基于NI CompactRIO的压力反馈式喷油控制系统设计与开发

史卫全，李铁,2

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

基于NICompactRIO的压力反馈式喷油控制系统设计与开发

史卫全1，李铁1,2

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

设计开发了基于预燃式高温高压定容燃烧弹的压力反馈式喷油控制系统。考虑到嵌入式系统要求实时性高、安全可靠性高、控制精度高和任务复杂度高等特点，使用CompactRIO-9036以及相应的I/O模块，利用FPGA可重复配置的优势，实现了压力信号采集、配气电磁阀驱动、点火驱动、喷油器驱动及轨压闭环控制等功能。为了验证本系统的可靠性，进行了压力反馈喷油触发试验，从结果可以看出本系统可以较为精确地、良好地模拟发动机喷油时刻的环境。

定容弹；电控系统；高压共轨；燃油喷雾；闭环控制

柴油雾化混合的状态会对燃烧过程产生重要的影响，而燃烧过程及燃烧特性与柴油机的动力性、燃油经济性、排放特性和噪声振动特性密切相关。因此研究柴油机的电控喷油及测试燃油的喷雾特性对柴油机的推广具有重要意义[1-2]。

定容燃烧弹测试系统可以建立与发动机上止点附近相似的热力学氛围，搭配光学测试系统可以对喷雾以及燃烧过程进行可视化研究。国外方面，Sandia国家实验室是研发定容弹的先行者，其研发出的定容弹能够模拟较大范围的环境温度、密度以及燃烧后的氧浓度，用以研究燃油直喷的喷雾与燃烧。国外的大学也相继研制出不同类型的定容弹，如美国爱荷华大学、密西根理工大学、日本广岛大学[3-5]。国内方面，天津大学、同济大学、华中科技大学等高校[6-8]也利用定容弹对喷雾进行可视化研究。

柴油被喷入气缸后，经历的雾化混合等准备过程和燃烧过程具有高速、高温和高压的特点，与其相应的嵌入式控制系统在设计上必须保证实时性高、安全可靠性高、控制精度高和任务复杂度高等特点。因此，综合考虑了以上设计要求，本研究采用NI CompactRIO控制器和LabVIEW软件平台，设计了基于预燃式高温高压定容燃烧弹的压力反馈式喷油控制系统，能实时地根据定容弹内的压力信号反馈实现较精准地喷油触发，较好地模拟了发动机喷油时刻的瞬时环境条件，同时使试验操作安全可靠，降低了试验的复杂度，提高了研究的效率。

1 压力反馈式喷油控制必要性

利用定容燃烧弹对喷雾燃烧的研究是在一固定容积内进行，当其工作时，预先向定容弹内充入一定比例的不同气体以形成预混合气体，点火燃烧后，会形成高温高压的环境，可以模拟柴油机气缸内的喷射环境。通过调整预混气体配比和燃油喷射时刻，能方便地改变EGR率、环境密度、温度等条件。当定容弹内环境条件达到试验条件时，开始喷油，并触发摄像系统，对喷雾燃烧进程进行可视化研究。

根据理想气体状态方程，在定容弹内，当气密性良好时，由化学反应前后的质量守恒定律可知，质量m不变，容积V一定时，由于Rg是常数，压力p和温度T是一一对应的[9]。

pV=mRgT。

(1)

由于热电偶的采样迟滞，用定容弹来模拟柴油机喷油时刻的温度条件时，能根据弹内压力而进行喷油，进而达到控制喷油时刻瞬时温度的目的。图1示出了燃烧过程中的弹内压力曲线。压力由预混气着火后开始上升，迅速达到峰值，之后由于传热等因素的影响而缓慢下降。当到达目标压力时，触发喷油。

确定喷油时刻的通常做法是在正式试验前先对相应配比的预混气体的燃烧压力曲线进行标定，以确定目标压力所对应的时刻，并用延迟信号发生器在该时刻下触发喷油器。一般来说，定容弹工作的循环变动越小，此方法的精准度和可靠性越高。但是由于每次试验预混气体的混合均匀程度及每次燃烧的完全程度有差异，使得每次的弹内压力曲线存在差异，差异越大，得到的喷雾特性数据越不可靠。

因此，能够实时地根据压力信号反馈来决定喷油时刻，对研究目标热力学状态的喷雾特性和燃烧特性是非常必要的。然而，从图1[10]中可以看出，在冷却过程中，要想精准地在压力下降的过程中捕捉到目标压力，对控制系统采集板卡的采样率的要求非常高，要想在目标压力下实现精准的喷油触发，对程序代码的执行效率也有较高的要求。

