基于Matlab_Simulink的汽油机电控系统仿真.pdf

文章编号 1000 0925 2003 05 023 05240088 基于Matlab Simulink的汽油机电控系统仿真 陈 超1 王绍 1 康晓敦2 1 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室 北京100084 2 摩托罗拉 中国 电子有限公司 Simulation of Electronically Gontrolled System for G asoline Engine in Environment of Matlab Simulink CHEN Chao1 WANGShao2guang1 KANG Xiao2dun2 1 State Key Lab of Automotive Safety and Energy Tsinghua University Beijing 100084 China 2 Motorola China Electronic Co Ltd Abstract This paper presents an available math model of electronic control engine based on the mean val2 ue model and chooses the dynamic simulation software Matlab Simulink describes the simulating processes and architectures of these models in the environment of Matlab Simulink Furthermore it is realized in an actual en2 gine and contrasts and analyzes the simulating results with the experimental datas 摘要 在平均值模型的基础上 建立了合适的发动机数学模型 并选用动态仿真软件Mat2 lab Simulink 给出了以上模型在Matlab Simulink环境下的仿真过程和结构框图 最后还以 实际发动机为仿真对象 进行了仿真计算 并对仿真得出的结果与试验数据进行了对比和分 析 关键词 内燃机 电控系统 仿真 模型 Key Words I C Engine Electronically Controlled System Simulation Model 中图分类号 TK413 9 文献标识码 A 1 概述 近几年来 为了提高发动机电控系统的开发效 率 降低开发成本 计算机动态仿真技术在开发工 作中得到了越来越广泛的应用 它可以为发动机 电控系统提供仿真的环境 替代许多实机试验 节 约实机试验的费用 加快电控系统的开发进度 更 好地提高汽油机乃至汽车的整体性能 Matlab Simulink是目前控制领域中应用最为 普遍的仿真语言 它集可靠的数值运算 图像与图 形显示及处理 高水平的图形界面设计风格等于一 身 使用起来非常简洁方便 Simulink中存储了大 量的系统模型 提供了建模的图形接口 它用框图 表示系统的各个环节 用带方向的连线表示各环节 收稿日期 2002210209 作者简介 陈 超 1979 男 硕士生 主要研究方向为发动机ECU的软 硬件开发 E2mail chch97 mails 的输入输出 1 作者在Simulink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 并将它们结合起 来进行了综合仿真 2 汽油机电控系统模型的整体结构 汽油机及其控制系统仿真模型的最高层次 或 称根层次 如图1所示 由此图可以直观而形象地 看出整个模型的结构和组成 当文件 engine system mdl 被载入Simulink中时 模型的这一层就会显示出 来 整个仿真系统包括发动机模型 传感器模型 控 制器模型和执行器模型 其中的核心部分则是在平 均值数学模型基础上建立的发动机模型 第24卷 2003 第5期 内 燃 机 工 程 Neiranji Gongcheng Vol 24 2003 No 5 图1 汽油机电控系统仿真模型 在图中左上方有一个 加载模型参数 模块 它 将所有模型的参数统一放在一个Matlab的数据文件 中以便于修改 这样通过把模型参数从系统模型中 分离出去 使模型具有更强的通用性 只要在这个数 据文件中改变参数的值 