（动力机械及工程专业论文）高压共轨柴油机轨压智能控制研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 高压共轨柴油机是公认的未来柴油机发展的一种趋势，但同时它也是复杂的、非线 性的、时变的系统，这就增加了对柴油机进行精确控制的难度，对控制提出了很高的要 求。也就是说，高压共轨柴油机控制方式的选择与改进成为决定高压共轨系统性能的重 要因素之一。 传统p i d 控制器具有结构简单、参数物理意义明确、一定的鲁棒性等特点被广泛应 用于工业过程控制中，但它存在控制参数不能实时调节的缺点。而智能控制则具有较强 的自学习、自适应、自组织功能和容错能力，因此本文用智能控制技术来优化p i d 控制 器，并探索高压共轨柴油机的智能控制研究。 在学习了各种智能控制方法的基础上，本文选择对高压共轨柴油机轨压控制采用遗 传b p 神经网络p i d 控制算法，用遗传算法和b p 神经网络对p i d 控制参数进行实时优 化。在论文中详细阐述了b p 神经网络的构建及遗传算法的操作过程，并在m a t l a b 环境下实现遗传b p 神经网络算法。为了验证遗传b p 神经网络p i d 控制算法的控制效 果，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了高压共轨柴油机模型，将已调试好的g a b p 算法 生成s i m u l i n k 模块，建立高压共轨柴油机的控制仿真模型并进行仿真研究。仿真结果表 明，用于高压共轨柴油机轨压控制中的遗传b p 神经网络p i d 控制器能够很好地改善柴 油机控制系统的各项性能指标，因此，将智能控制与传统p i d 控制结合的技术是可行的、 有效的。 关键词：高压共轨柴油机；b p 神经网络；遗传算法；p i d 控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n ei sat r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fd i e s e l e n g i n e si nt h ef u t u r e ，m e a n w h i l e ，i ti s ac o m p l i c a t e d ，n o n l i n e a ra n dt i m e v a r i a n ts y s t e m , w h i c hm a k e st h ec o n t r o lo fd i e s e le n g i n em o r ed i f f i c u l t ，l e a d i n gt oah i g hr e q u e s to ft h e c o n t r o lr e s u l t i no t h e rw o r d s ，t h es e l e c t i o na n di m p r o v e m e n to ft h ec o n t r o lm o d eo ft h eh i g h p r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n eb e c o m eak e yf a c t o ro fe n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo f l l i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m t h et r a d i t i o n a lp i di sw i d e l ya p p l i e di nt h ec o n t r o lo fi n d u s t r i a lp r o c e s sd u et oi t ss i m p l e s t r u c t u r e ，p a r a m e t e r sw i t hc l e a rp h y s i c a lm e a n i n ga n ds o m er o b u s t n e s s ，h o w e v e r , i te x i s t st h e s h o r t c o m i n g so ff i x e dc o n t r o lp a r a m e t e r sa n di n f e r i o rr e a lt i m en a t u r e c o m p a r e d 研廿1p i d ， t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n gm e a n ss h o w ss t r o n g e rf u n c t i o no fs e l f - l e a r n i n g ，s e l f - a d a p t i n ga n d s e l f - o r g a n i z i n ga n db e t t e rf a u l t - t o l e r a n ta b i l i t y i nt h i sp a p e r , a ni n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y w a su s e dt om a k eu pf o rt h el a c ko fp i d ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n gm e a n s o nh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n ew a se x p l o r e d a f t e rl e a r n i n gk i n d so fi n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d s ，t h eg e n e t i cb pn e u r a ln e t w o r k sp i d c o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h er a i lp r e s s u r ec o n t r o lo ft h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l d i e s e le n g i n e ，a n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h ma n db pn e u r a ln e t w o r k sa r ei n t r o d u c e dt oo p t i m i z e p i dc o n t r o lp a r a m e t e r s t h ec o n s t r u c t i o no fb pn e u r a ln e t w o r ka n dt h eo p e r a t i o no fg e n e t i c a l g o r i t h ma r ee l a b o r a t e di nd e t a i l ，t h e nt h eg e n e t i cb pn e u r a ln e t w o r k si sr e a l i z e du n d e r m a t l a be n v i r o n m e n t t ov e r i f yt h ec o n t r o le f f e c to ft h eg e n e t i cb pn e u r a ln e t w o r k sp i d c o n t r o la l g o r i t h m , t h eh i g hp m s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n em o d e li sb u i l tu n d e r m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ad e b u g g e dg a - b p - n na l g o r i t h mi su s e dt og e n e r a t e s i m u l a t i o nm o d u l e ，t h ec o n t r o lm o d e lo fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n ei sb u i l ta n d t h es i m u l a t i o ns t u d yi sa l s op r o p o s e d t h es i m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea l g o r i t h mb a s e d o ng e n e t i cb pn e u r a ln e t w o r k sp i di sa b l et oi m p r o v ee a c hp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ed i e s e l e n g i n ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，t h ec o m b i n a t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n gm e a n sa n dt h e t r a d i t i o n a lp i di se f f e c t i v ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l d i e s e le n g i n e ；b pn e u r a ln e t w o r k s ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；p i dc o n t r o l 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 人类在科技迅猛发展、社会生产力极大提高及经济规模空前扩大的今天，全球资源 短缺、环境污染和生态破坏的积累，已经对社会经济的可持续发展和人类自身的生存构 成了严重的威胁。柴油机以它的高效率、宽广的功率范围及各方面的越来越完善，已广 泛渗透进工业、农业和日常生活中【l 】。这在给人类生活质量带来极大影响的同时，也给 人类生存环境带来巨大压力。2 0 世纪7 0 年代初的石油危机向人类提出需要节能的警号， 同时降低发动机排放、噪声等保护人类生存环境的呼声也日益高涨。 