CN105443213B - 一种基于模拟电路的氧化催化器硬件在环仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于模拟电路的氧化催化器硬件在环仿真系统，包括电源单元、主控单元、电路单元和上位机。基于热电相似原理，将氧化催化器（DOC）中温度场特性映射到电路中，通过采集发动机排气温度并将其转化为电压信号，利用模拟电路的电压变化特性模拟DOC中不同位置温度响应特性。采用真实硬件电路，电路响应特性与DOC相一致，不涉及数值求解中的定时器及时间补偿问题，直接获取系统的实时响应特性。不涉及计算求解，不占用计算资源。利用该仿真系统，通过在线或离线测试的方法，就能获取DOC温度响应特性的相关数据，仿真系统的阶跃响应特性与Simulink仿真模型计算结果吻合，且温度响应特性连续性更好，适合用于发动机后处理系统控制器的设计和验证。

Description

一种基于模拟电路的氧化催化器硬件在环仿真系统

技术领域

本发明涉及一种发动机排放后处理硬件在环系统领域，特别是涉及一种基于模拟电路的氧化催化器硬件在环仿真系统。

背景技术

随着环境问题受到越来越广泛的关注，发动机排放控制已成为社会关注的热点。传统的机内净化已无法满足发动机日益严格的排放法规，只能采用在发动机排气系统中加装额外的后处理系统来降低发动机的排放，例如DOC。

发动机后处理系统的一个典型特征是其分布式参数特性，分布式参数系统相应的仿真建模及求解都极为复杂，一般采用计算流体力学（CFD）的方法。这样的建模与求解计算量极大，对求解计算机硬件要求较高，且很难应用于控制算法的设计或验证。

目前，国内外对 DOC模型可以分为零维模型，一维模型，三维模型。

零维模型是将整个 DOC 作为一个整体考虑，仅考虑时间变化而不考虑任何空间分布问题。DOC 的温度即为气体的出口温度。这样得到的控制方程为常微分方程，因此零维模型的计算比较简单。但是零维模型做了大量的简化，没有考虑温度的空间分布，模型精度较低。

一维模型，不仅考虑时间变化，还考虑温度沿轴向的变化。一维模型的控制方程为偏微分方程组，可采用单元离散的方法进行求解。这种模型精度相对有所提高，可以在一定程度上描述 DOC 内部温度场分布，但其求解精度与离散单元数相关，精度越高则要求离散单元数越多，相应的微分方程组阶数越高，计算量越大。较高精度的实时求解需要耗费大量计算资源，且求解结果在时间上是离散的。

三维模型不仅考虑时间的变化，还可计算温度在整个空间的分布，三维模型的控制方程是更为复杂的偏微分方程组。三维模型仿真可以得到DOC 内部温度场云图，可以直观的观察到DOC 内部温度分布及其随时间的变化，且仿真精度高，但是需要借助专业的CFD软件，其对计算环境要求极高，计算量巨大，不适合在嵌入式系统中实时求解。

发明内容

为了解决已有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于模拟电路的硬件在环仿真系统。

本发明的一种基于模拟电路的氧化催化器硬件在环仿真系统，氧化催化器简称DOC，包括电源单元、主控单元、电路单元和上位机。

主控单元与上位机通过CAN接口卡连接，主控单元与电路单元通过直插方式连接，电源单元与主控单元通过拔插式接线端子连接，电源单元通过电平转换芯片为各模块提供所需电压。

主控单元包含微控制器（ECU）、温度采集模块、D/A转换模块、A/D转换模块、CAN通信模块，主控单元内存储和运行有程序，根据程序指令为电路单元提供电压信号、采集发动机排气温度信号、采集电路单元反馈电压信号、与上位机通过CAN通信模块进行数据传输，将信息实时上传到上位机；

所述的仿真系统可以进行在线测试或离线测试；

在线测试，发动机排气温度信号的采集分为两种方式：对于具备发动机排气温度信号采集功能的发动机台架，通过CAN总线实时读取出台架试验中发动机排气温度数据；或者，对于不具备发动机排气温度信号采集功能的发动机台架，通过主控单元中的温度采集模块进行发动机排气温度信号采集；

离线测试，是指将已通过发动机台架实验获取到的DOC排气温度数据存储到主控单元中，采用离线的方法进行DOC温度特性的仿真。而且，该仿真系统还能够克服现有DOC数值模型的实时求解对硬件资源要求高、计算量巨大，求解结果不连续等问题。

电路单元为2个以上，电路单元个数可根据仿真精度需要，进行灵活选择。每个电路单元均包含运算放大器、模拟乘法器和同相端调零电路模块；电路单元加入运放同相端调零电路模块，减少了运算放大器自身的零漂造成的系统误差、提高仿真系统精度。

