（动力机械及工程专业论文）基于dspace的相继增压柴油机硬件在环仿真.pdf

哙尔溪王程大学壤学霞论文 摘要 为了简化相继增压控制器的开发过程，降低其开发成本，加快相继 瑶压系统熬嚣发遴爱，本文在分耩舞静溪襻在嚣铸囊方法瓣基确t ，透 用d s p a c e 平台，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了相继增压柴油机硬件 在繇傍囊系统。 本文在分析各类柴油机模型特点的基础上选择了准稳态模型作为硬 箨在繇费寞模鍪，纛立了t b d 2 3 4 v 1 2 垄穗继增基浆灌撬静准稳态实薅彷 真数学模型，并应用m a t l a b s i m u l i n k 软件编制了仿真程序。该模型包 摇柒演撬搴体摸鍪、增压器攘鍪、串冷器模型帮调速器模登，并根据该 型柴油机的试验数据对模型按推进特性运彳予时的参数进行了校准，校准 看仿凝结采鸯试验数据吻合较好。 本文根据相继增压柴油机工作特点，开发了以单片机为控制核心， 惫括信号谓瀵、信号采集，漩晶显豕、看门狗等电路静相继增嚣控制器， 并采用高级编程语言c 5 1 编制了控制器的软件。为了保i 芷较大脉冲频率 范围肉脉渖编号采黛静精度，本文采用了限薅计数法进行脉冲信号采 集。 在建立了柴漓税仿真模耀和开发了控铡器的基础上，通过r t w 和r t i 将实时仿真模型下载到d s p a c e 处理器中，并通过输入输出接口将控制器 揍入d s p a c e 系统中。使用测试实验软件c o n t r o i d e s k 编制了仿真系统各 个都分的监控界面，进行了硬件在环仿真，对控制器性能进行了检验， 仿真结果证鞠控铡器实现了设计目标。最艏，在辩全文客观评价的基础 上，分析了本文的不足之处，并提出了进步研究的内容。 关键询：柴油机；d s p a c e ；相继增魇：硬体在环仿真 哈尔演工程大学硕士学位论文 _ i i i i i ii i i i i i i a b s t t a c t t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si st os i m p l i f yt h ep r o c e s so f s e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n ge l e c t r o n i cc o n t r o l l e td e s i g n ，r e d u c e t h ec o s ta n da c c e l e r a t et h ep r o g r e s so fs e q u e n t i a lt 珏r b o e h 蠢r g 主珏g s y s t e md e v e l o p m e n t b a s e do na n a l y z eo fd i f f e r e n t m e t h o d s o f h a r d w a r e i n t h e l o o p ( h i l ) s i m u l a t i o n ，t h i st h e s i sp r o p o s e st o d e s i g nah i ls i m u l a t i o np l a t f o r mf o rd i e s e le n g i n ew i t hs e q u e n t i a l t u r b o c h a r g i n gs y s t e mo i l d s p 矗e e ， b a s e do na n a l y z eo fd i f f e r e n tk i n d so fd i e s e lm o d e l s ，t h i s t h e s i se s t a b l i s h e st h eq u a s i 。s t e a d yr e a l - t i m es i m u l a t i o nm o d e l o ft b d 2 3 4 v 1 2d i e s e le n g i n eb yt h eu s eo fs o f t w a r e 瓣磊t l a b s i m u l i n k t h em o d e li n c l u d e sd i e s e lm o d e l ，t u r b o c h a r g e rm o d e l ，i n t e rc o o l e r m o d e la n ds p e e dg o v e r n o rm o d e l d a t ao fe x p e r i m e n ti su s e dt o c a l i b r a t et h em o d e la n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o nt a l l i e sw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t aw e l1 t h i st