一種基于模擬電路的氧化催化器硬件在環仿真系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種發動機排放后處理硬件在環系統領域，特別是設及一種基于模擬 電路的氧化催化器(DOC)硬件在環仿真系統。
【背景技術】
[0002] 隨著環境問題受到越來越廣泛的關注，發動機排放控制已成為社會關注的熱點。 傳統的機內凈化已無法滿足發動機日益嚴格的排放法規，只能采用在發動機排氣系統中加 裝額外的后處理系統來降低發動機的排放，例如D0C。
[0003] 發動機后處理系統的一個典型特征是其分布式參數特性，分布式參數系統相應的 仿真建模及求解都極為復雜，一般采用計算流體力學(CFD)的方法。運樣的建模與求解計算 量極大，對求解計算機硬件要求較高，且很難應用于控制算法的設計或驗證。
[0004] 目前，國內外對DO對莫型可W分為零維模型，一維模型，S維模型。
[000引零維模型是將整個DOC作為一個整體考慮，僅考慮時間變化而不考慮任何空間 分布問題。DOC的溫度即為氣體的出口溫度。運樣得到的控制方程為常微分方程，因此零維 模型的計算比較簡單。但是零維模型做了大量的簡化，沒有考慮溫度的空間分布，模型精度 較低。
[0006] -維模型，不僅考慮時間變化，還考慮溫度沿軸向的變化。一維模型的控制方程為 偏微分方程組，可采用單元離散的方法進行求解。運種模型精度相對有所提高，可W在一定 程度上描述DOC內部溫度場分布，但其求解精度與離散單元數相關，精度越高則要求離散 單元數越多，相應的微分方程組階數越高，計算量越大。較高精度的實時求解需要耗費大量 計算資源，且求解結果在時間上是離散的。
[0007] =維模型不僅考慮時間的變化，還可計算溫度在整個空間的分布，=維模型的控 制方程是更為復雜的偏微分方程組。S維模型仿真可W得到DOC內部溫度場云圖，可W直 觀的觀察到DOC內部溫度分布及其隨時間的變化，且仿真精度高，但是需要借助專業的CFD 軟件，其對計算環境要求極高，計算量巨大，不適合在嵌入式系統中實時求解。
【發明內容】
[0008] 為了解決已有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種基于模擬電路的硬件在 環仿真系統。
[0009] 本發明的一種基于模擬電路的氧化催化器(DOC)硬件在環仿真系統，包括電源單 元、主控單元、電路單元和上位機。
[0010] 主控單元與上位機通過CAN接口卡連接，主控單元與電路單元通過直插方式連接， 電源單元與主控單元通過拔插式接線端子連接，電源單元通過電平轉換忍片為各模塊提供 所需電壓。
[00川主控單元包含微控制器(ECU)、溫度采集模塊、D/A轉換模塊、A/D轉換模塊、CAN通 信模塊，主控單元內存儲和運行有程序，根據程序指令為電路單元提供電壓信號、采集發動 機排氣溫度信號、采集電路單元反饋電壓信號、與上位機通過CAN通信模塊進行數據傳輸， 將信息實時上傳到上位機； 所述的仿真系統可W進行在線測試或離線測試； 在線測試，發動機排氣溫度信號的采集分為兩種方式:對于具備發動機排氣溫度信號 采集功能的發動機臺架，通過CAN總線實時讀取出臺架試驗中發動機排氣溫度數據;或者， 對于不具備發動機排氣溫度信號采集功能的發動機臺架，通過主控單元中的溫度采集模塊 進行發動機排氣溫度信號采集； 離線測試，是指將已通過發動機臺架實驗獲取到的DOC排氣溫度數據存儲到主控單元 中，采用離線的方法進行DOC溫度特性的仿真。而且，該仿真系統還能夠克服現有DOC數值模 型的實時求解對硬件資源要求高、計算量巨大，求解結果不連續等問題。
[0012] 電路單元為2個W上，電路單元個數可根據仿真精度需要，進行靈活選擇。每個電 路單元均包含運算放大器、模擬乘法器和同相端調零電路模塊；電路單元加入運放同相端 調零電路模塊，減少了運算放大器自身的零漂造成的系統誤差、提高仿真系統精度。
