一种基于模拟电路的氧化催化器硬件在环仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种发动机排放后处理硬件在环系统领域，特别是设及一种基于模拟 电路的氧化催化器(DOC)硬件在环仿真系统。
【背景技术】
[0002] 随着环境问题受到越来越广泛的关注，发动机排放控制已成为社会关注的热点。 传统的机内净化已无法满足发动机日益严格的排放法规，只能采用在发动机排气系统中加 装额外的后处理系统来降低发动机的排放，例如D0C。
[0003] 发动机后处理系统的一个典型特征是其分布式参数特性，分布式参数系统相应的 仿真建模及求解都极为复杂，一般采用计算流体力学(CFD)的方法。运样的建模与求解计算 量极大，对求解计算机硬件要求较高，且很难应用于控制算法的设计或验证。
[0004] 目前，国内外对DO对莫型可W分为零维模型，一维模型，S维模型。
[000引零维模型是将整个DOC作为一个整体考虑，仅考虑时间变化而不考虑任何空间 分布问题。DOC的溫度即为气体的出口溫度。运样得到的控制方程为常微分方程，因此零维 模型的计算比较简单。但是零维模型做了大量的简化，没有考虑溫度的空间分布，模型精度 较低。
[0006] -维模型，不仅考虑时间变化，还考虑溫度沿轴向的变化。一维模型的控制方程为 偏微分方程组，可采用单元离散的方法进行求解。运种模型精度相对有所提高，可W在一定 程度上描述DOC内部溫度场分布，但其求解精度与离散单元数相关，精度越高则要求离散 单元数越多，相应的微分方程组阶数越高，计算量越大。较高精度的实时求解需要耗费大量 计算资源，且求解结果在时间上是离散的。
[0007] =维模型不仅考虑时间的变化，还可计算溫度在整个空间的分布，=维模型的控 制方程是更为复杂的偏微分方程组。S维模型仿真可W得到DOC内部溫度场云图，可W直 观的观察到DOC内部溫度分布及其随时间的变化，且仿真精度高，但是需要借助专业的CFD 软件，其对计算环境要求极高，计算量巨大，不适合在嵌入式系统中实时求解。
【发明内容】
[0008] 为了解决已有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于模拟电路的硬件在 环仿真系统。
[0009] 本发明的一种基于模拟电路的氧化催化器(DOC)硬件在环仿真系统，包括电源单 元、主控单元、电路单元和上位机。
[0010] 主控单元与上位机通过CAN接口卡连接，主控单元与电路单元通过直插方式连接， 电源单元与主控单元通过拔插式接线端子连接，电源单元通过电平转换忍片为各模块提供 所需电压。
[00川主控单元包含微控制器(ECU)、溫度采集模块、D/A转换模块、A/D转换模块、CAN通 信模块，主控单元内存储和运行有程序，根据程序指令为电路单元提供电压信号、采集发动 机排气溫度信号、采集电路单元反馈电压信号、与上位机通过CAN通信模块进行数据传输， 将信息实时上传到上位机； 所述的仿真系统可W进行在线测试或离线测试； 在线测试，发动机排气溫度信号的采集分为两种方式:对于具备发动机排气溫度信号 采集功能的发动机台架，通过CAN总线实时读取出台架试验中发动机排气溫度数据;或者， 对于不具备发动机排气溫度信号采集功能的发动机台架，通过主控单元中的溫度采集模块 进行发动机排气溫度信号采集； 离线测试，是指将已通过发动机台架实验获取到的DOC排气溫度数据存储到主控单元 中，采用离线的方法进行DOC溫度特性的仿真。而且，该仿真系统还能够克服现有DOC数值模 型的实时求解对硬件资源要求高、计算量巨大，求解结果不连续等问题。
[0012] 电路单元为2个W上，电路单元个数可根据仿真精度需要，进行灵活选择。每个电 路单元均包含运算放大器、模拟乘法器和同相端调零电路模块；电路单元加入运放同相端 调零电路模块，减少了运算放大器自身的零漂造成的系统误差、提高仿真系统精度。