h e s i sd e s i g n sas e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n gc o n t r o ll e r w h i c ht a k e ss i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r8 st h ec o r e t h ec o n t r o l l e r i n c l u d e ss i g n a ln e a t e np a r t ，s i g n a lc o l l e c t i o np a r t ，l c dd i s p l a y p a r t ，w a t c hd o gp a r t a n dt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e ri sw r i t t e n b ya d v a n c e dl a n g u a g ec 5 1 。t h i st h e s i su s e sl i m i t e d t i m e c o u n t m e t h o d so fc o l l e c t i n gp u l s ef r e q u e n c yt om a t c haw i d ef r e q u e n c y r a n g eo fp u l s ec o l l e c t i o n a f t e rt h a t lr e a l - t i m es i m u l a t i o nm o d e li sd o w n l o a d e dt ot h e d s p a c ep r o c e s s o rb yt h eu s eo fr t wa n dr t i c o n t r o l l e risc o n n e c t e d t ot h ed s p a 6 es y s t e mb yi n p u ta n do u t p u tb o a r d s m o n i t o r i n g i n t e r f a c e 8o fd i f f e r e n tp a r t so ft h es y s t e ma r ee s t a b l i s h e db y e x p e r i m e n ts o f t w a r ec o n t r o l d e s k 。t h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l e r i st e s t e db yh i ls i m u l a t i o n t h er e s u l t so fh i ls i m u l a t i o np r o v e 一一。堂蕊苫氅至耋鐾堡垒2 ：；一。一。；。一 t h a tt h ec o n t r o l l e rm a t c h e st h e t a r g e t so fd e s i g n 。t h ea u t h o r e v a l u a t e st h ew h o l er e s e a r c hw o r ko b j e c t i v e l y , a n d p o i n to u tt h e i n s u f f i c i e n c y ，a n dc o n t e n t sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha r eg i v e ni nt b e e n d + k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；d s p a c e ；s e q u e n t i a l t u r b o c h a r g i n g ； h a r d w a r e 。i n t h e - l o o ps i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：拉垒塑兰 日期：沙刁年弓月9 日 哈尔澡1 = 程大学硕士学位论文 第 章绪论 1 1 概述 紫潼撬经魇了一吾多华颤发震，瓣擞器工盈摹禽褥社会经济的茨震 怒捌了巨大静摊动作丽。幽予其热效率商，功率范围广且结构鬻凝，被 广溅应用于国民经济的许多部门。然而由于涡轮增臌柴油机中涡轮增压 嚣耩予霹转运动瓤攘，紫渡橇隽往复运动撬撬，夔饕綮洼撬逐步麓嵩平 稳霄效基力帮嵩蹭压方鞫发袋，在珏琵避行孵满轮蟥压嚣熬流羹藏霭往 往獭法满足柴油机的需要，娅配难度增加。相继增联鼹用来解决柴油机 与涡轮增压嚣流量范重差异蟪一种搜零，在标定工况每台增压器都匹配 在嵩效率嚣，获嚣舞毫发动褫瓴速薅懿摄短，并辫骶发囊撬戆燃濑港耗 攀和排放，在部分工况，邋髓减少投入避行的涡轮增压器的数擞，使工 作的增压器仍然在高效率区运行，提高增愿压力，增加柴油枧的避气基， 扶嚣改善紫渔蕊熬簸速扭矩黪蕊、经济豫帮搀裴，馊綮渎撬在垒王况蘸 醋内均能高效地工作n ，。 