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柴油机神经网络控制技术研究 摘要 柴油机电子调速系统通过对柴油机齿条位移的控制实现对燃油喷射量的控制，目 前在柴油机电子调速产品中，转速控制普遍采用双闭环p i d 控制策略。柴油机作为具 有非线性、时变性特性的复杂系统，在不同运行工况下，p i d 控制器的最佳参数会有 较大的变化，p i d 控制器还存在着控制参数一经确定，不能在线调整的问题。为改进 普通p i d 控制算法的不足，将p i d 控制器与具有自学习功能的神经网络相结合，己成 为智能控制的一个重要方向。 b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络具有自学习能力和自适应能力，可以对p i d 控制 器的参数进行在线整定。为验证算法的可用性，基于b p p i d 控制算法与 m c 9 s 1 2 x e p l 0 0 单片机设计了执行器位置控制器软硬件，该实验结果表明相对于普通 p i d ，b p p i d 具有良好的控制效果，抗干扰性和适应性更好，但同时存在运算量较大 的问题。 在控制算法开发过程中，使用离线仿真与硬件在环仿真可以提高开发效率，降低 试验风险，而发动机模型是离线仿真与硬件在环仿真系统的核心，本文基于a s m 软 件建立了d 6 11 4 柴油机参数化模型，该模型基于准稳态模型与充一排法模型建立，满 足实时仿真模型对准确性与实时性的要求。 为了进行新算法开发与调试，基于d s p a c e 实时仿真平台建立了柴油机控制硬件 在环仿真系统。针对柴油机非线性、时变性的特点，设计了基于c m a c 复合p i d 算 法的控制器，离线仿真与硬件在环仿真结果表明c m a c p i d 可以有效的提高柴油机控 制性能。 为了进步验证c m a c p i d 控制策略，使用d 6 1 1 4 柴油发电机组进行了配机试 验，通过升速、稳态、负载突变试验，证明了c m a c p i d 控制器具有良好的控制性能， 取得了与产品级控制器相近的控制效果。 关键词：柴油机；实时模型；神经网络；硬件在环仿真；试验验证 柴油机神经网络控制技术研究 a bs t r a c t t h eq u a n t i t yo ff u e li n j e c t e di n t ot h ec y l i n d e r si sd e t e r m i n e db yt h er a c kp o s i t i o nw i t h t h ec o n t r o lo ft h ee l e c t r o n i cg o v e r n i n gs y s t e mm o s to fw h i c hu s et h ed o u b l ec l o s e d l o o p p i dc o n t r o ls t r a t e g y 。t h ed i e s e le n g i n ei sac o m p l i c a t e ds y s t e mw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co f n o n l i n e a ra n dt i m e v a r y i n g b u tt h eb e s tp a r a m e t e r so ft h ep i dc o n t r o l l e ra r ed i f f e r e n ti nt h e v a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt h ep a r a m e t e r sc a n tb er e g u l a t e do n l i n eo n c ep u ti n t ou s e t h ec o n t r o ls t r a t e g yc o m b i n e dp i dw i t hn e u r a ln e t w o r k si sa ni m p o r t a n ts o l u t i o nw h i c h b e l o n g st oi n t e l l i g e n tc o n t r o lt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so f p i dc o n t r o l l e r b a c kp r o p a g a t i o n ( b p ) n e u r a ln e t w o r kw i t hc a p a c i t yo fs e l f - l e a r n i n ga n da d a p t i v ec a n o p t i m i z et h ep i dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r so n l i n e b a s e do nm c u o fm c 9 s12 x e p10 0 ，t h e c o n t r o l l e rw