汽车涡轮增压系统虚拟传感器的开发与测试

0 概述

随着汽车行业的发展，汽油发动机技术的进步，需要进行对各种信号的测量和分析计算。而传感器是发动机控制的重要环节，是发动机感知外部环境信息的输入窗口，也是电子技术在汽车领域中，需要研究的重要内容之一。但以人工或是机械方式进行物理传感器研发，制造和安装的任务成本高、时间长。但基于计算软硬件平台的虚拟传感器的模拟、仿真、标定、校准方式的开发与研制却没有这些弊端。

同时，长期以来，在发动机控制系统的设计与测试中存在的如下两个问题，这两个问题都导致需要在系统中设置虚拟传感器：1）控制系统所需要的参数较多，实际传感器不能覆盖所有的信号要求，故需要在已有实际传感器的基础上，按照相应的物理模型对需要的监测点参数进行建模而形成的虚拟传感器；2）系统中实际装配有相应的传感器，在发动机控制系统中，未超过故障阈值的传感器慢漂移故障难以隔离，且在故障检出前影响控制系统的反馈信号，所以在工程实践中，需要设计一种实时模型作为第二通道的虚拟传感器，虚拟传感器要随时能检查到物理传感器工作的异常并及时作相应处理，以获得可靠的传感器计算值，实现对系统中失效传感器的检测和隔离。引入这种方法能可靠地改进实时信号，将由于传感器故障引起的发动机控制系统扰动抑制在一定范围内，并能避免失控的情况。

1. 开发测试过程简述

1.1 主要设计内容

此开发项目的重点工作放在虚拟传感器的模型开发，以及对模型的标定与测试，所以本系统基于 Bosch-ME7 发动机软件控制系统，对设计对象进行数学建模，以实现完整的计算功能。在仿真过程中，采用硬件在环系统进行模拟标定和测试，主要是根据输入信号 ( 大气温度、大气压力、流经节气门进气量、发动机转速、冷却水温等 )，来计算和模拟的虚拟传感器（环境温度传感器、涡轮出口压力传感器传感器、增压器出口温度传感器、涡轮进气质量流量传感器、中冷器出口压力传感器）。

1.2 系统采用的设计方法与开发测试流程

首先以涡轮增压系统的本质特征为基础建立传感器的物理模型，此过程主要根据传感器的基本原理和涡轮增压系统的工作原理，进行研究后，再进行模块化搭建。然后基于对发动机台架样本数据的分析，发现线性回归方法的预测和计算效果最好，所以将这种方案作为设计方案。

在建模过程中通过 Matlab 模块化的工具来实现传感器的模型建模，编译工具 MotoHawk 集成 GreenHill 编译器，当系统模型建立完毕后，编译器会将 C 语言代码自动生成可供刷写的 .SRZ 文件。使用 Kvaser 公司的 USB-CANII 硬件连接器可快速完成代码刷写的过程。

在硬件在环测试平台 (Hardware in the loop Simulation，HIL) 上，对虚拟传感器进行标定和测试。主要任务是为对虚拟传感器中的标定量进行优化调整 。在Matlab 下使用 motohawk_vision_project‘( ’) 命令可直接生成用于标定的策略文件(.vst) 及项目文件。最后在Indynare 商业发动机模型中测试设计效果，得出最终结论。系统组成如图1 所示。

2 涡轮增压系统中虚拟传感器的设计与实现举例

在参考诸多设计方案后，最终选择了以传感器工作特性和热力学基本原理为出发点，对真实涡轮增压系统采集数据的线性化，以及根据气温、海拔等因素对输出结果的修正，来设计本文中虚拟传感器模块。

主要设计内容包括：1）环境温度传感器模型的设计；2）涡轮出口压力传感器模型的设计；3）增压器出口温度传感器模型的设计；4）涡轮进气质量流量传感器模型的设计；5）中冷器出口压力传感器模型的设计。

在 Matlab ／ Simulink 环境中以图形化的语言，根据输入信号（大气温度，大气压力，流经节气门进气量，发动机转速，冷却水温），来计算、模拟和建模的虚拟传感器有环境温度、涡轮出口压力、增压器出口温度、增压器进气质量流量、中冷器出口压力等传感器，本章将详细介绍发动机涡轮增压系统中中冷器出口压力的预估方法，对快速实现了虚拟传感器的建模、设计与开发进行了举例说明。

中冷器出口压力传感器的设计过程简述如下：

(-) 中冷器出口压力模块

增压器出口压力与增压压力传感器之间连接的是中冷器，其作用是提高发动机换气效率，增大进气量。中冷器除了可以降低涡轮增压以后的进气温度外，还会使在通过中冷器后的气流产生压降。本模块通过计算中冷器压降来预估压缩机出口压力。

3 虚拟传感器模型测试研究举例

3.1 测试平台

硬件在环仿真系统 (Hardware in the loop Simulation，HIL) 是指用高速运行的实时仿真模型来代替部分实际被控对象或系统部件，而控制系统则采用实物( 即硬件发动机控制单元，执行器及传感器 ) 所构成的系统。HIL 可对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估。

硬件在环仿真系统主要由三部分组成实时仿真模型、信号接口模块和人机交互系统。其中实时仿真模型是整个硬件在环仿真系统的核心，主要功能是实现系统模型的实时仿真运算；信号接口模块充分利用其高速计算功能，可以在系统实时仿真模型和控制系统实物之间进行各种信号的传递；人机交互系统既可以方便地修改系统仿真模型的参数，又能及时地监控系统实时仿真模型在实物控制系统作用下运行状态的变化情况。

3.2 虚拟传感器的测试流程与内容

（一） 虚拟传感器的测试流程

1. 在发动机原有模型的基础上修改，使之与实际发动机结构情况相匹配。通过预处理命令对新搭建模型输入相应的参数，由此形成一个模拟的发动机。将新的模型命名为 sitc_s4_adv_WHU。

2. 将待测试模块所用发动机模型 sitc_s4_adv_WHU 在 Simulink 软件环境中打开，从模型中找到相应的输入变量与待测试模型相接。将其输出参数通过和sitc_s6_adv_WHU 模型相应输出做比较，观察分析模型的精度。

3. 调节发动机不同的工作点，即不同转速和负荷的组合，调整输入量以观察模型输出量的大小。

4 结语

基于这些优点，本文设计了一套涡轮增压系统虚拟传感器开发测试系统来实现传感器的开发与测试，并着重研究了发动机涡轮增压虚拟传感器建模原理及过程，搭建的模型具有明确的物理含义和很大的灵活性，比较容易地实现检测功能，以及进行相应的实际修正，虚拟传感器的估算值和实测值误差小于±5%，而且开发周期短，成本较低，实现高度智能化，自动化，同时最终获得了客户验收。

参考文献：

[1] 许存国 , 徐田 . 对涡轮增压系统虚拟传感器的算法研究［J］．电子制作，2021(20):34-36.

[2] 任志锋, 范仲伟, 周君．电控可变涡流式废气涡轮增压传感器的研究［J］．中国水运 ( 理论版 ),2008(01):227-228..

作者简介：易琨，男，(1976.11 ～)，2015 年 12 月毕业于大学，硕士，任职于， 正高级工程师，主要从汽车电子教学和科研工作。