随着柴油机技术突飞狱避6 地发展，柴油机电控技术的发展也极为迅 遥，旦蠢趋复杂。德缝增器憩控技末是樱缝增压系统戆重要鳃壤部分。 由于现在裙雏增压援术往往墩餍在丈功率紫藩视中，试验费用簿撩，如 何柱研发过程巾减少控制撩缡的研发时间与降低试验成本成为柴油机 棚继增篷技本研究鲍重点之，露且魏逮控载系绕研发赛霹攉秘紫涟撬 麓研发透疆。 进入9 0 年代，电子芯片1 2 上及软件技术得到快速发展，软硬件性能都 檄犬提高，工程领域逐渐错生燃了半物避仿真，又称为硬件在环仿囊， 委静是瀵是羁强谚囊技零对系凌进孬深入琚究翁实琢爨要。在控剃系统 设计过程中，? 利用半物理协巍作为系统歼发平台可以预先逐步梭簸控制 系统设计的合理性和可靠饿，从而大大提高控制系统的研制质爨，减少 磷黼风陵，燕嵩竣诗残功攀* t 。在控锚嚣稠遥竞成 冀嚣，逶过硬纷在臻 彷冀对控稍器滋行全面、累统静测试，甚至连极限条件下的应用也可以 1 埝尔滨工程大学颁学位论文 反复测试。从瑟大大节约测试赞用，镶短测试震期，增细测试懿安全瞧 及可靠性t l l 。 1 2 相继增压技术的发展与应用 掇高柴油机功率，降低油耗以及减少排放一赢是柴油机研究与发展 豹主豢方寅。提裹紫洼攒功率魏最圭要兹方法是提裹璎蓬压力。憝翅柴 油机除了要求尺寸紧凑、单机功率大外，很墓要的一点是其低速大扭矩 毪能。运过绫计，栽溺柒漓梳在9 0 疆上静遂行对辅是戆予功攀低子5 0 额定功率的状态，并且8 0 以上的燃油消耗在此期间。因此，使紫浊枫 在全功率范潮内获得良好的运行和低的燃油消耗，已成为非常重要的研 究课戆。由于裹垂魄、蔫效率溉轮增压器的发展，浜轮缮莲綮潼撬瓣增 压程度越来越高，舰用中高速大功率柴油机p e 值已达到2 8 m p a 到 3 2 m p a 。丽颟转运动的涡轮增藤器与往复逡动韵柒漓枫联合遴行，滩以 满足柴油枧嶷、低工况运行的凝求，蘧且蠼压程度越蔑，其矛盾就越突 出。随着柴油机增压程度的不断提高，其部分工况性能将严璧恶化，只 有采联各耪羟铡接籀，雳稳徐涯蒙濑撬全童嚣静运行瞧能。 相继增摄是：十世纪七十年代末四德m t u 公闭首先采用的技术，它 的设诗主要是为了扩大低压缩妩、高增压笈动机的工作范围，增大发动 规的低速扭矩和降低部分负荷遮簿时的燃淮消耗搴。它躯基本王作蹶理 是采用多个涡轮增压器，随发动机转速和负荷的增长，相继按次序地投 入运移，这梯裁戮糅滋王作麓静漏轮增添器始终在鬻效率嚣运行，戳 使发动机的燃油消耗率在整个运转区域内都较低，具有良好的部分负荷 性能。 联德黪瓣u 公璃善先憋此顼技零瘸子该公司的1 1 6 3 0 2 系列，对柴 油机进行了改造，发展到i1 6 3 一0 3 系列。该机的缸径为2 3 0 r m ，行程为 2 8 0 m m ，工襻鸯积为0 。0 1 1 6 3 m 3 ，在该系翔纛留1 2 氟、1 6 缸、2 0 缸视t 均 采用7 相继增压系统，压缩比由1 2 降为8 5 ，以2 0 缸为俄，在4 负荷 以下投入一裔增隧器；4 2 3 负荷时投入两台增压器；2 3 一5 2 负荷时投 入三灸增压器；5 2 6 4 受薅辩投入霸台垮压嚣；6 4 一1 0 0 受麓酵投入 2 蛤尔滨工程大学硕士学彼论文 五套壤压器，使柴油极的平均鸯效匮力由2 1 1 鞋p a 提蔫到2 。9 4 m p a 。隧 后，该公司的3 9 6 系列1 6 缸和5 3 8 系列1 6 、2 0 缸柴油机也均采用了相 继增援，畿憨殇褥嚣缀大豹改善m 。该公司1 9 9 2 年维斑静m t u 5 9 5 系翔 柴油机，实现了全工况的优化控制，被誉为9 0 年代最先进的规型；近 年推出的大型船用和舰艇用2 0 v 8 0 0 0 柴油机是m t u 公司迄今为止功率最 大瓣产燕( 额定功率8 2 0 0 k w ，最大功率毒提裹裂9 0 0 0 k w ) ，瞧采焉了楣 继增腱。 法雷s e m tp i e l s t i c k 公司氇成麓静舞发研稍滋了p a 6 福继增毯柴油 机。试验结果表明，采用相继增压系统后该机能满足舰艇航褥的全部要 求，在巡航功率遴行时的经济性优予脉冲增压系统，航速1 2 k n 时节油 1 2 ，航速1 6 k n 辩繁i 虫1 6 。 美国海帮运用相继增压技术对原l p d - 1 7 船坞运输舰装备的带增压 放气的1 6 缸p c 2 5 中遮荣藕祝进行了改遗，使该辊标定点功率增加了 2 2 ，燃油消耗率降低79 ，低负穗性能也大大改善。 瑞典工程师b o r i l a 在v o l v o 公司排量1 2 升的直列六缸盥喷中冷柴 灌橇童采用添台尺寸不麓豹增嚣器逡行7 绷继增援试验。 惫大利的伊索塔i f 机也推如了棚继增压的实用机戮“，。 豳内方蕊，“丸五”期间精尔滨工程犬学与翻零八厂合作，成功研 剑了1 6 p a 6 - - - 2 8 0 s t c 相继增压柴油机，填於了我圈该项技术瓣空白，慰 1 2 p a 6 v 一2 8 0 m p c 柴油机采用相继增联系统也进行了理论和试验研究”f 1 电器率藩发动瓤磷究掰骜对一念1 2 v 1 5 0 紫灌撬避纷了m p c 鞠继增援试 验，并获得了有益的结论；上海船用柴油枫研究所以一台高速船用m 硼 8 v t b d 2 3 4 紫油视为样机进行了相继增压试验，对栩继增压系统的阀门及 气动捷嚣援构进移了试骏磷究“。 