“在當(dāng)今應(yīng)用于汽車工業(yè)的軟件中，LabVIEW主要具有兩個主要優(yōu)勢：一個是其前面板，可以作為強(qiáng)大的用戶界面;另一個是其生動的開發(fā)環(huán)境，可以避免底層語言編程。”
挑戰(zhàn)：
對多個變量進(jìn)行仿真，驗證復(fù)雜的汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計，以獲得最佳的耗油量、發(fā)動機(jī)性能以及尾氣排放控制。
解決方案：
使用NI LabVIEW控制設(shè)計和仿真模塊，我們開發(fā)了一個可以進(jìn)行實時控制、分析和測試的應(yīng)用。
如今，汽車動力總成控制系統(tǒng)必須保持持續(xù)的發(fā)展以滿足要求。這些要求包括調(diào)節(jié)尾氣的排放以適應(yīng)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn);提供更好的耗油量以遵守企業(yè)平均耗油量的標(biāo)準(zhǔn);并滿足用戶對性能和舒適性的需要。
這些要求是相互聯(lián)系的，甚至經(jīng)常是相互矛盾的。比如，貧燃技術(shù)可以顯著地減少油耗，但同時降低了三元催化轉(zhuǎn)換的效率，造成了額外的空氣污染。
有兩種方式可以滿足如今的汽車規(guī)范，一種為改進(jìn)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，另一種為引進(jìn)新的更加復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計。
在決定發(fā)動機(jī)性能的參數(shù)中，凸輪軸外形是最重要的設(shè)計參數(shù)。
在設(shè)計過程中，一些發(fā)動機(jī)著重滿足扭矩的需要，另一些著重優(yōu)化速度，因此沒有某種外形可以滿足所有的設(shè)計參數(shù)的要求。
雙頂置凸輪軸(Double overhead camshaft， DOHC)發(fā)動機(jī)主要有四種可變凸輪定時策略：
? 只有進(jìn)氣凸輪相移 (只進(jìn)氣)
? 只有排氣凸輪相移(只排氣)
? 進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪等量相移 (兩者相等)
? 進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪獨立相移 (雙獨立)
在雙獨立可變凸輪軸發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)(Twin-independent variable camshaft timing， TIVCT)中，進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸均獨立完成校正。其變化量是氣門位置和發(fā)動機(jī)速度的函數(shù)。
為提高發(fā)動機(jī)性能，系統(tǒng)提供了很大的自由度。正因如此，需要找到一種途徑，能夠優(yōu)化氣門定時參數(shù)，以獲得最好的耗油量、發(fā)動機(jī)性能以及排放控制。
然而，這項技術(shù)的結(jié)果是一個高度復(fù)雜的實時控制算法。雖然在幾年前TIVCT就已經(jīng)被引入汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，但其仍然是如今研究和探索的焦點。
使用LabVIEW完成實時控制、分析和測試
此工程是基于TIVCT發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模和最優(yōu)控制器設(shè)計，以達(dá)到特殊的發(fā)動機(jī)性能要求。控制策略的目標(biāo)是為發(fā)動機(jī)提供扭矩的參考量跟蹤，同時最大限度地減少制動時的油耗率，并優(yōu)化燃料燃燒的穩(wěn)定性。
使用LabVIEW控制設(shè)計和仿真模塊及其自帶的線性代數(shù)函數(shù)來完成此項目。在當(dāng)今應(yīng)用于汽車工業(yè)的軟件中，LabVIEW主要具有兩個主要優(yōu)勢：一個是其前面板，可以作為強(qiáng)大的用戶界面;另一個是其生動的開發(fā)環(huán)境，可以避免底層語言編程。
另外，NI的很多硬件都集成了用來控制、設(shè)計和仿真的工具，以便于開發(fā)實時控制、分析和測試應(yīng)用。這也讓LabVIEW對于汽車研發(fā)部門來說很有吸引力。
對于發(fā)動機(jī)模型，控制系統(tǒng)操作最主要的變量包括進(jìn)氣歧管的氣流量、獨立凸輪軸在入口處的位置和相對于曲軸的排氣閥排氣時間。
控制輸出為發(fā)動機(jī)扭矩，制動的油耗率以及平均有效壓力示值的變化系數(shù)。其它影響系統(tǒng)性能的變量(如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度)被當(dāng)作外部參數(shù)，作為控制系統(tǒng)的調(diào)度變量使用。
通過使用LabVIEW控制設(shè)計和仿真模塊，時間連續(xù)的TIVCT發(fā)動機(jī)模型將一種靜態(tài)的典型燃燒過程特征方程與描述驅(qū)動器和進(jìn)氣歧管的微分方程結(jié)合，以得到一種動態(tài)模型。
最后得到的非線性TIVCT發(fā)動機(jī)模型具有多路輸入、多路輸出(Multiple input， multiple output， MIMO)的特性。通過操縱每一個輸入變量，其輸入輸出關(guān)系出了明顯的交叉作用。在此控制應(yīng)用中，使用LabVIEW將系統(tǒng)設(shè)定于特定的工作點，將非線性的發(fā)動機(jī)模型線性化，從而開發(fā)了一種線性的模型。
使用LabVIEW前面板進(jìn)行交互仿真
使用LabVIEW中的線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)設(shè)計了一種先進(jìn)的優(yōu)化控制器。功能上，此控制器完成兩個目標(biāo)：最小化偏移和實現(xiàn)校準(zhǔn)器的作用。在有外界干擾的情況下，通過引入循環(huán)內(nèi)積分可消除穩(wěn)態(tài)誤差，從而達(dá)到上述控制器的設(shè)計目標(biāo)。
為了定義性能指標(biāo)，并最小化輸出誤差和輸出變化率，使用LabVIEW基于連續(xù)時域系統(tǒng)的最優(yōu)化對理論對TIVCT發(fā)動機(jī)進(jìn)行狀態(tài)反饋和參考點追蹤，并通過該工具來獲得預(yù)期的增益。
本地控制器和線性模型在LabVIEW中搭建和仿真。在最小化制動油耗率(BSFC)和平均指示壓力變動系數(shù)(COVIMEP)的同時，系統(tǒng)通過與設(shè)定值相關(guān)的一個準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)值來追蹤發(fā)動機(jī)扭矩。
將Q和R兩個調(diào)諧變量置于前面板，可以保證對控制器直觀的檢測并進(jìn)行在線調(diào)整，這也充分利用了LabVIEW交互仿真的特點。
為了可以輕松地將仿真轉(zhuǎn)移到計算機(jī)硬件中以便最終應(yīng)用，通常會將模型和控制器應(yīng)用到離散時間系統(tǒng)中。離散控制器可以從連續(xù)控制器中衍生，也可以直接在離散時間系統(tǒng)中使用同樣的線性二次型調(diào)節(jié)器VI重新設(shè)計。
由于模型是非線性的，在某個工作點產(chǎn)生預(yù)期響應(yīng)的理想增益參數(shù)也許并不能在另外的工作點產(chǎn)生同樣令人滿意的響應(yīng)。
因此，需要通過在非線性模型的不同的工作范圍中使用相應(yīng)的理想增益參數(shù)來實現(xiàn)增益調(diào)度。通過前面板完成參數(shù)的交互調(diào)整，以使增益調(diào)諧的過程合理化。
