专利名称：燃气发动机电控喷射控制设备及控制方法
技术领域：
本发明涉及车用燃气发动机电控技术，特别涉及基于工业计算机的车用燃气发动机电控喷射技术领域。
背景技术：
燃气发动机是指燃烧气体燃料(如液化石油气LPG、压缩天然气CNG、液化天然气LNG、氢气和煤气等)的发动机。发动机燃用气体燃料能够降低有害污染物的排放，对于解决能源短缺、减轻大气污染和汽车能源多样化有积极的意义。电子控制单元(简称ECU)是燃气发动机的核心技术部件，而软件(控制算法)和硬件电路(传感器采集电路和执行器驱动电路)设计的优劣直接影响燃气发动机电控单元整体控制品质。目前车用燃气发动机电控单元几乎全部采用以单片机为核心的控制器。由于单片机的硬件、软件资源有限，在车用燃气发动机电控喷射技术开发过程中，会受到诸多条件限制，很难进行多方案、复杂控制算法的分析调试及系统特性的实时仿真，用于燃气发动机电控喷射技术的开发十分不方便。虽然专利为CN1749544A的专利文件公开了一种采用工控机(工业控制计算机)为核心的控制系统，用于燃气发动机的燃气供给控制。但该系统采用的是步进电机控制方式，而非新型的喷射式控制方式，同时该系统也不具备控制算法开发、调试和仿真功能。
目前国内外已研发出用于发动机控制器开发的商业化软件和设备，如dSPACE公司的Microbox、Pi Technology推出的适合于汽油机ECU快速控制开发平台OpenECU系统、Accurate Technologies(ATI)的基于目标ECU控制策略快速开发环境的No-Hooks OnTarget和江奎科技有限公司的多功能汽车发动机电控单元快速开发平台UECU。但是这类商业化产品针对性很强，适用范围窄，主要针对燃油发动机。国内专利号为CN1641505A和CN1402187A的发明创造都提出了一种控制器仿真测试系统，两者只具备仿真调试功能，其目的均是为汽车控制器提供一个虚拟的检测平台。专利号CN1687849A的发明创造利用单片机建立了一个多功能电子控制单元的开发平台，但该平台不具备控制策略仿真和评估功能。
发明内容本发明的目的在于提供一种能够实现车用燃气发动机多点燃气喷射控制、控制参数的在线调整和发动机运行状态的实时监测；能够进行燃气喷射控制算法开发和离线仿真分析；能够进行控制器部分硬件性能测试的半物理仿真(或称为硬件在环仿真)的车用燃气发动机电控喷射控制设备及方法。
本发明的组成为
本发明的产品的技术方案它包括开发装置、运行装置和信号处理装置，开发装置通过Ethernet网络与运行装置连接，运行装置与信号处理装置互联，信号处理装置包括工业数据采集板卡、输入信号调理模块和输出信号驱动模块，工业数据采集板卡与运行装置互联，输入信号调理模块连接工业数据采集板卡，安装在燃气发动机上的传感器连接输入信号调理模块，工业数据采集板卡的输出连接输出信号驱动模块，输出信号驱动模块连接燃气发动机执行机构。
本发明的控制方法为开发装置利用MATLAB图形化编程开发环境建立相应的燃气发动机控制系统模型，利用RTW生成燃气发动机控制模型的xPC目标代码，在建立控制模型后，通过离线状态的仿真分析，初步对控制算法的控制效果进行评估；运行装置实时运行燃气发动机控制模型的xPC目标代码，信号处理装置反馈发动机信息给运行装置，运行装置根据信号处理装置提供的发动机信息判断发动机的运行工况，通过实时计算，调整和标定运行装置的控制参数，在线控制多点燃气喷射阀、点火线圈、怠速步进电机、喷嘴和点火驱动电路，开发装置和运行装置之间采用TCP/IP协议进行网络通信，开发装置对运行装置实时运行的控制算法中控制参数在线调整和标定并将监测到的数据实时保存。