[0013] 利用下面的偏微分方程組作為數學模型，對輸入信號進行放大、乘積、求和、積分 運算； 基于傳熱學的基本原理，搭建DOC分布式參數模型，一維分布式參數模型的控制方程為 偏微分方程組，用公式1表示：
基于熱電相似原理寫出第k個單元電路的瞬態方程，用公式3表示：
上位機是WNI Labview為軟件平臺建立了人機交互界面，建立數據接收模塊、數據存 儲模塊和數據顯示模塊； 數據接收模塊是將上位機通過CAN接口卡與主控單元進行數據傳輸，將包括有電路單 元反饋的電壓信號，通過CAN通信模塊將CAN報文帖從主控單元發送至上位機的模塊； 數據存儲模塊是將上位機將接收到的數據Wxlsx的格式進行保存的模塊； 數據顯示模塊是將從采集到的CAN報文帖中解析出實時采集的電壓模擬信號，同時通 過數據處理，將電壓模擬信號轉換為溫度信號，再W波形圖的形式在上位機界面上顯示的 模塊。
[0014] 有益效果:本發明的一種基于模擬電路的DO網更件在環仿真系統，基于熱電相似的 原理，將DOC中的溫度場特性映射到電路中，通過采集發動機排氣溫度并將其轉化為電壓信 號，利用模擬電路的電壓變化特性模擬DOC中不同位置的溫度響應特性。由于本發明采用真 實硬件電路，設計電路響應特性與DOC中溫度響應特性相一致，所W不設及數值求解中的定 時器及時間補償問題，直接獲取系統的實時響應特性。同時，由于通過硬件電路電壓響應獲 取DOC溫度響應特性，動態過程不設及任何計算求解，不占用任何計算資源。所W，本發明對 基于模型的高性能控制器和硬件在環系統具有重要的技術應用意義。 本發明可W不用進行發動機臺架試驗，只利用該仿真系統，通過在線或離線測試的方 法，就能獲取DOC溫度響應特性的相關數據。而且，還可W克服現有DOC數值模型的實時求解 對硬件資源要求高、計算量巨大，求解結果不連續等問題。
[0015] 由于本發明利用模擬電路，對輸入信號進行放大、乘積、求和、積分運算，模擬DOC 系統中溫度場的響應特性。所W本發明不但可W實時模擬DOC內部溫度場的動態特性，而且 無需額外計算資源，實時性可靠性高，模型獨立響應與系統復雜度解禪，非常適合用于發動 機后處理系統控制器的設計和驗證。
[0016] 仿真測試 為了驗證本發明的一種基于模擬電路的DO網更件在環仿真系統的可行性，測試了該仿 真系統的階躍響應特性，并將本發明的仿真系統模擬的實時溫度響應特性與Simulink仿真 模型計算得到的溫度響應特性進行了對比，二者具有非常相似的響應特性，而且本發明的 仿真系統的溫度響應特性連續性更好，從而證明了本發明的仿真系統的可行性。
【附圖說明】
[0017] 圖1本發明的一種基于模擬電路的DOC硬件在環系統的結構示意方框圖。
[0018] 圖2本發明的一種基于模擬電路的DOC硬件在環系統的軟件程序流程圖。
[0019] 圖3 -種基于模擬電路的DO網更件在環仿真系統階躍工況下測試結果圖。
[0020] 圖4階躍工況下Simuli址仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0021] 實施例1如圖1所示，本發明的一種基于模擬電路的DOC硬件在環仿真系統，包括 電源單元、主控單元、電路單元和上位機。
[0022] 主控單元與上位機通過CAN接口卡連接，主控單元與電路單元通過直插方式連接， 電源單元與主控單元通過拔插式接線端子連接，電源單元通過電平轉換忍片為各模塊提供 所需電壓。
[0023] 主控單元包含微控制器(ECU)、溫度采集模塊、D/A轉換模塊、A/D轉換模塊、CAN通 信模塊，主控單元內存儲和運行有程序(如圖2所示），根據程序指令為電路單元提供電壓信 號、采集發動機排氣溫度信號、采集電路單元反饋電壓信號、與上位機通過CAN通信模塊進 行數據傳輸，將信息實時上傳到上位機； 所述的主控單元內存儲和運行有程序的軟件流程如下： 進行步驟100,開