柴油機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真技術(shù)研究.pdf

1、綜合電控技術(shù)是柴油機(jī)技術(shù)研究的主要方向之一，電控技術(shù)是提高柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和改善排放性能的有效措施，電控水平的高低已經(jīng)成為柴油機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。柴油機(jī)電控技術(shù)正在由單一控制功能向多目標(biāo)優(yōu)化的綜合控制方向發(fā)展。隨著柴油機(jī)電控系統(tǒng)功能不斷增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，柴油機(jī)電控系統(tǒng)的開發(fā)難度不斷加大，開發(fā)周期長、成本高、調(diào)試和試驗困難是柴油機(jī)電控系統(tǒng)研制面臨的突出矛盾。利用現(xiàn)代V模式開發(fā)流程，研究柴油機(jī)電控系統(tǒng)從功能設(shè)計、快速原型、代碼

2、生成到半物理仿真的一體化仿真技術(shù)，解決電控系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試難題是十分必要的。
　　 針對柴油機(jī)綜合電控系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試和試驗的技術(shù)難題，在查閱國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)資料，分析柴油機(jī)電控系統(tǒng)半物理仿真技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代建模仿真技術(shù)和電子信息技術(shù)，開展了船用柴油機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真技術(shù)研究，重點開展了以下幾方面的工作：
　　 1.針對船用柴油機(jī)控制系統(tǒng)通過配機(jī)試驗進(jìn)行I/O通道調(diào)試、系統(tǒng)功能試驗、參數(shù)優(yōu)化等存在的

3、周期長、費用高、危險性大、極限工況試驗困難等難題，根據(jù)柴油機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試中對多輸入、多輸出、較好的精度、高實時性等特殊要求，利用平均值和熱動力學(xué)建模方法，建立了能夠滿足多目標(biāo)控制研究和實時性需求的柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型。將Arrhenius(阿列紐斯)方法應(yīng)用到船用柴油機(jī)燃燒扭矩的計算中，解決了多缸柴油機(jī)瞬時輸出扭矩的精確計算問題，滿足控制系統(tǒng)斷缸或斷排的控制需求，保證了以研究控制為目的的柴油機(jī)模型的精度和實時性要求；給出了渦輪增壓器的渦輪和壓

4、氣機(jī)的折合參數(shù)，用折合參數(shù)表示的特性對于研究控制系統(tǒng)具有最佳可比性，同時也具有一定的通用性。
　　 2.采用模塊化建模技術(shù)，建立了具有完整模型體系的多參數(shù)、多輸入輸出通道的柴油機(jī)仿真模型和船舶動力傳動系統(tǒng)模型。該模型以C代碼的方式運行在dSPACE實時仿真平臺中。建模中針對柴油機(jī)控制系統(tǒng)研究的需求，采取適當(dāng)簡化、實驗參數(shù)配置、功能模塊劃分、多缸數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，使所建立的模型即能真實地反映柴油機(jī)的運行狀態(tài)，又具有較好的實時性和通用

5、性。
　　 3.針對典型柴油機(jī)控制系統(tǒng)，開展了柴油機(jī)控制系統(tǒng)建模仿真及性能優(yōu)化研究。研究了起動智能控制，燃油系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的匹配優(yōu)化控制，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率對瞬態(tài)調(diào)速特性變差的影響，采用線性遞減、累加的方式來消除影響，并進(jìn)行了仿真和試驗驗證。達(dá)到了改善起動性能、改善全工況調(diào)速性能、節(jié)約能源及改善排放的目的。
　　 應(yīng)用ControlDesk軟件建立了功能完善、操作友好的仿真監(jiān)控界面，可實現(xiàn)離線/在線仿真過程中模型和用戶之間的交互

6、、虛擬儀表和程序之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換、跟蹤實時曲線、完成在線調(diào)參、數(shù)據(jù)實時記錄等功能。
　　 4.基于先進(jìn)的dSPACE實時仿真系統(tǒng)，開發(fā)了船用柴油機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真試驗平臺，該平臺由柴油機(jī)實時、多參數(shù)仿真模型，實時仿真控制界面，多功能I/O接口板，船用柴油機(jī)控制系統(tǒng)和執(zhí)行器等組成。利用該平臺對柴油機(jī)控制系統(tǒng)的起動、停機(jī)、調(diào)速、相繼增壓、缸排斷油、安全保護(hù)及狀態(tài)監(jiān)測等功能進(jìn)行調(diào)試試驗，實現(xiàn)對柴油機(jī)控制系統(tǒng)的半物理仿真調(diào)試，半物理

7、仿真結(jié)果與配機(jī)實驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明所建立的半物理仿真平臺能夠滿足控制系統(tǒng)半物理仿真實時性和精度的要求，有效地解決了通過配機(jī)試驗進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試的難題。
　　 5.針對船用柴油機(jī)非線性、時變性和各系統(tǒng)之間相互影響、相互制約和相互耦合等特點，進(jìn)行了柴油機(jī)智能調(diào)速控制研究；為解決柴油機(jī)全工況調(diào)速問題，利用開發(fā)的半物理仿真平臺，對模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制理論在船用柴油機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，設(shè)計了滿足船用柴油機(jī)全工況調(diào)

8、速要求的模糊-PID控制器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)速控制器，利用柴油機(jī)多參數(shù)仿真模型進(jìn)行了驗證，仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的PID調(diào)速控制進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明模糊-PID復(fù)合調(diào)速控制器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)速控制器均優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器。為開發(fā)船用柴油機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)打下了堅實的基礎(chǔ)。
　　 本文研究的柴油機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真技術(shù)可以替代配機(jī)試驗，縮短控制系統(tǒng)的開發(fā)周期、降低開發(fā)成本；同時，本文也開展了快速控制原型的研究，為柴油機(jī)控制系統(tǒng)從功能設(shè)