a se x p e r i m e n t a l l ye v a l u a t e do nr a c kp o s i t i o na c t u a t o ro fd i e s e le n g i n e t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o n t r o l l e ri so f b e t t e r p e r f o r m a n c e i n a d a p t a b i l i t ya n dc a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gb u tm o r ec a l c u l a t i n gt r o u b l ec o m p a r e dt op i d a sa ne f f e c t i v e t o o li nt h e d e v e l o p m e n t d i e s e l e n g i n e c o n t r o l s y s t e m ， h a r d w a r e i n l o o pf h i l ) s i m u l a t i o na n do f f - l i n es i m u l a t i o nc a nv e r i f ya n dd e b u gan e w a l g o r i t h mc o n t r o l l e ri n al o wc o s ta n dp r o c e s s s a f ew a y t h ec o r eo ft h eh i la n d o f f - l i n es i m u l a t i o ni se n g i n em o d e lw h i c hm u s tb eah i g hr e a l t i m ea n dp r e c i s em o d e l s oa p a r a m e t r i cm o d e li sb u i l tw i t hw i t ht h et h es t e a d ya n dd y n a m i cs t a t ed a t ao f d 6114d i e s e l e n g i n eb a s e do nt h es o f t w a r eo fa u t o m o t i v es i m u l a t i o nm o d e l s ( a s m ) w h o s et h e o r e t i c a l b a s i si st h ef i l l i n ga n de m p t y i n gm o d e la n dt h eq u a s i s t e a d ys t a t em o d e li nt h i sp a p e r a n d t h em o d e l w h i c hi sv e r i f i c a t e da n dc a l i b r a t e dc a nb eu s e da st h er e a l t i m es i m u l a t i o nm o d e l t ov e r i f ya n dd e b u gan e wa l g o r i t h mc o n t r o l l e ri nal o wc o s ta n dp r o c e s s s a f ew a y , a h i ls v s t e mb a s e do nt h ed s p a c ei sb u i l tw i t har e a la c t u a t o ra n dt h ed 6 114d i e s e le n g i n e m o d e l ac o n t r o l l e rc o m b i n e dt h ec e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ( c m a c ) n e u r a l n e t w o r kw i t hp i di sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt ot h es p e e dc o n t r o lo fd i e s e le n g i n ea n dt h e h i la n do f f - l i n es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed i e s e le n g i n ec a r lh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c ew i t h t h ec o n 仃o l l e r a f t e rt h es i m u l a t i o n ，t h ec m a c p i dc o n t r o l l e ri se x p e r i m e n t a l l ye v a l u a t e