摘要：在發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）的“V”開發(fā)模式下，完成了電控單體泵柴油機(jī)ECU的控制策略算法功能設(shè)計(jì)和硬件在環(huán)仿真。設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、智能功率、減載斷油等柴油機(jī)運(yùn)行控制策略。對開發(fā)的控制策略算法進(jìn)行了離線仿真，并實(shí)現(xiàn)了控制策略程序的自動(dòng)產(chǎn)品代碼生成。在自主開發(fā)的ECU硬件在環(huán)仿真平臺上驗(yàn)證了控制算法的正確性，所設(shè)計(jì)的ECU軟件在電控單體泵柴油機(jī)上得到了成功應(yīng)用。

  發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力性和排放等性能依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）關(guān)鍵脈譜的匹配標(biāo)定和軟件（控制策略）的設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略是否合理、有效取決于策略的功能設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。功能設(shè)計(jì)必須充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的自身特點(diǎn)、應(yīng)用環(huán)境以及運(yùn)行條件；算法設(shè)計(jì)關(guān)系到所設(shè)計(jì)功能的控制精度和實(shí)時(shí)性，必須綜合考慮ECU硬件的計(jì)算成本和控制功能的實(shí)時(shí)性要求。面對電控系統(tǒng)功能不斷增強(qiáng)而開發(fā)周期卻不斷縮短的要求，采用傳統(tǒng)的ECU開發(fā)流程已經(jīng)難以完成現(xiàn)代控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)今國內(nèi)外先進(jìn)的ECU開發(fā)流程采用“V”模式，即控制策略算法功能設(shè)計(jì)和離線仿真、快速控制原型、產(chǎn)品代碼生成、硬件在環(huán)仿真、標(biāo)定和實(shí)車測試。本研究對電控單體泵柴油機(jī)ECU控制策略的關(guān)鍵功能和算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用“V”模式開發(fā)完成了3個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作，包括控制策略算法功能設(shè)計(jì)，產(chǎn)品代碼生成和硬件在環(huán)仿真，并在實(shí)機(jī)上得到了成功應(yīng)用。

一、單體泵柴油機(jī)控制功能設(shè)計(jì)

1、起動(dòng)控制

  起動(dòng)過程是否迅速是柴油機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，直接影響柴油機(jī)的工作可靠性和使用壽命。優(yōu)化電控柴油機(jī)的起動(dòng)性能，首先就是要盡可能全面地考慮影響起動(dòng)過程的各種因素，達(dá)到智能化和合理化的控制效果。

實(shí)際運(yùn)用的起動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)為開環(huán)控制，以發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫表示環(huán)境狀態(tài)和機(jī)器本身的狀態(tài)，以發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號表征起動(dòng)控制的進(jìn)程；在判缸成功并且柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定的較低轉(zhuǎn)速后，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速和冷卻水溫按照起動(dòng)油量脈譜輸出噴油量。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過起動(dòng)成功標(biāo)志轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)工況結(jié)束，起動(dòng)油量保持為當(dāng)前值，然后向其他工況過渡。起動(dòng)成功標(biāo)志轉(zhuǎn)速是冷卻水溫的函數(shù)，由冷卻水溫查相應(yīng)的脈譜獲得。若在標(biāo)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速未能超過起動(dòng)成功標(biāo)志轉(zhuǎn)速，則ECU強(qiáng)行切斷噴油，以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。

  在算法設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的標(biāo)志為：監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)若干循環(huán)的轉(zhuǎn)速，若其值總大于預(yù)先設(shè)定的起動(dòng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，則說明發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，而且預(yù)設(shè)值可以通過在線標(biāo)定系統(tǒng)更改。

  起動(dòng)工況屬于瞬態(tài)工況，而起動(dòng)油量脈譜在標(biāo)定后即不再更改，難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同使用環(huán)境下的要求。因此，在起動(dòng)控制策略中還設(shè)計(jì)了油量補(bǔ)償策略。補(bǔ)償油量（△Q）由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升速率（△n_eng^-1）決定，并且△Q∝△n_eng^-1。這樣補(bǔ)償?shù)暮锰幨牵绻l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)順利，能在較短時(shí)間內(nèi)著火運(yùn)行，則AQ小，不會造成排放惡化。

柴油機(jī)低溫起動(dòng)時(shí)困難，排放性差。因此，在冷起動(dòng)方面采用進(jìn)氣預(yù)熱和后熱策略。預(yù)熱和后熱的持續(xù)時(shí)間均為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫的函數(shù)，并且相互獨(dú)立。發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱和后熱有3種模式：

（1）正常情況下，當(dāng)ECU通電后，發(fā)動(dòng)機(jī)在未進(jìn)入拖轉(zhuǎn)狀態(tài)之前（停機(jī)狀態(tài)），空氣加熱器及其指示燈將處于工作狀態(tài)，加熱時(shí)間通過預(yù)熱脈譜得到；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于拖轉(zhuǎn)狀態(tài)，關(guān)閉空氣加熱器及其指示燈；退出拖轉(zhuǎn)狀態(tài)后，ECU打開空氣加熱器執(zhí)行后熱功能，持續(xù)時(shí)間通過后熱脈譜查得。

