基于Matlab的模型汽油機電控系統(tǒng)仿真

1、收稿日期:2006-04-10作者簡介:包生重(1981-,男,碩士研究生,主要從事檢測技術與控制系統(tǒng)研究.第21卷第3期2006年8月長沙電力學院學報(自然科學版JOURNAL OF CHANGSHA UN I V ERSI TY OF E LECTR I C P OW ER (NAT URAL SC I E NCE Vol .21No .3Aug .2006基于M a tl ab 的模型汽油機電控系統(tǒng)仿真包生重,裴海靈,周乃君,陳宏德(中南大學能源科學與工程學院,湖南長沙410083摘要:針對四缸四沖程汽油發(fā)動機,建立發(fā)動機數學模型.根據發(fā)動機運行特點及控制要求,在均值模型的基礎上,建立穩(wěn)

2、態(tài)部分負荷、瞬態(tài)、怠速3種主要運行工況下的控制器模型,并給出以上模型在Matlab 環(huán)境下的結構框圖和綜合仿真過程.仿真結果表明:控制器能夠判斷不同工況,并自動切換到相應的控制模型,使空燃比達到預期要求,具有良好的控制性能,控制算法可行.關鍵詞:汽油發(fā)動機;電控系統(tǒng);模型中圖分類號:TK 413.9文獻標識碼:A 文章編號:1006-7140(200603-0029-05S i m ul a ti on and Research on Electron i ca lly Con trolled System for M odelBa sed Ga soli n e Eng i n e i n

3、the Env i ronm en t of M a tl abBAO Sheng 2zhong,PE I Hai 2ling,ZHOU Nai 2jun,CHEN Hong 2de(School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Abstract:An engine model is established f or the 42cylinder 42str oke gas oline engine .According t o the engine operati

4、ng feature and contr ol require ments,the contr oller models are made f or three main types operating conditi on,stable operating conditi on,transient conditi on and idle s peed conditi on .Further more,the architectures of these models and the general si m ulating p r ocesses is described .The resu

5、lts show that the contr oller can choose the relevant contr oller f or different operating conditi on aut omatically;the air/fuel rati o reaches the ex pect ai m ;the contr oller has better contr ol perf or mance and reference val 2ue .Key words:gas oline engine;electr onically contr olled syste m;m

6、odel;si m ulati on電控系統(tǒng)是發(fā)動機的核心,而空燃比控制(噴油控制又是電控系統(tǒng)中核心控制之一,空燃比控制性能的好壞直接影響著發(fā)動機動力性能、經濟性能和排放性能1.為了提高發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)效率,降低開發(fā)成木,計算機動態(tài)仿真技術在開發(fā)工作中得到了越來越廣泛的應用2.它可以為發(fā)動機電控系統(tǒng)提供仿真的環(huán)境,替代許多實機試驗,節(jié)約實機試驗的費用,加快電控系統(tǒng)的開發(fā)進度.在發(fā)動機實時仿真系統(tǒng)中,發(fā)動機和控制器的建模是關鍵.作者在均值模型和前人研究成果的基礎上,建立了合理的汽油發(fā)動機模型.根據發(fā)動機的運行特點,發(fā)動機在大部分運行時間內,都處于穩(wěn)態(tài)部分負荷,瞬態(tài)(加速減速以及怠速3種運行工

7、況,本文主要對這3種工況分別建立控制模型, 并將它們結合起來,在Matlab /Si m ulink 的環(huán)境下進行綜合仿真.1汽油發(fā)動機模型發(fā)動機的數學模型是整個電控系統(tǒng)計算機仿真的核心和基礎.本文選用的是Cr ossley 和Cook 提出的四缸四沖程火花點火發(fā)動機模型3,并對其中的一些細節(jié)進行了必要的修改.例如,增加了燃油蒸發(fā)與油膜子模型,改進了空氣和燃油混合氣的進氣和壓縮沖程等.改進后的模型主要是從工質流動和能量轉換的角度對發(fā)動機運行進行分析和模擬.不僅適用于穩(wěn)態(tài),也適用于瞬態(tài).所建的發(fā)動機數學模型仿真結構如圖1所示.圖1發(fā)動機模型結構圖該模型主要包括氣路及油路模塊、壓縮沖程模塊、檢測定

8、時模塊、燃燒和動力輸出4個子系統(tǒng)模塊,其中氣路及油路模塊又有3個子系統(tǒng):節(jié)氣門模型,進氣管動態(tài)特性模型,燃油蒸發(fā)與油膜模型.各模塊的具體建?？蓞⒖嘉墨I3和文獻4,在此簡單介紹一下所添加或改進模塊中的油膜模型和進氣、壓縮模型以及檢測定時模塊.1.1燃油蒸發(fā)與油膜子系統(tǒng)在該子模型中,將噴射器噴出的燃油分成了2部分:一部分形成燃油蒸氣隨空氣一起進入氣缸;另一部分則附著在進氣歧管壁面上形成油膜,油膜再逐漸蒸發(fā)成燃油蒸氣進入氣缸.其數學模型見式(11(14.1.2進氣與壓縮沖程該模型的主要作用是在每個進氣沖程開始時對來自進氣歧管的空氣流量和燃油流量進行積分,并在進氣沖程結束的時候進行采樣,可以得到每循環(huán)