dw h i c hi s t h em o s tc o n v i n c i n gp a r ti nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls t r a t e g yo nt h ed i e s e lg e n e r a t i n g s e to fd 6114 t h ee x p e r i m e n to nt h es p e e da d j u s t m e n t ，s t e a d y s t a t eo p e r a t i o na n d m u t a t i o nl o a do ft h ed 6114d i e s e ld e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o n t r o l l e ri so fg o o dp e r f o r m a n c e a n di th a v et h es i m i l a rc o n t r 0 1e f f e c tt ot h ep r o d u c t l e v e lc o n t r o l l e r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；r e a l t i m em o d e l ；n e u r a ln e t w o r k ；h i l ；e x p e r i m e n t a l l y e v a l u a t e d 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 柴油机具有热效率高、功率范围大、安全可靠等优点，被应用于船舶、机车、工 程机械、发电、载重货车与大型客车等的动力源，是目前应用最广泛的一种动力机械 1 】 0 电子控制技术是从7 0 年代发展完善至今的 2 】，其内容主要包括：( 1 ) 喷油系统电 子控制，以转速控制、对应转速下最大喷油量控制与喷油正时控制为目的，是柴油机 电子控制技术最重要的应用方向；( 2 ) 气路系统的电子控制，如废气再循环控制和可 变气门正时控制等；( 3 ) 柴油机及其传动机构的电子控制。在电控技术普遍应用之前， 这些控制过程的实现都是依靠机械控制机构，并且取得了良好的效果，但由于机械系 统本身的固有限制，无法实现更灵活多变的控制效果。而采用电子控制技术，可以对 控制器的输入进行任意配置，相应的控制策略也可以按照系统的要求进行调整，而控 制的实现是依靠相应的执行机构的，不依赖于柴油机的运行状态，可以实现更加灵活 与精确的控制，因此，柴油机电控对于柴油机的发展具有十分重要的作用，是柴油机 技术的一个重点发展方向。 柴油机是一个非常复杂的非线性系统，其子系统是相互影响的，例如燃油系统与 气路系统，这样就导致了柴油机的转速、功率、耗油量等特性会随着各子系统状态的 不同而发生十分明显的变化。此外，柴油机还具有时变性的特征，由于一些子系统具 有惯性或大时延的特性，受其影响，柴油机每一时刻的状态都是不一样的。而从环境 因素来说，随着大气环境、期望转速、负荷等的变化也都对柴油机的运行特性带来了 显著的影响，柴油机性能指标的达到就具有了相当的难度，必须对一些影响柴油机性 能的参数进行综合的考虑，制定详细的控制策略，以实现柴油机运行的整体优化。随 着柴油机电子控制的发展及其配套的软件硬件技术逐渐开始成熟，已经完全可以满足 柴油机电控系统的实用要求，并且产品级的调速器也已经与大量柴油机进行了匹配并 能可靠地运行。但足，在这些产品级的控制器中，普遍采用的是串级双闭环p i d 控制 策略，这样带来的一个明显问题就是p i d 控制器的整定问题。p i d 在对具有明确数学 模型的控制对象进行控制时，可以达到最佳的控制效果，但是由于柴油机存在的时变 性与非线性等复杂特性，其最佳的p i d 控制器参数会不停地发生变化，这就导致了在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一些工况中，p i d 控制器的参数不是最佳参数，导致控制效果变差，而p i d 控制器的 另一个问题就是参合一旦确定，很难实现在线修改，因此，开发更加合理的控制策略 对柴油机的控制具有十分重要的作用。 电子控制技术在发动机上的广泛运用，使得电子控制系统功能越来越复杂，而电 控系统的测试、调整和标定工作主要利用发动机试验来实现，需要投入大量的精力与 成本。因此在工程领域逐渐出现了硬件在环仿真( 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 ) 系统，它可以把整个系统分为实时模型部分和实物部分，其中实时模型的仿真对象为 被控对象中可以建立模型或者不是重点考察的部分，而实物部分为难于建立模型或重 点考察测试的产品实物。对于柴油机电控的硬件在环仿真系统，可以将实时模型配置 为柴油机本体，实物部分配置为实物控制器与难于建模的实物执行器，基于其可以实 现控制器软硬件功能性测试与故障诊断，还可以实现控制器策略的验证与调试，可以 降低开发周期，提高开发效率，并且有效的降低了台架试验中的危险，是控制系统开 发过程中非常有效的工具 3 1 。