用MATLAB_SIMULINK实现柴油机及其控制系统的动态仿真

980045
用M A TLAB S I M U L I N K 实现柴油机
及其控制系统的动态仿真
朱　辉3α
(清华大学汽车工程系) 王丽清北京轻型汽车有限公司) 张幽彤　程昌　(北京理工大学)
摘 要
动态仿真是发动机控制系统开发过程中的重要环节。

本文建立了柴油机准线性动态模型,详细描述了空气流量率、燃空比、指示热效率、摩擦损失、平均指示压力输出、发动机动力学等子模型。

控制系统模型包括控制策略、传感器和执行器模型,本文选用的控制策略为P I D 调节器。

文中给出了以上主要模型在M A TLAB S I M UL I N K 环境下的实现过程和结构组成图。

以BN 493自然吸气柴油机及其控制系统为仿真对象,在M A TLAB S I M UL I N K 环境下进行了动态仿真计算,文中给出了典型瞬态过程的仿真和实测结果。

关键词:动态仿真,柴油机,控制系统,模型
D ynam ic Si m ula tion of D iesel Eng i ne and Con trol System Usi ng
M AT LAB SI M UL INK
Zhu 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 T echno logy )
Abstract
D 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 ss ,indicated m ean effective p ressu re and engine
dynam 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 2
cesses and arch itectu res of these m ain models .T he dynam ic si m u lati on of BN 493diesel engine and
its 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 on
and testing resu lts under som e typ ical tran sien t operating conditi on s
.第16卷(1998)第3期 内　燃　机　学　报Tran saction s of CSI CE
V o l .16(1998)N o .3α 原稿收到日期为1997205227,修改稿收到日期为1997210213。

3　中国、北京、邮编100084。

Key words :D ynam ic si m u lati on ,D iesel ,Con tro l system ,M odel
引　言 在发动机控制系统设计的初始阶段,建立发动机模型、ECU 模型并对其进行仿真是非常重要的环节。

动态系统仿真软件为ECU 设计者提供了非常有效的建模与仿真工具,美国一些公司如T he M athw o rk s ,Inc .,In tegrated System s ,Inc .,dSPA CE Gm bH ,Xanalog Co rp .and V isual So lu ti on s ,Inc .等已推出用于快速仿真动态系统及其控制器的商品软件[1],大部分软件提供用于开发零部件模型库的工具,建立通用的零部件模型库,使开发工作具有良好的继承性,如果对控制系统进行改进或设计新的控制系统则可使用以前建立的零部件模型,使开发工作大为简化。

M A TLAB S I M U L I N K 是M ath W o rk s 公司推出的一种性能优良的图形式动态系统仿真软件包,除了具有传统的交互式编程之外,还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的W indow s 编程等便利工具。

本文在S I M U L I N K 中建立了发动机模型、传感器模型、执行器模型和控制器模型,并把它们结合起来进行了柴油机及其控制系统的综合仿真。

M
A TLA
B S I M U L I N K 平台允许建立子模型库,可以很方便地进行模型的组合与更改,从而使系统设计与仿真工作变得简单。

1　柴油机及其控制系统模型的整体结构
图1是用M A TLAB S I M U L I N K 图形化流程图式编程语言建立的发动机及其控制系统模型的最上层形式。

由该图可以看出直观而形象的模型结构与组成。

用鼠标双击图中的每一个环节框都可以弹出一个窗口,显示该环节的特性和内容或该子模型的下一层构成形式。

在每一次仿真开始前必须双击图中上方的“装入发动机及传感器数据”框,发动机结构参数以及传感器特性数据被统一放在一个数据文件中以便于修改,只有双击该框才能装入这些数据。

图1　柴油机控制系统模型
・513・1998年7月 朱　辉等:用M A TLAB S I M UL I N K 实现柴油机及其控制系统的动态仿真
下文分别对各子模型进行描述。

2　柴油机准线性动态模型
虽然发动机非线性动态模型有其多种优点,但是由于硬件运行速度及价格的限制而不能广泛使用。

到目前为止,在发动机控制领域应用最广泛的仍然是准线性模型,这主要是因为准线性模型简单,计算时间短,使用方便。

自然吸气式柴油机准线性模型由空气流量率、燃空比、指示热效率、摩擦损失、平均指示压力输出、通过发动机的工质温升、发动机动力学等几个部分组成,其S I M U L I N K 图形化结构如图2所示。