（2）預(yù)熱后操作員沒有起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這時(shí)預(yù)熱指示燈將以*頻率閃爍以提醒操作員，直至操作員斷開點(diǎn)火開關(guān)或起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失敗時(shí)，預(yù)熱燈將以*頻率閃爍提醒，一定時(shí)間后停止預(yù)熱。

2、息速控制

  怠速運(yùn)行是柴油機(jī)較重要的運(yùn)行工況之一，在帶載工況下發(fā)電機(jī)組燃油消耗有相當(dāng)大的比例歸因于怠速工況，故對這一工況的控制顯得越來越重要。怠速控制策略實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速的計(jì)算、怠速PI控制和缸平衡功能以及怠速停機(jī)功能。

目標(biāo)怠速的基本量是冷卻水溫的函數(shù)，隨著水溫的升高而降低，通過標(biāo)定獲得。在此基礎(chǔ)上還考慮了發(fā)電機(jī)組和柴油機(jī)怠速時(shí)的工作狀態(tài)，主要有空調(diào)是否開啟，蓄電池是否處于充放電狀態(tài)以及怠速時(shí)間是否超時(shí)等。

  怠速閉環(huán)控制采用數(shù)字PI控制器來實(shí)現(xiàn)，電控單體泵發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速油量具體控制算法為

Q=Q₀+K_p｛e_i+[（T/T_I）∑（ni-ni^-1）]｝

式中，Q為較終的怠速油量，Q₀為初始怠速油量；

K_p為比例系數(shù)；

T_I為積分時(shí)間；

T為采樣周期；

e_i為目標(biāo)怠速與當(dāng)前怠速之差；

ni和ni^-1為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

  Q為可標(biāo)定量，是冷卻水溫的函數(shù)。這樣設(shè)計(jì)算法的好處是使得柴油機(jī)從其他工況向怠速（如圖1所示）過渡時(shí)，由于有初始油量的作用，使得過渡比較平穩(wěn)；另外積分系數(shù)一般較小，可避免可能出現(xiàn)的比例和積分飽和現(xiàn)象，改善動(dòng)態(tài)過程。怠速控制功能模塊中設(shè)計(jì)的標(biāo)定量比較少，算法設(shè)計(jì)簡單實(shí)用。

  考慮到柴油機(jī)進(jìn)排氣的波動(dòng)性和燃燒過程的隨機(jī)性，怠速時(shí)不可避免會有隨機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，這種波動(dòng)并不是怠速控制可以完全克服的。因此，在設(shè)計(jì)怠速控制功能時(shí)，為了保持轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性，特設(shè)立一個(gè)轉(zhuǎn)速變化閾值（如5～15分/轉(zhuǎn)），僅當(dāng)轉(zhuǎn)速大于這一閾值時(shí)，PI控制才作出反應(yīng)。

  怠速時(shí)供油量較小，柴油機(jī)工作穩(wěn)定性差，各氣缸供油量的微小變化就會導(dǎo)致各氣缸工作狀態(tài)發(fā)生較大地變化，為此設(shè)計(jì)了缸平衡功能，以在實(shí)際時(shí)間基準(zhǔn)上補(bǔ)償各缸間噴油量的偏差以及噴油系統(tǒng)中隨時(shí)間變化的噴油量偏差，如制造公差和零件老化因素使得柴油機(jī)各缸做功不平衡產(chǎn)生的扭矩差異等。缸平衡控制算法是測量各缸在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的較大較小差值與6缸轉(zhuǎn)速平均值的偏差；偏差為正，則減少相應(yīng)氣缸的噴油量，反之則增加，以此來對各缸噴油量偏差進(jìn)行快速補(bǔ)償和校正，從而控制由于制造和使用時(shí)間等因素引起的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行。

怠速停機(jī)控制模塊主要功能是避免長時(shí)間的怠速運(yùn)行。當(dāng)?shù)∷龠\(yùn)行達(dá)到一定時(shí)間（一般為30min左右，根據(jù)整車使用條件事先設(shè)定）后，ECU發(fā)出閃燈指令提醒操作員，若操作員沒有任何指令，ECU將切斷燃油噴射，以達(dá)到省油的目的。

3、智能功率控制

  與常規(guī)機(jī)械式柴油機(jī)一樣，電控單體泵柴油機(jī)也是通過油門對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，不同的只是電控系統(tǒng)采用的是電子燃油系統(tǒng)。電子油門通過控制線束將操作員的開機(jī)意圖，即功率和車速需求轉(zhuǎn)化為油門開度反饋給ECU，然后由油量控制模塊根據(jù)油門開度和當(dāng)前柴油機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出需求的油量，從而實(shí)現(xiàn)功率和車速的調(diào)節(jié)。為了防止不必要的發(fā)動(dòng)機(jī)變速擋位的切換，在ECU軟件設(shè)計(jì)中加入了智能功率控制功能，用于短時(shí)間內(nèi)對增加發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的限制。