利用下面的偏微分方程组作为数学模型，对输入信号进行放大、乘积、求和、积分运算；

基于传热学的基本原理，搭建DOC分布式参数模型，一维分布式参数模型的控制方程为偏微分方程组，用公式1表示：

将公式1做离散化处理，其中第k个单元的控制方程用公式2表示：

基于热电相似原理写出第k个单元电路的瞬态方程，用公式3表示：

上位机是以NI Labview 为软件平台建立了人机交互界面，建立数据接收模块、数据存储模块和数据显示模块；

数据接收模块是将上位机通过CAN接口卡与主控单元进行数据传输，将包括有电路单元反馈的电压信号，通过CAN通信模块将CAN报文帧从主控单元发送至上位机的模块；

数据存储模块是将上位机将接收到的数据以xlsx的格式进行保存的模块；

数据显示模块是将从采集到的CAN报文帧中解析出实时采集的电压模拟信号，同时通过数据处理，将电压模拟信号转换为温度信号，再以波形图的形式在上位机界面上显示的模块。

有益效果：本发明的一种基于模拟电路的DOC硬件在环仿真系统，基于热电相似的原理，将DOC中的温度场特性映射到电路中，通过采集发动机排气温度并将其转化为电压信号，利用模拟电路的电压变化特性模拟DOC中不同位置的温度响应特性。由于本发明采用真实硬件电路，设计电路响应特性与DOC中温度响应特性相一致，所以不涉及数值求解中的定时器及时间补偿问题，直接获取系统的实时响应特性。同时，由于通过硬件电路电压响应获取DOC温度响应特性，动态过程不涉及任何计算求解，不占用任何计算资源。所以，本发明对基于模型的高性能控制器和硬件在环系统具有重要的技术应用意义。

本发明可以不用进行发动机台架试验，只利用该仿真系统，通过在线或离线测试的方法，就能获取DOC温度响应特性的相关数据。而且，还可以克服现有DOC数值模型的实时求解对硬件资源要求高、计算量巨大，求解结果不连续等问题。

由于本发明利用模拟电路，对输入信号进行放大、乘积、求和、积分运算，模拟DOC系统中温度场的响应特性。所以本发明不但可以实时模拟DOC内部温度场的动态特性，而且无需额外计算资源，实时性可靠性高，模型独立响应与系统复杂度解耦，非常适合用于发动机后处理系统控制器的设计和验证。

仿真测试

为了验证本发明的一种基于模拟电路的DOC硬件在环仿真系统的可行性，测试了该仿真系统的阶跃响应特性，并将本发明的仿真系统模拟的实时温度响应特性与Simulink仿真模型计算得到的温度响应特性进行了对比，二者具有非常相似的响应特性，而且本发明的仿真系统的温度响应特性连续性更好，从而证明了本发明的仿真系统的可行性。

附图说明

图1 本发明的一种基于模拟电路的DOC 硬件在环系统的结构示意方框图。

图2 本发明的一种基于模拟电路的DOC 硬件在环系统的软件程序流程图。

图3 一种基于模拟电路的DOC硬件在环仿真系统阶跃工况下测试结果图。

图4 阶跃工况下Simulink仿真结果图。

具体实施方式

实施例1 如图1所示， 本发明的一种基于模拟电路的DOC硬件在环仿真系统，包括电源单元、主控单元、电路单元和上位机。

主控单元与上位机通过CAN接口卡连接，主控单元与电路单元通过直插方式连接，电源单元与主控单元通过拔插式接线端子连接，电源单元通过电平转换芯片为各模块提供所需电压。

主控单元包含微控制器（ECU）、温度采集模块、D/A转换模块、A/D转换模块、CAN通信模块，主控单元内存储和运行有程序（如图2所示），根据程序指令为电路单元提供电压信号、采集发动机排气温度信号、采集电路单元反馈电压信号、与上位机通过CAN通信模块进行数据传输，将信息实时上传到上位机；

所述的主控单元内存储和运行有程序的软件流程如下：

进行步骤100，开始；

进行步骤105，初始化；

进行步骤110，读取发动机的排气温度；对于发动机台架实验中可通过CAN总线直接获取发动机排气温度数据的情形，将该仿真系统与发动机台架通过CAN总线，实时读取出台架试验中发动机排气温度数据，采用在线的方法进行DOC温度特性的仿真；或者，对于不具备发动机排气温度信号采集功能的台架，通过该仿真系统主控单元中的温度采集模块进行发动机排气温度信号采集；

进行步骤115，通过电路单元计算入口温度、空气流速和CH喷射量；

进行步骤120，D/A转换模块输出对应的电压信号；

进行步骤125，各电路单元实时仿真；

进行步骤130，A/D模块实时采集电路单元的电压信号；

进行步骤135，上位机对从CAN 得到的数据进行解析、存储，同时通过数据处理，将A/D采集模块采集的电压模拟信号转换为温度信号，并以波形图的形式在上位机界面实时显示；

进行步骤140，仿真完毕；否，进行步骤130，A/D模块实时采集电路单元的电压信号；是，进行步骤145，结束。

所述的仿真系统可以进行在线测试或离线测试；

在线测试，发动机排气温度信号的采集分为两种方式：对于具备发动机排气温度信号采集功能的发动机台架，通过CAN总线实时读取出台架试验中发动机排气温度数据；或者，对于不具备发动机排气温度信号采集功能的发动机台架，通过主控单元中的温度采集模块进行发动机排气温度信号采集；

