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基于嵌入式系统的高压共轨控制软件研究

作　者: 王俊席
导　师: 卓斌
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 柴油机高压共轨系统嵌入式实时操作系统控制策略任务标定监测系统硬件在环仿真系统
分类号: TK423
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

高压共轨电控燃油喷射系统是一种高度柔性的燃油系统,为柴油机和车辆的性能优化提供了非常大的自由空间,高压共轨电控燃油喷射技术已成为国外各大柴油机制造商研究的热点和未来柴油机技术的发展方向,GD-1高压共轨电控燃油喷射系统为国内正在自主研发的系统之一。本文将嵌入式实时操作系统引入到高压共轨系统控制软件的研究中,在控制软件的总体设计、多任务设计、控制软件程序设计、标定监测系统设计和硬件在环仿真系统设计等方面开展了具体的工作。1.基于嵌入式实时操作系统对GD-1高压共轨系统的控制软件进行深入研究,采用分层式的模块化思想设计了控制策略,并对控制算法进行设计。将嵌入式实时操作系统引入到GD-1高压共轨系统控制软件研究中,对GD-1控制软件进行了总体设计,整个控制软件分成多个功能模块进行设计,每个控制模块执行相对简单和独立的功能;将控制策略的各模块进行组合,划分为12个任务并确定了各任务的优先级;对任务进行了详细设计,设计了基于任务优先级的调度策略和任务流,保证了各任务基于优先级占用CPU,充分利用软硬件资源。2.利用Matlab/Simulink工具对控制软件进行编程,利用Targetlink工具自动生成程序代码,缩短了调试阶段;利用该工具的仿真分析功能,在PC机上及时发现、分析和解决控制模型存在的问题。编写了makefile文件,利用make命令对控制软件进行编译,缩短了编译时间,使得控制软件的编译连接过程简单高效。最终完成了基于嵌入式实时操作系统的控制软件编制。3.基于嵌入式实时操作系统设计了标定监测系统。设计了基于CAN通信的硬件电路和通信信息码;采用定时方式调度监测任务,采用中断方式产生事件来控制标定任务的起停,并将两者的任务优先级和总线优先级设为较低,以满足柴油机控制的实时性、精确性要求;设计了在线标定存储区,直接对标定RAM区的控制参数进行在线更改,实现了真正的在线标定;设计了控制器信息数据文件,形成了FLASH标定数据区、标定RAM区和镜像内存区的映射关系,大大减少了读写ECU的次数。4.基于CAN总线和多线程技术设计了用于高压共轨系统的硬件在环仿真系统。硬件方面,设计了仿真ECU,成功实现了转速信号的输出、D/A转换和目标ECU输出信号的准确测量。软件方面,采用了多线程技术,监控界面作为主线程,采用Labview完成,实现了监控数据显示、参数设定、工况调整及数据保存等功能;模型线程和通讯线程采用Visual C++开发,作为子线程。通讯方面,分别对仿真ECU和PC机进行CAN通讯编程,通过USBCAN转换卡,实现了两者之间准确可靠的数据通讯,通讯速率达500Kps。5.形成了自主开发的基于嵌入式实时操作系统的V型控制软件开发平台,大大改善了电控发动机控制软件的开发环境。用控制框图实现控制策略,降低了文字说明的不准确性;自动生成程序代码,缩短了调试阶段;硬件在环仿真系统对ECU软硬件测试和验证,降低了发动机控制软件的开发费用及周期;高效的标定监测系统提高了控制器的优化效率;控制软件划分为多个任务,由实时操作系统调度和管理,使得应用程序的设计和扩展变得容易。6.本V型开发平台成功应用于GD-1高压共轨系统的研发,进行了一系列试验和调试,包括硬件在环仿真系统试验、油泵试验台试验和柴油机台架试验,实现了GD-1高压共轨柴油机的快速起动、稳定怠速、良好的瞬态性能。试验证明,设计的控制软件和基于任务优先级的调度策略是合理的,具有良好的控制功能,基于嵌入式实时操作系统研发的GD-1高压共轨系统的控制软件是可行的,取得了阶段性进展。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-27
  1.1 选题背景  12-13
  1.2 国外共轨式电控喷油技术的发展概况  13-19
    1.2.1 增压式共轨系统  14-15
    1.2.2 高压共轨系统  15-19
  1.3 国内柴油机电控燃油系统的发展概况  19-20
  1.4 国内发展高压共轨系统的必要性  20-21
  1.5 实时操作系统  21-24
    1.5.1 RTOS的发展  21-22
    1.5.2 典型的RTOS系统  22-23
    1.5.3 柴油机电控系统应用实时系统的必要性  23-24
  1.6 本文主要研究内容  24-27
第二章高压共轨系统控制软件研究  27-58
  2.1 GD-1高压共轨系统结构  27-32
    2.1.1 燃油供给系统  27-29
    2.1.2 电气控制系统  29-30
    2.1.3 基本工作原理  30-32
  2.2 控制软件总体设计  32-34
  2.3 实时操作系统层  34-37
    2.3.1 实时操作系统  34-36
