无人机电喷系统的测试仿真系统及其实现方法与流程

本发明涉及发动机电喷系统技术领域，特别是属于一种无人机电喷系统的测试仿真系统及其实现方法。

背景技术：

电喷系统在研制过程中需要进行大量的实际发动机测试来完善电喷系统的控制算法及控制策略。由于发动机需要工作在高温、低温、不同海拔、不同湿度的工作环境中，在这些外部环境的影响下，发动机性能会有很大的变化。为了能适应这种变化，ecu的研制或其与发动机匹配的课题上，需进行大量的实地环境测试与模拟环境测试。但这两种测试成本极高，且测试过程极其繁琐，严重制约了发动机电喷系统的研制。

尤其在无人机电喷系统的研制过程中，经常需要到发动机试车台上进行软件调试，这一过程非常繁琐，需要多个专业人员配合才能完成，整个过程耗时耗力，极大的影响了新产品研发进度。

技术实现要素：

本发明的目的即在于提供一种无人机电喷系统的测试仿真系统及其实现方法，以达到能够模拟实体发动机的输出信号，在实验室可以进行大部分软件调试工作，从而达到减少试车台上的测试时间以及加快研发进度的目的。

本发明所提供的一种无人机电喷系统的测试仿真系统，其特征在于，包括上位机、集成信号模拟器、电控燃油喷射控制单元ecu以及集成信号采集器，上位机通过rs485总线，分别与集成信号模拟器、集成信号采集器连接，其中，在测试仿真系统的建模学习状态下，电控燃油喷射控制单元ecu、集成信号采集器与外部的实体发动机连接，且集成信号采集器还与电控燃油喷射控制单元ecu连接；在测试仿真系统的仿真状态下，集成信号模拟器、集成信号采集器分别与电控燃油喷射控制单元ecu连接；所述的集成信号模拟器用于模拟发动机运行时的物理量信号；集成信号采集器用于实体发动机运行数据的采集以及电控燃油喷射控制单元ecu输出的执行信号的采集。

进一步的，集成信号模拟器包括单片机、数字信号发生器、模拟信号发生器，单片机通过内部总线分别与数字信号发生器、模拟信号发生器连接，其中，数字信号发生器用于输出仿真的数字信号，包括转速脉冲信号和节气门位置指令信号；模拟信号发生器用于模拟信号发生器用于输出仿真的模拟信号，包括大气温度、大气压力、气缸温度、排气氧浓度、进气压力、排气温度信号。

进一步的，集成信号采集器包括单片机、io扩展模块以及a/d转换模块，单片机通过内部总线分别与i/o扩展模块，其中，i/o扩展模块用于扩充单片机数字信号输入端口，并接收发动机的节气门指令信号、转速及曲轴位置的传感器信号，以及电控燃油喷射控制单元ecu输出的点火正时信号、喷油脉宽信号、节气门舵机信号的执行信号；a/d转换模块用于接收发动机的大气温度传感器、大气压力传感器、气缸温度传感器、氧传感器、排气温度传感器以及进气压力传感器的毫伏模拟信号并将其转换成数字信号。

进一步的，上位机中包括数据库、建模学习模块、仿真模块以及人机交互模块，数据库与建模学习模块、仿真模块、人机交互模块之间分别通过计算机总线连接，所述的建模学习模块、仿真模块通过rs485总线与外部的集成信号模拟器、集成信号采集器连接，其中，人机交互模块通过外部设置的人机交互界面，实现与外部的输入指令以及动态显示仿真过程的信息交互。

本发明所提供的无人机电喷系统的测试仿真系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：实体发动机的建模，

集成信号采集器、电控燃油喷射控制单元ecu分别与外部的实体发动机连接，集成信号采集器采集发动机传感器信号以及电控燃油喷射控制单元ecu输出的执行信号，并通过rs485总线发送至上位机内的建模学习模块，建模学习模块将集成信号采集器发送的数据解包、分类并建立发动机数字模型，存至上位机的数据库中；

步骤b：虚拟发动机的仿真，

集成信号模拟器、集成信号采集器分别与电控燃油喷射控制单元ecu连接，集成信号模拟器通过rs485总线受控于上位机的仿真模块，外部通过人机交互界面设定发动机运行初始条件，仿真模块查找上位机数据库内的发动机数字模型数据，并计算出发动机传感器的仿真信号，将其输出至集成信号模拟器，集成信号模拟器模拟发动机传感器信号并输出至电控燃油喷射控制单元ecu，电控燃油喷射控制单元ecu输出执行信号又反馈至上位机，上位机根据执行信号的变化，计算出新一轮发动机各传感器的仿真信号并输出至集成信号模拟器。

进一步的，在步骤a中，发动机的数字模型包括节气门开度、转速信号、进气压力构成的三维负荷表；大气压力、大气温度构成的空气密度修正表；氧传感器信号与排气温度构成的点火修正与喷油修正系数表。

进一步的，发动机传感器信号包括节气门指令信号、转速及曲轴位置信号以及大气温度传感器、大气压力传感器、气缸温度传感器、氧传感器、排气温度传感器以及进气压力传感器的信号；电控燃油喷射控制单元ecu输出的执行信号包括点火正时信号、喷油脉宽信号、节气门舵机信号。

本发明所提供的无人机电喷系统的测试仿真系统及其实现方法，不仅能够模拟发动机在特定工况下的运行状态，还能够起到对电控燃油喷射控制单元ecu内部的控制算法是否有效及稳定的有效验证的积极效果。

