|
文献综述： |
|
1.课题背景 面向控制的模型主要是面向控制器的开发。面向控制的模型最早可追溯到年代末当时的研究是针对发动机调速器设计问题及其稳定性分析。早期的学者都是应用连续控制理论来处理发动机调速问题这些简单的模型可以用于科学地设计和选择调速器[1]。 2.发动机建模方法的发展历史 发动机系统具有运行工况繁多,燃烧和能量转化过程复杂,以及与各机械子系统之间的动力学祸合,强非线性,存在物理和几何约束等特点,这样导致发动机系统是一个结构复杂且非线性很强的系统,所以发动机电控单元的设计周期就会很长。而随着汽车行业的飞速发展,市场及汽车生产商对汽车发动机电控系统的研发周期要求越来越短,这就要求我们必须快速建立发动机的精确模型,以便用于发动机控制器的前期实验和验证,用来缩短发动机电控系统的研究和开发周期[2]。国内外学者对发动机的建模过程和建模方法的研究工作网开始于上个世纪70年代,通过广泛且深入的研究, 提出了许多不同建模原理的发动机模型。从整个发动机建模发展史可以看出,其经历了由简单到复杂,由低精度到高精度的发展过程。下面以时间轴为顺序,对几种典型的发动机模型进行介绍[3]。 二十世纪八十年代，开始出现了数模混合仿真技术。随着电子计算机的出现，技术速度以及计算精度都得到了质的飞跃，发动机仿真从离线仿真向实时的仿真的方向发展。文献中总结了发动机数字实时仿真技术的发展历程，分析了利用实时仿真技术的优势[4]。 1983 年，美国 Lewis研究中心开发了 DIGTEM，这是利用数字计算机建立的发动机仿真模型。该模型能够仿真出发动机所有组成部件的稳态特性图，仿真步长可以达到 1ms~1s。八十年代后期，科研人员又陆续提出了多种改进的实时性能仿真模型。 从 1990 年开始，美国推出了 NPSS（Numerical Propulsion System Simulation）计划。在该计划的推动下，面向对象的建模方法由于其良好的交互性、开放性以及可靠性等特点取代了了面向过程的建模方法，成为发动机建模中的主流。 1993 年，多伦多大学的 Reed 博士研究开发的 TESS（Turbofan Engine Simulation System）是最早使用面向对象建模方法建立的发动机仿真系统。该系统集合了发动机内部的构成部件模型，形成一个可以人机交互的图形化仿真环境。 1996 年，美国 Ganji教授主导开发的 GTS(Gas Tubine Simulation)是一个可以仿真出航空发动机稳态及动态性能的通用平台，可以在平台上输入发动机参数来获得不同发动机的性能仿真图。 1997 年，Reed 博士利用 JAVA 语言开发出了面向对象的发动机仿真系统 JGTS（Java-basedGas Turbine Simulator）,该系统可以根据使用者的需要建立目标发动机的仿真模型。 面向对象技术产生于20世纪70年代末的系统工程领域。面向对象技术要解决的基本问题是在系统设计中使分析、设计和实现系统的方法学原理与认识客观世界的过程尽可能地一致。即使描述的问题空间和解决问题的方法空间在结构上尽可能地一致，便于系统的开发和维护[5]。 除美国外，欧洲几个国家也开展了面向对象的航空发动机建模仿真技术研究计划。荷兰国家航空实验室开发的 GSP，该程序拥有良好的用户操作界面，利用该平台建立发动机模型，只需要设置积分发动机的几个参数，其余的利用鼠标操作就可以对不同型号的发动机进行建模与仿真。MOGM（Modeling of Gas Turbine with Modelica）是由意大利与瑞典合作开发的面向对象的航空发动机仿真模型。它充分利用了面向对象语言的特点，解决了发动机中各模块之间的耦合关系。该模型可以于运用不同型号的发动机的设计、试验以及制造过程中。综上所述，发动机建模经过数十年的发展，已经由简单的数学建模，向多学科、变复杂度的方向发展。运用计算流体力学、虚拟现实等技术将成为未来发动机建模仿真的重要工具。 能源产业是对未来社会发展最具影响力的产业,能源问题自始至终都是全球的重大问题。