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作者：Arek Dutka, Gustav Ferrao - Industrial Systems and Control Limited “在當今應用于汽車工業的軟件中，LabVIEW主要具有兩個主要優勢：一個是其前面板，可以作為強大的用戶界面；另一個是其生動的開發環境，可以避免底層語言編程。” 挑戰：對多個變量進行仿真，驗證復雜的汽車發動機設計，以獲得最佳的耗油量、發動機性能以及尾氣排放控制。 解決方案：使用NI LabVIEW控制設計和仿真模塊，我們開發了一個可以進行實時控制、分析和測試的應用。 如今，汽車動力總成控制系統必須保持持續的發展以滿足要求。這些要求包括調節尾氣的排放以適應日益嚴格的排放標準；提供更好的耗油量以遵守企業平均耗油量的標準；并滿足用戶對性能和舒適性的需要。 這些要求是相互聯系的，甚至經常是相互矛盾的。比如，貧燃技術可以顯著地減少油耗，但同時降低了三元催化轉換的效率，造成了額外的空氣污染。 有兩種方式可以滿足如今的汽車規范，一種為改進現有的結構，另一種為引進新的更加復雜的機械設計。 在決定發動機性能的參數中，凸輪軸外形是最重要的設計參數。 在設計過程中，一些發動機著重滿足扭矩的需要，另一些著重優化速度，因此沒有某種外形可以滿足所有的設計參數的要求。 雙頂置凸輪軸（Double overhead camshaft, DOHC）發動機主要有四種可變凸輪定時策略： • 只有進氣凸輪相移 (只進氣) • 只有排氣凸輪相移(只排氣) • 進氣凸輪和排氣凸輪等量相移 (兩者相等) • 進氣凸輪和排氣凸輪獨立相移 (雙獨立) 在雙獨立可變凸輪軸發動機發動機（Twin-independent variable camshaft timing, TIVCT）中，進氣凸輪軸和排氣凸輪軸均獨立完成校正。其變化量是氣門位置和發動機速度的函數。 為提高發動機性能，系統提供了很大的自由度。正因如此，需要找到一種途徑，能夠優化氣門定時參數，以獲得最好的耗油量、發動機性能以及排放控制。 然而，這項技術的結果是一個高度復雜的實時控制算法。雖然在幾年前TIVCT就已經被引入汽車發動機領域，但其仍然是如今研究和探索的焦點。 使用LabVIEW完成實時控制、分析和測試 此工程是基于TIVCT發動機進行建模和最優控制器設計，以達到特殊的發動機性能要求。控制策略的目標是為發動機提供扭矩的參考量跟蹤，同時最大限度地減少制動時的油耗率，并優化燃料燃燒的穩定性。 使用LabVIEW控制設計和仿真模塊及其自帶的線性代數函數來完成此項目。在當今應用于汽車工業的軟件中，LabVIEW主要具有兩個主要優勢：一個是其前面板，可以作為強大的用戶界面；另一個是其生動的開發環境，可以避免底層語言編程。 另外，NI的很多硬件都集成了用來控制、設計和仿真的工具，以便于開發實時控制、分析和測試應用。這也讓LabVIEW對于汽車研發部門來說很有吸引力。 對于發動機模型，控制系統操作最主要的變量包括進氣歧管的氣流量、獨立凸輪軸在入口處的位置和相對于曲軸的排氣閥排氣時間。 控制輸出為發動機扭矩，制動的油耗率以及平均有效壓力示值的變化系數。其它影響系統性能的變量（如發動機轉速，發動機冷卻液溫度）被當作外部參數，作為控制系統的調度變量使用。 通過使用LabVIEW控制設計和仿真模塊，時間連續的TIVCT發動機模型將一種靜態的典型燃燒過程特征方程與描述驅動器和進氣歧管的微分方程結合，以得到一種動態模型。 最后得到的非線性TIVCT發動機模型具有多路輸入、多路輸出（Multiple input, multiple output, MIMO）的特性。通過操縱每一個輸入變量，其輸入輸出關系出了明顯的交叉作用。在此控制應用中，使用LabVIEW將系統設定于特定的工作點，將非線性的發動機模型線性化，從而開發了一種線性的模型。 使用LabVIEW前面板進行交互仿真 使用LabVIEW中的線性二次型調節器(LQR)設計了一種先進的優化控制器。功能上，此控制器完成兩個目標：最小化偏移和實現校準器的作用。在有外界干擾的情況下，通過引入循環內積分可消除穩態誤差，從而達到上述控制器的設計目標。 為了定義性能指標，并最小化輸出誤差和輸出變化率，使用LabVIEW基于連續時域系統的最優化對理論對TIVCT發動機進行狀態反饋和參考點追蹤，并通過該工具來獲得預期的增益。 本地控制器和線性模型在LabVIEW中搭建和仿真。在最小化制動油耗率（BSFC）和平均指示壓力變動系數（COVIMEP）的同時，系統通過與設定值相關的一個準確的穩態值來追蹤發動機扭矩。 將Q和R兩個調諧變量置于前面板，可以保證對控制器直觀的檢測并進行在線調整，這也充分利用了LabVIEW交互仿真的特點。 為了可以輕松地將仿真轉移到計算機硬件中以便最終應用，通常會將模型和控制器應用到離散時間系統中。離散控制器可以從連續控制器中衍生，也可以直接在離散時間系統中使用同樣的線性二次型調節器VI重新設計。 由于模型是非線性的，在某個工作點產生預期響應的理想增益參數也許并不能在另外的工作點產生同樣令人滿意的響應。 因此，需要通過在非線性模型的不同的工作范圍中使用相應的理想增益參數來實現增益調度。通過前面板完成參數的交互調整，以使增益調諧的過程合理化。 
使用LabVIEW進行交互仿真、實時控制、分析和測試
演示多路輸入多路輸出控制（MIMO）設計方法的屏幕截屏 |
