等软件构建的低速柴油机的数学模型，并且通过仿真机硬件进行信号参数的输出与采集，经由信号调理模块模拟输出与安装在柴油机上的传感器一致的柴油机状态参数的信号。实时仿真平台的硬件包括仿真机箱、处理器板卡、发动机信号板卡、模拟量输入板卡、模拟量输出板卡、CAN总线通讯板卡和数字I/O板卡。
信号调理模块具有两个功能，一个是实现实时仿真系统与控制器之间的电气特性匹配，另一个是保护仿真机和柴油机控制器。该信号调理模块连接所述实时仿真平台，具有采集类板卡和输出类板卡构建的硬件环境，能够实现数据转化为电气信号的功能，即实现仿真实际柴油机上传感器信号的功能，将接收的实时仿真平台的柴油机状态参数信号调理转换为与安装在低速柴油机上的传感器一致的模拟信号。所述输出类板卡可以将数学模型的计算结果转化为模拟量输出或数字量输出，所述采集类板卡可以将模拟量输入或数字量输入转化为数值。信号调理板卡有五种，根据低速机测试需要进行任意搭配，其中，采集类板卡包括电流采集调理0～24mA电流转0～10V电压板卡、大电流采集调理0～5A电流转0～10V电压板卡和大电流采集调理0～25A电流转0～10V电压板卡；输出类板卡包括电流输出调理0～10V电压转0～24mA电流板卡和数字信号输出调理标准TTL电平转0～50V电压板卡。
故障注入模块连接于测试系统和柴油机控制器之间，具有自动模拟故障注入的功能和手动模拟故障注入的功能。如果需要某个信号产生故障，自动故障注入通过上位机发出命令，产生开关控制信号，然后经过驱动电路，控制故障开关通断，实现自动模拟故障注入。手动故障注入通过断路测试盒，直接从输出端子处为控制器引入激励信号或者断开连接，实现手动模拟故障注入。
断路测试箱用于柴油机控制器、执行机构与故障注入模块等部分的连接，采用断路测试盒形式。通过断路测试盒可以在不中断信号连接的情况下对信号进行测试，也可以断开连接，直接从输出端子处为控制器引入激励信号或者对输入输出端信号进行静态测试，以确认信号是否正确。
所述低速柴油机电控硬件在环测试系统通过软硬件手段建立低速柴油机的数学模型与柴油机控制器之间的联系，形成完整的闭环测试系统，实现对低速柴油机电控系统的硬件及软件的测试。具体运作方式如下：
实时仿真平台对低速柴油机的数学模型进行计算，将计算得到的柴油机状态参数，如气缸排气温度、燃油共轨压力、扫气空气压力、发动机转速、上下止点信号等等，通过仿真机模拟输出板卡、数字I/O板卡、发动机板卡，发送给信号调理模块；调理后的信号经由故障注入模块和断路测试盒进入到ECU控制器；ECU控制对柴油机状态进行判断和处理，将控制信号通过断路测试盒和故障注入模块传递给信号调理模块，信号调理模块将控制信号转变为实时仿真平台可以识别的模拟量信号或数字量信号，发送到实时仿真平台的模拟量采集、数字量采集等板卡上；实时仿真平台利用这些控制信号对低速柴油机的数学模型进行计算，得到经ECU控制后的虚拟柴油机状态，由以上流程再次将计算出来的运行参数发送给ECU控制器，形成硬件在环的闭环循环，从而实现对低速柴油机电控系统的测试和验证。
以上是本发明的一个最佳实施例，并不能以此来限制本发明的保护范围。本发明的保护范围还包括其它对于本领域技术人员来讲显而易见的变换和替代。

Claims (2)

1.一种低速柴油机电控硬件在环测试系统，其特征在于：用于多个控制器组成的低速柴油机电控系统测试及开发，通过建立实时仿真系统运行低速柴油机的数学模型，产生与安装在低速柴油机上的传感器一致的柴油机状态参数的模拟信号，低速柴油机电控硬件接收到所述模拟信号后发出柴油机的控制信号并反馈回实时仿真系统，实时仿真系统以所述控制信号作为控制参数，重新对低速柴油机数学模型进行运算，重复上述过程以构成完整的闭环测试系统，实现对低速柴油机电控系统的测试、验证及预标定；
所述的在环测试系统包括：
至少一个上位机开发平台，用于对低速柴油机的数学模型的开发和实时仿真软件、自动测试软件、故障注入软件及标定软件的系统管理；
实时仿真平台，通过以太网与所述上位机开发平台进行通信，采用实时操作系统运行低速柴油机的数学模型，进行信号参数的输出与采集并输出柴油机状态参数的信号，包括处理器板卡、发动机信号板卡、模拟量输入板卡、模拟量输出板卡和数字I/O板卡；
信号调理模块，连接所述实时仿真平台，将接收的实时仿真平台的柴油机状态参数信号调理转换为与安装在低速柴油机上的传感器一致的模拟信号，包括能够将所述数学模型的计算结果数值转化为模拟量输出或数字量输出的输出类板卡和能够将模拟量输入或数字量输入转化为数值的采集类板卡；
故障注入模块，连接位于所述信号调理模块与低速柴油机电控硬件之间，具有自动模拟故障注入功能和手动模拟故障注入功能，通过所述信号调理模块发出的开关控制信号，控制故障开关通断，实现自动模拟故障注入，通过直接引入激励信号或者断开连接，实现手动模拟故障注入；
断路测试盒，用于低速柴油机电控硬件与所述故障注入模块的连接，在不中断信号连接的情况下对信号进行静态测试，以确认信号是否正确，或者直接引入激励信号实现断开连接；
所述低速柴油机电控硬件根据收到的所述信号调理模块的与安装在低速柴油机上的传感器一致的模拟信号，通过本身的柴油机控制软件发出柴油机的控制信号，并反馈回所述实时仿真平台，该实时仿真平台以所述控制信号作为控制参数，重新对低速柴油机数学模型进行运算并重复上述过程，实现对低速柴油机电控系统的测试和验证。
2.根据权利要求1所述的低速柴油机电控硬件在环测试系统，其特征在于：所述的采集类板卡包括电流采集调理0～24mA电流转0～10V电压板卡、大电流采集调理0～5A电流转0～10V电压板卡和大电流采集调理0～25A电流转0～10V电压板卡；所述的输出类板卡包括电流输出调理0～10V电压转0～24mA电流板卡和数字信号输出调理标准TTL电平转0～50V电压板卡。
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