图1 预燃式定容燃烧弹的工作流程

2 压力反馈式喷油控制系统设计

2.1 控制系统总体结构

基于定容弹的压力反馈式喷油控制系统以NI LabVIEW 2015 为开发环境，代码分别部署在FPGA(Field Programmable Gate Array)端和Linux Real-Time System(RT)端。FPGA上编写的LabVIEW程序需要LabVIEW编译服务器对LabVIEW代码进行编译，得到Bit File 并部署到FPGA上，以通过I/O模块实现对终端设备的控制与采集；在RT端编写的LabVIEW程序可以实现对FPGA端程序的调用。

图2示出了CompactRIO控制系统的总体结构及代码部署情况。其结构包括控制器、FPGA以及I/O模块。控制器使用Intel Atom处理器，1 GB内存，搭载实时(Linux RT)系统。相对于平常使用的Windows 系统，Linux RT系统抖动更小，执行任务时间更准确，可以保证执行任务的实时性。FPGA使用的是Xilinx Kintex-7系列，有较多的资源(查找表和触发器)，同时搭载40 MHz的板载时钟(必要时可以倍频)，运算速度快，可以更精准地实现定时、同步等功能。CompactRIO控制系统与PC的通信遵循TCP/IP协议[11]。

图2 CompactRIO控制系统部署情况

图3示出了压力反馈式喷油控制系统的结构。先在预混容器内充入一定比例的氮气、氧气和乙烯，待混合均匀后充入定容弹，电磁阀由NI 9474模块驱动。NI 9205模块和NI 9222模块都是模拟信号采集模块，NI 9205模块是所有通道共用ADC，所以传感器连接太多会拉低每个通道的采样率，而NI 9222的4个通道有独立的ADC，每通道采样率高达500 kHz，所以由NI 9205模块采集预混容器的压力信号以及两路定容弹温度信号，对于采样率要求高的共轨压力信号和弹内压力信号由NI 9222模块采集。本系统由于后续需要进行试验测试，验证喷油时刻的弹内压力是否达到目标压力值，所以使用了Hioki 8860-50数据采集仪来同时采集弹内压力和电流钳两路信号。电流钳用来捕捉喷油器驱动信号。弹内压力信号由电荷放大器通过三通BNC接头分为两路分别给到NI 9222和Hioki 8860-50数据采集仪。根据NI 9222模块采集到的轨压信号，NI 9474会发出合适占空比的PWM波驱动IMV阀，控制进入共轨管的燃油流量，从而使轨压稳定在目标值。轨压稳定后，通过NI 9474发出点火信号，将预先充入定容弹内的预混气体点燃，同时触发Hioki数据采集仪采集弹内压力信号以及电流钳捕捉的喷油器驱动信号，将数据保存等待后续分析。

图3 压力反馈喷油控制系统结构

2.2 高压共轨电喷子系统设计

在压力反馈式喷油控制系统的总体设计过程中，建立目标共轨压力是最重要的一环。研究直喷发动机燃料射流的相关特性，实现精准的喷射量和喷射速率等条件是极其必要的。在本系统中，共轨压力闭环控制的稳定精准性，关系到喷射量的准确性，更关系到试验数据的可靠性[12-13]。本节着重介绍轨压闭环控制部分。

为了维持当前轨压与目标轨压的一致，本系统采用增量式PID算法[14]：

Δy(k)=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)T+
Kd(Δe(k)-Δe(k-1))/T。

(2)

式中：Δy(k)表示系统输出；e(k)表示第k次采样所获得的偏差信号；T为采样周期；Δe(k)为本次和上次测量值偏差的差，即Δe(k)=e(k)-e(k-1)；Kp，Ki，Kd分别表示比例常数，积分常数和微分常数。通过在FPGA上利用移位寄存器存储每次采样循环中的偏差来实现该算法。由于微分常数会使系统稳定性变差，所以本算法中的微分常数始终为0。

在轨压的闭环控制中，本系统使用了NI 9474数字输出模块和NI 9222模拟输入模块。NI 9222模拟输入模块AI0通道对轨压传感器返回的电压进行采集，轨压传感器输出电压为0.5～4.5 V，对应轨压为0～200 MPa；NI 9474数字输出模块DO0通道根据当前轨压与目标轨压的差值，由PID算法计算出适当占空比，并发送相应占空比的PWM波对IMV阀的进油量进行闭环控制。具体流程见图4。

