现代控制理论在汽车发动机中的应用Word下载.docx

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学生姓名王珍珍学号***********

专业年级12级系统科学

指导教师张凯

二Ｏ一二年十二月二十四日

现代控制理论在汽车发动机控制中的应用

摘要:

这篇文章主要解决如何将现代控制理论应用到汽车发动机的控制中.在使用现代控制理论的过程中,恰当的模型是必不可少的.本文使用物理和统计方法建立发动机模型.同样,对现代控制理论的具体应用,由于转矩是发动机最主要的输出,故本文主要关注发动机的转矩.现代控制技术也可用于转矩伺服发动机中来达到省油的目的.研究发现法,与传统控制方法相比,现代控制理论在发动机的控制中潜力很大.

1.介绍

发动机正向小型化,实时化方向发展,汽车也变得越来越轻.因此,转矩变量和非平衡力也需更加可靠,这就给发动机和工程师们带来了更多的问题.现有的发动机在很庞大的平衡机制下才能达到稳定状态.

这种稳定机制导致汽车惯性很大,因而会进一步影响转速,转矩和负载.然而,这么大的惯性会影响启动速度和加速速度.未来的汽车发动机就算没有现在的稳定机制也要能够达到稳定状态.

众所周知,飞机所用的控制配置工具使用控制策略解决了稳定这一问题.

本文的研究者期望提高汽车发动机瞬时性能的同时,运用现代控制理论取得更高的稳定性.发动机是多变量控制系统,输入变量包括路况,燃油量,空气量点火时间等,输出变量包括转速,输出转矩,尾气等,这些变量的优化都是控制器要取得的目标.

而且,很显然,由于燃料只有在燃烧过程中才会对转矩产生作用,所以发动机都有时间延迟系统.

本文的目的就是解决如何将现代控制理论应用到汽车发动机的控制中这一问题.

2.连续燃料供应

在发动机控制所有输入变量中,燃料值从发动机燃油入口处输入.燃料输入是一个连续时间变量,它取决于发动机转数.一般来说,由于随着转速的提高,每转所需的时间越来越少,因此燃料输入量也在减少.

直观上我们很难获得转矩增加与燃料减少之间的线性关系.因此,本文假定单位时间内燃油输入量fr为常数,是可以控制的.图1显示了本文中使用的燃油率和时间间隔之间的关系.在这种给定输入下,发动机就成为由燃油输入时间间隔控制的系统.在每个固定时间内燃油率都在上升,当注油时间到的时候一次入油过程结束.用这种方法,当一定时间内进油体积确定之后,发动机操作系统就得以控制.

图1燃油率fr与时间间隔之间的关系

3.现有模型

许多工作者都已建成了汽车发动机的数学模型.通用汽车研究实验室的Cassidy教授和Dobner教授所建立的模型应用较广泛,见图2.每一个模块都有其物理意义,该单元系统是矛盾系统,但它确实是迄今为止最好的模型.

该线性发动机模型的输入变量包括延迟时间,惯性J,和多个K变量.但是如果不使用物理方法进行计算以及发动机的测试结果,这些输入变量的值将很难获取.因此,该模型需要进行详细的发动机测试以及大量已知的条件.而且,该模型的输出变量为高阶.比如说,Cassidy的模型是17阶的系统.即使在物理条件下建成了这种模型,庞大的计算量也使该模型的应用不现实.

图2Dobner的发动机模型

4.建模

如果想使用前一节中提到的发动机模型将需要很繁琐的过程.在这些模型的基础之上,本文作者提出了一个确切的模型,其输入输出之间的时间是确定的.图3是本文中所使用的发动机模型.在该模型中,控制器的输入量只有阀门位置和耗油率两项.为了简化模型,我们固定了点火时间,所以这一项并没有在模型中出现.

图3本文提出的发动机模型

基于图3的物理模型,运用统计的方法确定了各动态变量.为了测试的目的,我们采用了如图4所示的无规律输入信号.图5给出了输入变量的联系.该联系揭示了一个固定的,不重复的,频域类型的信号.由算法确定的输入信号和转矩之间的关系在附录中可以查到.

图4输入信号

图5输入信号的关联

图6显示了输出信号和仿真结果,从图中可以看出两者很好的匹配.

