CN115469639A - 一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，通过通信模块与外部进行数据交互，实时跟踪发动机的运行位置，单次主喷或主喷的分段喷射都独立配置每个子段喷射的喷射正时与喷射持续期，通过监控界面面板配置多次喷射控制系统参数，并监控发动机喷油系统的工作状态。在对发动机进行实验标定的时候不需要更改软件和硬件条件，只需要通过预留的接口将设定参数导入即可。采用模块化的设计方法，能够缩短软件开发周期，能够尽快解决软件开发中遇到的各种问题，通用性强，实现方法简单，有效的提高了多次喷射控制策略的标定验证过程。建立后的系统运行稳定，能够实现良好的控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发动机控制方法，具体地说是发动机喷油控制方法。
背景技术
随着国际社会对船舶动力性能要求的不断提高，以及排放法规的不断严格，发动机面临着越来越严峻的形势挑战。无论是柴油机的性能提高还是柴油机排放水平的降低，究其根本源头都是对缸内燃烧过程的改善，多次喷射是改善柴油机缸内燃烧状态十分有效的手段，通过精确控制喷油器的喷射正时与喷油持续期，可以灵活的改变柴油机内的燃烧状态。在实验过程中，往往需要改变不同的喷射模式来取得动力性与经济性之间的平衡，喷射策略的灵活可调节无论是对柴油机性能的标定，还是满足不同条件下排放法规的要求都有着重要意义。
快速原型技术应用于控制系统产品研发的算法设计阶段与具体实现阶段之间。快速控制原型就是利用某种手段将开发的算法下载到某个计算机硬件平台中，该计算机硬件平台在实时条件下运行，模拟控制器，通过实际I/O设备与被控对象实物连接，验证算法的可靠性和准确度。要实现快速控制原型，必须有集成良好、便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具。用户选择的实时系统允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，减少设计错误，降低设计费用。
发明内容
本发明的目的在于提供能够大幅缩短多次喷射控制系统的开发周期，具有低耦合、高精度等特点的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：通过通信模块与外部进行数据交互，实时跟踪发动机的运行位置，单次主喷或主喷的分段喷射都独立配置每个子段喷射的喷射正时与喷射持续期，通过监控界面面板配置多次喷射控制系统参数，并监控发动机喷油系统的工作状态。
本发明还可以包括：
1、包括硬件平台，硬件平台包括计算模块与驱动模块，计算模块负责传感器信号的接收以及配置参数的导入计算，驱动模块负责将低压信号进行升压处理，驱动喷油器电磁阀进行工作。
2、将产生的脉冲信号传给外围驱动电路，外部驱动模块在接收到脉冲信号后会通过ECU将脉冲信号转换为不同电压驱动的驱动信号，实现喷油器的快开快闭。
3、通过软件生成的C代码通过导入到硬件平台中，与控制系统中正时同步程序相连接，通过软件编译时预留的接口进行数据传输，将多次喷射信号脉冲控制序列配置的相关信息从控制策略中传给计算单元的正时同步程序。
4、喷油脉冲产生模块与喷油器驱动模块之间的信号传递采用两种不同的方式：对于实时性要求较高的脉冲信号采用I/O口直接相连的方式，对于实时性不高的数据采用其他通信协议的方式进行传输。
5、信号脉冲产生模块不但具有传感器输入信号的整形滤波功能，还能根据整形后的方波信号跟踪柴油机活塞的运动位置，根据活塞的运动位置产生每个缸的喷油脉冲信号序列，该信号序列的周期是气缸做一次功曲轴转过的角度值。
6、喷油驱动信号模块根据喷油脉冲信号的上升沿确定每次喷射的喷油正时，根据喷油脉冲信号模块配置的喷油持续期数据传输到喷油驱动信号模块，经过ECU中程序的处理产生直接输入到喷油器中的信号。
7、外围驱动电路产生驱动信号的方式是通过外围驱动模块中的ECU控制两路电压信号产生的，一路电压为高压，由升压电路得到；另一路电压为低压，由外部电源输入得到；通过信号脉冲序列以及ECU中程序对驱动电路开关量的控制，实现喷油器驱动信号从信号脉冲上升沿处开始以高压电压开始驱动，然后以低压电压驱动保持一段时间，然后再关闭信号的驱动喷油器信号。
本发明的优势在于：
1、在对发动机进行实验标定的时候不需要更改软件和硬件条件，只需要通过预留的接口将设定参数导入即可，根据传感器接收的信号，在控制策略中查询喷油信号的配置信息，将产生的信号脉冲直接发给外围驱动电路就能进行喷油。
2、采用模块化的设计方法，能够缩短软件开发周期，能够尽快解决软件开发中遇到的各种问题，通用性强，实现方法简单，有效的提高了多次喷射控制策略的标定验证过程。
3、建立后的系统运行稳定，能够实现良好的控制效果。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为本发明cRIO中信号流程图；