本发明还有这样一些技术特征1、所述的运行装置的实时计算参量包括实时计算出燃油喷射阀的喷射时刻和基本脉宽、闭环空燃比调节的喷射脉宽、点火提前角、点火初级线圈闭合角和怠速步进电机的位移等基本控制参量，通过信号处理装置采集板卡的数字输出D/O和多点喷射控制阀驱动电路、点火驱动电路和怠速步进电机驱动电路控制多点燃气喷射阀和点火线圈等执行机构；2、所述的开发装置将基于MATLAB环境建立的燃气发动机控制模型和控制参数在线调整编译成可执行代码通过Ethernet下载到运行装置；3、所述的运行装置采用xPC Target实时内核；4、所述的输入信号调理电路连接节气门传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、转速传感器和氧传感器，输出信号驱动电路包括点火驱动电路、多点喷射控制阀驱动电路和怠速电机驱动电路，点火驱动电路连接点火线圈，怠速电机驱动电路连接怠速电机，多点喷射控制阀驱动电路连接低压燃气喷嘴。
本发明燃气发动机电控喷射技术研发设备由开发装置、运行装置和信号处理装置三部分组成。开发装置的计算机称为上位机，主要完成控制模型的设计、接口模块的设计，监控界面的设计以及通过MATLAB/RTW编译生成目标应用程序。开发装置通过Ethernet网络与运行装置连接，控制运行装置仿真进程的开始、停止、仿真装置运行参数和仿真模型参数的在线调整，开发装置目标应用程序的下载和运行装置计算结果的上传。运行装置的计算机称为下位机。开发装置编译生成的目标应用程序在下位机上具有很高的实时运算速度，能够满足实时控制对采样步长的要求。运行装置通过信号处理装置将下位机与燃气发动机上的传感器和执行机构相连，组成一个闭环控制系统。信号处理装置包括安装在下位机上的工业数据采集板卡、输入信号调理模块和输出信号驱动模块组成。安装在燃气发动机的传感器信号通过输入信号调理模块整形和滤波后，接到下位机采集板卡的信号端子板上。采集板卡的输出信号经过输出信号驱动模块连接燃气发动机执行机构。
下位计算机根据发动机传感器采集的信息，判断发动机的运行工况，实时计算出燃油喷射阀的喷射时刻和基本脉宽、闭环空燃比调节的喷射脉宽、点火提前角、点火初级线圈闭合角和怠速步进电机的位移等基本控制参量，通过采集板卡的数字输出D/O和自主设计的多点喷射控制阀驱动电路、点火驱动电路和怠速步进电机驱动电路实现上述控制。上位计算机通过网络对下位计算机实时运行的控制算法中控制参数在线调整和标定，实现远程监测和控制；上位计算机将监测到的数据实时保存。
本发明的工作原理是开发装置的上位计算机安装MATLAB图形化编程开发环境。根据不同的开发目的，建立相应的燃气发动机控制系统模型，主要包括参数采集接口模块、数据信号处理模块、燃气喷射控制算法、计算结果处理及显示模块。利用RTW生成燃气发动机控制模型的xPC目标代码。在建立控制模型后，通过离线状态的仿真分析，初步对控制算法的控制效果进行评估。运行装置实时运行燃气发动机控制模型的xPC目标代码，根据信号处理装置提供的发动机信息，判断发动机的运行工况，通过实时计算，在线控制多点燃气喷射阀和点火线圈等执行机构。开发装置计算机和运行装置计算机之间采用TCP/IP协议进行网络通信，开发装置可以在线调整和标定运行装置的控制参数。
本发明是一种能够进行车用燃气发动机电控喷射技术开发的设备。它能够在线实现车用燃气发动机的喷射控制，控制参数在线调整和发动机运行状态实时监测；能够在该设备上离线进行燃气喷射控制算法开发和仿真；能够进行控制器部分硬件性能测试的半物理仿真(或称为硬件在环仿真)功能。本发明的优点在于由于该设备运行装置计算机是基于MATLAB环境运行的，可根据不同车型对燃气发动机控制模型的参数进行快速修改，或建立新的发动机控制系统模型，因此平台是完全开放和通用的，具有很好的利用前景。根据开发目的和考核目标的要求，该设备能够完整或部分的实现产品级控制器的功能，如车用燃气发动机多点燃气喷射、点火、怠速和闭环空燃比控制等，为燃气发动机电控技术研发提供快捷的开发测试环境；利用该设备能够实时监测车用燃气发动机运行状态，在线显示和保存试验数据；该设备能够对发动机的系统特性进行全面离线或在线的仿真分析，能够快速实现不同控制算法的发动机性能对比试验。
