用MATLAB_SIMULINK實現(xiàn)柴油機及其控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真

1、980045用M A TLAB S I M U L I N K 朱輝3(清華大學汽車工程系(北京理工大學摘要。本文建立了柴油機準線性動態(tài)模型, 詳細描述了空氣流量率、燃空比、指示熱效率、摩擦損失、平均指示壓力輸出、發(fā)動機動力學等子模型。控制系統(tǒng)模型包括控制策略、傳感器和執(zhí)行器模型, 本文選用的控制策略為P I D 調節(jié)器。文中給出了以上主要模型在M A TLAB S I M UL I N K 環(huán)境下的實現(xiàn)過程和結構組成圖。以BN 493自然吸氣柴油機及其控制系統(tǒng)為仿真對象, 在M A TLAB S I M UL I N K 環(huán)境下進行了動態(tài)仿真計算, 文中給出了典型瞬態(tài)過程的仿真和實測結果。關

2、鍵詞:動態(tài)仿真, 柴油機, 控制系統(tǒng), 模型D ynam ic Si m ula tion of D iesel Eng i ne and Con trol System Usi ngM AT LAB SI M UL INKZhu Hu i(D epartm en t of A u tomob ile Engineering, T singhua U n iversity W ang L iq i ng(Beijing L igh t A u tomob ile Co. ,L td . Zhang Y outong Cheng Changq i (Beijing In stitu te of

3、T echno logy AbstractD ynam ic Si m u lati on is an i m po rtan t stage in the cou rse of develop ing engine con tro l system . T h is paper p resen ts a quasi 2linear dynam ic model of diesel engine , including air m ass flow rate , fu 2el air rati o , indicated therm al efficiency , fricti on lo s

4、s , indicated m ean effective p ressu re and enginedynam ics etc . sub 2models. T he con tro l system model con sists of con tro l strategy , sen so rs and actu 2ato rs sub 2models . T he con tro l strategy is a P I D con tro ller . T he paper describes the realizing p ro 2cesses and arch itectu res

5、 of these m ain models . T he dynam ic si m u lati on of BN 493diesel engine andits con tro l system is realized under M A TLAB S I M UL I N K environm en t , and gives the si m u lati onand testing resu lts under som e typ ical tran sien t operating conditi on s. 第16卷(1998 第3期內燃機學報Tran saction s of

6、 CSI CEV o l . 16(1998 N o . 3原稿收到日期為1997205227, 修改稿收到日期為1997210213。3中國、北京、郵編100084。Key words :D ynam ic si m u lati on , D iesel , Con tro l system , M odel引言在發(fā)動機控制系統(tǒng)設計的初始階段, ECU 常重要的環(huán)節(jié)。動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件為ECU , 美國一些公司如T he M athw o rk s , Inc . , In s , , dSPA CE Gm bH , Xanalog Co rp . and V isual So lu ti

7、on s , . 件1, , 建立通用的零部件模型庫, 使開發(fā)工。M A TLAB S I M U L I N K 是M ath W o rk s 公司推出的一種性能優(yōu)良的圖形式動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件包, 除了具有傳統(tǒng)的交互式編程之外, 還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的W indow s 編程等便利工具。本文在S I M U L I N K 中建立了發(fā)動機模型、傳感器模型、執(zhí)行器模型和控制器模型, 并把它們結合起來進行了柴油機及其控制系統(tǒng)的綜合仿真。M A TLAB S I M U L I N K 平臺允許建立子模型庫, 可以很方便地進行模型的組合與更改, 從而使系統(tǒng)

8、設計與仿真工作變得簡單。1柴油機及其控制系統(tǒng)模型的整體結構圖1是用M A TLAB S I M U L I N K 圖形化流程圖式編程語言建立的發(fā)動機及其控制系統(tǒng)模型的最上層形式。由該圖可以看出直觀而形象的模型結構與組成。用鼠標雙擊圖中的每一個環(huán)節(jié)框都可以彈出一個窗口, 顯示該環(huán)節(jié)的特性和內容或該子模型的下一層構成形式。在每一次仿真開始前必須雙擊圖中上方的“裝入發(fā)動機及傳感器數(shù)據(jù)”框, 發(fā)動機結構參數(shù)以及傳感器特性數(shù)據(jù)被統(tǒng)一放在一個數(shù)據(jù)文件中以便于修改, 只有雙擊該框才能裝入這些數(shù)據(jù)。圖1柴油機控制系統(tǒng)模型5131998年7月朱輝等:用M A TLAB S I M UL I N K 實現(xiàn)柴油機