就能使模型适用于多种发 动机电控系统的仿真 在每一次仿真运行之前 必 须双击这个模块 将其中的模型参数都载入到Mat2 lab的工作空间存储器中 才能进行系统的仿真 如果系统进行仿真时 将图中的模拟示波器打 开 即能看到输出量在整个仿真过程中的变化曲 线 从而能更加直观 更加清楚地了解各个量的变 化情况 还可以相互进行比较 也可以将输出量都 导入Matlab的工作空间 然后在Matlab环境下绘 制曲线 3 汽油机数学模型的选择 发动机的数学模型是整个电控系统计算机仿 真的核心和基础 本文选用的是Elbert Hendricks 提出的平均值模型 2 并对其中的一些细节进行了 必要的修改 此模型主要是从能量转换和工质流 动的角度对发动机运行进行分析和模拟 不仅适用 于稳态 也适用于瞬态 此模型不包括燃烧过程和排放物生成的模拟 但由于它能较精确地描述发动机空燃比的变化 而 发动机电控系统是用建立在空燃比基础上的三元 催化转化器来解决排放问题的 所以此模型在汽油 发动机电控系统的开发工作中得到了广泛的应用 所建立的发动机数学模型结构如图2所示 主 要可分为三部分 燃油蒸气与油膜子模型 进气歧 管空气流量子模型和动力输出子模型 3 图2 发动机模型结构示意图 3 1 燃油蒸发与油膜子模型 在该子模型中 将喷射器喷出的燃油分成了两 部分 一部分形成燃油蒸气随空气一起进入气缸燃 烧 另一部分则附着在进气歧管壁面上形成油膜 油膜再逐渐蒸发成燃油蒸气进入气缸 mfv 1 X mfi mff 1 ff mff X mfi mf mfv mff 式中 mfv 燃油喷射流量 kg s mf 进气门口燃油流量 kg s mff 油膜质量变化率 kg s mfv 燃油蒸气流量 kg s ff 油膜蒸发时间常数 s X 喷射的燃油中沉积于壁面的比例 3 2 进气歧管空气流量子模型 进气歧管空气流量子模型可以分为三部分 节 气门体模型 进气门口模型和进气歧管模型 其主 要功能是根据发动机的状态参数 即发动机转速n 和节气门开度 来计算发动机的进气量 ma mat map pman nVd vol 120V pman R Tman V mat map n 120 Vd vol R Tman pman 42 内 燃 机 工 程 2003年第5期 mat Ct 4 D2 pamb2k k 1 R Tamb 1 2 p man mat0 1 1 cos 2 p m an p 2 k r p k 1 k r pr 2 k 1 k k 1 2 k 1 2 k 1 2 k 1 k 1 k 1 pr 2 k 1 k k 1 pr pman pamb 式中 ma 进气歧管内空气质量变化率 kg s mat 节气门体空气质量流量 kg s map 进气门空气质量流量 kg s mato 节气门体最小空气质量流量 kg s pman 进气歧管绝对压力 kPa pamb 大气压力 kPa Tman 进气歧管温度 K Tamb 大气温度 K vol 发动机充气效率 Vd 发动机排量 m3 V 进气管容积 m3 n 发动机转速 r min Ct 节气门体流量系数 D 节气门体内腔直径 m 节气门开度 k 空气比热比 3 3 动力输出子模型 动力输出子模型的主要作用是根据前面的两 个子模型所输出的进入气缸的燃油量和空气量 以 及发动机的其它参数 发动机转速n和点火提前角 ig等 来计算发动机的输出功率和转速的变化率 n Pi Pe Pm In Pi Hu i mf t d Pm n a0 a1n a2n2 n a3 a4n Pman i n AFR n n P man 式中 Pe 负载功率 kW Pi 指示功率 kW Pm 机械损失功率 kW I 发动机运动件转动惯量 kg m2 Hu 燃油热值 kJ kg i 发动机热效率 ig 点火提前角 A F 空燃比 d 燃烧过程时间延迟 s 发动机模型在Simulink中的图形化结构如图 3所示 图3 发动机模型的图形化结构 4 传感器模型 在发动机电控系统中常用的主要传感器有 空 气流量传感器 歧管绝对压力传感器 水温和进气 温度传感器 转速传感器 氧传感器 节气门位置传 感器和车速传感器等 用来检测发动机运转时反映 发动机和汽车工况的状态参数 送到ECU中进行 计算处理 电控仿真系统中传感器模型的作用与 之类似 即采集发动机模型的各状态参数信号 并 将其送到控制器模型中进行处理 其中负荷传感 器可提供空气流量和歧管绝对压力两种信号 根据 所安装的负荷传感器来选择其一 传感器数学模型的建立是采用传递函数模型 