目前，机动车辆消耗的燃料占世界石油消耗总量的一半。我国当前汽车燃油消耗比 率已经接近均值水平，预计2 0 2 0 年燃油需求为2 5 6 亿吨，占总消费的5 7 ；而到了2 0 3 0 年，这一比例将有可能达到7 7 。另一方面，汽车排放的废气占世界温室气体排放总量 的1 5 ，在世界上将近一半的城市里，汽车排放的废气已成为空气污染的最大污染源【2 】。 随着经济发展，汽车保有量将持续增加，车用发动机必然成为能源消耗大户，不断降低 发动机油耗、节约能源、降低排放是一项长期而艰巨的任务。 在世界对柴油机汽车排放控制越来越严格的形势下，作为提高柴油机性能和满足其 排放的重要途径，柴油机电子控制技术已成为目前柴油机技术的主要发展方向f 3 】。柴油 机电控技术的发展到目前为止经历了三个阶段：( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代的电控柴油机开发 阶段；( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代的电控柴油机实用阶段：( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代的电控柴油机 发展阶段1 4 。 燃油喷射系统作为影响缸内燃烧过程的重要因素，极大地影响柴油机的动力性、经 济性和排放性能。为了改善柴油机缸内燃烧，燃油喷射系统一方面必须提高喷射压力， 另一方面尽量实现更为理想的喷射速率特性。传统的燃油喷射系统由于受到结构和原理 的限制，难以同时达到这两方面的要求，因此，柴油机电控喷射系统逐渐发展起来。在 经历了位置式及时间式两代电控燃油喷射的发展之后，基于压力时间控制的共轨燃油 喷射系统是目前公认的最有潜力的柴油机燃油喷射系统的发展方向。 在共轨喷射系统中，油泵并不直接产生喷射高压，只是向共轨管中供油以保持所要 求的共轨压力，并且通过调节共轨压力来控制喷射压力，而喷射过程则是通过控制电磁 阀实现。共轨系统根据不同的柴油机运行工况，不但可以实时地控制喷油脉宽与喷油量， 使其达到与各个工况相适应的最优值；而且由于喷射压力的产生过程与燃油的喷射过程 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是不相关的，这就使得喷油压力和喷射速率的控制成为可能：此外，采用高速强力电磁 阀对喷油量和喷油脉宽进行独立控制，大幅度提高了控制系统的精度及柔性。 1 2 柴油机高压共轨电控系统的发展 柴油机电子控制燃油系统的开发研究从2 0 世纪7 0 年代开始至目前，己经经历了三 代。其中第一代为位置控制式电控喷油系统，仅仅是对齿条或滑套的运动位置，由原来 的机械调速控制改为电子控制，燃油的压送机构和机械式燃油系统完全一致。喷油量是 根据e c u 的指令改变齿杆或溢油环的位置来进行控制，喷油时间则是根据e c u 的指令 通过发动机驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制，而其中e c u 是根据各种传感器检测出 的发动机状态及环境条件等，计算出适合于发动机状态的最优控制量，然后向执行机构 发出相应的指令。 第二代为时间控制式电控喷油系统，采用高速电磁阀直接控制燃油喷射，柱塞仅承 担供油加压的功能，由于采用了高速电磁阀，其控制自由度较第一代有了阶跃式的提高， 但其喷油压力仍在很大程度上受转速制约，无法独立控制。 电控共轨式燃油喷射系统是电控燃油喷射系统发展的第三代，也称为时间压力控 制式，由高压油泵、共轨管及电控喷油器组成。相对于第二代电控喷油系统，高压油泵 只是向共轨供油以维持所需的共轨压力，而且通过调节共轨压力来控制喷油压力，用高 速电磁阀控制喷射过程，从而实现了喷油量、喷油压力及喷油时间的灵活、自由控制， 是最有发展前途的电控喷油系统。 共轨式燃油喷射系统的基本原理早就广为人知，但是直到2 0 世纪9 0 年代电子信息 技术高速发展，特别是与电控技术密切相关的电磁兼容技术、传感器技术、集成信号处 理控制芯片技术、微处理技术、存储技术等学科技术的发展，使得电子器件的可靠性与 智能化水平日益提高，共轨式喷射系统才得到飞速发展。目前，高压共轨喷油系统的电 控单元研究方面具有代表性的公司及其系统有：( 1 ) 意大利菲亚特集团( u n i j e t 系统) ， ( 2 ) 德国r o b e r tb o s c h 公司( c r 系统) ，( 3 ) 日本电装公司( e c d - u 2 系统) ，( 4 ) 美国b k m ( s e r v o j e t 系统) 。 2 0 世纪6 0 年代后半期，瑞士的h i b e r 教授成功开发了柴油机电控共轨系统的“原 型。之后，以瑞士工业大学的g a n s h e r 教授为中心组成的团队对共轨电控系统进行了 一系列的研究。 2 0 世纪8 0 年代，日本电装公司( d a n s o ) ，完成了汽油机电控燃油系统后考虑将 2 第l 章绪论 汽油机电控喷油技术应用到柴油机上来，电装公司开始着手研制开发e c d u 2 系统。 2 0 世纪9 0 年代是高压共轨柴油机电控系统发展迅速的时期。1 9 9 0 年e c d u 2 系统 在日本千叶县的国际汽车展览会上展出。1 9 9 4 年年初，博世公司( b o s c h ) 与戴姆勒 奔驰公司合伙制造电控共轨式燃油系统，当年博世将电控共轨式燃油系统开发成功并批 量生产，并作了2 0 万公里室外道路试验验证，证实了电控共轨系统在噪声特性、排放 及发动机结构设计的优势。