基于dSPACE的柴油机缸压反馈喷油闭环控制系统开发

发布时间：2017-05-23 17:18

  本文关键词：基于dSPACE的柴油机缸压反馈喷油闭环控制系统开发，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于dSPACE的柴油机缸压反馈喷油闭环控制系统主要由缸内燃烧解析单元iCAT、dSPACE快速原型、CA6DL2-35E3增压中冷柴油机等三个主要部分组成。其原理是利用缸压传感器和转速传感器采集缸压信号和曲轴转角信号，然后缸内燃烧解析单元iCAT通过缸内燃烧当前循环缸压信号和曲轴转角信号实时计算出缸内燃烧参数CA50、IMEP，其中，CA50是累计放热率达50%所对应的曲轴转角。以CA50和IMEP作为反馈变量由dSPACE快速原型计算出缸内燃烧后一个循环的喷油提前角和循环喷油量，并将其作为控制变量控制柴油机喷油。 整个缸压反馈的闭环控制系统的开发可以分为两大部分：软件部分和硬件部分。软件部分主要是开发dSPACE的闭环控制器作为缸压反馈闭环控制系统的软件系统。硬件部分包括缸制作dSPACE快速原型，缸内燃烧解析单元iCAT、dSPACE快速原型和CA6DL柴油机之间的硬件连接和信号处理。 本研究主要采用离线仿真的方式开发验证缸压反馈喷油闭环控制系统的软件系统，首先根据CA6DL3-35E3柴油机参数和台架试验稳态数据用GT-POWER建立了CA6DL2-35E3虚拟柴油机模型，GT-POWER建模可分为柴油机进排气系统、废气涡轮增压器、气缸和喷嘴四个部分。进排气系统建模是根据柴油机进排气管的形状建模，废气涡轮增压器建模是根据涡轮机和压气机的特性曲线，气缸建模需要根据柴油机的特点选取合适的燃烧模型，喷嘴建模是根据控制变量选取合适的喷嘴模型。建模完成之后，本研究通过对54个稳态工况点的仿真验证模型的准确性。 本研究软件系统开发的下一步是用Matlab/Simulink搭建了柴油机喷油闭环控制模型，主要分为转速转矩控制、以CA50为反馈变量的喷油提前角控制和以IMEP为反馈变量的循环喷油量控制的三个PID闭环。闭环控制模型是按照台架试验的过程设计的，启动柴油机，先用恒转速变转矩的PID控制将柴油机转速稳定在目标转速。然后当油门踏板变化，柴油机工况由稳态工况转为瞬态工况，开始由CA50和IMEP的PID控制来控制喷油。控制策略是以稳态100循环CA50和IMEP的平均值作为目标值，分别控制喷油提前角和循环喷油量。闭环控制模型搭建好之后，以Matlab/Simulink与GT-POWER联合仿真的形式进行离线仿真，分别对1650r/min转速下，5s—8s内油门开度从10%—100%工况和1650r/min转速下，5s—15s内油门开度从10%—90%工况控制效果进行验证。通过将联合仿真结果、瞬态台架试验数据、稳态目标值进行比较发现，在5s—8s和5s—15s这两种瞬态工况下，IMEP的联合仿真结果与稳态目标基本一致，而CA50的联合仿真结果也比瞬态台架试验结果更接近稳态目标值。5s—8s工况，CA50瞬态试验值比稳态目标值推后3°CA，而联合仿真反馈控制数据只比稳态目标值推后了1°CA。5s—15s工况，CA50瞬态试验值比稳态数据推后了1°CA，而联合仿真控制数据只比稳态数据推后了0.5°CA。综上所述，Matlab/Simulink搭建的喷油闭环控制器控制效果比瞬态台架试验开环控制效果更接近稳态目标值。 基于dSPACE的柴油机缸压反馈喷油闭环控制系统硬件系统的缸内燃烧解析单元iCAT是从天津大学定做的，与台架试验的燃烧分析仪相比iCAT的优势在于能够实时计算CA50、IMEP、最大缸压和压升率等缸内燃烧参数，保证了闭环控制反馈变量计算实时性。dSPACE快速原型的制作主要在于闭环控制系统硬件连接接口的处理和将软件系统下载到dSPACE硬件中。本研究用硬件在环试验实现对缸压反馈喷油闭环控制系统的硬件连接与信号处理的实现。目前本研究已实现对柴油机进气压力传感器和油门踏板传感器的硬件在环试验。将进气压力传感器和油门踏板传感器连接dSPACE系统，通过dSPACE的试验感测软件ControlDesk观测进气压力传感器和油门踏板传感器在压力变化和踏板位置改变时的输出值的变化，成功用进气压力传感器测出大气压力。ControlDesk的观测值变化与传感器的转化特性和输出特性曲线相符。进气压力传感器和油门踏板传感器的硬件在环试验效果满足实用性。