9、及其控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真下文分別對各子模型進行描述。2柴油機準線性動態(tài)模型 雖然發(fā)動機非線性動態(tài)模型有其多種優(yōu)點, 能廣泛使用。到目前為止, , 這主要是因為準線性模型簡單, 計算時間短, 指示熱效率、摩擦損失、平均指示壓力輸出、, 其S I M U L I N K 圖形化圖2柴油機準線性模型2. 1空氣流量率實際空氣流量率=理論空氣流量率×充氣效率。充氣效率僅是發(fā)動機轉速的函數(shù)2。由完全充排法的計算結果把充氣效率擬合成發(fā)動機轉速的二次多項式。v =a 0+a 1n e +a 2n 2e (1式中:a 0, a 1, a 2為擬合出的常數(shù)。通過發(fā)動機的空氣流量率為m a =v m a0

10、=v 0V h Ncyl n e 120kg s (2式中:0為空氣密度; v 為充氣效率。2. 2指示熱效率發(fā)動機的指示熱效率實質上是由相關的熱損失和燃燒效率決定的。熱損失是發(fā)動機轉速n e 和燃空比f 的函數(shù), 而燃空比對一個給定發(fā)動機的燃燒效率起主導作用5。因此選擇613內燃機學報第16卷第3期發(fā)動機轉速和燃空比作為指示熱效率模型的變量。模型采用以下形式的方程:i =(k 0+k 1n e +k 2n 2e(k 4+k 5f +k 6f 2+k 7f 3 (3式中:k i 為常數(shù)(i =17 。2. 3摩擦損失, p 的關系, 如式(4 3所示:p fr=1+(k 1+k 2p 4p 3

11、(4 式中:p f ; p in 為進氣壓力; S p 為活塞平均速度; 為壓縮比; k i i 42. 4, 平均指示壓力p i 是燃油質量流率m f 、指示熱效率i 和轉速n e 的函數(shù),p i =K p i m f i n e M Pa(5 式中:K p i =V h N cyl; m f 的單位kg s ; n e 為發(fā)動機轉速, r m in ; H u 為燃料低熱值, kJ kg ; V h 為氣缸工作容積, L ; Ncyl 為氣缸數(shù); 為沖程數(shù)。2. 5工質溫升對用于控制分析的自然吸氣式柴油機動態(tài)模型來說, 工質溫升模型不是必需的, 但對于渦輪增壓柴油機來說是必需的, 為了使模

12、型具有一定的通用性, 模型中考慮了工質溫升。發(fā)動機的工質溫升主要是轉速n e 與燃空比f 的函數(shù)3, 但是平均指示壓力對其有一定的影響, 因此引入平均指示壓力修正:T =k 0k 1f +k 2p i +k 3(62. 6發(fā)動機動力學發(fā)動機動力學是牛頓第二定律在轉動系統(tǒng)中的應用。經(jīng)過推導, 發(fā)動機加速度可由下式5表示:d t =2(I e +I l (7式中:p 1為負荷壓力, M Pa ; I e , l 為發(fā)動機、負載轉動慣量。3油泵特性對于動態(tài)仿真來說, 柴油機噴油泵供油特性是不可少的。油泵特性是指每循環(huán)油量隨發(fā)動機轉速n e 和齒桿位移x 的變化關系, 通過油泵特性試驗得到的關系式為q

13、 =(k 0+k 1x 1+k 2(84電控系統(tǒng)模型電控系統(tǒng)模型由各個部分的模型組成, 包括控制器(ECU 模型、齒桿位移執(zhí)行器模型、713 1998年7月朱輝等:用M A TLAB S I M UL I N K 實現(xiàn)柴油機及其控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真齒桿位置傳感器模型、油門位置傳感器模型、發(fā)動機轉速傳感器模型, 如圖3所示 。圖3電控系統(tǒng)模型組成4. 1控制器模型該模型與本實驗室研制的柴油機噴油量控制系統(tǒng)中的控制算法部分相一致, 是一個帶扭矩修正的P I D 控制器。控制器模型如圖4所示, 相當于一個全程式調速器4。發(fā)動機理論轉速N c 與油門位置T hr 的關系如下:N c = T hr (N

14、R -N L +N L(9 式中:N R 為發(fā)動機最高怠速轉速; N L 為發(fā)動機最低怠速轉速; T hr 為油門位置; N c 為發(fā)動機理論轉速 。圖4控制器模型理論齒桿位移X d 如下計算:X d =N c K rX m ax (10式中:n e 為實際轉速; K r 為調速率; X m ax 為理論最大齒桿位移。P I D 調節(jié)器通過對齒桿位移的調節(jié)使發(fā)動機實際轉速盡可能接近理想轉速, P I D 調節(jié)器的輸出X (n 可表示為X (n =K p E (n +K I t 6nk =1E (k +t E (n -E (n -1(11 E (k =X d (k - X e (k 813內燃機

15、學報第16卷第3期1998 年 7 月朱輝等: 用 M A TLAB S I U L I K 實現(xiàn)柴油機及其控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真 319 M N X d , 在同一轉速下扭矩修正關系給 式中: K p 為比例因子; K I 為積分因子; K D 為微分因子; t 為采樣時間; X e 為實際齒桿位移; E 0 為齒桿位移偏差。 發(fā)動機扭矩修正就是對每一 轉速下發(fā)動機的最大齒桿位移 ( 或 最大供油量 進行限制, 如圖 5 所 示。 P I 調節(jié)器輸出一齒桿位移 D 出一最大齒桿位移限值 X L , 控制器 最后輸出兩者中的最小量。 4. 2傳感器與執(zhí)行器模型 對傳感器、 執(zhí)行器進行建模, 4.