离线测试，离线测试是指将已通过发动机台架实验获取到的DOC排气温度数据存储到主控单元中，采用离线的方法进行DOC温度特性的仿真。而且，该仿真系统还能够克服现有DOC数值模型的实时求解对硬件资源要求高、计算量巨大，求解结果不连续等问题。

本实施例中，为确保足够的仿真精度，电路单元个数选择为6个，每个电路单元均包含运算放大器、模拟乘法器和同相端调零电路模块；电路单元加入运放同相端调零电路模块，减少了运算放大器自身的零漂造成的系统误差、提高仿真系统精度。

利用下面的偏微分方程组作为数学模型，对输入信号进行放大、乘积、求和、积分运算；

基于传热学的基本原理，搭建DOC分布式参数模型，一维分布式参数模型的控制方程为偏微分方程组，用公式1表示：

将公式1做离散化处理，其中第k个单元的控制方程用公式2表示：

基于热电相似原理写出第k个单元电路的瞬态方程，用公式3表示：

上位机是以NI Labview 为软件平台建立了人机交互界面，建立数据接收模块、数据存储模块和数据显示模块；

数据接收模块是将上位机通过CAN接口卡与主控单元进行数据传输，将包括有电路单元反馈的电压信号，通过CAN通信模块将CAN报文帧从主控单元发送至上位机的模块；

数据存储模块是将上位机将接收到的数据以xlsx的格式进行保存的模块；

数据显示模块是将从采集到的CAN报文帧中解析出实时采集的电压模拟信号，同时通过数据处理，将电压模拟信号转换为温度信号，再以波形图的形式在上位机界面上显示的模块。

仿真测试

为了验证本发明的一种基于模拟电路的DOC硬件在环仿真系统的可行性，测试了该仿真系统的阶跃响应特性，并将本发明的仿真系统模拟的实时温度响应特性与Simulink仿真模型计算得到的温度响应特性进行了对比，二者具有非常相似的响应特性，而且本发明的仿真系统的温度响应特性连续性更好，从而证明了本发明的仿真系统的可行性。

所用到的测试仪器有TEK TDS 1012C示波器，无源电压探头。测试了本发明的仿真系统的阶跃工况的响应特性，将所得到的示波器测试结果与在相同工况下用Simulink得到的仿真结果进行比较。从图3-1和图3-2的对比中可以看出，该仿真系统实测的响应特性与Simulink中的仿真结果相吻合。实验证明，一种基于模拟电路的DOC硬件在环仿真系统的电压响应与用Simulink模型计算得到的DOC温度场的温度响应基本一致。

Claims (1)

1.一种基于模拟电路的氧化催化器硬件在环仿真系统，其特征在于，包括电源单元、主控单元、电路单元和上位机；

主控单元与上位机通过CAN接口卡连接，主控单元与电路单元通过直插方式连接，电源单元与主控单元通过拔插式接线端子连接，电源单元通过电平转换芯片为各模块提供所需电压；

主控单元包含微控制器（ECU）、温度采集模块、D/A转换模块、A/D转换模块、CAN通信模块，主控单元内存储和运行有程序，根据程序指令为电路单元提供电压信号、采集发动机排气温度信号、采集电路单元反馈电压信号、与上位机通过CAN通信模块进行数据传输，将信息实时上传到上位机；

所述的仿真系统可以进行在线测试或离线测试；

在线测试，发动机排气温度信号的采集分为两种方式：对于具备发动机排气温度信号采集功能的发动机台架，通过CAN总线实时读取出台架试验中发动机排气温度数据；或者，对于不具备发动机排气温度信号采集功能的发动机台架，通过主控单元中的温度采集模块进行发动机排气温度信号采集；

离线测试，离线测试是指将已通过发动机台架实验获取到的DOC排气温度数据存储到主控单元中，采用离线的方法进行DOC温度特性的仿真；

电路单元为2个以上，每个电路单元均包含运算放大器、模拟乘法器和同相端调零电路模块；

利用下面的偏微分方程组作为数学模型，对输入信号进行放大、乘积、求和、积分运算；

基于传热学的基本原理，搭建DOC分布式参数模型，一维分布式参数模型的控制方程为偏微分方程组，用公式1表示：

将公式1做离散化处理，其中第k个单元的控制方程用公式2表示：

基于热电相似原理写出第k个单元电路的瞬态方程，用公式3表示：

上位机是以NI Labview 为软件平台建立了人机交互界面，建立数据接收模块、数据存储模块和数据显示模块；

数据接收模块是将上位机通过CAN接口卡与主控单元进行数据传输，将包括有电路单元反馈的电压信号，通过CAN通信模块将CAN报文帧从主控单元发送至上位机的模块；

数据存储模块是将上位机将接收到的数据以xlsx的格式进行保存的模块；

数据显示模块是将从采集到的CAN报文帧中解析出实时采集的电压模拟信号，同时通过数据处理，将电压模拟信号转换为温度信号，再以波形图的形式在上位机界面上显示的模块。