图3为外围驱动电路信号流程图；
图4为ECU中程序流程图；
图5为多次喷射脉冲信号产生逻辑图；
图6为多次喷射次数为三时的波形图及单缸放大图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-6，多次喷射快速原型控制系统实现方法通过面向对象编程的思想对整体控制系统的程序进行设计，本方法通过通信模块与外部进行数据交互，该多次喷射控制系统能够高精度的实时跟踪发动机的运行位置，多次喷射次数能够灵活调节，无论是单次主喷，还是主喷的分段喷射都能够独立配置每个子段喷射的喷射正时与喷射持续期，通过监控界面面板能够配置多次喷射控制系统的相关参数，并能够监控发动机喷油系统的工作状态。
多次喷射快速原型控制系统的实现方法，包括硬件平台与软件平台，硬件平台包括计算模块与驱动模块，计算模块负责传感器信号的接收以及配置参数的导入计算，驱动模块负责将低压信号进行升压处理，驱动喷油器电磁阀进行工作。
为了保证喷油器的快速响应，将产生的脉冲信号传给外围驱动电路，外围驱动电路在接收到脉冲信号后会通过ECU将脉冲信号转换为不同电压驱动的驱动信号，实现喷油器的快开快闭；
根据传感器信号产生的喷油脉冲信号直接输入到外围驱动电路的I/O口，通过脉冲信号的特征，由外围驱动电路ECU中的程序产生即保证喷油器寿命又降低喷油器开闭延迟的喷油驱动信号。
控制策略是通过其他软件生成的C代码通过导入到硬件平台中，与计算单元产生的正时同步程序相连接，通过软件编译时预留的接口进行数据传输，将多次喷射信号脉冲控制序列配置的相关信息从控制策略中传给正时同步程序。
可调节喷油方式由喷油信号脉冲产生模块与喷油器驱动信号产生模块两部分组成，两个模块之间通过建立特定的信号传输方式进行连接。
喷射方式即包含单次喷射又包含多次喷射，单次喷射与多次喷射的喷射正时与喷油持续期留有单独的接口，根据具体喷射策略确定具体的输入数据。
喷油脉冲产生模块与喷油器驱动模块之间的信号传递采用两种不同的方式。对于实时性要求较高的脉冲信号采用I/O口直接相连的方式，对于实时性不高的数据采用其他通信协议的方式进行传输。
喷射方式可调节包括喷射模式的可调与喷射次数的可调，按照喷射模式划分可分为单词喷射和多次喷射，多次喷射的喷射次数可设置为2～6次。
信号脉冲产生模块不但具有传感器输入信号的整形滤波功能，还能根据整形后的方波信号跟踪柴油机活塞的运动位置，根据活塞的运动位置产生每个缸的喷油脉冲信号序列，该信号序列的周期是气缸做一次功曲轴转过的角度值。
喷油驱动信号模块，根据喷油脉冲信号的上升沿确定每次喷射的喷油正时，根据喷油脉冲信号模块配置的喷油持续期等数据传输到喷油驱动信号模块，经过ECU中程序的处理产生直接输入到喷油器中的信号。
喷射方式可调中的单次喷射需要喷油正时与喷油持续的接口数据输入，而多次喷射需要喷射正时，还要配置多次喷射中预喷主喷之间的时间间隔以及每次预喷或主喷的时间间隔，这些配置都是在控制策略中计算得出的，然后通过通讯协议将配置信息传到外围驱动电路中。
外围驱动电路产生驱动信号的方式是通过外围驱动模块中的ECU控制两路电压信号产生的，一路电压为高压，另一路电压为低压，通过信号脉冲序列以及ECU中程序对驱动电路开关量的控制，实现喷油器驱动信号从信号脉冲上升沿处开始以高压电压开始驱动，然后以低压电压驱动保持一段时间，然后再关闭信号的驱动喷油器信号。
喷油持续期是已经根据喷油器以及Map标定的结果，根据传感器信号的采集，将相关信号传给控制策略中，查询Map图得到实际的喷油持续期。
通过NI硬件cRIO平台开发多次喷射正时同步程序，通过图形化语言LabVIEW对程序进行编程，对于cRIO中程序的配置是通过上位机电脑来进行的，通过软件Veristand软件实现多平台模型的相互连接，通过预留的数据接口进行C语言程序模块之间的数据交换。将正时同步程序、控制策略模型、多次喷射程序通过Veristand下载配置到cRIO中，通过对多次喷射信号的配置，配合正时同步程序对每个气缸中活塞位置的实时跟踪，产生可调节的多次喷射信号序列，其中多次喷射信号的配置信息主要是由控制策略通过接收传感器的信号给出的，通过调节控制策略中的Map或者通过外部数据的直接输入调节多次喷射信号序列之间主喷与预喷的间隔，而控制策略中根据实际工况得到喷油正时以及喷油脉宽通过通信模块传给外围驱动电路中的ECU，其中通信模块可以采用串口或者CAN等协议。采用CAN进行通讯时，应该为CAN配置一路触发信号，在每个缸进行喷油的前一时刻将喷射脉冲序列的配置信息传出去，这样避免CAN信号一直发送信息，保证了喷油脉冲序列的实时性。对于喷油脉冲序列就需要通过IO接口的直接连接将信号传给外部ECU，由于信号波形的采样点较多，不能保正实时性的准确，使喷油正时造成较大偏差。
正时同步程序是根据曲轴信号和凸轮轴信号中两个齿之间的间隔判定当前曲轴的位置，再根据每个气缸的相对位置关系得到每个气缸中活塞的位置，该位置信息通过当前转速以及板载时钟频率进行更新。