此外，柴油机e c u 设计中也引入了快速控制原型设计的 概念，通过使用一些控制系统开发工具，对控制策略进行建模，避免直接使用程序语 言编译控制策略，而对于控制器硬件，可以使用产品化的控制器原型，这些产品化的 控制器原型一般都配备了柴油机电控系统所需的各种硬件资源，使工程师专注于算法 而不必考虑硬件实现，大大缩短开发周期、降低开发成本，克服了传统设计方法耗时 长、成本高和风险大的缺点【4 。 1 2 硬件在环仿真及其发展 硬件在环仿真系统中，实时模型部分利用了数学建模的简易性，减少了对实际被 控对象的使用要求；而系统的输入输出依赖于平台中的i o 接口，可以按照需要进行 配置：实物部分可以对系统中的难以建模的复杂环节直接使用实物而不是模型，可以 进一步的接近实际系统【5 6 。而随着硬件计算能力的不断提高，硬件在环仿真逐渐在 各个领域里得到了极为广泛的应用，如发动机、机车、船舶、车辆等。对于硬件在环 仿真中一些关键性问题，如建模理论、建模方法、优化计算、实时性等，国内外都进 行了广泛的研究，极大的促进了硬件在环仿真技术进步【7 】。 柴油机电控系统研制中硬件在环仿真系统的优点体现在 8 1 ： ( 1 ) 提供软件硬件设计依据 在硬件在环仿真环境下，可以对控制器的硬件软件等进行详细的测试，为软硬什 的规划与设计提供重要的参考。 第1 章绪论 ( 2 ) 控制系统的测试 利用硬件在环仿真系统可以灵活的更改实时模型参数的优点，可以模拟柴油机的 各种工况，也可以模拟故障与极限状态，因此，硬件在环仿真系统用于控制器测试具 有极大的优势，可以模拟柴油机的参数相互之间的各种影响而不是单一的测试某一项 功能，从而可以有效减少实际试验。 ( 3 ) 控制系统的初步标定 在控制系统进行配机试验前，可以基于硬件在环系统中的柴油机模型进行基本参 数的初步确定 ( 4 ) 减少台架试验成本与危险 涉及可靠性与安全性的电控系统试验大都工作量很大，同时具有一定的危险性。 在实验室内利用仿真系统进行此类试验，十分灵活安全，且不受自然环境的限制。 硬件在环仿真系统包括实时模型、高速i o 接口和上位机监控三部分阿1 0 】，其中 实时准确运行的仿真模型是硬件在环仿真系统的核心；高速i 0 模块利用其计算速度 快的特点，可以及时传递系统实时模型与控制系统之间的各种信号；上位机监控系统 既可以方便的实现模型参数的修改，又能及时地反映模型状态数据的改变。 硬件在环仿真系统的运行过程为1 1 - 1 3 】：首先用户设定实时仿真模型的初始运行参 数，之后通过高速i 0 模块把模型的计算结果反馈到控制系统实物，并且计算结果可 以显示于上位机监控界面；控制系统实物接收信号并计算出相应的控制参数，并通过 高速i o 模块将控制参数反馈给实时模型，实时模型的运行状态将依据控制参数变化： 用户也可以根据需要在上位机监控系统的用户界面上修改模型的一些参数，控制系统 状态。 1 2 1 柴油机数学模型类型与发展 准确实时的柴油机模型是控制系统硬件在环仿真系统最重要的一部分，在系统运 行时模型不停地实时计算，实时的仿真柴油机各种动静态特性，对柴油机控制系统进 行设计、改良和评估1 4 。因此，硬件在环仿真系统十分注重模型的实时性，侧重于输 出对输入变化的动态响应过程，注重瞬态响应性能【l 5 | 。 柴油机建模方法可以定义为三类：线性模型、准线性模型与非线性模型。线性模 型与准线性模型相对运算量较低，但同时导致了其仿真准确性下降，发动机的运行状 态难以通过其来正确反映，因此更加准确的非线性模型便成为了需重点研究的建模方 法。而柴油机非线性仿真模型通常有1 6 1 7 1 准稳态、充排法和循环波动三种模型。其 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中充一排法与循环波动模型的结构是相对比较复杂的，但是其精度可以得到保证，对于 实验数据的要求很低，尽管如此，这两种模型的实时性在现有的硬件计算条件下很难 得到满足；准稳态模型可以虽然相比于以上两种方法准确性有差距，但其实时性是可 以保证的，因此，这种方法可以在实时性与准确性之间取得平衡，但是模型的建立需 要相当多的运行数据，以保证模型的准确性，造成通用性比较差【l 8 j ： ( 1 ) 准稳态模型，该模型研究思路是认为一系列稳态过程组成动态过程，以柴油 机各部件的稳态特性数据为基础，将稳态特性分析的方法进行适当推广，以预测发动 机热力参数和机械参数的平均值随时问变化的规律为目标。 ( 2 ) 充一排法( f i l l i n ga n de m p t y i n g ) ，其研究思路是首先依次建立柴油机各模块 基于热力学、动力学原理的数学模型，再建立基于各模块间的能量质量交换过程的柴 油机模型。该模型可以体现柴油机的燃烧与做功过程，对试验数据要求较低。柴油机 系统各模块间是通过积分联系起来的，动态过程及参数变化的影响都可以较真实地体 现出来，但计算十分复杂。 ( 3 ) 循环波动模型，这种方法具有与容积法相似的缸内过程模型，但是它进一步 考虑了在进、排气管内气体压力波动影响，在稳态过程仿真方面具有比充一排法更高的 准确度，但模型的计算更加复杂，计算量约为充排法的十到一百倍，故实时计算极少 采用。 在二十世纪五十年代初期，因为准稳态法易于用图形形式来实现，柴油机模型主 要采用此法建立。