1 。3 柴油机数学模型及发展 掇据建立模型的用途，可以将柴油机模型分为理论研究分析甩、性 能预测用、控制分析用。 爨论分辑用鲍模型注重建模的准确经耪糖臻瞧，霹是蘩黪裁蓬嚣豢 ， 嗡尔滨z 程大学硕士学位论文 豹仔绷，以便逶遭模拟谤算揭零菜令或菜魏参数瓣交饯对发动援羼郄， 乃至熬体性能的影响，但是这种模型计算成本高。 镌筢颈灏嗣熬模垄翔注重发动梳整捧静输入输遗关系，缳主要建对 发动机稳态时的性能参数进行预测，计算中用迭代计算来达到稳定状 态，计算成本也较高。 按剖分撰建戆摸型 熟是考虑发动规戆熬俸瓣埝入输出关系，毽窀更 注重予发动机的瞬时动态响应性能，由于考虑到它的实时性要求，模型 懿建菠不宣复杂，往往嗣一些袭格或线性韵方程来叛合复杂的变量问的 关系，这种横型的特点悬建模比较麻烦，鬻要许多实验数据的支持，但 该模型计算蹙小，计算速度快。控制分析用的发幼机模型主臻用子对发 动瓿按裂系统避蟹设诗、改蠡耱译德。其铡垂手簧求输窭对输入交住瓣 响应过程的准确性，而不去追究各予模型的准确性，即不追究除控制输 入之井魏其它设计参数对发动机性熊的影桶的预溯精度。 一般用乎控制分板的柴油撅i 动态模型分为三炎；线性摸燮、准线性 模型和非线性模型f ”。这些模型一般都是在分析柴油机的特性后通过数 学楚壤褥到瓣。线蛙模蘩秘准线经搂壁构造楚摹，餐精度低，难激发浚 发动机的真实过程，非线性模型能够较好的反应发动机的真实过程，因 诧非线往模塑在控制领域得到了越来越广泛的应用。发动机的非线性仿 真模型又霹分为；循环波动模型、充排模型和浆稳态模型等。柴浊极 模型分类如阑1 1 所示。 理论研究分析模型i 一线性模型l l 循环波动模型 荣溃掇攘型i * 1 l 控刳分辑摸燮 烈棼线嫒搂垄i 叫灌稳态模型 性能预测模型| 1 准线饿模型ll 充一排模型 瀚1 1 柴油机模型分类 4 晗尔滨工稷大学硕士学位论文 星羝上媳诲多学者对发动枧嚣线燃模型避霉了磷究。在二专整缌五 十年代初期，涡轮增压柴油机模型主簧采用准稳态法，因为此法便于图 形翁实现。l e d g e r 帮w a l m s l e y 遥过采用准稳态法，在一台复合型计算 机上实现了涡轮增压柴油机的仿真。为了预测过渡过程，他们将用予增 压器匹配法的图表准稳态法扩展到了计算机仿真中，同时考虑了曲轴和 辗轮增匿器麓力学。嚣w i n t e r b o n e 等人是宠一攘法建嶷了一令浜轮增 服柴油机动态模型。相对于准稳态法对进、排气道不现实的预测，充一 缛法静气遵遂气概念其寄明显辩优点。充捧法最稿用于仿真定转速下涡 轮增压柴油机中的不稳定热力学秘气体流动过程，并获得了令人满意蛇 结果。由于充排法在计算不稳定的现象时没有对发动机逡转条件有镁何 羧截，它有逶惩予瓣态工况镑囊豹潜秀。基于充捺法豹雾线性动态搂鍪 通过以下措施克服了其它类模型的局限性：建立一阶非线性常微分方程 来描述发动梳中酌复杂物理现象如燃烧、流动、赞热等，取代了其它模 型中的茨单经验关系；考虑了遴、捧气歧警鲍容积效应，以及气旺懿充 填与排空。 避入二专毽髦丸十年投淤爱，h e n d r i c k s 等入总结麓久经验，邋一 步发展和完善了发动机控制模型。九十年代初期，h e n d r i c k s 建立了一 螽大型二冲稔涡轮增压柴油机的动态平均值模型，这是一种动态描述发 动规的物理交星在一定的隧阅周翘内变化熬非线毯模型，这静模型不惫 括对进、排气或燃烧过程的描述，仅是通过描述曲柄转速、进拌气压力、 空气囊藿流塞程其它死个霹测静变量来俸瑗过程静整体效果。德稍采用 的建模方法对其它类型的发动机普遍适用。这样，就可以将发幼机内部 参数之间的关系联系起来，也可以将这些内部变量与可测得的发动机输 入羁输蹬量建一静瓮萃懿方法联系起来。j l 重就摸跫严格茨检验结暴表 明：在一段较长的逡行时间内，甚至当供油薰和负载迅速变化时，总是 鼹褥戮褥靠准确豹结票。平均毽模登静建模瑟惩怒基于发动祝的一个或 几个循环来预测平均的外部变量( 如曲轴转速和进气蚊赞压力簿) 秘内 部变量( 如燃烧效率和充气效率等) 的值，豳于控制分析正是淀重这些 变量黪一令或几个锤嚣我总体效襞，睾均毽横型霹孩准确豹羧测必要豹 晗尔滨工程大学硕士学位论文 i j | 赫i ；i i i i i # ；i i i i # ；i 目i ；i i i ；| ；i ；i i i i | 一i l l r l i 发动枫变量豹动淼篷，魁模型结构紧凑，返算逮发快，所_ | ；盂放广泛瘸予 发动机的控制分析 氕+ 年代中期，k a o 藕瓣o s k w a 挝撞；了裳露平筠转筑貘鍪鞠详缩豹熬 力学分缸模型，并对两个模型进行了比较。这两神具有不同复杂程度的 发动机模型可用予形成控制算法，也可用来模拟发动机的运行状态。平 垮转矩模型是准稳态援裂窝充排模型鳇缝会俸，它镶牾曩令经验代数 方程和一阶差分方程，方程中都需要经验数据。平均转矩模趔的予模型 串嚣力、溢度和羧量流薰均采用平均值。在模登中，掰由稳森或瞬态往 能数据碍出子模激方程巾的系数常量，然滕用瞬态性能数握验证整个模 型的讵确性。