世界未来的能量需求以及储备开发的情况，对于每个国家的政治，经济,军事以及科技实力,都起着至关重要的作用。 20世纪，世界能源利用的主旋律是煤炭与石油，石油后来居上，同时天然气，水电，核能也奋起直追，其中天然气脱颖而出。到20世纪末，形成了石油，煤炭，天然气三足鼎立的局面'在目前的世界能源消费结构中,石油占36.8%，煤炭27.1%，天然气23.6%，核能6.1%，水能6.2%。预测到2020年将是天然气占29%，石油27%，煤炭24%，核能8%，水能8%，其它能4%。目前探明石油储量为1543万亿m3,可用40多年;探明天然气储量为155万亿m3,可用60年以上[6]。 发动机应用气体燃料的关键技术之一是气体燃料的供给方式,它在很大程度上影响发动机的动力性、经济性、安全可靠性和排放性能。气体燃料发动机混合气的形成方式主要有预混合、缸外喷射和缸内喷射三种。按进气方式分类,目前国内外具有代表性的气体燃料发动机进气系统有机械控制混合、机械喷射、闭环电控混合、电控多点顺序喷射四种系统[7]。 3.发动机模型的研究现状 建立发动机理论模型,对认识，分析，设计和改进发动机的性能和开发发动机电控系统都有极大的帮助'。发动机的模型有的简单,有的复杂,按照建立模型的用途,可分为理论研究分析用,性能预测用,控制分析用等各种用途的模型都有各自的特色和着重点:理论分析用的模型注重建模的准确性和精确性,对局部的刻画非常仔细,以便通过模拟计算能揭示某个或某些参数的变化对发动机局部,乃至整体性能的影响,但这往往也是计算成本最高的一种模型[8]。 性能预测用的模型则注重发动机整体的输入输出关系,但主要是对发动机稳态时的性能参数进行预测,计算中需要迭代计算来达到稳定状态,计算成本也很高。控制分析用的模型也是考虑发动机整体的输入输出关系,但它更注重于发动瞬时动态响应性能，由于考虑到实时性要求,模型的建立不宜复杂,往往用一些表格或线性方程来拟合复杂的变量间关系,这种模型的特点是建模比较麻烦,因为需要大量的实验数据的支持,但计算简单,计算量小'根据研究方法不同,又可分为发动机的热力学模型(机理建模)和传递函数模型。热力学模型是以对发动机热力过程的研究及大量统计数据为基础的'建模时一般将发动机分为几个子模块(如节气门体,进气管,缸内燃烧!动力输出及排放等) 综合的运用流体力学, 热力学, 动力学等理论,并结合实验数据,分别建立各个子模块的模型,将几个子模块串接起来即得到发动机的数学模型1-川'这是一种解析一一图标混合模型,具有一定的通用性,应用于不同的发动机时,只改变有限的参数即可。 20世纪90年代，现代控制和估计算法应用于车用发动机控制，观测器方法主要运用于汽油及天然气发动机的各控制量及运行参数的估计[9]。 1990年,ElbertHendricks教授和他的同事们提出了一个适用于单点燃油喷射系统的汽车发动机模型,该模型具有三个发动机工作状态变量和三个控制变量:发动机转速,进气歧管压力,燃油膜流量,喷油量,点火提前角度和节气门张开角度,该模型在发动机的全工作范围内具有3%的精度。 燃气发动机虽然前景广阔，但也面临着诸多技术挑战。比如首先是点火技术，燃气发动机采用的点火技术主要包括：微量引燃、预燃室火焰点燃、火花塞点火、激光点火、均质压燃（HCCI）技术[10]。 1996年, Mathworks 公司在其仿真软件Simulink的automotiveexamples中介绍了一种可以在Simulink环境下对发动机进行仿真研究的可视化仿真模型,该模型可以用于对发动机控制算法等的研究。 国外针对电控发动机台架匹配标定试验专门设计了试验台、试验测试系统及试验设备,并且每种类型的发动机都配以专用的电控系统,为实验周期长的专项实验做好了准备。目前,欧美国家对匹配标定的研究已发展得比较完备,而且不断有新的标定软件问世,比如大众公司的VS100以及通用公司的CalTool均为目前较为先进的标定系统[11]。 1999年,KarenM.Connair,Mark0.Bodie和PaSCalChaumette在他们的论文/DevelopmentofaCommonVehieleModelforChassisControlDesign/中介绍了一种多用途,通用的发动机模型,可以被用在不同的软件平台。 