l e d g e r 和w a l m s l e y 建立了准稳态涡轮增压柴油机模型，为了能够 预测过渡过程，将图表准稳态法应用到了模型的建立过程中，此外，这个模型还对增 压器与曲轴旋转的动力学特性进行了相应的描述。之后w a t s o n 等人建立了一个基于充 一排法模型的柴油机模型，其优点体现在充一排法在进排气计算方面的准确性比较好， 而准稳态法对气路系统的计算不是十分准确，此外在不稳定工况的计算时，充一排法没 有对柴油机的运行条件有任何的限制，冈此它可以用于仿真瞬态工况 1 9 。 在九十年代初期时，h e n d r i c k s 等人建立了一个二冲程柴油机的平均值模型，这个 模型仍属于非线性模型，着重点放在了表现柴油机的一些参数在周期内的变化，具体 的进、排气或者燃烧过程没有进行具体的描述，而仅仅通过几个标志性的可测变量来 体现柴油机运行的整体效剁2 0 2 1 。 在九十年代中期，k a o 和m o s k w a 提出了热力学分缸模型和实时平均转矩模型， 并比较了两个模型 2 引。平均转矩模型基于准稳态模型与充一排法模型，由微分方程与代 数方程组成，主要体现不同周期内平均值的变化，不对具体的工作过程进行细致的描 4 第1 章绪论 述。而分缸模型则属于充一排法模型，是对w a t s o n 模型的进一步简化，比平均转矩模 型和平均值模型复杂，发动机的运行仍通过对循环内运行过程的详细数学描述来体现 2 3 1 1 2 2 硬件在环仿真常用开发平台 硬件在环仿真的开发平台主要有以下五种形式： 第一种是基于商用处理器的多处理器系统，自行设计所需的接口模块，软件开发 工具采用常用的程序编译开发软件，而各处理器的用途在配置过程中无明确的限制， 灵活性非常高。 第二种是a d i 公司生产的实时仿真平台a d r t s ，它由具有很高计算能力的处理 器和一些高速i o 组成。a d r t s 的编程工具采用a d i 公司的a d s i m ，a d s i m 可以 在在线改变模型中的参数或积分算法，还可以实现变量的绘图和显示等，并且其执行 效率相当的高，还有人机在线对话的功能 2 4 。 第三种是d s p a c e 公司的产品级的硬件在环仿真的软硬件平台，采用了分布式处 理器架构，处理期间的高速通信则基于i s a 总线，通过双端口寄存器通讯，基于d s p 芯片进行高速运算，满足仿真模型的实时性要求，并具有智能i o 模块，以通用c 语 言为主要的软件开发工具。 第四种是l a b v i e wf p g a 形式，n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的r 系列产品提供了可 重新配置型输入输出硬件，用户可借助它和l a b v i e wf p g a 软件模块搭建自己的硬 件在环仿真系统。由于n i 的所有硬件产品都通过同一个公用的软件界面进行通信， 因此系统的集成和管理也很方便1 2 5 | 。 1 3 柴油机电子调速系统的控制策略 p i d 控制器由于结构简单，易于实现且稳定可靠，可以实现没有稳态偏差的控制， 被广泛的应用于控制系统中，至今仍有9 0 以上的控制系统使用了p i d 控制方式，并 且大多是串级闭环控制 2 6 。 2 8 。普通p i d 控制尽管有很多优点，但同时也存在着难以 克服的矛盾：对设定值的跟踪与对扰动的抑制，静态的稳定性与动态响应的快速性， 鲁棒性与控制指标。由于这些矛盾的存在，使控制系统很难同时兼顾一些主要的控制 性能指标，从而无法达到各工况下的最佳控制效果2 9 卜e 3 。 人工神经网络在控制系统起到的作用可分为以下四种3 2 ：( 1 ) 在基于模型的控制 算法中作为被控对象的可在线优化的模型；( 2 ) 当做可在线优化及参数自优化的控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器；( 3 ) 对控制系统中的一些计算过程进行一定的优化；( 4 ) 与其他的一些智能控制 算法相结合，组成各种有良好控制效果的控制系统，这已成为智能控制的一种发展趋 势 3 3 3 4 。 c m a c ( c e r e b e l l a r m o d e l a r t l e u l a t i o nc o n 仃o l l e r ) 神经网络是在7 0 年代由j s a l b u s 等人最先提出来的【3 5 36 1 ，随后被英国h a m p s h i r e 大学的m i l l e r 等人用于机器人的实时 控制并取得了良好的控制效果37 1 。1 9 9 4 年m i c h a em a j o n s 在发动机的电子喷射控制中 应用了c m a c 神经网络38 1 ，将各种发动机信号传递给基于c m a c 神经网络的控制器， 利用其学习速度快，实时性较好的优点，在线学习优化空燃比( a f ) ，并与传统的控 制器进行了对比，抗扰动能力更强。时文飞等开展了c m a c 神经网络复合p i d 控制 技术在柴油机调速系统上的仿真研究，对c m a c p i d 和p i d 控制技术进行了仿真对比 分析，结果表明相比于经典的p i d 控制，c m a c 控制效果更好，鲁棒性更强，更适合 于非线性系统控制 3 9 。 