車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)建模與仿真

陳路明 劉帝

摘要：為建立面向控制開發(fā)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，本文結(jié)合了數(shù)據(jù)建模和原理建模方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種具有較高精度的動(dòng)態(tài)建模方法。利用MATLAB/Simulink平臺(tái)，分別進(jìn)行兩類典型工況實(shí)驗(yàn)，將模型仿真結(jié)果與實(shí)際臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，本文所建立的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型各項(xiàng)性能均高度接近實(shí)際柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具有較高的仿真精度，可用于支撐后期控制開發(fā)和應(yīng)用。

Abstract： To establish a diesel engine simulation model for control-oriented development， this paper combines the advantages of data modeling and principle modeling methods， and proposes a dynamic modeling method with higher accuracy. Using the MATLAB/Simulink platform， two representative experiments were performed respectively， and the simulation results of the model were compared with the actual bench experiments. The results show that the performance of the diesel engine simulation model established in this paper is highly close to the actual diesel engine. The model has high simulation accuracy and can be used to support the control development and application in the future.

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī);數(shù)據(jù)模型;原理模型

Key words： diesel engine;data model;principle model

中圖分類號(hào)：U262.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0014-02

1? 背景意義

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將柴油熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力裝置，具有低速扭矩大、中高速油耗低等優(yōu)點(diǎn)，自十九世紀(jì)末發(fā)明以來，已在工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械以及軍用車輛等重型車輛領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為助推生產(chǎn)力快速發(fā)展的有利支撐。

無論是發(fā)動(dòng)機(jī)自身工作還是面向整車應(yīng)用，控制器始終是發(fā)動(dòng)機(jī)控制的核心部分。近些年來，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的普及，控制器開發(fā)的自動(dòng)化程度得到顯著提升。越來越多的開發(fā)人員逐漸摒棄單純依靠臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整參數(shù)的開發(fā)方式，離線或?qū)崟r(shí)仿真手段成為當(dāng)前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制器開發(fā)的主流。針對(duì)不同控制需求，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的模型可分為數(shù)據(jù)模型、特性模型和原理模型等多種類型。本文面向整車控制應(yīng)用，主要關(guān)注柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的外部特性，不需要研究?jī)?nèi)部復(fù)雜燃燒過程，因此采用數(shù)據(jù)建模和原理建模相結(jié)合的方法，建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型。

2? 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)建模

2.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)模型

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速和油門開度有關(guān)，三者關(guān)系可表示為：

式中，Te_gd為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，α 為發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，f為函數(shù)關(guān)系。

2.2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)原理模型

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)調(diào)速過程中，存在兩個(gè)重要環(huán)節(jié)：①?gòu)挠烷T開度調(diào)整指令下達(dá)開始，經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作以及氣缸內(nèi)部燃燒過程，到最終已轉(zhuǎn)矩形式輸出到曲軸，該過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性不可忽略;②對(duì)于大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其慣性通常較大，對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)整過程的影響不可忽略。為此，采用原理建模的方法，分別對(duì)上述兩個(gè)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行建模：

2.2.1 轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)建模

對(duì)于轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，采用慣性和延時(shí)進(jìn)行表示：

式中，Te_sj為實(shí)際生成轉(zhuǎn)矩，τ 為轉(zhuǎn)矩生成延時(shí)時(shí)間常數(shù)，T1為轉(zhuǎn)矩生成慣性時(shí)間常數(shù)。

2.2.2 轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)建模

根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式，可建立如下關(guān)系：

式中，Tload為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Tfric為空載轉(zhuǎn)矩，D為摩擦系數(shù)，J為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3 面向控制的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型

在2.1和2.2的模型基礎(chǔ)上，在MATLAB/Simulink環(huán)境下可以建立得到完整的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值輸入到油門開度調(diào)節(jié)器中，受到實(shí)際物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限制，得到給定的油門開度指令，與實(shí)際轉(zhuǎn)速共同查表，得到期望的轉(zhuǎn)矩輸出值，經(jīng)過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，得到輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，空載轉(zhuǎn)矩等阻力矩后，得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，完成整個(gè)閉環(huán)調(diào)速過程。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的可靠性，本文設(shè)計(jì)了兩類具有代表性的實(shí)驗(yàn)工況，并與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的作用結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，給出仿真模型可信度結(jié)論。

3.1 轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件為：初始轉(zhuǎn)速為1000rpm，在2s時(shí)刻給定轉(zhuǎn)速階躍到2000rpm，而后維持4s直到6s時(shí)刻，給定轉(zhuǎn)速階躍為1000rpm，直到10s時(shí)刻實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在給定轉(zhuǎn)速發(fā)生階躍變化后，實(shí)際轉(zhuǎn)速能很快跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速的變化。在給定轉(zhuǎn)速上升和下降時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型用時(shí)分別為0.65s和1.55s，接近柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的0.61s和1.49s，仿真誤差分別為6.55%和4.03%，轉(zhuǎn)速跟蹤性能符合仿真模型精度要求。

3.2 抗負(fù)載擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件為：初始轉(zhuǎn)速為1500rpm，初始轉(zhuǎn)矩為0Nm，在2s時(shí)刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍到1000Nm，而后維持4s直到6s時(shí)刻，負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍為0Nm，直到10s時(shí)刻實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生階躍變化后，實(shí)際轉(zhuǎn)速經(jīng)過短時(shí)超調(diào)后迅速穩(wěn)定到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加和減小階段，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型調(diào)節(jié)時(shí)間分別為0.45s和0.65s，接近柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的0.42s和0.6s，仿真誤差分別為7.14%和8.3%，抗負(fù)載擾動(dòng)性能符合仿真模型精度要求。

4? 結(jié)論

本文采用數(shù)據(jù)建模和原理建模相結(jié)合的方法，在MATLAB/Simulink中建立面向控制開發(fā)的車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，并在兩種典型代表性工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，經(jīng)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文所提柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的較高精度，為后期控制開發(fā)提供了高置信度的模型基礎(chǔ)。

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