9、的進氣量和燃油量.氣路及油路模塊如圖1所示.在這里,壓縮沖程的作用只在吸氣終了和燃燒開始2個事件之間,插入相當于曲軸旋轉180°的時間延遲環(huán)節(jié),并沒有模擬實際壓縮沖程中氣體狀態(tài)參數的變化.1.3檢測定時模塊該模塊的功能就相當于實際發(fā)動機中用來確定3長沙電力學院學報(自然科學版2006年8月曲軸位置的曲軸傳感器.其原理是對轉速積分,每到180°就給出一個觸發(fā)信號,該觸發(fā)信號一方面對積分器清零,使積分器重新開始積分,另一方面經過一個單位延遲環(huán)節(jié)延遲180°后作為壓縮模塊的外觸發(fā)信號.對于四缸四沖程發(fā)動機來說,在每個時刻,各氣缸都處于不同的工作沖程,即一個時刻只有1個氣

10、缸處于吸氣沖程,相應其他3個沖程的也各有1個氣缸,但從整體的效果來看,曲軸每旋轉180°都會有一個吸氣沖程開始.本文所建立的發(fā)動機模型正是從這種整體的效果出發(fā),只采用一套氣缸裝置進行模擬,只是吸氣沖程每隔180°曲軸轉角就發(fā)生一次,這樣從整體上來講還是相當于1個四缸發(fā)動機在工作.2空燃比控制器建模本文對穩(wěn)態(tài)部分負荷、加速減速以及怠速這3種主要工況分別建立控制模型,然后通過選擇開關,構成一個整體的空燃比控制器模塊.該模塊能夠判斷不同的工況,并自動選擇相應的控制模型.節(jié)氣門開度等于0時(考慮實際怠速時節(jié)氣門不一定全閉,此處設為2.6,怠速控制;節(jié)氣門開度變化率3時,瞬態(tài)控制.控

11、制器模塊封裝子系統(tǒng)如圖2所示 .圖2控制器模型結構圖2.1穩(wěn)態(tài)部分負荷工況控制模型該工況下控制器模型結構如圖3所示 .圖3穩(wěn)態(tài)部分負荷工況控制器模型該控制器主要由開環(huán)控制模塊和閉環(huán)修正模塊2部分構成.開環(huán)控制是通過發(fā)動機轉速和進氣管壓力,采用均值模型中的速度-密度法計算出進氣流量5,然后由理論空燃比換算出基本的噴油量.其計算公式為m a0=V d120R T mvol N P m =C (N ,P m N P m(1m f =m a0/(A /F .(2式中m a0為進氣門空氣流量;N 為發(fā)動機轉速;P m為進氣管壓力;V d 為發(fā)動機排量;vol 為充氣效率;T m 為進氣溫度;R 為通用氣

12、體常數;m f 為基本噴油量;A /F 為理論空燃比;C (N ,P m 為待標定泵氣系數.實際上泵氣系數是轉速和進氣管壓力的函數,要通過標定實驗來獲得,以表格的形式存放在控制器的ROM 中,實際運行時通過查表獲得具體數值.本文所建立的發(fā)動機模型,也可以進行標定實驗,進而得到泵氣系數C (N ,P m .標定時首先確定典型工況點,然后確定典型工況點下對應的氣管壓力P m 和進氣量m a0,再由式(1計算出泵氣系數,最后整理即可得到C (N ,P m 值表格.上述方法固然可行,但過于復雜,為簡化模型可用下面的經驗公式代替3m a0=-0.366+0.08979N P m -0.0337N P 2

13、m +0.0001N 2P m(3氧傳感器的信號是開關式的,當為濃混合氣(高于理論空燃比時輸出信號為高電平,稀混合氣(低于理論空燃比時為低電平,可用一雙曲正切函數表示,即EG O =(1-tanh (203(A /F -14.7/2.(4閉環(huán)修正模塊是根據氧傳感器的反饋信號對開環(huán)控制模塊得到的基本噴油量進行修正,修正算法采用P I 算法,具體的控制算法表達式為e 0=0.5EG O 0.5,-0.5EG O >0.5.(5C m f =Pe 0+I e 0d t.(62.2瞬態(tài)工況控制器模型瞬態(tài)工況下,由于氣體的充排效應,導致進氣管壓力測不準,再者由于進氣管動態(tài)油膜效應的影響,使得噴油器

14、噴出的燃油不等于實際進入氣缸的燃油.為了消除由于上述2個因素所導致的空燃比偏13第21卷第3期包生重,等:基于Matlab 的模型汽油機電控系統(tǒng)仿真差,在所設計的瞬態(tài)工況控制模塊中加入了2個修正模塊:進氣管壓力觀察器模塊和動態(tài)油膜補償器模塊.如圖4所示 .圖4瞬態(tài)工況控制器模型進氣管壓力觀測器模塊通過計算得到一個瞬態(tài)工況下進氣管壓力的估計值,在計算循環(huán)進氣量的時候用該估計值代替實際測量值,根據平均值模型,該模塊的計算模型可用下列公式表示3m at =f (g (P m .(7f (=2.821-0.05231+0.102992-0.000633.(8g (P m =2P m P a -P 2m