    2.3.2 任务设计和优先级分配  36-37
  2.4 任务层（控制策略）设计  37-54
    2.4.1 任务1：转速信号处理任务  38-39
    2.4.2 任务2：油压控制任务  39-41
    2.4.3 任务3：油量计算任务  41-45
    2.4.4 任务4：怠速油量计算任务  45-47
    2.4.5 任务5：主动阻尼计算任务  47-48
    2.4.6 任务6：缸平衡计算任务  48-49
    2.4.7 任务7：喷油计算任务[87]  49-52
    2.4.8 任务8：其它传感器信号的处理任务  52
    2.4.9 任务9：信号输出任务  52-53
    2.4.10 任务10：故障诊断任务  53-54
    2.4.11 任务11、12：标定任务和监测任务  54
  2.5 基于有限状态机的任务流设计  54-57
    2.5.1 有限状态机理论  54-55
    2.5.2 任务流设计  55-57
  2.6 本章小结  57-58
第三章控制软件程序设计  58-73
  3.1 控制软件的快速实现  58-60
  3.2 控制框图生成C 代码  60-63
    3.2.1 Targetlink 简介  60-61
    3.2.2 代码生成  61-63
  3.3 实时操作系统的程序设计  63-66
    3.3.1 定义操作系统的功能  64-65
    3.3.2 编写与硬件相关的函数  65
    3.3.3 产生时钟节拍中断  65-66
  3.4 控制软件设计方法  66-72
    3.4.1 数据管理  66-69
    3.4.2 C 语言和汇编语言混合编程  69-70
    3.4.3 makefile 设计  70-72
  3.5 本章小结  72-73
第四章监测标定任务设计  73-95
  4.1 标定监测系统的必要性  73-74
  4.2 CAN 和 CCP 简介  74-76
    4.2.1 CAN 简介  74-75
    4.2.2 CCP 简介  75-76
  4.3 CAN 通信设计  76-79
    4.3.1 CAN 通信硬件设计  76
    4.3.2 CAN 通信信息码设计  76-78
    4.3.3 CAN 通讯速率设计  78-79
  4.4 监测任务设计  79-82
    4.4.1 监测任务程序设计  79-80
    4.4.2 数据库设计  80-81
    4.4.3 监测界面设计  81-82
  4.5 标定任务设计  82-93
    4.5.1 CAN Driver 设计  82-84
    4.5.2 标定任务程序设计  84-88
    4.5.3 在线标定存储区设计  88-89
    4.5.4 标定平台设计  89-93
  4.6 标定监测系统应用  93-94
  4.7 本章小结  94-95
第五章基于CAN总线和多线程技术的硬件在环系统设计  95-110
  5.1 方案设计  95-97
  5.2 硬件设计  97-101
    5.2.1 转速信号的产生  97-98
    5.2.2 模拟传感器信号的产生  98
    5.2.3 I/O 信号的产生  98-99
    5.2.4 目标ECU信号的采集处理  99-100
    5.2.5 CAN 接口电路设计  100
    5.2.6 USBCAN 转换卡  100-101
  5.3 软件设计  101-105
    5.3.1 仿真ECU软件设计  101-102
    5.3.2 通信程序设计  102-103
    5.3.3 PC 机软件设计  103-105
  5.4 硬件在环系统的调试  105-106
  5.5 V 型开发平台形成  106-108
  5.6 V 型开发平台应用  108
  5.7 本章小结  108-110
第六章试验验证与研究  110-127
  6.1 试验设备  110-111
  6.2 硬件在环仿真系统试验  111-115
  6.3 油泵试验台试验  115-121
    6.3.1 油泵试验台调试  115-117
    6.3.2 喷油器流量特性  117-119
    6.3.3 油压控制调试  119-121
  6.4 发动机试验台试验  121-126
    6.4.1 起动  121-122
    6.4.2 怠速  122
    6.4.3 变工况的油压控制  122-123
    6.4.4 PCV 阀故障策略验证  123-124
    6.4.5 初步标定结果  124-126
  6.5 本章小结  126-127
第七章结论与展望  127-129
  7.1 全文总结  127-128
  7.2 展望  128-129
参考文献  129-136
致谢  136-137
发表论文  137-139
学位论文原创性声明  139-140
学位论文版权使用授权书  140

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