基于模型的大功率柴油机电子控制系统关键技术研究

发布时间：2020-06-12 11:38

【摘要】：大功率柴油机电子化程度的不断提升和控制模块的不断增多增加了柴油机控制系统的开发难度,采用经验设计的开发模式已无法满足控制系统的控制品质和功能安全要求,因此采用基于模型的设计(Model-Based Design,MBD)的柴油机控制系统开发模式是整个行业的必然趋势。本文基于MBD原理进行了大功率柴油机控制系统仿真设计及试验验证研究。首先在进行面向控制的大功率柴油机建模时,在确定各子模型参数拟合方法的基础上,一般都根据实验辨识得到各子模型的参数,但是由于各子模型之间的耦合作用会导致模型精度下降,仅靠参数辨识无法确保整体柴油机模型的精度。其次工程中柴油机怠速控制使用的PID算法存在超调量大、调节滞后的问题,实验中作者发现超调量大会导致调节阶段出现喷油量为零的时间段,有概率导致柴油机熄火无法正常起动进入怠速工况。最后将柴油机控制策略应用层部署到控制器时,工程中常常将应用层模型生成代码后与基础软件层代码在外部编译器中进行集成,该方法虽然灵活性较好,但是增加了工作量且容易出错。论文针对面向控制的大功率柴油机模型高精度和实时性的要求,构建了面向控制系统设计的大功率柴油机平均值模型。根据柴油机稳态实验结果,给出了各个子模型参数的拟合方法,并基于最小二乘法对模型参数进行辨识求解。然后,论文针对各子模型之间的耦合作用导致整体柴油机模型精度下降的问题提出了一种参数校准方法,以子模型输出代替其串联子模型的实验输入对串联子模型的模型参数进行校准,从而保证柴油机模型的整体精度。模型验证结果表明经过校准的大功率柴油机模型具有较高的精度和实时性,能够反应出柴油机的动态特性。论文在设计柴油机扭矩控制策略的基础上,针对大功率柴油机怠速PID控制算法存在调节滞后、超调量大、调整时间长的问题,提出了基于摩擦扭矩模型的线性自抗扰(FTM-LADRC)大功率柴油机怠速控制算法。在线性扩张状态观测器中加入摩擦扭矩模型以提高线性扩张状态观测器的扰动估计速度和精度,使用实时扰动补偿和比例控制律构成状态误差反馈控制律对怠速进行闭环控制。通过离线仿真和硬件在环试验对算法进行了验证,结果表明FTM-LADRC怠速控制算法比PID控制算法的控制效果更佳,减少了超调和振荡环节,抗干扰能力强,工程应用中可降低控制器参数的标定工作量。论文针对基础软件层与柴油机应用层模型的代码一键生成问题,对大功率柴油机电控软件开发平台集成方法进行了研究。基于AUTOSAR规范,论文确立了以硬件驱动底层代码、配置模块和接口模块为核心的硬件驱动集成方法,将柴油机基础软件层集成到Simulink中,并且可以在Simulink中对硬件通道进行配置管理。另外论文针对Simulink自带的查表模块不能调用内存管理模块、无法满足在线标定的问题,提出了一种变量存储管理方法和查表模块创建方法,使自建的查表模块可以同时满足离线数据烧写和在线标定两方面的要求。
【图文】：

车辆电子,增长趋势,电子器件,代码行

1（a）电子器件成本占比增长趋势（b）典型车辆控制单元代码行数图 1.1 车辆电子增长趋势图 1.1 可以看出，随着电子器件的增长，对应控制系统的控制代码量也在

流程图,系统验证,流程,柴油机控制

图 1.2 基于模型的设计和系统验证流程，现代柴油机控制系统的软件功能安全遇到了严峻环境下，为应对挑战一方面要在保证管理系统软件、进行软件分层，，降低软件系统开发的复杂性，比
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK423

【参考文献】