另外，r b f 神经网络 4 0 1 、h 。控制4 1 4 2 、基于辩识模型的自适应控制4 3 1 、基于非 线形理论的滑模控制4 4 1 和广义预侧控制4 5 1 等先进的控制算法应用于转速控制也进行 了深入的研究并取得了相应的成果。 虽然先进控制算法逐渐有所应用，但一般存在着计算量大，在线学习难以满足实 时性要求的缺点，此外还有部分算法的可靠性未经证明等理论问题，这都限制着先进 控制算法投入实际的应用，使得在柴油机转速控制中应用最广泛的仍然是经典的p i d 控制策略，而先进控制算法与p i d 控制器结合的复合型p i d 己成为了解决这些问题的 一个相当重要的发展方向。 1 4 本文的主要工作 目前柴油机电子调速系统最常用的仍是双闭环p i d 控制，但随着调速目标和要求 的精确化，柴油机系统中各种非线性和时变因素的影响，p i d 控制器的最佳参数在各 工况是不同的，此外人工调试、整定p i d 参数对工程经验要求较高，且存在着控制参 数不能在线调整的问题。为改进普通p i d 控制算法的不足，将p i d 控制器与具有自学 习功能的神经网络相结合已成为一个重要的方向。本文对神经网络算法进行了研究， 并在柴油机模型建立、离线仿真、硬件在环仿真、执行器控制试验、配机试验等方面 开展了相关的工作，具体内容如下： ( 1 ) 研究柴油机动态模型建立的原理与方法，使用a s m 软件建立了d 6 1 1 4 柴油 机模型，确定并采集了建立模型所需要的柴油机运行数据和部件参数，建立了能够反 第l 章绪论 映d 6 11 4 柴油机运行规律的柴油机模型。 ( 2 ) 设计基于m c 9 s 1 2 x e p l 0 0 的控制系统软硬件，使用b p p i d 算法进行比例 电磁铁执行器控制试验，确定算法的可用及实时性。 ( 3 ) 使用柴油机模型进行离线仿真，搭建基于c m a c 算法的控制策略s i m u l i n k 模型，与柴油机模型进行联合调试，验证算法的可用性并进行调试。 ( 4 ) 搭建基于d s p a c e 的硬件在环仿真平台，柴油机本体使用d 6 11 4 柴油机模 型，执行器使用实物，控制器使用m i c r o a u t o b o x 以保证实时性与算法开发灵活性。 ( 5 ) 使用半物理仿真平台进行算法验证，将离线仿真中的b p p i d 和c m a c 控 制器模型分别下载到m i c r o a u t o b o x 中，柴油机模型下载到d s p a c e 处理器中，然后 与相应的接口进行连接，进行控制算法硬件在环仿真。 ( 6 ) 进行配机试验，使用m i c r o a u t o b o x 与c m a c 控制算法控制实际d 6 11 4 柴 油机，并进行相应的升速、怠速、带载与负载突变试验，验证算法的可用性与可靠性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章柴油机数学模型的建立 发动机的数学模型是硬件在环仿真的基础和核心，通过模型的实时计算，仿真发 动机的动静态特性。在硬件在环仿真系统中，柴油机模型要在准确的仿真柴油机工作 过程中状态变化的前提下，对外部输入的信号与参数进行实时的处理，并按照柴油机 的工作特性输出各种状态信号。因此，发动机实时模型建立过程中必须兼顾模型计算 精度与计算时间，建立准确性高、实时性好的柴油机模型是进行半物理仿真的基础【4 6 i 。 前文所述的充排法模型以热力学过程为基础，计算精度高，能够较好的反映柴油 机的运行过程，但该模型由于结构复杂，在仿真计算时消耗时间多，不能满足仿真系 统对实时性的要求 4 7 1 。1 9 8 9 年，h e n d r i c k s 通过大量的研究与分析提出了基于准稳态 模型与充一排法模型的平均值模犁，准稳态模型能比较简单的预测缸内过程，充排法模 型能更好的体现进排气管中压力与温度的瞬态特性，因此在柴油机非线性控制与状态 观测应用方面它具有一定的优势【4 8 1 。但是，该模型没有像此后的平均值模型那样考虑 气缸容积效率这一因素对进气量计算的影响，如m i n g h u l k a o 等搭建的柴油机平均值 模型 4 9 1 ，但m i n g h u l k a o 的模型中忽略了忽略了扫气系数而直接采用进入气缸的气体 流量来计算过量空气系数。容积效率和扫气系数是气缸换气质量的标志性参数，容积 效率对动态过程中进气量的计算有很大影响，如果将它忽略了会导致误差，而扫气系 数对换气量有影响，忽略了会使其计算值大于实际值，因此这两者都会影响过量空气 系数的计算，而过量空气系数对指示热效率、排烟温度等柴油机的重要性能指标都有 直接的影响【5 0 5 1 。 硬件在环仿真时，仿真模型一个仿真步长的计算时间不得超过步长时间。因此， 利用d s p a c e 公司的a u t o m o t i v es i m u l a t i o i lm o d e l s ( a s m ) 仿真建模软件建立上柴d 6 1 1 4 柴油机动态仿真的平均值模型，用于控制分析，a s m 模型基于准稳态模型与充排法模 型建立，满足硬件在环仿真实时性与准确性的要求。