图1为本发明的结构框图；图2～图8为本发明信号处理装置电路图；图9为本发明的实施框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明结合图1，本实施例包括上位机，连接上位机的下位机，与下位机互联的采集板卡，连接采集板卡的输入信号调理电路和输出信号驱动电路，节气门传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、转速传感器和氧传感器连接输入信号调理电路，驱动电路包括点火驱动电路、多点喷射控制阀驱动电路和怠速步进电机驱动电路，点火驱动电路连接点火线圈，怠速电机驱动电路连接怠速电机，多点喷射控制阀驱动电路连接低压燃气喷嘴。
实施例中下位计算机采用PIV2.4GHz处理器，采集板卡选用研华公司的PCL812PG多功能采集板卡，该板卡提供16路12位ADC、2路DAC、16路D/I和16路D/O。信号处理装置的电路部分由图2～图8组成。
图2为燃气发动机氧传感器信号处理电路。采用TLC4501CD自动校准高精密运算放大器组成的差动放大电路实现氧传感器信号的处理，并通过采集板卡AD0输入到下位计算机。
图3为燃气发动机爆震传感器信号处理电路。采用TLC4501CD自动校准高精密运算放大器组成的放大电路实现爆震传感器信号处理，并通过采集板卡AD1输入到下位计算机。
图4为信号处理装置的信号接口端子。该端子接口信号顺序为1、33-12V电源(+)；2、34-信号地GND(电源地)；3～4-氧传感器O2；5～6-爆震传感器knock；7-节气门传感器TPS；8-怠速节气门信号ITPS；9-怠速开关Iswitch；10-水温传感器Tw；11-空气温度传感器TA；12-转速传感器SP；13-霍尔传感器；14-MAP传感器；15～18-燃气喷射控制信号(+)；19～20-点火信号；21～28-怠速步进电机控制信号；29～32燃气喷射控制信号(-)。
图5为信号处理电路与采集板卡连接的端子。该端子接口与采集板卡端口信号连接如表1所示。
图6为电源模块。信号处理装置外部供给电源为+12V，由于TLC4501CD和L298芯片需要+5V电源，因此增加了电源模块。该模块采用LM7805芯片。
图7为采用L298芯片组成的怠速步进电机驱动电路。
图8为采用L298组成的燃气喷嘴电磁阀驱动电路。
表1 PCL812PG采集板卡通道信号分配
发动机节气门传感器、怠速节气门信号、怠速开关、冷却液温度、进气温度传感器和进气压力传感器传感器，这4路模拟信号通过采集板卡AD2～AD7通道输入到下位计算机。
转速传感器和霍尔传感器通过采集板卡数字输入DI1和DI2采集到下位计算机。
下位计算机根据发动机传感器采集的信息，判断发动机的运行工况，实时计算出燃油喷射阀的喷射时刻和基本脉宽、闭环空燃比调节的喷射脉宽、点火提前角、点火初级线圈闭合角和怠速电机的位移等基本控制参量，通过采集板卡DO1～DO4和喷射驱动电路控制4个燃气喷射电磁阀、通过采集板卡DO5和DO6控制发动机点火时序，通过采集板卡DO7～DO10和怠速步进电机驱动电路实现怠速控制。
结合图3，本实施例由上位计算机、下位计算机和发动机及安装在其上的传感器和执行器。如前所述，本发明具备燃气发动机在线控制、控制算法离线仿真和控制器硬件在环仿真三种功能。其中，控制算法离线开发和控制器硬件在环仿真不需要真实发动机，因此发动机用虚框表示。在上位计算机实现四种功能建立燃气发动机控制系统模型、生成系统控制模型代码、控制算法的离线仿真分析和控制效果的评估和试验数据后处理。下位机实时运行发动机模型，通过信号处理装置采集发动机运行工况信息，实现燃气喷射控制。