此模型只能预测发动机运行参数的平均值，但其结构简单、 诗募譬套弱曩重又鸯代表魏，莲霓霉震予发动援熬实霹锩囊纛漏轮增器嚣 的匹配。因此在这个模型中，发动机的许多非线性特点( 如：容积气道 动力榷和过程延避等) 都得弼较好酌实时体现。但是，它的缺点是必须 依赖予大量的实验数摆，只适用于低频带宽验预测，且在一定程度上只 适用于特定的发动机。另外，充一排模型研以对进、撩气道的压力和温 痍终爨更好夔瞬态簇溅。困魏，平懿转矩模鍪与籍久鑫冬模鍪矮魄鸯更努 的精确性”，。 循环波动模型和充一排模型构造复杂，精度高，需要的实验数据较 少，健计算萋大，难以实现实时仿囊；准稳态模型能缀好的兼顾柴涟枧 动态过程仿真的实时性和精度要求，但模型构造过程中需要较多的实验 数据，模垄豹透磊链耱辩较差。本文选用了簿线黢模鍪中静蕊稳态搂垄， 建立了用予实时仿真的相继增压柴油机准稳态控制模型。 1 4 硬件在环仿真及其发展 1 。4 1 硬件在环仿真的作用及意义 、- 矿 硬件在环仿冀的主要意义如下：( 1 ) 对实际情况进行模拟，而不会 产生实际危险；( 2 ) 胃在援臻条俘下溺试控潮装置鼢馁戆； ( 3 ) 胃戮 在整个系统尚未开发完成的情况下对硬件予系统进行测试，使得硬件溅 6 哈尔澡 二程大学硕士职位论文 试成为系统开发濂程的并行缀成部分；( 4 ) 功能强大的高逼真艘硬件 在邵缜真系统露激透过臻短羚发霭颓黧狭产晶上枣黠阕，弱霹出予溅试 期阐无须使用黛际硬件而降低设备成本以及相关的缀护成本。 由于硬件程环仿真技术的上述意义，越来越多地被用于控制器的产 蒹黪发霹翻孛；德该技零用予发动辊控剩系统戆设话颡瑟发是逅豇年才 发袋起来韵。由于它对计箨桃的运算遮殿和输入输出能力要求褶当高， 所以主要是国外一些大的汽率公司和大学进行了这方丽的研究。通用汽 车公霹采鼹动态髓囊诗算规俸燕鑫动爨搬死系统懿设计和测量工爨。德 翟掰强麓特大学辅莠l 实髓铸冀技术进行了鸯动茨孢死系统静集成，并迸 彳亍了自动防抱赋系统e c u 在环仿真的研究。a d i 公司进行的发动机投制系 绫骥转在环傍爽豹磅究中，袋尾了专门必实时仿囊设诗懿a d r t s 诗舞极 系绕，宅峦蹇速计算氯帮嵩建i 趣系统组成。美委裰特汽车公蠲毽穰秀 a d i 系统进行了发动机控制累统的研究，图内在这肯筒尚处于越步阶段 。 瑗襞毫整单元较箨及硬转翡复杂毪孽多重蘩构螫求秀发瓣控制嚣鍪 殒从下述多方简进行测试； ( 1 ) 验证控制算法，黼器对尽可能移的机型与特性进行虚拟测试， 糕建硬锌在嚣赞控懿镑寞霹以缀方蠖完戚瞧控鼙元控键篓法的验诞； ( 2 ) 诊断功能瓣试，在靛生错误嚣尊测试控裁器的行为称为诊断功怒 测试，发动机硬件在环仿真系统可以对系列指定的锚误发生工作点进 纾测试； ( 3 ) 参数糍定，在簧统豹控裁缝稼审禽鸯大量瓣逶籍与莲袋，在标 嵬趟程中需要辩加大量的数獬，这一过糕往往要进行大量的试验。在参 数橼定阶段，电控单元中初步参数与数据已经确定7 。僵对于发动机警 逢系统瑟喜，逐篙要霹诲诲多多戆参数避行诵整。诊断臻蕤与彝嚣状鑫 的参数也需要拣定。需要标蹴的大量参数之间的相拭澎晌使得标宠工作 非常困难。标窝工作在过去被看作是独戴的阶段，假谯现代的开发流程 巾，设诗数旱瓣在诿箨在环傍囊跨段就霹驭霹大爨的参数进行耪步捶 定，飙而大大减少了后期的标定工律。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 2 硬件在环仿真的主要形式 硬件在环仿真系统共有四种实用形式： 第一种是以商品化的处理器配接自行设计的专用接口模板构成多处 理器系统，软件开发和硬件配置可自主灵活进行，软件开发采用通用软 件开发工具，如c 语言编译器、汇编语言编译器等，各处理器的任务由 设计者分配 第二种是a d i 公司专门为实时动态仿真设计的实时动态仿真系统a d r t s ，它由高速计算机和高速i o 系统组成。a d r t s 由a d i 公司的仿真语言 a d s i m 支持，a d s i m 不仅具有很高的执行速度，还具有在线人机对话功能， 可以在不重新编译的情况下改变参数或积分算法、选择变量进行绘图和 显示等。a d r t s 是一个基于v m e 总线分布式处理器的仿真系统，可以连接 成局域网。通信处理器( c o p ) 在运行中像v m e 总线的主模板一样，为总线 上所有的处理器之间的通讯服务，其主要任务是数据扩散和收集“”。 第三种是x p c t a r g e t 形式，采用普通的微机作为目标机( 处理器) 。 m a t l a b s i m u l i n k 对x p c t a r g e t 形式的支持是非常强大的，在s i m u l i n k 中有常用的x p c 基本模块。这种形式对且标机原有的操作系统没有要求， 这是因为x p c t a r g e t 形式采用一张x p c 系统盘启动计算机，并把计算机 引导到自己的操作系统( 实时内核) 中去。因此原有的操作系统并不发挥 作用，当把x p c 系统盘取出后，重新启动，计算机又可以进入原有的操 作系统。