【关键词】：柴油机 喷油闭环控制 dSPACE GT-POWER 联合仿真
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK421.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 课题背景及意义13-21
• 1.1.1 问题的提出13-19
• 1.1.2 缸内燃烧闭环控制的意义19-21
• 1.2 缸压反馈的闭环控制技术21-23
• 1.2.1 缸压反馈技术21-22
• 1.2.2 缸压反馈闭环控制技术国内外研究现状22-23
• 1.3 本文研究内容23-25
• 第2章 增压柴油机 GT-POWER 建模25-49
• 2.1 增压柴油机试验台架25-28
• 2.1.1 CA6DL2-35E3 柴油机25-26
• 2.1.2 试验台架26-28
• 2.2 GT-POWER 仿真软件简介28-35
• 2.2.1 GT-POWER 仿真软件28-30
• 2.2.2 GT-POWER 缸内流体建模基础30-35
• 2.3 CA6DL2-35E3 柴油机建模35-46
• 2.3.1 进气系统与排气系统35-40
• 2.3.2 废气涡轮增压器40-42
• 2.3.3 气缸42-44
• 2.3.4 油喷嘴44-46
• 2.4 模型验证46-47
• 2.5 本章小结47-49
• 第3章 增压柴油机缸压反馈喷油闭环控建模49-83
• 3.1 Matlab/Simulink 建模软件49-51
• 3.1.1 Matlab 软件简介49-50
• 3.1.2 Matlab/Simulink 仿真交互环境50-51
• 3.2 联合仿真平台51-66
• 3.2.1 Simulink 与 GT-POWER 耦合51-53
• 3.2.2 恒转速变转矩 PID 控制53-62
• 3.2.3 瞬态仿真结果验证62-66
• 3.3 喷油闭环控制器建模66-80
• 3.3.1 反馈变量和控制变量的选取66-70
• 3.3.2 喷油闭环控制控制策略70
• 3.3.3 CA50 和 IMEP 的 PID 控制70-74
• 3.3.4 控制模型验证74-80
• 3.4 本章小结80-83
• 第4章 柴油机喷油闭环控制系统硬件在环仿真研究83-103
• 4.1 柴油机喷油闭环控制硬件系统介绍83-86
• 4.1.1 柴油机喷油闭环控制台架83-84
• 4.1.2 燃烧解析单元 iCAT84-86
• 4.2 dSPACE 实时仿真系统86-89
• 4.2.1 dSPACE 的硬件86-88
• 4.2.2 dSPACE 的软件88-89
• 4.3 基于 dSPACE 的柴油机传感器硬件在环研究89-100
• 4.3.1 进气压力传感器90-96
• 4.3.2 油门踏板传感器96-100
• 4.4 本章小结100-103
• 第5章 全文总结及工作展望103-105
• 5.1 工作总结103-104
• 5.2 工作展望104-105
• 参考文献105-111
• 致谢111-113
• 作者简介及科研成果113

【参考文献】

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  本文关键词：基于dSPACE的柴油机缸压反馈喷油闭环控制系统开发，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：388601