上柴d 6 11 4 柴油机为增压柴油机， 由废气驱动的涡轮带动压气机，把自然空气压缩后进入进气管，使进气管内保持一定 的压力并在气门打开时进入气缸，之后与喷入的燃油混合燃烧产生扭矩，推动曲轴旋 转作功，燃烧后的废气进入排气管，排气管内的高温废气进入增压器驱动涡轮旋转， 涡轮通过连接轴带动压气机运行。 d 6 11 4 柴油机主要技术规格为： 缸数：6 第2 章柴油机数学模型的建立 结构特点：四冲程，增压 排量( l ) ：8 调速方式：电子调速 冷却方式：闭式风扇水冷却 起动方式：2 4 v 直流电启动 额定转速( r p m ) ：1 5 0 0 排气温度( 。c ) ：5 5 0 ( 涡后) 机油容量( l ) ：2 4 冷却水容量( l ) ：8 2 d 61 1 4 柴油发电机组机组配套发电机主要技术规格为： 结构特点：无刷励磁 额定电压：4 0 0 v 额定频率：5 0 h z 额定功率因数：0 8 绝缘等级：i i 防护等级：i p 2 1 a s m 柴油机模型可以通过离线仿真进行控制算法和测试，并对发动机性能进行分 析，也可以用于硬件在环仿真对控制器进行测试。a s m 模型是通过用户导入某发动机 在稳态运行时的数据并对其进行预处理，然后经过整理后得出的该发动机的特有参数， 这样就将模型改造成与实际的发动机运行特性相符的模型。为了尽可能真实的模拟发 动机运行特性，a s m 还提供了冷却和起动机等模块的参数化模型。 为了满足实时运行的要求，同时又要保持一定的准确度，a s m 模型对燃油系统、 进排气系统和冷却系统的各功能模块进行了适当的简化，把他们都假设为质量流量模 型，即半物理模型，其性能特点通过特性曲线或者特征m a p 图来体现。对于实时模 型，每一计算周期的长度应该是一定的，即应采用固定的仿真步长进行模型运算。但 这样就导致了适用于变步长环境下求解复杂方程的方法不适用于实时仿真，因此， a s m 模型采用了局部子模型超采样技术和半隐式欧拉法稳定化这两种算法来提高计 算精度 5 2 55 1 。 2 1 柴油机进气模型 进气过程主要分析进气终了缸内的气体量及其温度与压力等状态参数，进气系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模型的好坏将直接影响了柴油机模型的准确性 56 l 。因此，进气模型由进气流量模型、 进气管模型两部分组成，计算流出压气机的气体流量与进气管内气体的温度与压力， 可以有效降低过量空气系数的计算误差。 2 1 1 进气流量计算模型 假设进气管前后的气体温度相同且为等熵流动，以便于计算进入进气管的空气流 量，图2 1 为进气流量模型，进入进气管的气体流量采用下式计算： 其中： 甲f ，堕 ： p 如j r c 。“压甲 。， 后面 ( 舒后 附后告弦2 ， 式中： k 绝热指数 彳气体由压气机进入进气管的流通面积，m 2 t 1 向压气机出口气体温度，足 p 抽压气机出口气体压力，砌 p o 叫压气机出口气体压力，砌 进气流量模型如图2 1 所示。 第2 章柴油机数学模型的建立 2 1 2 进气管模型 图2 1 进气流量模型 进气管模型基于充排法模型建立，其建立的理论依据为质量和能量守恒定律，同 时还应用了理想气体状态方程，将进气管内气体视为理想气体并考虑进气管壁的散热 带来的影响，其原理如图2 2 所示。 图2 2 进气管仿真原理图 按充一排法模型把进气管看做一个具有固定容积的热力系统，根据质量守恒定律， 进气管中的空气量变化可表示为： 等- - r h o u t c o m - - 聃抽23出 “ ( 一) 从压气机进入进气管的新鲜空气在进气管内经过均匀混合过程，然后从进气管流 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出，其温度为毛坳一，根据均匀混合假设及能量守恒方程，进气温度的计算方程为： 皇互! 丝坠：兰( ! ! ! ：尘竺竺型! ! 釜! = 2 1 1 竺! 竺二! ! = 竺翌竺! 三竺! ! 二( ! ! 竺= 尘竺竺! 竺二! 堡= 竺型竺) 圣竺! d t m i n m m ( 2 4 ) 根据理想气体的状态方程，进气管内气体的质量和温度变化将引起压力的变化， 进气管内压力： 式中： 尺空气气体常数 所胁协。进气管内空气质量所批。进7 弋官州仝气质重 迸气系统模型如图2 3 所示。 。一m n 艇n pi n m m 一= 一 i n m a n ( 2 5 ) 2 2 排气管模型 图2 3 进气系统模型 与进气模型类似，把排气管视为一个具有固定容积的系统，不考虑压力波动在排 气管内传播的过程，同时假设排气管气体压力不受位置影响，废气进入排气管内后对 第2 章柴油机数学模型的建立 压力的影响是整体性的 5 7 ，其基本原理如图2 4 所示。 图2 4 刊 气雷仿真原理幽 气缸将废气排入排气管中，使排气管内压力温度升高。同时，废气进入涡轮做功， 使排气管内的压力温度下降。按照质量守恒定律，进气管中的气体量变化可表示为： 。_ d m o r m m a n 2 卿e 一一m 。 ( 。9 6 ) d t 1 u “一曾h 1 1 l 一“u (、 从气缸排气进入排气管的气体的温度为乇w 一曲删e ，之后流入涡轮，其温度为毛n 而， 根据均匀混合假设及能量守恒方程，排气温度计算式为： d ，蝴。