基于模型的壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、壓縮天然氣(Crushed Natural Gas，CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)因其低排放、低成本被廣泛應(yīng)用做代用燃料汽車動(dòng)力總成。發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)通過(guò)精確控制進(jìn)氣流量、燃料噴射和點(diǎn)火，大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，是動(dòng)力總成技術(shù)的核心和熱點(diǎn)之一。目前國(guó)內(nèi)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)電控核心技術(shù)缺失，主要產(chǎn)品及平臺(tái)均被國(guó)外公司壟斷，嚴(yán)重制約了自主品牌及核心產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
　　本文針對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)電控中的建模、控制、排放優(yōu)化及開(kāi)發(fā)平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面、深入的分析研究。根

2、據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)多輸入多輸出非線性混雜系統(tǒng)特征，建立了面向發(fā)動(dòng)機(jī)控制、仿真、排放標(biāo)定的高集成度CNG發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型；基于模型和線性反饋技術(shù)，采用一種改進(jìn)的非線性變換架構(gòu)進(jìn)行解耦；針對(duì)轉(zhuǎn)速控制回路，提出基于非線性回退方法(Backstepping)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制算法；基于離散滑模非線性觀測(cè)器，提出一種離散變結(jié)構(gòu)空燃比控制方法。建立了基于 V模式和虛擬儀器技術(shù)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于平臺(tái)完成建模仿真、代碼生成、虛擬標(biāo)定和排放優(yōu)

3、化，開(kāi)發(fā)了控制器快速原型。
　　本文主要工作如下：
　　(1)針對(duì)離散變結(jié)構(gòu)時(shí)滯系統(tǒng)，提出一種基于變指數(shù)趨近律調(diào)節(jié)因子的趨近律，使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)快速收斂且抖振幅度較小，為離散滑模應(yīng)用于非線性發(fā)動(dòng)機(jī)控制奠定良好基礎(chǔ)。通過(guò)合理選擇指數(shù)收斂項(xiàng)的變調(diào)節(jié)因子和平移項(xiàng)幅值關(guān)聯(lián)因子，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到達(dá)準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)區(qū)前符合指數(shù)趨近律；進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)區(qū)后，抖振幅值遵循指數(shù)規(guī)律收斂。證明了采取雙曲正切及反雙曲正切函數(shù)作為趨近律調(diào)節(jié)因子的可行性，提出參數(shù)估值方法

4、。將此趨近律應(yīng)用于離散狀態(tài)時(shí)滯系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明具有較好的收斂特性及低抖振頻率。
　　(2)針對(duì)目前CNG發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)模型價(jià)格昂貴且底層接口不開(kāi)放，建立了高集成度、面向電控開(kāi)發(fā)用CNG發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型。模型集成了渦輪增壓、電子節(jié)氣門、進(jìn)氣歧管、動(dòng)力輸出及排放等子系統(tǒng)，能夠描述 EGR、中冷器、缸內(nèi)工作過(guò)程、CNG供給、減壓閥及傳感器組等輔助環(huán)節(jié)?；跍夭顨怏w定容混合過(guò)程的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管方程和燃料噴射延時(shí)計(jì)算方法建模，具有較高精

5、度及實(shí)時(shí)性，大幅降低開(kāi)發(fā)成本，接口開(kāi)放，滿足二次開(kāi)發(fā)需要。
　　(3)針對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與空燃比控制進(jìn)行了研究，提出一種基于離散滑模進(jìn)氣流量觀測(cè)器的空燃比學(xué)習(xí)控制算法。首先采用一種基于李導(dǎo)數(shù)的解耦方法對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與空燃比解耦控制。對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)仿射非線性模型進(jìn)行變換，滿足相對(duì)階數(shù)向量及輸出方程李括號(hào)矩陣非奇異的條件，通過(guò)線性反饋實(shí)現(xiàn)解耦。其次，提出一種基于非線性模型和Backstepping方法的滑模變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速控制。

6、選擇轉(zhuǎn)速誤差與進(jìn)氣流量誤差組成二維滑模面，利用虛擬控制變量和分層子系統(tǒng)，保證系統(tǒng)條件穩(wěn)定性的前提下設(shè)計(jì)控制律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比自適應(yīng)PID控制，具有較高度響應(yīng)速度及魯棒性。采用離散滑模進(jìn)氣流量觀測(cè)器和進(jìn)氣流量延時(shí)補(bǔ)償，設(shè)計(jì)CNG噴射控制律，實(shí)現(xiàn)空燃比瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)氣流量的補(bǔ)償與學(xué)習(xí)，與量產(chǎn)ECU廣泛采用的PI控制相比，具有更高控制精度和魯棒性。
　　(4)針對(duì)目前排放優(yōu)化與控制參數(shù)標(biāo)定主要依靠臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，提出一種基于混沌粒子群優(yōu)

7、化的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)虛擬標(biāo)定和排放優(yōu)化方法。通過(guò)混沌的隨機(jī)不確定性和粒子群空間尋優(yōu)快速收斂的特性，第一輪優(yōu)化基于臺(tái)架數(shù)據(jù)，校驗(yàn)排放模型。第二輪優(yōu)化基于開(kāi)發(fā)平臺(tái)和排放模型進(jìn)行虛擬標(biāo)定，優(yōu)化控制參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)進(jìn)行了控制參數(shù)優(yōu)化。與傳統(tǒng)的13點(diǎn)工況法相比，排放優(yōu)化效率大幅提高，有效降低優(yōu)化費(fèi)用。
　　(5)建立了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)和V模式的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)電控ECU開(kāi)發(fā)專用平臺(tái)。平臺(tái)支持Matlab/Simulink建模、硬件在

8、環(huán)仿真、代碼生成、標(biāo)定和ECU功能測(cè)試功能，提供可定制化的界面及測(cè)試流程，實(shí)現(xiàn)了邏輯層與驅(qū)動(dòng)層分離。利用平臺(tái)完成了32位ECU原型的建模仿真、HIL測(cè)試、功能測(cè)試、虛擬標(biāo)定和代碼生成工作。建立了一套 CNG發(fā)動(dòng)機(jī) ECU控制軟件的實(shí)時(shí)邏輯。利用Matlab/Simulink軟件建立了進(jìn)氣，CNG噴射和點(diǎn)火系統(tǒng)控制邏輯，對(duì)控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)性工程化處理。邏輯具備診斷、跛行回家等功能。通過(guò)自動(dòng)代碼生成工具，支持第三方開(kāi)發(fā)的ECU原型，實(shí)現(xiàn)了邏

9、輯層與任務(wù)調(diào)度層、驅(qū)動(dòng)層及硬件分離的結(jié)構(gòu)。平臺(tái)大幅度提升了CNG發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的開(kāi)發(fā)效率，降低了開(kāi)發(fā)成本。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：1、提出一種新的面向電控開(kāi)發(fā)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型。2、提出一種基于 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量離散滑模觀測(cè)器和線性反饋的空燃比控制方法。將仿射非線性的精確線性化反饋解耦和基于模型的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速非線性算法應(yīng)用于CNG發(fā)動(dòng)機(jī)控制。3、建立了CNG發(fā)動(dòng)機(jī)電控ECU開(kāi)發(fā)平臺(tái)?；趯Ｓ闷脚_(tái)進(jìn)行建模、仿真、虛擬標(biāo)定