图2　柴油机准线性模型
2.1　空气流量率
实际空气流量率=理论空气流量率×充气效率。

充气效率仅是发动机转速的函数[2]。

由完全充排法的计算结果把充气效率拟合成发动机转速的二次多项式。

Γv =a 0+a 1・n e +a 2・n 2e (1)
式中:a 0,a 1,a 2为拟合出的常数。

通过发动机的空气流量率为 m αa =Γv m αa0=Γv Θ0V h N
cyl n e 120kg s (2)
式中:Θ0为空气密度;Γv 为充气效率。

2.2　指示热效率 发动机的指示热效率实质上是由相关的热损失和燃烧效率决定的。

热损失是发动机转速n e 和燃空比f 的函数,而燃空比对一个给定发动机的燃烧效率起主导作用[5]。

因此选择
・613・内 燃 机 学 报 第16卷第3期
发动机转速和燃空比作为指示热效率模型的变量。

模型采用以下形式的方程:
Γi =(k 0+k 1・n e +k 2・n 2e
)(k 4+k 5f +k 6f 2+k 7f 3)(3)
式中:k i 为常数(i =1～7)。

2.3　摩擦损失 为了使模型便于扩展用于涡轮增压柴油机的仿真,摩擦损失模型包含了p f 与进气压力的关系,如式(4)[3]所示:
p f p fr
=1+(k 1+k 2p in Εk 4)・S p +k 3・S 2p (4)式中:p f 为摩擦损失压力;p fr 为参考摩擦损失压力;p in 为进气压力;S p 为活塞平均速度;Ε为压缩比;k i 为常数(i =1～4)。

2.4　平均指示压力输出
对一给定的发动机,平均指示压力p i 是燃油质量流率m αf 、
指示热效率Γi 和转速n e 的函数,
p i =K p i m αf Γi n e M Pa
(5)式中:K p i =30ΣH u V h N cyl
;m αf 的单位kg s ;n e 为发动机转速,r m in ;H u 为燃料低热值,kJ kg ;V h 为气缸工作容积,L ;N
cyl 为气缸数;Σ为冲程数。

2.5　工质温升 对用于控制分析的自然吸气式柴油机动态模型来说,工质温升模型不是必需的,但对于涡轮增压柴油机来说是必需的,为了使模型具有一定的通用性,模型中考虑了工质温升。

发动机的工质温升主要是转速n e 与燃空比f 的函数[3],但是平均指示压力对其有一定的影响,因此引入平均指示压力修正:
∃T =k 0n e k 1f +k 2p i +k 3(6)
2.6　发动机动力学
发动机动力学是牛顿第二定律在转动系统中的应用。

经过推导,发动机加速度可由下式[5]表示:
d n
e d t =30000V h N cyl (p i -p
f -p l )ΣΠ
2(I e +I l )(7)
式中:p 1为负荷压力,M Pa ;I e ,)l 为发动机、负载转动惯量。

3　油泵特性
对于动态仿真来说,柴油机喷油泵供油特性是不可少的。

油泵特性是指每循环油量随发动机转速n e 和齿杆位移x 的变化关系,通过油泵特性试验得到的关系式为
q =(k 0+k 1x )1+n e
k 2(8)
4　电控系统模型
电控系统模型由各个部分的模型组成,包括控制器(ECU )模型、齿杆位移执行器模型、
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齿杆位置传感器模型、油门位置传感器模型、发动机转速传感器模型,如图3所示。

图3　电控系统模型组成
4.1　控制器模型
该模型与本实验室研制的柴油机喷油量控制系统中的控制算法部分相一致,是一个带
扭矩修正的P I D 控制器。

控制器模型如图4所示,相当于一个全程式调速器[4]。

发动机理论转速N c 与油门位置T hr 的关系如下:
N c =
T hr (N
R -N L )+N L
(9)式中:N R 为发动机最高怠速转速;N L 为发动机最低怠速转速;T hr 为油门位置;N c 为发动机理论转速。

图4　控制器模型
理论齿杆位移X d 如下计算:
X d =N c -n e N c ・K r
・X m ax (10)
式中:n e 为实际转速;K r 为调速率;X m ax 为理论最大齿杆位移。

P I D 调节器通过对齿杆位移的调节使发动机实际转速尽可能接近理想转速,P I D 调节器的输出X (n )可表示为
X (n )=K p E (n )+K I ∃t 6n
k =1
E (k )+K D ∃t E (n )-E (n -1)(11) E (k )=X d (k )-X e (k )
・813・内 燃 机 学 报 第16卷第3期
式中:K p 为比例因子;K I 为积分因子;K D 为微分因子;∃t 为采样时间;X e 为实际齿杆位移;图5　控制器特性图E 0为齿杆位移偏差。