16、2. 1傳感器模型 圖 5控制器特性圖 不僅有助于對傳感器、 執(zhí)行器工作原理的理解, 而且有助于對傳感器信號處理方面的編程。 對傳感器進行建模要考慮到以下 3 點: ( 1 傳感器輸出信號的類型與值域; ( 2 傳感器的輸出滯后; ( 3 信號的量化誤差 ( 可以在控制器模型中考慮 。 例如對轉速傳感器建模, 考慮了轉速信號每轉輸出個數(shù) ( 即齒盤齒數(shù) N teeth , 對轉速測 量是測量相鄰兩信號間的時間 T ne , CPU 對時間測量存在量化誤差, 量化誤差即為定時器時 鐘周期 T CL K。CPU 實際采集到的、 能表征轉速大小的量是 T ne。因此轉速傳感器模型的輸出 就是 T n

17、e , 60×106 teeth T ne = ( in t n e N T CL K ( 12 式中: n e 的單位為 r m in; T CL K 的單位為 s; ( in t 表示取整。 對本實驗室研究的控制器來說, N teeth 油門位置傳感器與齒桿位置傳感器輸出為頻率信號, 建模方法類似于轉速傳感器。 油門 位置傳感器模型使用的是一個階躍輸入環(huán)節(jié)。 4. 2. 2齒桿位移執(zhí)行器模型 齒桿位移執(zhí)行器使用的是電壓驅動的比例電磁鐵。 驅動電壓輸出和驅動電路可以簡化 為慣性環(huán)節(jié) 4 , 其傳遞函數(shù)為 G 1 (s = 1 1+ t sS 比例電磁鐵可以簡化為一積分環(huán)節(jié), 其傳遞

18、函數(shù)為 G 2 (s = km S 5仿真與實測結果比較 在建立 BN 493 自然吸氣柴油機以及控制系統(tǒng)模型之后, 對發(fā)動機的典型過渡工況進行 了仿真。 發(fā)動機結構及性能參數(shù)如表 1 所示。 = 3, T CL K = 0. 5 s。 ( 13 ( 14 3 2 0 內燃機學報第 16 卷第 3 期 圖 6 是油門為 62% 時負載扭矩從 0 突變到 29 N m , 穩(wěn)定之后又從 29 N m 突變到 0 的仿真結果與試驗結果的比較。圖 7 是負載扭矩為 20 N m 時油門從 11% 突變到 38% , 穩(wěn) 定之后又從 38% 突變到 13% 的仿真結果與試驗結果的比較。 圖 6定油門突

19、變負載工況仿真與實測結果比較 實測值222仿真值 圖 7定負載突變油門工況仿真與實測結果比較 實測值2222仿真值 1998 年 7 月朱輝等: 用 M A TLAB S I U L I K 實現(xiàn)柴油機及其控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真 321 M N 由對比圖可以看出, 在每個試驗工況 下, 模型預測的發(fā)動機轉速、 齒桿位移的變 化趨勢及幅值與實測值具有很好的一致性。 但是模型預測的參數(shù)變化相位和實測值有 一定的差別, 而且這種差別隨試驗工況的不 表 1發(fā)動機結構及性能參數(shù) 型號 型式 活塞行程 總排量 壓縮比 標定功率 標定功率時轉速 怠速轉速 BN 493Q 直列四缸四沖程水冷直噴式柴油機 102

20、mm 2. 771 L 18. 21 同而不同, 這主要是因為在動態(tài)模型計算過 (53±2. 2 kW 程中, 每一個循環(huán)的開始條件與循環(huán)結束條 3600 r m in 件是不進行收斂性判斷的 ( 發(fā)動機實際運轉 (750 790 r m in 過程中每個循環(huán)的始末狀態(tài)是不一樣的 , 這給模型相位方面的校準帶來了極大的困難。 不過, 對于用于控制分析的動態(tài)模型來說, 最 重要的是參數(shù)變化趨勢的準確性和參數(shù)幅值范圍的準確性, 因為只要這兩方面比較準確即 可用于控制策略的正確性與優(yōu)劣的分析, 而相位差異對動態(tài)模型的實用價值影響不大。 以上各仿真中, 積分步長采用 20 m s, 積分算法采用 A dam s 算法。積分步長采用 20 m s 是為了與實際控制器的