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《华中科技大学》 2009年
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基于模型的柴油机硬件在环仿真与控制研究

蒋方毅  
【摘要】: 随着发动机技术的不断发展和进步,发动机电子控制系统的功能和数量变得越来越多,开发过程变得也越来越复杂。基于模型的设计方法是一种普遍适用的设计方法,它的意义在于:用虚拟模型描述系统中相对应的每一部分的物理原型,并在一个软件或硬件环境中对整个系统进行仿真,以便及时做出设计改进。采用基于模型的设计方法可以有效的降低开发成本、提高开发效率。本文在广泛研究文献的基础上,借鉴和吸收了他人的工作经验,综合采用多学科领域的先进理论和技术,采用基于模型的设计方法对发动机硬件在环仿真系统和控制策略进行设计和研究。 硬件在环仿真系统是发动机电控系统开发中一种非常有效的辅助工具,它为电控系统的开发提供了便利的开发环境。发动机模型是硬件在环仿真系统的核心,合理的建立发动机模型是实现仿真系统的基础和关键。本文建立了柴油机的平均值模型,模型由微分方程和经验方程组成,包括压气机、涡轮增压器、进排气系统、气缸等基本子系统,模型的特点是突出实时性应用。在MATLAB/Simulink环境下实现了柴油机模型的开发。仿真结果表明,该平均值模型计算精度较高、运算速度快,较好的反映了发动机的静、动态性能,为发动机控制系统的开发提供了一个良好的开发环境和研究对象。 针对发动机硬件在环仿真系统开发过程中存在的软件编写繁琐、需要专用的硬件系统、通用性差、可扩展性差等不足,本文采用由图形化的开发软件MATLAB/Simulink和基于通用PC的Linux RTAI目标环境组成的快速仿真原型开发系统。该系统充分利用了自动代码生成功能,大大减轻了用户的编程工作量,并充分发挥通用PC硬件的高速运算和I/O吞吐能力,具有实时性强、扩展性好、成本低廉的特点。为发动机硬件在环仿真和电控系统等的开发提供了一个高性价比的实时快速开发平台。 建立了一个基于循环的共轨燃油系统平均值模型,根据PID控制算法的特点,改进了一个非线性PID控制算法,在Simulink环境中研究了共轨轨压的闭环控制仿真。仿真结果表明,该算法具有根据系统偏差参数自调节的特点,能在不降低系统响应速度的条件下有效地减少系统的超调量。 以P型机械喷油泵为研究对象,采用电磁执行器作为执行器,设计了机械执行机构和以高性能32位处理器为核心的柴油机电子调速系统。采用串级PID控制算法进行调速控制,实现了电子调速控制系统的开发。通过硬件在环仿真实验验证了电子调速器设计的可行性和控制算法的正确性。 针对发动机非线性突出的特点,运用现代智能控制技术和PID相结合的方法,建立了CMAC-PID复合控制器来实现发动机的调速控制。仿真研究结果表明,CMAC-PID控制器充分发挥了神经网络的非线性处理特长,有效的缩短了发动机转速的稳定时间,加快了响应速度,减少了超调量,取得了不错的控制效果。同时,CMAC-PID对PID参数的要求不高,降低了对PID参数整定的要求。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TK423

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