外围驱动电路的主要作用是驱动喷油器，通过外接一个24V的电源，通过喷油脉冲信号序列来控制高压电路，进而驱动喷油器。为了使喷油器快速开启，采用升压电路，将24V电压升到48V，对于多次喷射中的预喷而言，以48V电压驱动的喷油器先开启然后立即断电关闭，而对于主喷而言，为了防止电磁线圈温度过高，又要保持足够的喷油脉宽，需要将48V电压降低至24V驱动喷油器。多次喷射的接口配置可以选择喷射模式，喷射模式大致分为两类，一种是单次喷射，另一种是多次喷射，多次喷射的次数为2-6次，可以满足绝大多数喷射次数的要求。对于一个周期内一个气缸中多次喷射预喷与主喷的时间间隔是通过接口配置决定的，以曲轴转角为单位，在产生完整的多次喷射喷油序列后，通过信号的上升沿触发喷油正时。
对于传感器信号而言，由于外界信号的干扰，需要对传感器信号进行滤波整型，使控制策略模块与正时同步模块能够得到正确的配置信息，最终产生准确的喷油脉冲序列。
喷油驱动电路在接收到喷油信号脉冲、主喷预喷的喷油持续期、喷油模式等配置信息后，会通过喷射策略控制模块与ECU中的中断控制模块完成喷油脉冲序列的解析与处理。根据不同喷射模式下自动选择预喷和主喷的喷射次数和对应的配置信号，最终实现预喷的喷油驱动信号在48V高压信号的驱动信号下开启后直接关闭，主喷信号在48V高压驱动信号下先使喷油器打开，然后将电压降低至24V使喷油器保持开口大小，最后到对应的喷油持续期结束时，关闭开关使喷油器完全关闭。
对于喷射驱动信号主喷与预喷的喷油持续期，需要通过查询控制策略中的Map图来实现，根据喷油器型号的不同需要对喷油量与喷油持续期的关系进行事先标定，这样才能使多次喷射的调节对实际的缸内燃烧实现精确控制。
Claims (8)
1.一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：通过通信模块与外部进行数据交互，实时跟踪发动机的运行位置，单次主喷或主喷的分段喷射都独立配置每个子段喷射的喷射正时与喷射持续期，通过监控界面面板配置多次喷射控制系统参数，并监控发动机喷油系统的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：包括硬件平台，硬件平台包括计算模块与驱动模块，计算模块负责传感器信号的接收以及配置参数的导入计算，驱动模块负责将低压信号进行升压处理，驱动喷油器电磁阀进行工作。
3.根据权利要求1所述的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：将产生的脉冲信号传给外围驱动电路，外部驱动模块在接收到脉冲信号后会通过ECU将脉冲信号转换为不同电压驱动的驱动信号，实现喷油器的快开快闭。
4.根据权利要求1所述的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：通过软件生成的C代码通过导入到硬件平台中，与控制系统中正时同步程序相连接，通过软件编译时预留的接口进行数据传输，将多次喷射信号脉冲控制序列配置的相关信息从控制策略中传给计算单元的正时同步程序。
5.根据权利要求1所述的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：喷油脉冲产生模块与喷油器驱动模块之间的信号传递采用两种不同的方式：对于实时性要求较高的脉冲信号采用I/O口直接相连的方式，对于实时性不高的数据采用其他通信协议的方式进行传输。
6.根据权利要求1所述的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：信号脉冲产生模块不但具有传感器输入信号的整形滤波功能，还能根据整形后的方波信号跟踪柴油机活塞的运动位置，根据活塞的运动位置产生每个缸的喷油脉冲信号序列，该信号序列的周期是气缸做一次功曲轴转过的角度值。
7.根据权利要求1所述的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：喷油驱动信号模块根据喷油脉冲信号的上升沿确定每次喷射的喷油正时，根据喷油脉冲信号模块配置的喷油持续期数据传输到喷油驱动信号模块，经过ECU中程序的处理产生直接输入到喷油器中的信号。
8.根据权利要求1所述的一种发动机多次喷射快速原型控制系统的实现方法，其特征是：外围驱动电路产生驱动信号的方式是通过外围驱动模块中的ECU控制两路电压信号产生的，一路电压为高压，由升压电路得到；另一路电压为低压，由外部电源输入得到；通过信号脉冲序列以及ECU中程序对驱动电路开关量的控制，实现喷油器驱动信号从信号脉冲上升沿处开始以高压电压开始驱动，然后以低压电压驱动保持一段时间，然后再关闭信号的驱动喷油器信号。
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