基于虚拟仿真技术的汽车燃油泵控制

2023-10-19
浙江
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在当前激烈的竞争环境下，汽车行业正在加速产业和技术更迭，整车厂对大型 ECU 嵌入式控制系统和软件的需求迫在眉睫。

然而，复杂而庞大的汽车系统往往由多个物理系统组成，系统所对应的模型都需要在不同的领域实现：发动机、变速器、油门、制动等等等等，仅仅应用 MBD 是不够的，需要通过协同仿真软总线来连接多个仿真模型。本文主题围绕将虚拟仿真技术应用至汽车燃油泵系统的解决方案，由多个仿真器通过通信接口相互交互搭建多领域协同仿真系统。

基于虚拟仿真技术的汽车燃油泵控制

燃油泵（FP，Fuel Pump）是当今任何汽油发动机系统中最为关键的部件之一，直接涉及燃料输送系统。为应对当前严格的汽车尾气排放规范与政策，对其实施有效控制的重要性显而易见。为了更好地设计与调整燃油泵的性能，可将燃油泵系统分为以下两个部分：

燃油泵模型

虚拟闭环控制系统

燃油泵模型

燃油泵工作原理：电动机驱动涡轮泵叶片旋转，在离心力作用下，叶片紧贴泵壳，并将燃油从进油室带往出油室，使进油室产生一定真空，将燃油吸入。出油室燃油不断增多，压力上升，顶开出油阀，经出油口完成输出。

与之相对应的燃油泵模型则是两个组件模型的协同仿真：驱动电路在机电仿真器中实现，属于机电领域；FP 装置模型在液压仿真器中实现，属于液压领域。这种配置可以在一台 PC 上实现，也可以在多台 PC 上实现。

由于燃油泵需要在内部汽油被加压的阶段打开阀门来控制其内部压力，可能会导致部分汽油回流，因此需要控制进气阀门的电磁阀。该电磁阀由 PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号控制，而 PWM 信号的持续时间取决于燃料导轨内的目标压力与燃油泵所反馈的响应压力。燃油泵模型如下图所示：

▲图 1 燃油泵模型

虚拟闭环控制系统

不同于前节的机电与液压领域，虚拟闭环控制系统则属于实现各虚拟模型之间协同仿真的控制领域。完整的虚拟闭环系统如下图所示。

▲图 2 虚拟闭环控制系统

从上图可以看出，协同仿真软总线是虚拟闭环控制系统的关键。示例中的协同仿真软总线是一个基于 TCP/IP 的框架，主要用于连接异构模拟器，也可实现多 PC 配置的燃油泵模型。与图 1 相比，可以更直观地观察到输入的目标压力信号、基于虚拟控制器模型产生的 PWM 信号以及来自燃油泵模型的反馈信号。

多领域分布式协同仿真平台 DigiThread

DigiThread 是一款为多学科、多领域中不同的仿真模型进行协同仿真的一体化平台，其分布式的特性可充分调度网络中各个计算节点的计算资源，提升仿真效率。DigiThread 采用开放式的架构，使支持 FMI 标准的仿真软件均可互联并接入 SkyEye 仿真环境，实现全系统的全数字仿真。

DigiThread 的主要功能有：

支持单步、停止、暂停仿真进程，各仿真模型的仿真状态可视化。

支持图形化拖拽设计联合仿真模型之间的连接关系。

支持变步长/定步长仿真解算。

支持多用户、多节点的并发仿真，各解算任务之间互不影响，提升解算效率。

支持仿真解算计算节点的调度和资源分配。

动态显示各个仿真模型单个计算步长的耗时（包括解算耗时和通信耗时）。

内置可视化设计器，用于设计仿真结果显示界面。

DigiThread 复杂机电系统仿真案例

复杂机电系统包括液压系统、燃油系统、电气系统、环控系统、动力学系统等，目前无法在单独的仿真软件内完成复杂、专业的多领域建模。通过分布式仿真软总线，DigiThread 可连接不同计算机中的 SkyEye、Simulink、Saber、Amesim、Fluent 等仿真软件，并通过统一调度机制推进时序同步和数据通信，从而实现复杂机电系统的协同仿真。