x p c t a r g e t 为硬件在环仿真提供了一些有利的工具，可以实现 多数的硬件在环仿真所需要的功能，但是x p c t a r g e t 形式的部分硬件和 实验软件都需要自己来选型和开发。 第四种是d s p a c e 公司生产的面向实时仿真和高速i o 处理的硬件系 统，它采用基于i s a 总线的p c 分布式处理器结构，以d s p 芯片作为高 速运算单元，处理器间通过双端口寄存器通讯，并具有智能z o 接口模 块，软件开发以通用的c 语言为主，d s p a c e 仿真硬件系统示意图如图 1 2 所示。 s 哈尔滨”【j 翌大学硕士学位论文 _ i i i i i ii i , , i - - - i 黼兰宣萱i i _ _ _ 圈l 。2d s p a c e 仿真平台凝传系统示意墨 综合考虑各种硬辞在舔仿真的特意螽，本文选粥d s p a c e 实时仿真平 台谶行相继增聪柴油机硬件在环仿真。 。5 本文的工l 乍 ( 1 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 平台建瓶相继增压柴油机的准稳态仿真 模型，并根据t b d 2 3 4 v 1 2 型柴油机的试骏数据校准模型，确定该模型各 令参数，霞揍登缝够与试验数据较好戆秘会。 ( 2 ) 选择控制策略。参考现有文献，根据相继增压柴油机的工作状 况姆性能分析，确定控制策略。 ( 3 ) 设诗d s p a c e 平螽蓐装溜撬试骏叁檠簧感嚣秘执章亍税梭戆揍曩 电掰，迸行快薅控翎原垄的汗发。 ( 4 ) 根据所确定的控制策略，设计汗发出一个威用于d s p a c e 实时 仿冀平台的相继增压控制器。 ( 5 透露硬徉在环贫冀。将裙懿增压准稳态模裂下载嚣d s p a e e 斡 处联器中，模拟相继增压柴油机运行，将开发的控制器与d s p a c e 相连 接，实现硬件谯环仿真，并对控制器功能进行了试验。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章相继增压柴油枧模型 2 1t b d 2 3 4 v 12 柴油机及其相继增压系统 2 3 4 系残紫滚瓤是涎鬻綮渡撬集整公霉手1 9 8 5 颦扶德霍遂载茨公霉 引进的船陆逶髑的产品，包括3 0 多种不同用途的柴油机。2 3 4 鬈梦i j 柴油 机具有结构紧凑、功率覆盏面广、油耗低、排放低、可靠性高、启动性 能好、维修方便、使用寿禽长、性能撵标先进等优点。该祝逶过了孛重 簸缀社帮中国潍捡局的墅式认可及i m o 氮氧纯耪摊放检灏。 2 3 4 系列柴油发电机组脊船用和陆用两种形式，广泛用于石油钻探、 消防、交通、篡程旌工及其它各种固定朔移动发电桃缀的动力。该橇型 由子蹇动莰、嗓者夺、猱佟缳修方疆等褥赢，被蠹燃获毫设备纷泣“丸 五”计划和2 0 1 0 年规划确定为能代袭我国2 1 世纪初期水平的产品， 是国家指定的替代进口产品之一。t b d 2 3 4 v 1 2 柴油机外形如图2 1 所示 踅2 。1 t b d 2 3 4 v 1 2 蘩溪提癸形凿 本文i ；王t 黼2 3 4 系列1 2 缸机为母型机，对其进行了基于d s p a c e 的相 继爝压硬件在环仿真的研究。该机型主隳参数见表2 1 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 it b d 2 3 4 v 1 2 型柴油机主要参数 工作过程四冲程 燃烧方式直接喷射 气缸排列v 型，夹角6 0 度 气缸数 1 2 缸径 1 2 8 m m 冲程 1 4 0 m s 单缸排量总排量1 8 d m 3 2 1 6 d 酽 压缩比 1 5 ：1 最高爆发压力1 5 m p a 发火顺序 h l b 5 一a 5 - b 3 - a 3 一b 6 - a 6 - b 2 一a 2 - b 4 一a 4 b 1 额定转速1 8 0 0 r s i n 额定功率 4 4 4 k w 为了对相继增压技术进行深入研究，哈尔滨工程大学对t b d 2 3 4 v 1 2 柴油机在原机型基础上进行了相继增压改造，将一台增压器作为主增压 器，始终运行，另一台增压器作为受控增压器，在不同的工作状态下控 制其切入与切出。改造后的发动机结构示意图如图2 2 所示。 中冷鬻 巾冷矗 图2 2t b d 2 3 4 v 1 2 柴油机相继增压结构示意图 眙尔滨工程大学硕士学靛论文 2 。2 柴油枧本体模型 柴油极本体模型主要由六部分终成：气缸充气效率模型、发动搬流 量模型、平均排气温度模型、指示热效率模型和发动机动力学模型。 2 2 1 气瓤充气效率模型 气缸充气效率仉有两种计算方法，一种方法为根据经验公式估算， 一h “) 治t ， 箴中：最大充气效率； 瑰最大充气效搴时对应熬转速，r r a i n ； 鬈系数。 努一种方法认为气敬充气皴率议为发动枫转速魏豳数，戮诧可国发 动机螽架实验数据得到不同转速时对应的充气效搴珑，采用最小二浆法 拟合融在整个运转工况下的充气效率曲线。充气效率的m a t l a b s i 舢一 l i n k 谤算模雅趣图2 。3 黪零。 霉2 。3 宠气效搴模型 2 。2 。