发动机扭矩修正就是对每一
转速下发动机的最大齿杆位移(或
最大供油量)进行限制,如图5所
示。

P I D 调节器输出一齿杆位移X d ,在同一转速下扭矩修正关系给出一最大齿杆位移限值X L ,控制器
最后输出两者中的最小量。

4.2　传感器与执行器模型
对传感器、执行器进行建模,
不仅有助于对传感器、执行器工作原理的理解,而且有助于对传感器信号处理方面的编程。

4.2.1　传感器模型 对传感器进行建模要考虑到以下3点:
(1)　传感器输出信号的类型与值域;
(2)　传感器的输出滞后;
(3)　信号的量化误差(可以在控制器模型中考虑)。

例如对转速传感器建模,考虑了转速信号每转输出个数(即齿盘齿数N teeth ),对转速测量是测量相邻两信号间的时间T ne ,CPU 对时间测量存在量化误差,量化误差即为定时器时钟周期T CL K 。

CPU 实际采集到的、能表征转速大小的量是T ne 。

因此转速传感器模型的输出就是T ne ,
T ne =(in t )60×106
n e ・N teeth T CL K (12)
式中:n e 的单位为r m in ;T CL K 的单位为Λs ;(in t )表示取整。

对本实验室研究的控制器来说,N teeth =3,T CL K =0.5Λs 。

油门位置传感器与齿杆位置传感器输出为频率信号,建模方法类似于转速传感器。

油门位置传感器模型使用的是一个阶跃输入环节。

4.2.2　齿杆位移执行器模型
齿杆位移执行器使用的是电压驱动的比例电磁铁。

驱动电压输出和驱动电路可以简化为惯性环节[4],其传递函数为
G 1(s )=1
1+t s S
(13) 比例电磁铁可以简化为一积分环节,其传递函数为 G 2(s )=k m
S (14)
5　仿真与实测结果比较
在建立BN 493自然吸气柴油机以及控制系统模型之后,对发动机的典型过渡工况进行了仿真。

发动机结构及性能参数如表1所示。

・913・1998年7月 朱　辉等:用M A TLAB S I M UL I N K 实现柴油机及其控制系统的动态仿真
图6是油门为62%时负载扭矩从0突变到29N ・m ,稳定之后又从29N ・m 突变到0的仿真结果与试验结果的比较。

图7是负载扭矩为20N ・m 时油门从11%突变到38%,稳定之后又从38%突变到13%的仿真结果与试验结果的比较。

图6　定油门突变负载工况仿真与实测结果比较
——实测值　222
仿真值
图7　定负载突变油门工况仿真与实测结果比较
——实测值　2222仿真值
・023・内 燃 机 学 报 第16卷第3
期
由对比图可以看出,在每个试验工况
下,模型预测的发动机转速、齿杆位移的变
化趋势及幅值与实测值具有很好的一致性。

但是模型预测的参数变化相位和实测值有
一定的差别,而且这种差别随试验工况的不同而不同,这主要是因为在动态模型计算过程中,每一个循环的开始条件与循环结束条件是不进行收敛性判断的(发动机实际运转过程中每个循环的始末状态是不一样的),
表1　发动机结构及性能参数型号BN 493Q 型式直列四缸四冲程水冷直喷式柴油机活塞行程
102mm 总排量
2.771L 压缩比
18.2∶1标定功率
(53±2.2)k W 标定功率时转速
3600r m in 怠速转速(750～790)r m in
这给模型相位方面的校准带来了极大的困难。

不过,对于用于控制分析的动态模型来说,最重要的是参数变化趋势的准确性和参数幅值范围的准确性,因为只要这两方面比较准确即可用于控制策略的正确性与优劣的分析,而相位差异对动态模型的实用价值影响不大。

以上各仿真中,积分步长采用20m s ,积分算法采用A dam s 算法。

积分步长采用20m s 是为了与实际控制器的控制周期相一致。

6　结论
采用M A TLAB S I M U L I N K 软件作为发动机及其控制系统的动态仿真工具,有助于对发动机控制系统的快速理解,加深对系统中各环节的认识,初步进行控制系统参数的调整。

采用M A TLAB S I M U L I N K 软件作为发动机及其控制系统的动态仿真工具,能加速控制系统的开发过程。

参 考 文 献
1　W eek s Robert W ,M o skw a John J.A utomo tive Engine M odeling fo r R eal 2T i m e Contro l U sing M A TLAB
S I M UL I N K .SA E Paper 950417
2　H endrick s E ,So renson S C .M ean V alue M odeling of Spark Igniti on Engines .SA E Paper 9006163　Jensen J P ,K ristensen A F ,So renson S C ,et al .M ean V alue M odeling of a Sm all T urbocharged D iesel Engine .SA E Paper 910070
4　徐　捷.大功率车用柴油机电控系统研究:[学位论文].北京理工大学,1994
5　郝洛克D H .内燃机的热力学和空气动力学(卷2).北京:机械工业出版社,1992・123・1998年7月 朱　辉等:用M A TLAB S I M UL I N K 实现柴油机及其控制系统的动态仿真。