[0013] 利用下面的偏微分方程组作为数学模型，对输入信号进行放大、乘积、求和、积分 运算； 基于传热学的基本原理，搭建DOC分布式参数模型，一维分布式参数模型的控制方程为 偏微分方程组，用公式1表示：
基于热电相似原理写出第k个单元电路的瞬态方程，用公式3表示：
上位机是WNI Labview为软件平台建立了人机交互界面，建立数据接收模块、数据存 储模块和数据显示模块； 数据接收模块是将上位机通过CAN接口卡与主控单元进行数据传输，将包括有电路单 元反馈的电压信号，通过CAN通信模块将CAN报文帖从主控单元发送至上位机的模块； 数据存储模块是将上位机将接收到的数据Wxlsx的格式进行保存的模块； 数据显示模块是将从采集到的CAN报文帖中解析出实时采集的电压模拟信号，同时通 过数据处理，将电压模拟信号转换为溫度信号，再W波形图的形式在上位机界面上显示的 模块。
[0014] 有益效果:本发明的一种基于模拟电路的DO网更件在环仿真系统，基于热电相似的 原理，将DOC中的溫度场特性映射到电路中，通过采集发动机排气溫度并将其转化为电压信 号，利用模拟电路的电压变化特性模拟DOC中不同位置的溫度响应特性。由于本发明采用真 实硬件电路，设计电路响应特性与DOC中溫度响应特性相一致，所W不设及数值求解中的定 时器及时间补偿问题，直接获取系统的实时响应特性。同时，由于通过硬件电路电压响应获 取DOC溫度响应特性，动态过程不设及任何计算求解，不占用任何计算资源。所W，本发明对 基于模型的高性能控制器和硬件在环系统具有重要的技术应用意义。 本发明可W不用进行发动机台架试验，只利用该仿真系统，通过在线或离线测试的方 法，就能获取DOC溫度响应特性的相关数据。而且，还可W克服现有DOC数值模型的实时求解 对硬件资源要求高、计算量巨大，求解结果不连续等问题。
[0015] 由于本发明利用模拟电路，对输入信号进行放大、乘积、求和、积分运算，模拟DOC 系统中溫度场的响应特性。所W本发明不但可W实时模拟DOC内部溫度场的动态特性，而且 无需额外计算资源，实时性可靠性高，模型独立响应与系统复杂度解禪，非常适合用于发动 机后处理系统控制器的设计和验证。
[0016] 仿真测试 为了验证本发明的一种基于模拟电路的DO网更件在环仿真系统的可行性，测试了该仿 真系统的阶跃响应特性，并将本发明的仿真系统模拟的实时溫度响应特性与Simulink仿真 模型计算得到的溫度响应特性进行了对比，二者具有非常相似的响应特性，而且本发明的 仿真系统的溫度响应特性连续性更好，从而证明了本发明的仿真系统的可行性。
【附图说明】
[0017] 图1本发明的一种基于模拟电路的DOC硬件在环系统的结构示意方框图。
[0018] 图2本发明的一种基于模拟电路的DOC硬件在环系统的软件程序流程图。
[0019] 图3 -种基于模拟电路的DO网更件在环仿真系统阶跃工况下测试结果图。
[0020] 图4阶跃工况下Simuli址仿真结果图。
【具体实施方式】
[0021] 实施例1如图1所示，本发明的一种基于模拟电路的DOC硬件在环仿真系统，包括 电源单元、主控单元、电路单元和上位机。
[0022] 主控单元与上位机通过CAN接口卡连接，主控单元与电路单元通过直插方式连接， 电源单元与主控单元通过拔插式接线端子连接，电源单元通过电平转换忍片为各模块提供 所需电压。
[0023] 主控单元包含微控制器(ECU)、溫度采集模块、D/A转换模块、A/D转换模块、CAN通 信模块，主控单元内存储和运行有程序(如图2所示），根据程序指令为电路单元提供电压信 号、采集发动机排气溫度信号、采集电路单元反馈电压信号、与上位机通过CAN通信模块进 行数据传输，将信息实时上传到上位机； 所述的主控单元内存储和运行有程序的软件流程如下： 进行步骤100,开