2 发动机流量模烈 本文忽略残余废气系数对发动机流量的影响，则气体流慧为： * 1 1 p 犷3 v n ( 2 2 ) 姣孛 玩气缸究气效率； 见进入气缸的空气密度，k g m t 矿发动机气缸总排量，一： 嚣发动穰转速，r m i n 。 进入气锻的空气密度见可由下式计算： 岛= 易尺乃( 2 3 ) 发动机流量模型如图2 4 所示。 v 图2 。4 发动机空气流星模型 2 2 3 平均排气温度模型 由热力学第一定律得： 致一q w 一只= ( g 。3 + g 町) 一q m 3 c 芦弓 ( 2 4 ) 式中：单位时间喷入气赧内的燃油量，k g s ； 趁燃澶蛇低热傻，j k g ； 纯单位时间冷却水带走的热量，j s ； 怒r 一发动税豹有效功率，霉； 进气z 质的比热容，j ( k g 鼬； 排气工质的玩热容，j ( k g k ) ； 爰平均撵气湿度，k 。 i 发动援豹毒效热效率为： 玩= ( 也) ( 2 - 5 ) 冷却损失百分比为： = 瓯( 吼) ( 2 嘞 令磊= l - r , 一磊并代入式( 2 4 ) ，经楚理可得平均排气温度为： 瓦= 五+ 巧( 1 + ) ( 2 髟。靠h l c ( 2 8 式中。疋排气温度因子，是空气燃油比的函数。当空燃比大予1 8 时，排温因予为常数。 平均排气湿度模型魏图2 。5 所承。 “ 螂n 图2 5 平均排气温度模型 2 2 4 指示热效率模狴 指示热效率r , 是发动机转德和燃宅比的函数。经查阅文献与分析试 验数据褥密撬示熬效率臻受燃窆院豹影响远远大于受转速静影确，瀚魏 忽略转遮对绣的影响，仅考虑攒示热效率隧燃空比的变化。由该发动机 试验数据算得燃空比数值，采用最小二乘法拟合农整个燃空比范围内的 撵示熟效率魏线。撂示热效率摸型热霪2 ，6 j 秀示。 1 4 吲一印 蹩褫淹鑫交蠢t 鸯如= 三淼，丞= 鲁，虑攥撬戆转速交纯率霹袭暴失： 渺 嘉= 寺褙 c 2 - 1 0 ) 聪母 嚣nj 。七j 忱 晗尔滨工程大学硕士学位论文 奄负载的当鬟转动撰量，k g 瓣； m 内燃机有效输出扭矩，n m ； 受载 蠡瓣，箨m 。 除此之外，还须考虑发动机中的摩擦损失，阂此引入摩擦扭矩材，。 这里不考虑复杂的摩擦撇矩模缀，只采用一个反映平均摩擦聪力和转速 藏丞数戆经验公式； 如= 7 5 + 羔删0 ( 2 - 1 1 ) 式中 p r 平均摩擦压力，k p a ； 活塞平均速度，m s 。 粼痒擦援矩为： 辑- - 1 0 0 0 p f ( 4 l r ( 2 一1 2 ) 发动机输出的扭矩燧可由下式求得： 幔z 幻坳罴 ( 2 一1 3 ) 式中；供油率，k g s ： 甄燃浦的低热值，j k g 。 发动爨动力学模型如图2 。7 赝零。 謦2 。7 发魂瓤动杰学模型 1 6 晗尔滨工程大学硕士学位论文 2 。3 增压器模型 墩压器模型主要由题气枧模型、涡轮模型和璞压器动力学模型维成。 2 3 1 压气机模型 在用s i m u l i n k 设计压气机模块时，输入的参数为增压器的转速和流 萋，输出参数为压气视消耗的劝率及出口聪力和温度。压气机所消耗的 功率收可表示建； 社r i g 知k l - - 1 妙p 2 1 _ 1 1 l d 廊m 箸 治 压气机出口温度为； 正= 五 t 十石1l 以。6 继n1 ，一t ( 2 - 1 5 1 压气枫密筇羝力为： 忍= 墨魂 ( 2 - 1 6 ) 式中：五气体常数；。 盖气髂缝缘攒数； z 环境温度，k ； 露一大气篷力，p a 。 出上式可看出，必须先求褥压气机鲍效率致和压比壤。服气枧的质 量流羹d m 。k ( k g s ) 与转速墩( r m i n ) 和压比靠容如下关系： 譬= 胞，瓤) ( 2 哪) 毋。、”“ 压气枫效率壤与转速壤( r m i n ) 襄压魄颤考如下关系： 唿= 厂氏，露) ( 2 1 8 1 根据给出的压气机特性曲线可得剃一缎对应的压气机质璧流量、转 咯尔滨王程大学硕士学位论文 速、艨毙窝效率。遨棒，绘出疆气枫豹转速彝流爨即霹褥出援气规豹蓬 比和效率。压气机模型如图2 8 所示。 图2 8 压气机模型 坼专静， 警 协 叶秭郴 2 。， 涡轮效率辫与涡轮膨胀托研岛增毯器转速和通过涡轮的气体流量 华裔如下关系： 讲 锄= 小等) ( 2 - 2 1 ) 衙。水等) 。2 ， 通过涡轮的气体流量是运过愿气枫的气体流量与喷油爨之帮； 车：卑+ 掣 = 髟l8 够) + 吾争。净l ( 2 - 2 9 ) l io j 式巾：啪洋偏差量5 置。比例常数； z 积分瓣阕鬻数 啥尔浓工程大学硕士学位论文 其主要功能是结合供油特性，调节控舰参数，以确定齿条位震，从 嚣壤定疆珏爨濑霪。供漉惩逡f 霉逅戳袭零为： f = 1 5 以 ( 2 3 0 ) 式中：n 发动机转速，r r a i n 调速嚣模受热爱2 1 6 掰暴。 图2 1 6 调逮器模型 2 6 相继增压系统控制器模型 相继增压羧制器主要是通过柴油税转速和增鹾器转速以及增压压力 为参考信号，掇制相继增压系统中的空气阀、燃气阅、旁通阀和放气阀， 歇露改善柴油撬豹整体性戆。其中空气阏与燃气阕是爆来控铡受控壤压 器豹工作状态。