1 9 9 5 年，日本电装公司( d a n s o ) 将e c d u 2 型电控高压 共轨系统成功应用在卡车柴油机上，并开始批量生产。1 9 9 6 年，博世公司( b o s c h ) 的第一代共轨系统开发成功。1 9 9 7 年年末，博世公司( b o s c h ) 开始批量生产轿车柴 油机电控高压共轨系统( 首次应用在a l f ar o m e o 公司和m e r c e d e s b e n z 公司的车型上) 5 1 。1 9 9 9 年，电控共轨喷射系统已经和小型柴油机、中型柴油机以及重型柴油机匹配成 功。 进入2 1 世纪，高压共轨柴油机电控技术发展势头仍然强劲。2 0 0 0 年，b o s c h 公 司开始批量生产第二代共轨喷油系统( 首次应用在v o l v o 和b m w 公司的车型上) ，最 大系统压力提高到1 6 0 m p a ，并开始使用具有油量调节功能的高压泵、经改进的电磁阀 喷油器和多次喷射技术。2 0 0 3 年5 月，b o s c h 公司开始批量生产第三代紧凑型压电直 接控制式喷油器的共轨喷油系统( 首次应用在a u d i 公司的车型上) 1 6 j 。这是柴油共轨喷 射技术领域内的一次技术飞跃，b o s c h 公司前两代共轨系统主要是以系统的喷油压力 来表征的，第一代共轨系统的喷油压力为1 3 5 m p a ，第二代共轨系统的喷油压力为 1 6 0 m p a ，而第三代共轨系统是以其高精尖的技术内涵为特征，该系统将喷油压力仍保 在1 6 0 m p a t 7 1 。 共轨系统目前已在欧美和日本的部分新开发机型上得到应用，在国内该系统的产业 化开发才刚刚起步，目前国内尚无成熟的共轨柴油机电控喷油系统投资生产。虽然距投 产阶段可能还有很长一段的道路要走，但是国内已有多家单位从事这方面的研究，如： 上海交通大学、浙江大学、清华大学、天津大学、武汉理工大学、华中科技大学、北京 理工大学、一汽大众无锡油泵油嘴研究所等等。目前国内主要在做一些电控及其标定系 统的研制开发、零部件的调整优化、燃油喷射特性分析及燃油系统的模拟计算等方面的 工作，整个系统的开发还有不少的困难。与此同时，逐步地，国内在些关键技术上， 比如高速电磁阀、执行机构的开发、新型压电晶体式喷油器、泄漏问题、各学科分工合 作问题等方面也在进行探索研究。上海交通大学汽车电子技术研究所自主研发了g d 1 高压共轨柴油机电控燃油喷射系统，该系统可灵活控制喷油压力、喷油正时和预喷射等， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不仅在所有工况范围内都可以实现高压喷射，而且喷油压力不受发动机转速和喷油量的 影响制约，应用该系统，可以在所有工况范围内改善发动机各方面的性能并降低排放。 1 3 智能控制的发展 经典的p i d 控制因其结构简单、使用方便、可靠、一定的适应性和鲁棒性以及稳 态无静差等优点而广泛应用于实际控制过程中，但它同时存在以下具体问题：一旦三个 控制参数则无法在线实时调整；稳定工况时，若遇强烈的外界干扰，有较长的稳态恢复 时间及较大的超调量，也就是说其动态、静态性能有待提高；存在积分饱和现象。 高压共轨柴油机运行工况相对复杂，要优化出能在全工况范围内都能实现高精度自 动调节的p i d 控制参数是非常困难的，其控制效果更是无法保证。因此，将常规p i d 控 制器与智能控制算法相结合，使其在系统状态变化过程中不断的实时调整p i d 参数，以 便使控制过程处于最优状态，是有研究意义的。 自动控制理论是人类在征服自然，改造自然的斗争中形成和发展的，控制理论从形成 发展至今，已经经历多年的历程，分为三个阶段。第一阶段是以上世纪4 0 年代兴起的 调节原理为标志，称为经典控制理论阶段；第二阶段以6 0 年代兴起的状态空间法为标 志，称为现代控制理论阶段；第三阶段则是8 0 年代兴起的智能控制理论阶段。智能控 制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智 能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。智能控制理论的研究和应用是 现代控制理论在深度和广度上的拓展。2 0 世纪8 0 年代以来，信息技术、计算技术的快 速发展及其他相关学科的发展和相互渗透，也推动了控制科学与工程研究的不断深入， 控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势【8 j 。 自1 9 3 2 年奈魁斯特( h n y q u i s t ) 的有关反馈放大器稳定性论文发表以来，控制理 论的发展已走过了6 0 多年的历程。随着研究的对象和系统越来越复杂，借助于数学模 型描述和分析的传统控制理论已难以解决复杂系统的控制问题。智能控制是针对控制对 象及其环境、目标和任务的不确定性和复杂性而产生和发展起来的。 从2 0 世纪6 0 年代起，计算机技术和人工智能技术迅速发展，为了提高控制系统的 自学习能力，控制界学者开始将人工智能技术应用于控制系统。1 9 6 5 年，美籍华裔科学 家傅京孙教授首先把人工智能的启发式推理规则用于学习控制系统，1 9 6 6 年，m e n d e l 进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制 的概念。1 9 6 7 年，l e o n d e s 和m e n d e l 首先正式使用“智能控制 一词【9 j 。 