4.结语 在发动机电控系统开发过程中,通常采用单线程编程方法和结构化的软件开发方法。该方法无论从理论上还是从工程实践方面都比较成熟,也取得了一定的成果。而随着柴油机电控系统控制要求的提高,其软件系统变得越来越复杂,开发时间也变得较长 [12] 。传统方式在通用性上不能令人满意,且开发周期长、难度大。引入面向对象方法开发软件可很好地解决这一问题。CAN总线通信已发展成为发动机进行数据标定和通信的主流总线,并有基于 CAN 总线通信协议的 CCP、KWP2000 和 SAEJ1939 等应用层通信标准[13]。国内对如何有效简洁地表达 CAN 通信协议的内容进行了有针对性的研究,取得 了一些成果[14]。发动机的动力性、燃油经济性和排放的改善,都 依赖于大量预先存储在控制单元软件中的控制和调节参数( 如特征值、曲线、脉谱等,统称标定参 数) [15]。建立系统的动态模型,在系统动态建模的过程中一般使用状态图和顺序图。状态图能清晰地反映系统状态在迁移时实体 元素的状态条件、响应和动作[16]。 发动机作为动力车辆的主要动力源之一,其模型建立是否有效直接影响整个动力系统。基于实验数据的稳态建模法简单且无需复杂的运算,但难以反映发动机的瞬态特性。动态模型可以较好地反映发动机动态特性,但模型理论表达复杂,计算速度相对缓慢,建模所需的许多 参数不易测得。同时理论模型建立在诸多假设的基础上往往较难保证模型精度。在实际建模 过程中,应在模型的简单性和精确性之间进行权衡,针对具体问题选择合适的建模方法。 参考文献 [1]鹿笑冬,欧阳明高,白露.用于发动机控制模型的基于循环的平均值离散建模方法[J]. 内燃机学报,2001,01:80-83. [2] 黄贵芬. 汽油发动机气路控制算法研究[D].吉林大学,2011. [3] GuzzELLAL,ONnERCH.IntroduetiontoModelingandControlofInternalCom- bustionEngineSystems[M].ETH-Zentrum,Switzerland:2010Springer-VerlagBerlin Heidelberg,2010. [4]王森杰. 民航飞行模拟器发动机控制系统建模研究[D].南京航空航天大学,2013. [5]李炯. 面向对象的发动机系统建模与动态仿真研究[D].华北工学院,2004. [6] 单冲. 低热值气体燃料发动机的试验研究[D]. 北京交通大学 2011 [7] 马标. 煤层气发动机空燃比控制中若干问题的研究[D]. 合肥 工业大学 2007 [8] 杨瑜. 预混点燃式气体燃料发动机建模及仿真研究[D]. 合肥工业 大学 2006 [9] 徐玉兵. 煤层气发动机空燃比控制中的观测器研究[D]. 合肥 工业大学 2009 [10] 范冰. 气体燃料发动机控制系统开发[D]. 华南理工大学 2011 [11] 刘野. 气体燃料发动机电控系统优化标定的研究[D]. 北京交 通大学 2008 [12] 刘波澜. 基于 RTOS 思想的单体泵柴油机电控系统研究与开发 [D]. 北京: 北京理工大学,2003. [13] 吴锋,于海威,邹博文,等. 基于 CAN 总线的汽油机管理系统标 定平台开发[J]. 汽车工程,2006,28( 6) : 542 - 545. [14] 朱纬,钟再敏,王强,等. 基于 UML 的车用 CAN 总线应用层协 议描述与应用[J]. 北京汽车,2006( 3) . [15] 冯静,王俊席,卓斌,等. 基于 CCP 协议的电控发动机标定系统 CAN 通信模块的研发[J]. 内燃机工程,2003,24( 5) : 33 - 38. [16]解振兴,刘波澜,戴筱妍,黄英. 发动机控制用CAN通信软件的UML建模[J]. 汽车工程,2012,08:708-712. |
课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