15、 sign (P a -P m /P a ,sign (P a -P m ,其它情況.(9P m =R T m V m(m a t -m a 0.(10式中m at 為節(jié)氣門處空氣流量;為節(jié)氣門開度;P a為大氣壓;V m 為進氣管容積;sign (為符號函數.聯立式(7(10及式(3便可估算出進氣管壓力和進氣門處的進氣量,再由式(2估算出基本噴油量.而動態(tài)油膜補償器模塊則是建立在均值模型中的燃油蒸發(fā)與油膜模型5,6,即d m ffv d t=1/f (-m ffv +X m finj (11m fv =(1-X m finj (12m cyi =m fv +m ffv (13X (=a 0+

16、a 1(14式中m finj 為噴射的燃油流量;m fv 為直接形成燃油蒸汽的燃油流量;m ffv 為油膜揮發(fā)的質量流量;m fcyi 為進入氣缸的有效燃油流量;X 為噴射的燃油中沉積在壁面的比例;f 為油膜蒸發(fā)的時間常數,取值0.25s ;a 0,a 1為系數,取值為0.01和0.00889.根據這一模型計算得到一個瞬態(tài)下的補償系數(C mf =m finj /m fcyi ,用該補償系數來修正開環(huán)控制部分所得到的燃油噴射量.2.3怠速工況控制器模型對于發(fā)動機的怠速控制,目前有很多人提出采用模糊控制7,8,但在實際運用中主要還是采用經典的P I D 控制,因此本文仍選用P I 控制模型來設計

17、怠速控制器.控制器模型為(t =K p (N set -N (t +K i (N set -N (d .( 15式中N set 為速度的設定點值;K p 和K i 分別為比例增益和積分增益,這樣可以構造出如圖5所示的數字P I 控制器, 它積分部分是數字式的.考慮控制器的實際執(zhí)行是與曲軸的轉動同步的,所以由觸發(fā)子系統(tǒng)來表示.另外,實際P I 控制器的結構需要對積分器的回繞做出抑制,所以引入一個回繞抑制子系統(tǒng)4,在回繞出現時能發(fā)出信號,使圖5子系統(tǒng)中的積分器清零,達到抑制回繞的作用.圖5怠速工況控制器模型3綜合仿真實驗為檢驗控制器的控制性能,將各模塊結合起來,對穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及怠速3種工況進行綜合仿

18、真.其框圖如圖6所示.圖6汽油機空燃比控制仿真模型23長沙電力學院學報(自然科學版2006年8月給系統(tǒng)輸入如圖7所示的節(jié)氣門開度和外負荷信號,它包括了怠速(開度為零、穩(wěn)態(tài)(開度不變和瞬態(tài)(開度快速變化3種工況,另外在怠速工況中,給一個突變的外負荷.圖8和圖9分別是發(fā)動機輸出的轉速仿真曲線和空燃比仿真曲線 .圖7 節(jié)氣門開度及外負荷信號圖8 發(fā)動機輸出轉速仿真曲線圖9發(fā)動機輸出空燃比仿真曲線可以看到穩(wěn)態(tài)時,轉速恒定、空燃比在理論值上;瞬態(tài)時轉速過渡平穩(wěn)、迅速且空燃比沒有過大的變化,只是在瞬態(tài)1時,由于節(jié)氣門突變,瞬態(tài)控制器來不及補償,而造成空燃比有稍大的過沖,但在瞬態(tài)過程2,瞬態(tài)控制器起到了補償

19、作用,空燃比控制較好,只有很小的過沖;怠速時,轉速與空燃比都非常穩(wěn)定,盡管有外負荷的突變,但并沒有造成轉速和空燃比有很大的波動,并且不到5s 就穩(wěn)定下來.證明控制器能夠判斷不同工況,并自動切換到相應的控制模型進行控制,各種工況的控制器都達到了預期的控制目標,控制性能較好,控制算法合理可行.4結論本文針對四缸四沖程汽油發(fā)動機,建立了合理的發(fā)動機模型,以及其穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、怠速3種主要工況下的控制器模型,并在Matlab /Si m ulink 環(huán)境下對這些模型進行了構建與綜合仿真.仿真實驗結果表明:(1基于模型的空燃比控制器,控制模型和控制算法是可行的.如利用氧傳感器模型作閉環(huán)控制、進氣管壓力觀察器和動態(tài)油膜補償器以及P I 控制算法應用于怠速控制.(2控制器能夠根據不同工況自動切換相應的控制模型,使其具有良好的控制性能,達到了預期的控制效果,為進一步研究嵌入式電控系統(tǒng)軟件奠定了基礎.參考文獻:1孟嗣宗,郭少平,張文海.發(fā)動機