2 0 世纪7 0 年代初，傅京孙、g l o f i s 和s a r i d i s 等学者从控制论角度总结了人工智能 4 第1 章绪论 技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，提出了智能控制就是人工智能技术与控制 理论的交叉的思想，并创立了人机交互式分级递阶智能控制的系统结构。7 0 年代中期， 以模糊集合论为基础，智能控制在规则控制研究上取得了重要进展。1 9 7 4 年，m a m d a n i 提出了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，将模糊集和模糊语言逻辑用于工业过 程控制，之后又成功地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器的智能化水平有了较 大提高。模糊控制的形成和发展，以及与人工智能的相互渗透，对智能控制理论的形成 起了十分重要的推动作用 2 0 世纪8 0 年代，专家系统技术的逐渐成熟及计算机技术的迅速发展，使得智能控 制和决策的研究也取得了较大进展。1 9 8 6 年，k j a s t r o m 发表的著名论文专家控制 中，将人工智能中的专家系统技术引入控制系统，组成了另一种类型的智能控制系统 专家控制。目前，专家控制方法已有许多成功应用的实例。1 9 8 7 年，h o p f i e l d 提 出的h o p f i l e d 网络及r u m e l h a r t 提出的b p 网络为人工神经网络的研究注入新活力， 并迅速得到广泛应用，从而开辟了神经网络控制学科。同年，在美国费城山i e e e 控制系统学会与计算机学会联合召开了第一届国际智能控制国际会议，这标志着 智能控制作为一门新学科正式建立起来i9 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，智能控制的研究更是猛烈。1 9 9 2 年4 月，美国自然科学基金 会和电力研究院联合发出“智能控制”研究项目倡议书；1 9 9 3 年5 月美国i e e e 控制系 统学会智能控制专业委员会成立专家小组，专门探讨“智能控制的含义；1 9 9 4 年6 月在美国奥兰多召开了全球计算智能大会，将模糊系统、神经网络及进化计算三方面内 容综合在一起召开，引起国际学术界的广泛关注，这三门学科也成为了研究智能控制的 重要基础。 智能技术在国内也受到广泛重视，中国自动化学会等于1 9 9 3 年8 月在北京召开了第 一届全球华人智能控制与智能自动化大会，1 9 9 5 年8 月在天津召开了智能自动化专业委 员会成立大会及首届中国智能自动化学术会议，1 9 9 7 年6 月在西安召开了第二届全球华 人智能控制与智能自动化大会。 。 智能控制的核心在高层控制，即组织级，它具有非线性、变结构、总体自寻优、能 满足多样性目标的高性能要求等特性。因此智能控制系统的研究对象为：不确定性的 模型；高度的非线性；复杂的任务要求，这也就使得它在工业过程控制、机械制 造及电力电子学研究等领域中都得到广泛应用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 本文工作 本文是以高压共轨柴油机为研究对象，对智能控制方法及应用进行学习及探索，具 体工作内容如下： 1 、广泛查阅国内外相关资料，了解当前柴油机共轨系统及智能控制的发展，学习 将智能控制应用于高压共轨柴油机控制中的方法。 2 、在m a i l a b s i m u l i n k 环境下，采用模块化建模的方法，建立高压共轨柴油机模 型，并进行仿真调试。 3 、分析研究轨压闭环控制方法，在了解各种智能控制方法的基础上，掌握模糊控 制方法，深入学习神经网及遗传算法的原理，掌握b p 神经网络设计方法及简单遗传算 法的应用。 4 、使用m a t l a b 中提供的b p 神经网络及遗传算法工具箱，调试遗传b p 神经网 络算法程序，将智能算法与传统p i d 控制结合应用于轨压控制中。 5 、结合智能p i d 控制器及所建的高压共轨柴油机模型，进行仿真计算，分析智能 控制应用于高压共轨柴油机控制中的情况。 6 第2 苹商压共轨柴油机模型 第2 章高压共轨柴油机模型 仿真技术是- i - j 多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术 为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试 验。随着计算机硬件、软件和网络技术的发展及仿真技术所带来的巨大社会经济效益， 现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等 领域。 2 1 模型建立 现代柴油机面临着性能、排放等方面日益严格的要求，在缩短柴油机设计、优化和 验证周期等方面，柴油机模型都起到了关键的作用，对柴油机模型的研究也是源远流长。 2 1 1 建模概述 柴油机数学模型的建立通常是基于某一研究目的的，研究目的的不同建模时考虑的 侧重点也存在较大的差别，建立合适的柴油机数学模型，是认识、分析、设计和改进柴 油机性能的基础【1 0 , 1 1 】。 按照模型的用途，柴油机数学模型可分为理论研究分析用、性能预测用、控制分析 用等。