图4 PID自动控制轨压流程图

当前轨压与目标轨压的差值不同，相应的PID参数也不同，所以需要在实际调试过程中对不同偏差进行PID参数整定，得到不同偏差对应的Kp，Ki的MAP图，使其响应曲线达到最佳[15]。MAP图上的值最终通过插值算法部署在RT系统上，以便实现参数自调整的PID闭环控制。图5示出了基于LabVIEW平台记录的轨压数据，描述的是在60，90，120，150 MPa下，喷射1.5 ms脉宽柴油时对应的轨压响应曲线。可以看出本系统可以使轨压稳定地保持在目标值，并且在单次喷油造成当前轨压与目标轨压存在偏差时，当前轨压能迅速回复到目标值，说明PID参数整定合格，这也为今后的多段喷射及多次喷射试验要求打下了基础，但对本系统要求的单次喷射试验没有影响。

图5 单次喷射时不同设定轨压对应的响应曲线

3 试验与分析

为了对通过标定及延迟发生器确定喷油时刻的方法和通过压力反馈确定喷油时刻的方法进行对比，共进行5组试验(见图6)，每次试验时定容弹中充入预混合气并在上位机界面中设置触发喷射压力为3.96 MPa，环境密度为15 kg/m3。按燃烧后氧浓度为0%进行配气，所以柴油被喷出后并不会燃烧。

图6 喷油触发试验

通过图6中压力曲线数据得知，5组压力曲线到达3.96 MPa时的平均时刻为0.614 84 s。采用标定法及延迟发生器来确定喷油时刻时，以此平均时刻作为喷油时刻，实际喷射环境条件与目标环境条件最大可造成2.21%的误差，而这5组试验在0.614 84 s处的环境压力的循环变动为7.21%，由此可以看出，5组试验数据并不够，试验数据少造成误差较大，这就导致了此方法前期需要做大量的标定试验，效率很低。

通过压力反馈确定喷油时刻时，当定容弹内预混合气燃烧后压力回落至3.96 MPa，电控系统输出喷油触发信号使得电磁阀开启，采集到驱动电流(由于开启持续期仅为1.5 ms，所以图中仅显示为一条竖线)，完成喷油触发。5组试验在喷油时刻的弹内压力平均为3.982 MPa，与目标环境压力的最大误差仅为0.73%，循环变动为0.54%。可见NI CompactRIO控制器能实现燃油喷射时环境的精确控制，且相较于传统标定法，压力反馈式喷油控制方法能更精确地实现喷油瞬时的环境条件，再现性高，也提高了试验的效率。

4 结束语

利用NI CompactRIO控制器搭建了基于定容燃烧弹的压力反馈式喷油控制系统，并进行了喷油触发试验。对试验采集到的弹内压力曲线采用两种方法处理并进行了比较。从试验结果可以看出，压力反馈式喷油控制法相较于传统标定法，能更精确地再现喷油瞬时的环境条件。通过精确控制初始压力与温度以保证燃烧弹充气结束后密度不变，根据理想气体状态方程可知本试验系统可实现精确的喷油时刻的相关热力学参数控制。

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DesignandDevelopmentofPressureFeedbackInjectionControlSystemBasedonNICompactRIO

SHI Weiquan1,LI Tie1,2

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240,China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240,China)

Pressure feedback control system was designed for direct injection system based on high temperature and high pressure constant volume pre-combustion cell (CVPC). Considering the requirements of real time, high reliability, accurate control and multi-task, CompactRIO-9036 and corresponding I/O modules and repeated configuration property of FPGA were utilized to build the closed loop system of pressure signal acquisition, solenoid valve driving, ignition driving, injector actuation and rail pressure control. Then the injection test was carried out based on pressure feedback. The results show that the system can simulate the injection environment accurately and reliably.

constant volume bomb；electronic control system；high-pressure common rail system；fuel spray；closed loop control

姜晓博]

2017-04-21；

2017-08-30

国家自然科学基金(91541104);国家国际科技合作(政府间)专项(2014DFG61320)

史卫全(1993—)，男，硕士，主要研究方向为柴油机喷雾燃烧特性；swqwlj@sjtu.edu.cn。

李铁(1974—)，男，研究员，主要研究方向为柴油机喷雾燃烧特性；marine_engine@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.009

TK421

B

1001-2222(2017)06-0048-04