  為配合實(shí)現(xiàn)智能功率控制功能，ECU會在一個(gè)*的時(shí)間段內(nèi)（標(biāo)定值）增加發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射量，使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出比標(biāo)定功率大的動(dòng)力，保證短期超載的需要。智能動(dòng)力控制的作用效果和作用時(shí)間由整機(jī)標(biāo)定確定，一般只限于短期作用。維持時(shí)間一般為2 ~5分鐘（由事先設(shè)定的值決定）。

圖1 柴油機(jī)負(fù)載進(jìn)入和退出工況點(diǎn)

二、自動(dòng)代碼生成與仿真

  在開發(fā)電控單體泵ECU軟件的過程中，利用Matlab/simulink在數(shù)學(xué)上的強(qiáng)大計(jì)算、仿真功能和良好的圖形交互界面作為控制策略圖形化編程實(shí)現(xiàn)的開發(fā)平臺，對上述控制策略進(jìn)行了圖形化編程和離線仿真，這使得復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能能夠被清晰描述和仿真。同時(shí)利用dSPACE公司的代碼自動(dòng)生成軟件TargetLink對所編寫的程序進(jìn)行自動(dòng)產(chǎn)品代碼生成H，免去了控制策略大量復(fù)雜的手工C語言編寫，使得在ECU中控制策略代碼的實(shí)現(xiàn)和升級變得更加輕松，從而有效地加快了電控柴油機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)。在完成控制策略的功能設(shè)計(jì)和自動(dòng)代碼生成以后，利用自主開發(fā)的ECU硬件在環(huán)柴油機(jī)控制仿真平臺進(jìn)行策略的邏輯測試。硬件在環(huán)（HID）平臺的主要功能是進(jìn)行產(chǎn)品ECU的策略邏輯及可靠性測試，驗(yàn)證控制算法。利用ECU硬件在環(huán)柴油機(jī)控制仿真可以很方便地完成控制策略的邏輯和算法驗(yàn)證。為了驗(yàn)證模型仿真和自動(dòng)生成代碼仿真的一致性及算法的可靠性，根據(jù)目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速控制算法的MatlaW simulink仿真模型生成了產(chǎn)品級的標(biāo)準(zhǔn)C代碼，模型離線仿真結(jié)果和基于模型生成的自動(dòng)代碼硬件在環(huán)仿真結(jié)果見圖2。

  圖2模擬了柴油機(jī)從關(guān)閉到開啟，再到關(guān)閉時(shí)的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出代碼仿真與模型仿真的結(jié)果相對偏差為0。怠速閉環(huán)控制模塊的代碼仿真與模型仿真的較大相對偏差也只有0.01%，這說明生成的自動(dòng)代碼精度完全可以滿足實(shí)際控制精度的要求，仿真運(yùn)行結(jié)果證明了控制策略的功能和算法設(shè)計(jì)合理，生成的代碼質(zhì)量可靠。

圖2 柴油機(jī)目標(biāo)怠速模型仿真與代碼仿真

三、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)機(jī)應(yīng)用

  所開發(fā)設(shè)計(jì)的ECU軟件在功能算法上是否合理，自動(dòng)生成的代碼在使用上是否可靠，必須在柴油機(jī)實(shí)機(jī)應(yīng)用上加以驗(yàn)證。在一臺康明斯6C系列電控單體泵柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，其標(biāo)定功率為177 kW，較大扭矩800N.m，排量為7.3L。

  圖3所示為所開發(fā)的ECU軟件實(shí)機(jī)應(yīng)用的部分運(yùn)行工況結(jié)果。試驗(yàn)表明，智能功率、減速斷油和平穩(wěn)怠速等功能均能順利實(shí)現(xiàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)比較迅速，起動(dòng)時(shí)間小于1s；怠速閉環(huán)控制效果良好，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)600分/轉(zhuǎn)～950分/轉(zhuǎn)均比較平穩(wěn)，實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)怠速的偏差在±5分/轉(zhuǎn)；突加速和突減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)正常，油量控制正常，不同工況之間的過渡切換平穩(wěn)。

圖3 柴油機(jī)ECU軟件實(shí)機(jī)控制結(jié)果

  在發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的“V”開發(fā)模式下，進(jìn)行了電控單體泵柴油機(jī)ECU控制策略算法功能設(shè)計(jì)和離線仿真、產(chǎn)品代碼生成以及硬件在環(huán)仿真。硬件在環(huán)仿真運(yùn)行和柴油機(jī)實(shí)機(jī)運(yùn)行結(jié)果均證明ECU控制策略的功能和算法設(shè)計(jì)合理，控制策略能反映實(shí)際柴油機(jī)的運(yùn)行工況特征，生成的代碼質(zhì)量可靠。實(shí)現(xiàn)了電控單體泵柴油機(jī)ECU軟件設(shè)計(jì)和測試的自主開發(fā)。