不同用途的模型侧重点不同：理论分析用的模型对准确性、精确性要求很高，对 柴油机局部的研究较为深入细致，以便通过模拟计算揭示某个或某些参数的变化对柴油 机局部及整体性能的影响，其模型计算成本最高；用于性能预测的柴油机模型则注偏重 研究柴油机整体的输入输出关系，主要是对柴油机稳态时的性能参数进行预测，计算中 需要通过迭代计算达到稳定状态，计算成本比较高；用于控制分析的柴油机动态模型对 模型的实时性要求比较严格，侧重于要求输出对输入变化的动态响应过程，尤其注重柴 油机的瞬时动态响应性能，考虑到实时性要求，模型的建立不宜复杂，通常用一些表格 或线性方程来拟合复杂的变量间关系，这种模型的特点是建模比较麻烦，需要较多实验 数据的支持，但计算简单，计算量小，计算速度快【1 2 】。 本文是进行高压共轨柴油机智能控制研究，因此所建模型是用于控制分析中，此类 柴油机模型主要是用来对柴油机控制系统进行设计、改良和评估。对用于控制分析的柴 油机动态模型和用于其它目的的动态模型要求的共同点是：( 1 ) 准确预测稳态和瞬态性 能；( 2 ) 尽量少的使用经验数据。而其不同点是：( 1 ) 控制分析用模型计算时间要求更 加严格；( 2 ) 控制分析用模型侧重于要求输出对输入变化的响应过程的准确性，而不去 追究各子模型的准确性，即不追究除控制输入之外的其它设计参数对柴油机性能的影响 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的预测精度【1 0 】。根据文献【1 3 】，将用于控制分析的发动机模型分为三类：线性模型、准 线性模型和非线性模型，这些模型一般都是在分析柴油机的特性后通过数学处理得到 的。线性模型和准线性模型构造简单，仿真精度有限，在非设计工况下准确性不高，难 以反映柴油机的真实过程，通用性差。非线性模型大量使用非线性函数来描述发动机特 性，因此对实验数据依赖性小，仿真精度高，因此非线性模型在控制领域得到了越来越 广泛的应用。 随着计算机仿真技术发展，现在柴油机非线性建模的方法主要有：容积法建模、智 能算法建模和平均值模型。容积法建模以曲轴转角为计算单位，计算量大，实时仿真性 不强，对以控制为目的的应用来说太过复杂，不太适合直接应用于控制系统的动态仿真 和状态检测；智能算法建模依赖于具体的柴油机和大量有效的试验数据，耗费大量财力 物力，而且模型的通用性不强：平均值模型虽然在满足多缸柴油机断缸等控制需求上有 所不足，但它具有结构明了、计算简单、实时性好的特性，为控制器的设计与仿真提供 了一个准确的控制对象。而且柴油机平均值模型，是基于准稳态的非线性模型，对物理 过程清晰的环节用代数方程或微分方程表示，对物理过程复杂的环节则用经验公式或实 验数据表示，突出实时性，不考虑柴油机的循环波动，重在描述柴油机的状态变量的平 均值随时间的变化过程，不涉及各个部分的复杂计算，只表示过程的综合结果和状态变 量的时间平均效应，比较适合用于控制对象建模。 2 1 2 建模仿真工具 控制系统的计算机辅助设计技术，英文缩写c a c s d ，是在控制系统计算机仿真的 基础上发展起来的。早期的c a c s d 软件基本上是仿真软件。控制工程师借助于计算机 来设计控制系统，可以提高设计质量，保证设计的精度和可靠性，并能提高设计效率， 缩短设计周期，减少设计定型的试验费用。本文采用的仿真软件是m a t l a b 环境下的 s i m u l i n k 工具箱，m a t l a b 是矩阵试验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 的缩写，2 0 世纪7 0 年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任c l e v em o l e r 为了减轻学生编程的负担， 用f o r t r a n 编写了最早的m a t l a b 。1 9 8 4 年由l i t t l e 、m o l e r 、s t e v eb a n g e r t 合 作成立了的m a t h w o r k s 公司正式把m a t l a b 推向市场。到2 0 世纪9 0 年代， m a t l a b 已成为国际控制界的标准计算软件f l 引。 m a t l a b 和m a t h e m a t i c a 、m a p l e 并称为三大数学软件，它在数学类科技应用软件 中在数值计算方面首屈一指，它的产品族支持从概念设计、算法开发、建模仿真到实时 实现的理想的集成环境，是科学研究及产品开发必不可少的工具。m a t l a b 可以进行 8 第2 章高压共轨柴油机模型 矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面，连接其他的编程语言等，主要 应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与 分析等领域。m a t l a b 的主要特征如下 1 4 , 1 5 ： ( 1 ) 友好的工作平台和编程环境。 ( 2 ) 简单易用的程序语言。 ( 3 ) 强大的科学计算机数据处理能力。 ( 4 ) 应用广泛的模块集合工具箱。 ( 5 ) 出色的图形处理功能。 ( 6 ) 实用的程序接口和发布平台。 ( 7 ) 应用软件开发( 包括用户界面) 。 通常来说，越强大的功能就需要更复杂的软件来支持，但m a t l a b 却打破了这一 常规，伴随着不断增强的功能，操作却日趋简单、界面更友好、兼容性也更强。 随着 m a t l a b 的商业化及产品不断升级更新，最新推出的版本为r 2 0 1 0 a ，其功能更加完善， 应用也越来越广。 