权利要求
1.一种燃气发动机电控喷射控制设备，其特征在于它包括开发装置、运行装置和信号处理装置，开发装置通过Ethernet网络与运行装置连接，运行装置与信号处理装置互联，信号处理装置包括工业数据采集板卡、输入信号调理模块和输出信号驱动模块，工业数据采集板卡与运行装置互联，输入信号调理模块连接工业数据采集板卡，安装在燃气发动机上的传感器连接输入信号调理模块，工业数据采集板卡的输出连接输出信号驱动模块，输出信号驱动模块连接燃气发动机执行机构。
2.根据权利要求1所述的燃气发动机电控喷射控制设备，其特征在于所述的运行装置采用xPC Target实时内核。
3.根据权利要求1或2所述的燃气发动机电控喷射控制设备，其特征在于所述的输入信号调理电路连接节气门传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、转速传感器和氧传感器，输出信号驱动电路包括点火驱动电路、多点喷射控制阀驱动电路和怠速电机驱动电路，点火驱动电路连接点火线圈，怠速电机驱动电路连接怠速电机，多点喷射控制阀驱动电路连接低压燃气喷嘴。
4.一种燃气发动机电控喷射控制方法，其特征在于开发装置利用MATLAB图形化编程开发环境建立相应的燃气发动机控制系统模型，利用RTW生成燃气发动机控制模型的xPC目标代码，在建立控制模型后，通过离线状态的仿真分析，初步对控制算法的控制效果进行评估；运行装置实时运行燃气发动机控制模型的xPC目标代码，信号处理装置反馈发动机信息给运行装置，运行装置根据信号处理装置提供的发动机信息判断发动机的运行工况，通过实时计算，调整和标定运行装置的控制参数，在线控制多点燃气喷射阀、点火线圈和怠速步进电机，开发装置和运行装置之间采用TCP/IP协议进行网络通信，开发装置对运行装置实时运行的控制算法中控制参数在线调整和标定并将监测到的数据实时保存。
5.根据权利要求4所述的燃气发动机电控喷射控制方法，其特征在于所述的运行装置的实时计算参量包括实时计算出燃油喷射阀的喷射时刻和基本脉宽、闭环空燃比调节的喷射脉宽、点火提前角、点火初级线圈闭合角和怠速步进电机的位移等基本控制参量，通过信号处理装置采集板卡的数字输出D/O和多点喷射控制阀驱动电路、点火驱动电路和怠速步进电机驱动电路控制多点燃气喷射阀和点火线圈等执行机构。
6.根据权利要求4或5所述的燃气发动机电控喷射控制方法，其特征在于所述的开发装置将基于MATLAB环境建立的燃气发动机控制模型和控制参数在线调整编译成可执行代码通过Ethernet下载到运行装置。
全文摘要
本发明提供了一种车用燃气发动机电控喷射控制设备及方法。设备包括开发装置、运行装置和信号处理装置，开发装置通过Ethernet网络与运行装置连接，运行装置与信号处理装置互联；控制方法为开发装置建立燃气发动机控制系统模型，运行装置实时运行燃气发动机控制模型的xPC目标代码，信号处理装置反馈发动机信息给运行装置，运行装置根据信号处理装置提供的发动机信息判断发动机的运行工况实现在线控制。本发明能够实现车用燃气发动机多点燃气喷射控制、控制参数的在线调整和发动机运行状态的实时监测；能够进行燃气喷射控制算法开发和离线仿真分析；能够进行控制器部分硬件性能测试的半物理仿真(或称为硬件在环仿真)。
文档编号F02M51/08GK101029615SQ200710071968
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者滕万庆, 曹云鹏, 刘勇, 吕滨 申请人:哈尔滨工程大学