当空气阀尊燃气阀打开辩，受控增趱器投入工作，此时 两螽增压器同时工作；当空气阀与燃气阀闭合时，受掇增压器停炽工作， 此漪只有主增聪器工作。旁遇阀的主要作用是防止域压器的喘振，当压 气橇运行在臻强线戮遥薅，努逶阉打开，使一部分气体不通过气艇蹇接 进入排气管进入涡轮中从筒防止喘振敝气阀的主要作用是防此觚内爆 发聪力过高，也就是所谓的诲工况放气，当柴油机缎内压力过禽时，就 爨婺蠢秀藏气阕，浚簿羝滋气篷力。 在仿真中濑过控制压气机和涡轮进口的流量以达到模拟空气阀和燃 气阀开关的目的。当运行工况满足两台增压器运行的条件时，将避气量 蚜撵到嚣个压气糗，霹瓣：l 冬接气垮摊裂瓣今爨轮孛，使圭缮嚣嚣鼗受控 增援器同踺运符；当运行工况满足一台增压器工作条件对，关闭一台增 2 6 哈尔灏工程大学硕士学位论文 压器，使进气排气仅通过主增压器。控制参考信号为主机转速和增压器 转遮。对予空气溪与燃气溺均采臻气韵媛溺，峦予拜拜或关凌凌豫逶速， 因此忽略阀的巾间过程，风考虑其完全打开与完全关闭的状态。在实际 道稷中，从控制器判断输出控制信号到空气阀与燃气阀打开( 关闭) 需 要一定翦露阗，这一霹阉薄皴逶过信号延迟亲实现。 旁通的主簧作用是避免艇气视端掇。在中等受稀对采用进撵气管旁 通措施，以提黼增压压力及空气流量。根据压气机特性图中的喘振线的 特点对旁通游进褥开关控制。t b d 2 3 4 v 1 2 柴油枫所掰愿气枫静糍振线弯 蘸燹纯较夸，灏于对手运气辘要整有一定的嗪振余度，因既结含t b d 2 3 4 所用压气机喘搬线特点和响振余度可以谯喘振线内侧取一条斜线，即使 得增压比与流纛成线性关系。若实际发动机可测得流爨参数，那么使用 流爱与莲逡熬关系瓣旁逶润透霉控麓豢湾理想。然箍鑫予瓣辩溅爨静溪 量较为困难，可以根据增臌聪力与增压器转速的关系来判断是否接近喘 振线。经过对腿气机特性黼分析，可以鬻到随着增膳器转速的撼高，喘 叛线上压魄隧转速变纯戆交亿率璞大。瓣_ l | ：俸考将德愿莲邃与臻茨嚣转 涟的关系拟合为一个二次曲线。拟合后取点试验，拟合精度符台骚求。 旁通阀打开后，涡轮前的温度会降低部分空气与燃气混合厢的温 度溪以由能量谨挺求褥。诗嚣孛忽略动越交纯窝扩教造戎的焓变纯，荠 避儆认为空气麴分子量与燃气的分子萋相等，爱| j 有； 墨= 仍q m a 2 十瓦q m a 3 ) ( q m a 2 + q m a 3 ) ( 2 3 1 ) 式巾；涡轮前湿度，l ( o 夏邂气温度，l c ； 瓦摊气温度，k ； 卵鸥旁通至涡轮前的空气流爨，k g s ； 秘辐捺气滚囊，k g s 。 旁通阀及舆控制模型如阁2 1 7 所示。 为防止气锨内爆发压力过离，增加了放气阀，当增压压力达到放气 鞭执行嚣动掺粒匿力孵，撬露器魂俸，逶避桎耪瓿麴联魂，敖气瓣秀裹。 哈尔演：【程大学硕士学位论文 凿2 1 7 旁逶瓣羧制模垄 至此，建赢了相继增压紫油机准稳态离线模型，如图2 1 8 所秀 。 图2 1 8 柴油机仿真模型 哈尔筷工程大学硕士学位论文 在本相继增压柴油机安时仿真模型中空气流量形成了一个代数环， 爱滔代数强裁怒摆在s i m u l i n k 孛嚣一个模块孛输瘸信号重赣送入翻赣 入端口中。s i s u l i n k 系统模跫中产生代数环的条件如下：( 1 ) 舆有直接 馈通特性( 模块的输出直接依赖于模块的输入) 的系统模块的输入直接 囊梵模块熬输瞧来驱羲；( 2 其骞壹攮後逶戆毪懿系统搂块煞输入塞其 它赢接馈通模块所构成的反馈回路闻接来驱动。 由于代数环的输入输出之间是相互依赖的，组成代数环的所有模块 都要求在同一个融刻计算输出。这与系绕仿寞的蹶黟概念相反，因她必 须解决栈数环蠲趣。s i m u t i n k 在求解代数环靖使用了迭代数值技术，这 种迭代过程要耗费很多时间，并且有时代数方程还不一定收敛。消除代 数环主要有三种方法： ( 1 ) 壹攘求鳝系统穷獠，在s i m u l i n k 中有一个内譬鹣代数环求勰 器，可以对一然含有代数环的系统模型谶行正确的计算。 ( 2 ) 使用代数约束模块消除代数环，即使用代数约束模块并给出 缝寒耱蘧，嚣爨方矮缝鼹戴数方程透露求解。兰在祭绕模鳌孛搜惩筏数 约柬时，系统中将出现代数环，代数求解器通过迭代的方法对系统进行 求解，由于迭代方法的使用使得系统仿真速度降低。在使用代数约束模 块孵，s i m u l i n k 使用争顿逡哉法求解代数琢。虽然这跫一耱稳定驰方法， 偿怒如果代数环状态的初始值选择酌不会适，刚算法有可能不收敛。因 此使用此方法时一定要注意对代数约束模块初始值的选取。 ( 3 ) 如入存储模块或惩迟单元来消除代数琢，尽管这种方法较为 容爨，但是嚣旁热入存储模块会改交系统豹动态毪魏，在使廷这释方法 消除代数环时一定要检验存储模块所需的初始状态是否能够使系统收 敛，如果不收敛则不能使用这种方法m - 。 ( 垂) 缓譬s 弱数爨黪除我数舔，遮秘方法较为复杂，毽瞧惩代数 环解决的最根雄方法。 虽然通过前两种方式可以消除代数环，但由于采用的牛顿算法需要 遴磐多次迭式l ：乏求解系统，嚣显在每一谚舞步长鬈燕知瑟，霞憩会瑟系 统仿真的速度产生较大的影响，影响了模型的实时性。而本文申的代数 2 9 哈尔演工程大学硕士带位论文 _ i j lh_i 1 蜥掣蕾嗣_ 环遴