s i m u l i n k 是m a t l a b 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合 分析的集成环境，在该环境中，不需要大量书写程序，只需要通过简单直观的图形界面 操作，就可构造出复杂的系统。s i m u l i n k 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、 贴近实际、效率高、灵活等优点，而且有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应 用于s i m u l i n k ，因此s i m u l i n k 被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 目前，包括m o t o r o l a 和t e x a si n s t r u m e n t s 在内的世界著名公司都使用s i m u l i n k 作为其产 品设计与仿真的工具。在本章中，柴油机及高压共轨燃油喷射系统的建模都是在 s i m u l i n k 环境下进行。 2 2 柴油机模型 本文以康明斯公司的高压共轨柴油机作为建模对象，经过分析，采用模块化方法建 立平均值模型，平均值模型建模的基本思路为：首先根据仿真的需要列出相关的物理量 和状态变量，通过经验、半经验公式和物理定律建立物理量和变量之间的代数方程，然 后可根据物理定律用微分方程建立状态变量间的状态方程。 2 2 1 柴油机本体 本文柴油机模型是进行气缸及动力学方面的计算，不做复杂的单缸缸内工作过程及 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 曲柄连杆机构动力学的计算，而是利用能量守恒定律计算柴油机整机指示功率和指示扭 矩，用牛顿第二运动定律计算动力学。其建模的基本假设有【1 6 】： ( 1 ) 流过系统各部件的气体质量流量连续； ( 2 ) 柴油机所有气缸工作状态及参数一致，工作容积用总排量表示； ( 3 ) 循环供油量瞬时变化而达到稳态； ( 4 ) 系统中压力、温度及流量为平均值，所有状态参数只是时间的函数，与空间 位置无关。 由此可将柴油机模型主要分为六部分进行计算，分别是气缸充气效率、指示热效率、 进入气缸的气体流量、平均排气温度、指示转矩和摩擦转矩。基于本文是以控制为目的， 接下来将对除平均排气温度外的其它五部分进行具体描述。 ( 1 ) 气缸充气效率 气缸充气效率反映了柴油机进、排气的能力，可以看成发动机转速的函数，一般通 过发动机台架实验测得不同转速下的充气效率，然后用最d - - 乘法对实验结果进行数据 拟合，通常将充气效率拟合为发动机转速的二次多项式，公式如下【1 7 】： 仇= k o + 岛刀+ 心力2 ( 2 1 ) 其中，刀，为充气效率；g o 、k ，、幻为拟合常数；力( r p m ) 为发动机转速。 ( 2 ) 进入气缸的气体流量 忽略残余废气系数，流入气缸的空气流量由在进气状态下充满气缸的理论空气量乘 上气缸充气效率，计算公式如2 2 所示： g 。= 面p v 面n r l ( 2 2 ) g 一2 西丽 ( 2 2 其中，q m a ( k g s ) 为进气质量流量；p ( k p a ) 为进气压力；t ( k ) 为进气温度；v ( m 3 ) 为发动机总排量；r 为理想气体常数。 ( 3 ) 指示热效率 柴油机的指示热效率是由燃烧效率和相关的热损失决定的，柴油机燃烧效率主要受 空燃比影响，而热损失也可看成是柴油机转速和空燃比的函数。然而，参考文献 1 8 可 知，指示热效率受空燃比的影响远大于受转速的影响，因此本文仅考虑指示热效率随空 燃比的变化。一般做法是通过柴油机台架实验得出空燃比和指示热效率之间对应的一组 值，然后拟合出整个空燃比范围内的指示热效率曲线。 ( 4 ) 指示转矩 柴油机产生的平均指示扭矩由燃油流量率、燃油低热值、指示效率及冲程数决定， 1 0 第2 章高压共轨柴油机模型 用下式计算： m ：g 耐矿绣竺 ( 2 3 ) 其中，咐( k g s ) 为燃油供给平均质量流量；m j ( n m ) 为指示转矩；h ，e v ( j k g ) 为燃油低热值，重柴油为4 2 4 9 6 ( k j k g ) 刀t 为指示热效率。 设每气缸每循环供油量为竹千克，则喷入气缸的燃油平均质量流量q m f 为 旷寄 旺4 ， 其中，为气缸数，表示柴油机的冲程数，二冲程取1 ，四冲程取2 。 ( 5 ) 摩擦转矩 参考文献【1 9 2 0 1 ，考虑简化处理复杂的摩擦转矩模型，采用平均摩擦压力损失的经验 公式，如下所示： p ，：一7 5 + 羔+ 0 一4 (25)000 p ，=+ +4 j ：(5 ) 叫 1 ， 其中，办( k p a ) 为平均摩擦压力；s p ( m s ) 为活塞平均速度。 则有摩擦转矩为： 1 0 0 0 p ，v m ，= - 二2 一 ( 2 6 ) 其中，斯( n m ) 为摩擦扭矩。 2 2 2 柴油机动力学模型 为了研究的方便，在描述发动机这个系统时，将发动机运动机件绕其曲轴中心线旋 转的质量简化成一个力学当量系统，在这个当量系统中，将曲轴、飞轮连杆大端等机件 看成只有转动惯量的集中质量，彼此通过无惯性轴连接，也就是说，通过计算可将这些 集中质量合成为一个旋转质量，同样的，负载中的所有旋转件也可合成为一个旋转质量。 最终，柴油机动力装置转化成由两个回转质量和一个无惯性联轴节组成的当量系统。