一七( ，一砌咖。嘲。一q o u t m a n t o 撕。一- - ( g 嘶一刚。一g 。舭。) 删。 d r 聊m 胁。 ( 2 7 ) 根据理想气体热力学状态方程，排气管内的压力为： 排气管模型如图2 5 所示。 p o “n 和” 一聊o ：舭。r 乙。胁。 v t t m a n ( 2 。8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 气缸子系统 图2 5 排气管模型 柴油机气缸中的工作过程非常复杂，若对每一过程进行详细描述将导致计算量过 大，平均值模型利用能量守恒定律计算柴油机整机指示扭矩，绕开了复杂的单缸缸内 工作过程计算。 2 3 1 气缸进气 过量空气系数对柴油机燃烧和排放都有重要的影响，而气缸进气量是计算过量空 气系数的必需数据，气缸进气量计算是否准确对整个模型有重要的影响。平均进气量 的计算利用理想气体状态方程和转速来计算，并将气缸容积效率特性曲线对所得进气 流量进行修正，则计算式如下： q ，。：，7 呈堡竺! 丝堑! 堕( 2 - 9 ) 一喇w 邓。i 瓦菇 式中，叩v 为气缸容积效率，是转速和进气管压力的函数，为气缸数，圪为气 缸每循环排空容积，s r 表示柴油机的冲程数，四冲程取2 ，二冲程取1 。 气缸容积效率仇的影响因素主要为进气压力与转速，根据柴油机的试验数据，绘 制成柴油机转速、进气管压力和充气效率关系的m a p 图，图2 6 为三者之间关系的 m a p 图。 1 4 第2 章柴油机数学模型的建立 图2 6 容积效率、柴油机转速及进气管压力关系图 2 3 2 平均扭矩与排温 燃烧过程是柴油机运行中一个十分重要的过程，这一过程十分复杂，其影响冈素 主要是缸内可燃气体的状态，同时还有柴油机的结构、运行参数等因素。为了简化这 一过程的计算，只考虑转速、喷油量、进气量、气缸容积等几个重要的因素的影响， 平均扭矩计算公式入下： m e = m 一刁( 五) ，7 ( 硎。) 刁( p 蜘泐) ( 2 - 1 0 ) m 哪。= p 4 y 7 s ( 2 1 1 ) p ，j ( m 删，刀) ( 2 1 2 ) 式中： 旯空燃比 矧油供油提前角，r a d p l n j e c t i o n 燃油压力，p 口 p t 平均指示压力，p a ，z 觎，每缸每循环喷油量，k g 对于四冲程柴油机，只有燃烧冲程才做功，其他三个冲程需要压缩气体和克服进、 排气阻力，会降低有效功。因此平均指示压力为这两部分的平均值，其关系如图2 7 所示。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 t g c y l i n d e r p a m b i e n t 。一= 闽车 l j 图2 7 平均指示压力计算 柴油机发火顺序主要解决了柴油机转速均匀性的问题，对真实柴油机是非常重要 的，以上计算出的结果为柴油机平均转速，用来表示柴油机的工作状况，为得到柴油 机的瞬时转速，引入一个为曲轴转角函数的修正量，该修正量与曲轴转角的关系如图 2 8 所示。 7 i e 鱼 釜。 毫 ： 童4 萱 善 要一 二 堇 墨 孽 = c 缸( 嚣 ；一孵谛一：l 妇k 糠r ；。拶省一誊t 眦- 靠；二i4 l ： 。叫“一 i ? 。 。o 翟粤、 慧。t 姆二 - 卜 卜 ： i l l f i i 0 0 卜 图2 8 扭矩修正量与曲轴转角关系图 1 6 第2 章柴油机数学模型的建立 柴油机排气温度是决定增压器工作状态的重要因素，排温可以根据热力学第一定 律简化为过量空气系数的函数： k 晰。= n 一胁。+ 再k ( 2 1 3 ) 其中：k 为排烟温度升高因子，可以简化为空燃比的函数。 2 3 3 摩擦扭矩 在实际柴油机运行过程中，摩擦扭矩主要受到转速和滑油温度的影响。假设冷却 传热为理想传热过程，即润滑油温度可以达到与冷却水相同的温度。其模型采用查询 转速和冷却水温m a p 图得到摩擦扭矩的方式建立： m 俐。= m f r i c t i o n0 9 ，t )( 2 1 4 ) 式中： t 冷却水温度，k 0 9 柴油机角速度，r a d s 气缸组系统模型如图2 9 所示。 图2 9 气缸系统模型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 柴油机动力学模型 柴油机的动力学模型可以被简化为柴油机、负载、起动机三个回转质量以及无惯 性联轴节构成的当量系统58 1 。由牛顿第二定律可得： m c 。b + mm 。s + ms m f m i2 u c + j s + j 1 1 面。批 t 2 5 ) 式中： 吒妣柴油机角速度变化率，r a d s m ，燃烧产生扭矩，n m m 。震荡等量扭矩，n m m 。起动机扭矩，n m ， m ，一一摩擦扭矩，n m m ，负载扭矩，n m 以柴油机转动惯量，培m 2 以起动机转动惯量，堙- m 2 0 负载转动惯量，培m 2 随着柴油机的速度变化，柴油机活塞、连杆等震荡部件会对柴油机的动态特性产 生影响，此影响以扭矩的形式体现出来。震荡扭矩可近似计算为： m 一= 。厂( 妒) ( 2 - 1 6 、 厂( 妒) = m o , z r 2 1 去五s i n (