附图说明

附图部分公开了本发明具体实施例，其中，

图1为本发明集成信号模拟器的电气原理图；

图2为本发明集成信号采集器的电气原理图；

图3为本发明上位机的电气原理图；

图4为本发明建模学习状态下的电气原理图；

图5为本发明仿真状态下的电气原理图。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明所提供的无人机电喷系统的测试仿真系统包括上位机、集成信号模拟器、电控燃油喷射控制单元ecu以及集成信号采集器。上位机通过rs485总线，分别与集成信号模拟器、集成信号采集器连接，其中，在测试仿真系统的建模学习状态下，电控燃油喷射控制单元ecu、集成信号采集器与外部的实体发动机连接，且集成信号采集器还与电控燃油喷射控制单元ecu连接；在测试仿真系统的仿真状态下，集成信号模拟器、集成信号采集器分别与电控燃油喷射控制单元ecu连接。

如图1所示，集成信号模拟器用于模拟发动机运行时的物理量信号，主要包括单片机、数字信号发生器、模拟信号发生器，单片机通过内部总线分别与数字信号发生器、模拟信号发生器连接。其中，数字信号发生器用于输出仿真的数字信号，包括转速脉冲信号和节气门位置指令信号，这两种信号为方波脉冲，其频率占空比均由单片机控制，单片机通过rs485总线与上位机通信，受控于上位机的仿真模块。模拟信号发生器用于输出发动机传感器仿真信号的模拟信号，主要包括大气温度、大气压力、气缸温度、排气氧浓度、进气压力、排气温度信号，且匀为毫伏信号。模拟信号发生器中的6路d/a转换器通过内部总线与单片机相连，以轮询方式工作。实际d/a输出值受控与单片机，同时，通过485总线与上位机通信，受控于上位机的仿真模块。单片机采用32位单片机，其主要作用是与上位机进行通信，把上位机的控制指令协议解析完成后，分别产生控制信号，通过内部总线，控制数字信号发生器和模拟信号发生器输出相应的发动机仿真信号。

如图2所示，集成信号采集器用于采集外部实体发动机传送给电控燃油喷射控制单元ecu的传感器信号，也用于采集电控燃油喷射控制单元ecu给发动机的执行信号。其主要包括单片机、io扩展模块以及a/d转换模块，单片机通过内部总线分别与i/o扩展模块。其中，i/o扩展模块用于扩充单片机数字信号输入端口，并接收发动机的节气门指令信号、转速及曲轴位置的传感器信号，以及电控燃油喷射控制单元ecu输出的点火正时信号、喷油脉宽信号、节气门舵机信号的执行信号，并经单片机进行数据整理和协议打包后，通过rs485总线送至上位机；a/d转换模块用于接收发动机的大气温度传感器、大气压力传感器、气缸温度传感器、氧传感器、排气温度传感器以及进气压力传感器的毫伏模拟信号并将其转换成数字信号，转换的数字信号同样经单片机数据整理打包后通过485总线送至上位机。

如图3所示，上位机中包括数据库、建模学习模块、仿真模块以及人机交互模块，数据库与建模学习模块、仿真模块、人机交互模块之间分别通过计算机总线连接，所述的建模学习模块、仿真模块通过rs485总线与外部的集成信号模拟器、集成信号采集器连接，其中，人机交互模块通过外部设置的人机交互界面，实现与外部的输入指令以及动态显示仿真过程的信息交互。在具体的实施例中，外部的输入指令包括负荷指令给定以及环境条件给定，具体地，负荷指令给定是通过人机界面设定发动机输出功率，控制发动机油门在0%--100%变化，可以是自动变化，也可以是手动变化，也可以不变；环境条件给定是指发动机工作海拔高度、大气温度、大气压力等环境数据值的设定，可以是自动变化，也可以是手动变化，也可以不变，从而模拟发动机爬升、下降与平飞时的环境变化。

如图4-5所示，本发明所提供的无人机电喷系统的测试仿真系统的实现方法，主要包括以下控制过程：

步骤a：实体发动机的建模；

集成信号采集器、电控燃油喷射控制单元ecu分别与外部的实体发动机连接，集成信号采集器采集发动机传感器信号以及电控燃油喷射控制单元ecu输出的执行信号，并通过rs485总线发送至上位机内的建模学习模块，建模学习模块将集成信号采集器发送的数据解包、分类并建立发动机数字模型，存至上位机的数据库中。其中，步骤a中的发动机的数字模型主要包括节气门开度、转速信号、进气压力构成的三维负荷表；大气压力、大气温度构成的空气密度修正表；氧传感器信号与排气温度构成的点火修正与喷油修正系数表。

步骤b：虚拟发动机的仿真；

集成信号模拟器、集成信号采集器分别与电控燃油喷射控制单元ecu连接，集成信号模拟器通过rs485总线受控于上位机的仿真模块，外部通过人机交互界面设定发动机运行初始条件，仿真模块查找上位机数据库内的发动机数字模型数据，并计算出发动机传感器的仿真信号，将其输出至集成信号模拟器，集成信号模拟器模拟发动机传感器信号并输出至电控燃油喷射控制单元ecu，电控燃油喷射控制单元ecu输出执行信号又反馈至上位机，上位机根据执行信号的变化，计算出新一轮发动机各传感器的仿真信号并输出至集成信号模拟器。

需要说明的是，发动机传感器信号包括节气门指令信号、转速及曲轴位置信号以及大气温度传感器、大气压力传感器、气缸温度传感器、氧传感器、排气温度传感器以及进气压力传感器的信号；电控燃油喷射控制单元ecu输出的执行信号包括点火正时信号、喷油脉宽信号、节气门舵机信号。