根 据牛顿第二定律，发动机转动平衡方程为： 咖3 0m ，一m ，一m l 一= = 一一 a r t 氕je 七1 ) t r ( 2 7 ) 其中，m l ( n m ) 为负载转矩；以( k g m 2 ) 、如( k g * m 2 ) 分别为柴油机的当量转 动惯量和负载的转动惯量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3s i n u l i n k 模型及仿真 s i m u l i n k 是m a t l a b 中的一种可视化仿真工具，是一种基于m a t l a b 的框图设 计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，它支持多速率系统，也就是 系统中的不同部分具有不同的采样速率，同时用于线性或非线性、连续或离散或者两者 的混合系统及数字控制等的建模和仿真中，这也就表明它可以模拟几乎所有能遇到的动 态系统。为了创建动态系统模型，s i m u l i n k 提供有快捷、直接明了的图形界面及简单的 鼠标操作方式，这对于复杂的非线性系统，其优势、效果也就更加明显1 2 1 1 。而且s i m u l i n k 与m a t l a b 紧密集成，可以直接访问m a t l a b 大量的工具来进行算法研发、仿真的 分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 在s i m u l i n k 中建立的柴油机模型如图2 1 所示。 扭矩咖 i h ) 鲫 枷 珊 口 铷 嚷油置6 k c s ) 4 3 2 图2 1 柴油机模型 + 。 ， 一 f 。ri一 i _ 一 图2 2 模型动态模拟计算 1 2 第2 章高压共轨柴油机模型 图2 2 是在空载及常温常压下对所建柴油机模型进行的动态仿真，显示了柴油机主 要工况参数随着喷油量改变而变化的仿真模拟情况，计算结果包括发动机转速、扭矩、 进气流量这四个参数。s i m u l i n k 为动态系统的仿真提供了大量不同的数值算法，而在运 行时只需要对解算器进行参数设置即可。解算器基本可归为两大类，定步长解算器及变 步长解算器，本文模型的运行采用变步长的o d e 4 5 解算器，该解算器采用四阶，五阶 r u n g e k u t t a 单步算法，能在保证计算精度的前提下，使用尽可能大的步长。由图形可以 看出，模型计算的柴油机运行参数变化趋势与实际发动机的运行情况具有较好的一致 性，能较好的反映柴油机特性。 2 3 高压共轨系统模型 柴油机燃油喷射系统从机械控制式发展到电子控制式系统后，电子喷射系统又经历 了三次变革，即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统和时间压力式燃油喷射系统 ( 共轨系统) 。高压共轨系统实现了压力建立和喷射过程的分离，从而使控制过程更具 有柔性，能更准确地实现小油量的精确控制，更好地实现多次喷射，是公认的下一代新 型柴油机用最有潜力的喷射系统【2 2 】。 2 3 1 共轨系统组成及工作过程 本文以康明斯公司的高压共轨柴油机为研究对象，其高压共轨系统的主要结构部件 包括输油泵、高压泵、共轨管、喷油器等，结构如图2 3 所示。 图2 3 高压共轨燃油系统结构原理图 参考结构图，高压共轨燃油喷射系统工作过程如下1 2 3 埘】：燃油由输油泵从燃油箱中 泵出，流经燃油滤清器进行过滤，接着输入高压供油泵，此时的压力约为0 5 m p a 。进 入高压泵的燃油，一路经安全阀上的小孔作为冷却油流回油箱；另一路充入供油泵。在 供油泵内将低压燃油加压，燃油压力上升到1 3 5 m p a 或更高，并送入共轨管之中。共轨 哈尔溟工程大学硕士学位论文 上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制流量的压力控制阀( p c v ) ，通过控制 p c v 来调节控制单元设定的共轨压力。共轨管中的高压燃油通过高压输油管分配到各个 喷油器中。在喷油器中，燃油分流，其中一部分进入喷嘴直接喷入燃烧室，另一部分在 喷油期间，与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏出的燃油一起流回油箱。当喷油嘴电磁阀 通电，使得喷油嘴针阀上部的回油阀回油卸压，针阀就被针阀下部的高压油抬起，燃油 通过喷孔喷入气缸。当喷油嘴的电磁阀不通电时，电磁阀在弹簧力的作用下回位，针阀 上部接通共轨内高压油，针阀则被压下，停止喷油，完成一次喷油过程。 2 3 2 共轨系统建模仿真 高压共轨系统实际的燃油喷射过程十分复杂，建模过程中考虑所有的因素是不切实 际的，也是没有必要的，仿真模型的建立应取决于模型应用目的和精度要求，只要能解 决问题，计算精度足够，模型越简单越好。本文的系统建模是为共轨系统的轨压智能控 制提供一个有效的仿真对象，用于进行整个控制系统模型的实时仿真及智能控制算法的 验证，因此在模型的建立过程中应尽量简化计算，以便达到控制要求和良好的实时仿真 性能。 本文采用平均值建模的思路方法，通过分析共轨系统喷油过程中一个工作循环内系 统的平均效应，考虑系统动态物理规律，建立状态变量间的微分方程，并作如下假设 2 5 , 2 6 】： ( 1 ) 一次喷射中，燃油的温度不变； ( 2 ) 燃油的物理性质，即粘度、密度和弹性模量仅与压力有关，可取为常数： ( 3 ) 假定共轨系统内的各腔为集中容积，不考虑压力波动传播时间； ( 4 ) 忽略各