图6输出信号和仿真结果

我们可以用这种方法从该模型中获得状态方程

（1）和一个输出等式

（2）:

矩阵的组成部分ail和bkj（i,j=0,...,9,k=0,1）在图7中标注出来.然而

图7发动机动态模型

图8是该模型极点在S平面中的位置.显然,极点全部位于S左半平面,表明该系统处于稳定控制状态.

图8极点位置

5.转矩伺服发动机

图9是转矩统计仿真图,图10是该仿真图的两种输入模型.在d100中燃油系统落后于阀门开启时间,这是由于阀门的开始于现存系统是一致的,儿转矩下降很明显.而d50模型中缺相反,.因此在现有的系统中,燃油系统就会不可避免的落后于空气系统,故在加速的过程中转矩会落后.只要能够控制空气系统,正如该仿真模型所表现出来的那样,就有可能在加速过程中解决转矩落后问题.

图9转矩仿真

图10输入模型

对空气系统的控制因此就称为提高转矩性能最可靠的方法.当然,过去的技术在控制燃料进入量和阀门开启之间的平衡关系问题上存在很大缺陷.

本文作者提出了一种转矩伺服系统全新的概念来提高转矩的稳定性和上升性能.用现代控制理论体现多变量控制的过程中,主要目标是要控制发动机输出转矩.驾驶者的要求通常也是发动机输出转矩需要达到的目标.驾驶者期望在他想要加速或者稳定在一个速度的时候,能够较简单的完成这一目标.但在现存的发动机控制系统中,A/F被控制在一个固定的范围内.输出转矩的影响便是次要的.

转矩伺服系统是如何实现的呢?

图11显示了Schweitzer提出的在固定的转速下等价转矩曲线.图中的数据表明,燃油量和空气量的输入比例在不完全一致的情况下,也能获得相同的转矩.因此,我们所提出的模型的转矩伺服系统在保证转矩恒定的情况下,可以达到省油的目的.

图11等价转矩曲线

转矩伺服系统的控制策略如图12所示.控制器的输出是转矩和阀门开关.因此,该模型等同于一个同时控制两个变量的多输入输出伺服系统.F是最优反馈,T*是转矩需求,X是在给定情况下的估计值.

图12控制系统模块

6.系统结构

在传统的发动机控制系统中,油门和阀门是用电线直接相连的.图13显示了本文中提出的系统的模块图,油门和电子控制单元是电气性连接.驾驶者的要求通过电子控制单元反映到转矩控制中.这个系统是发动机空气控制类型的,即空气进入量是由阀门来控制的.通过使用发动机空气控制使得直接来控制转矩是可行的.这是由于发动机空气控制是用来控制空气的输入量,它反过来影响发动机的输出特性.

发动机空气控制器中的中央处理器是是16为的摩托罗拉中央控制器,全部用C语言编写的,这对未来的开发很有利.和集成相比,开发时间缩短了很多.

图13装置模块图

7.实验结果

该实验是在一个接近固定的状态上进行的.在研究的状态下,转矩伺服系统的反映如图14所示.转矩需求每两秒改变一次,从5.0变到5.1kgm.忽略微小的浪费的时间,观察到的转矩值和需求值基本一致.观察到的转矩值总存在微小的波动,这是由于转矩是由间歇性的操作产生而导致的.由于该发动机比传统发动机的飞轮轻很多,这当然会存在一定的影响.这种影响能够多大程度的被抑制也是未来研究的一个很好的方向.图15是在阀门受到一定干扰以及燃油率fr变动时试图获得统一转矩.为了获得一致的转矩,实际的转矩伺服系统配置了反馈环节.

图14转矩伺服发动机阶跃反映

图15转矩扰动的反馈矫正

8.结论

本文建立了汽车发动机的动态模型和反馈控制器.为了建立模型,本文使用了物理和统计方法.而且发动机控制系统中还使用了最有调节器和观测理论结果.在随后建立的系统中,提出了能够反映驾驶者动向的发动机转矩伺服系统.可以肯定,新的概念在限制条件下运行良好.转矩伺服系统同时输入空气和燃料的想法非常好.但是在本文中没有讨论尾气问题,但是可以很客观的说,本文所提出的想法肯定能够缓解NOx的排放问题.在接下来的研究中,现代控制理论能够在多大程度上应用于心的发动机控制系统中以达到各项操作范围,同时还能兼顾到尾气问题,将是一个值得研究的方向.

参考文献

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