的形式 根据各传感器的输出特性 用最小二乘法 来进行建模 具体方法是根据输出特性上离散的 数据点 用最小二乘法将其拟合成阶次合适的多项 式 作为仿真系统中应用的传感器数学模型 例如 温度传感器 由于其输出特性曲线斜率变化幅度很 大 有的部分很陡 而有的部分却很平坦 很难用低 阶多项式来直接拟合 如果用高阶多项式进行拟 合的话 会影响运算的速度以及拟合的精度 所 52 2003年第5期 内 燃 机 工 程 以 采用分段拟合的方法来建立其数学模型 根据 输出特性曲线 将其分成如下三段 t 40 30 30 10 10 150 分别进行多项式拟合 可以得到 R t 4887t 94819 t 40 30 33t2 450t 8267 6 t 30 10 27 4t 3207 8 t 10 150 图4是拟合曲线与原有输出特性数据点的对 比 从图中可以看出结果相当接近 具有很好的拟 合精度 图4 温度传感器拟合曲线与原输出特性比较 拟合曲线 3 3 原特性数据 5 执行器和控制器模型 电控系统的执行器主要包括喷射器和点火线 圈 执行器模型的作用就是根据控制器模型计算得 出的喷油脉宽 将其转变成喷油量 并和点火提前 角一起送入发动机模型之中 而控制器模型的作 用相当于实际电控系统中的电子控制单元 ECU 即根据传感器模型传来的各种发动机状态参数 进 行计算处理 并产生最佳的喷油脉宽和点火提前 角 送到执行器模型中 6 仿真系统的验证 为了验证模型的模拟精度和仿真系统的各项 功能 以I24发动机为模拟对象 分别对稳态过程和 动态过程进行了仿真 并将仿真结果与实际的试验 数据进行了对比和分析 I24发动机是直列4缸水冷式发动机 排量为 2 5L 压缩比为8 6 该发动机装有克莱斯勒公司 的SBEC2II电控系统 可以实现汽油发动机多点顺 序燃油喷射控制 3 6 1 稳态验证 图5是发动机外特性扭矩曲线对比图 在试验 数据中共选择了1100r min 1500r min 2000r min 2500r min 3000r min 3500r min 4000r min 4500r min和5000r min九种转速 图5 发动机外特性扭矩模拟结果与试验数据的对比 模拟结果 3 3 试验数据 图6 不同转速下扭矩随负荷变化模拟结果与 试验数据的对比 模拟结果 3 3 试验数据 62 内 燃 机 工 程 2003年第5期 图6所示转速为2500r min和3500r min下扭 矩随负荷变化的模拟结果与试验数据的比较 验证 时每种转速下选择了八种负荷 从上面各图中可以看出 试验数据与系统模拟 计算的结果比较接近 平均误差在7 以内 具有较 好的仿真精度 6 2 动态验证 图7 发动机动态特性模拟结果与试验结果对比 TPS 气门位置 pman 进气歧管绝对压力 AFR 空燃比 动态过程是指在节气门迅速变化时 进气歧管 绝对压力和空燃比的变化过程 进行实验时 将发动机稳定在某一工况 设定 转速为2000r min 节气门开度25 然后迅速打 开节气门至较大开度 45 等发动机在新工况点 稳定一段时间后 再将节气门恢复为原来位置 25 然后在仿真系统上模拟相同工况点 并控 制节气门按上面实验过程进行类似的变化 得到进 气歧管绝对压力和空燃比的变化情况 将实验结 果和模拟结果进行比较 如图7所示 可以看出模 拟系统模拟的动态过程与实测的发动机动态过程 相比 变化趋势基本相同 7 结论 从以上稳态和动态的各项验证可知 仿真结果 能够正确反应出各种变化的趋势 与试验数据比较 接近 具有较好的仿真精度 因此 采用Matlab Simulink软件作为电控汽油机的动态仿真工具 可 以为发动机电控系统的开发提供便利的开发环境 更好地促进发动机电控燃油喷射系统的开发 提高 开发效率 参考文献 1 施 阳 MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK M 西安 西北工业大学出版社 1997 2 Hendricks E Vesterholm T The Analysis of Mean Value SI En2 gine Models C SAE 920682 3 石 奕 电控汽油发动机计算机实时模拟系统的研究与开发 D 北京 清华大学 2000 欢迎订阅2004年度 内燃机 杂志 内燃机 1985年创刊 是由中国内燃机学会主办 机械工业第三设计研究院承办的综合性科技期刊 本刊辟有行业综合 设计研究 加工技术 产品信息 环保节能 材料燃料 检测试验 装配调整 使用维修 行业动态