混合动力汽车发动机瞬态建模与启停控制

发布时间：2018-06-18 10:55

本文选题：发动机建模 + 发动机启停控制　；参考：《吉林大学》2016年硕士论文

【摘要】：混合动力汽车存在两套动力装置,在车辆行驶的过程中势必会存在两套动力装置的频繁切换。相较于传统汽车,混合动力汽车发动机启停的次数更为频繁,启动电机输出扭矩比传统汽车的启动电机大,启动过程也更为快速,对发动机启停系统的快速性与稳定性也提出了更高的要求。汽车发动机频繁启停不仅会带来发动机油耗问题,发动机启停的不平稳还会影响车内乘客乘坐的舒适性。因此有必要对发动机的启停进行良好的控制。首先,本文阐述了混合动力汽车发动机启停问题的提出,对比启停技术的几种实现方案并分析其优缺点。接着对启停系统的工作过程进行分析,即通过控制启动电机的输出力矩使发动机实际转速跟踪期望转速,从而将启停控制问题描述为转速跟踪问题。针对混合动力汽车启停系统这类快速系统而言,需要建立一个能反映发动机转速波动的瞬态模型。先对其工作机理进行分析,在此基础上,在多学科建模仿真平台AMESim环境下搭建发动机启停系统仿真模型,并对仿真模型的运动规律以及做功的合理性进行了分析,同时针对该模型进行了系统动力学特性研究。然后,为保证启停系统满足运行需求,设计了发动机启停系统控制方案。先推导了面向控制的发动机与电机系统耦合模型,模型推导过程中需要进行模型简化,在实验测量中往复惯性力矩相对于发动机指示力矩较小,因此可将发动机往复惯性力矩忽略,同时假设皮带传动是理想的传动过程,故电机与发动机转速差较小,可忽略不计。在此基础上,利用微分平坦前馈加LQR(linear quadratic regulator,LQR)反馈的方式进行发动机启停控制,利用微分平坦理论设计启停系统前馈控制器,将前馈控制作为平衡点对启停系统模型进行线性化,并设计了LQR控制器进行反馈控制,前馈加反馈的控制器结构可使系统输出快速响应,并跟踪发动机期望转速,基于微分平坦的LQR控制器在线性化过程中将会忽略系统的高阶动态特性,对于动态变化的启停系统而言这将会对系统控制性能产生一定的影响。为了解决系统转速波动的问题,本文采用了非线性控制系统设计方法“三步法”,并对启停系统控制器进行了详细的推导。该控制器设计可得到三部分控制律:稳态控制、前馈控制以及误差反馈控制,该控制器增益依赖于系统状态,对工况变化具有一定的自适应性。在此基础上,考虑系统干扰、模型简化带来的模型误差以及参数的不确定性,认为启停系统干扰有界,在ISS(Input to State Stability,ISS)理论框架下对闭环系统的鲁棒性进行了分析,从理论上证明该系统具有抗干扰性能。最后,利用多学科系统仿真软件AMESim和MATLAB/Simulink进行联合仿真实验,通过实验结果的对比和分析,最终验证了控制系统设计的可行性和有效性。本文对所提出的发动机启停控制方案均进行了相应的仿真验证,并对具体控制器的设计进行了较为详细的推导,为发动机启停控制系统的设计提供了一些思路。在实际的发动机启停控制系统当中仍然需要解决以下问题,在实际发动机启停控制系统中,电机并不是实验假设的理想电机,因此在实际应用中仍需要考虑下层电机控制的问题。此外,本文对混合动力汽车发动机启停控制系统的验证是在离线条件下进行的,未来需要在实物发动机启停系统台架上进行试验来验证其实时性和有效性。
[Abstract]:This paper presents a simulation model of engine start - stop system by controlling the output torque of starting motor , and then analyzes its advantages and disadvantages . This paper analyses the robustness of a closed - loop system based on the system state and the model simplification , and then verifies the feasibility and effectiveness of the design of the control system . In the actual application , it is necessary to consider the problem of the control of the lower - level motor .
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.7;U464

【参考文献】