一种气体燃料发动机面向控制的动态建模方法研究

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1、致谢本论文是在导师滕勤副教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、构思和定稿，每一个环节都倾注着导师的心血。导师渊博的知识、敏锐的学术洞察力、严谨的治学作风、忘我的工作精神、诲人不倦的育人态度时刻感染并激励着作者，令作者受益终生。值此论文完成之际，谨向导师致以最诚挚的谢意和最深切的敬意!感谢左承基老师、刘一鸣老师、孙军老师、汪春梅老师、钱叶剑老师、程晓章老师的教育、帮助和支持!感谢实验室徐天玉老师、谈建老师和路苏君老师在实验方面给予的热心帮助和支持!感谢师兄马标、邢登军、徐玉兵、石军平在课题研究方面给予

2、的帮助!感谢研究生张健、刘利平、马勇、张军、张超等同学在学习、生活中的帮助!感谢师弟韩鸣、胡颖智、罗军、刘井生在实验和生活中的帮助!感谢本科生都成君、王慧琴在数据整理和课题研究方面的帮助!特别感谢父母的养育之恩，以及亲戚朋友给予的无私关怀、支持和帮助!安鹏2010年3月26日第一章绪论1．1实际发动机控制问题1．1．1信号采样问题发动机的电子控制从根本上依赖于离散采样技术，原因有很多，其中的两个主要原因是【11：1)当今的发动机控制策略相当复杂(调用大量的控制脉谱、采用非线性控制策略等)，以至于用纯

3、模拟器件的电子装置不可能实现；2)由于ECU的开发时间和开发成本的原因，希望改变控制策略而不改变硬件，控制策略只能采用代码实现的数字控制单元来实施。在发动机控制策略的开发过程中，一个至今仍在讨论的问题是：控制策略的实现是采用基于冲程(EventBased，EB)的方式还是基于时间(TimeBased，TB)的方式，这就分别导致两种不同的采样方式一一基于冲程的采样(采样频率与发动机转速同步)和基于时间的采样(固定采样频率)。EB策略的支持者Chin和Powell等人认为，发动机信号的采样和控制应该基于

4、冲程实现，这样，一些主要的发动机方程就可以简化，因为发动机本身就是一个冲程驱动的机器，基于冲程的采样会使时域内的时变动态特性在曲轴转角域内定常化【2dJ。TB策略的支持者Hendricks认为，发动机控制信号的采集应该固定采样时间，因为很多的时间常数(如传感器时间常数等)在发动机工作中保持不变【4】。为了用足够的带宽精度描述节气门快速开启或快速关闭时的歧管动态，基于冲程的采样频率必须很高，而且对于基于冲程的采样，抗混叠滤波器的设计将非常困难，因为采样频率在时间域内并不固定。本文并不讨论数据采样和控制

5、策略究竟是应该基于冲程还是基于时间。在现代发动机控制系统中，既存在基于冲程采样的控制策略，也存在基于时间采样的控制策略。对于基于模型的发动机控制，Christen综合分析了基于冲程和基于时间的发动机模型的特性后指出，基于时间的模型适用于发动机怠速控制系统，而基于冲程的模型适用于与流量相关的控制系统15J。因而，对于各缸空燃比(AFR)控制、油量均衡控制等与发动机往复运动的离散过程相关的流量控制，常采用基于冲程采样和控制策略，而巡航控制、共轨压力控制等常采用基于时间的采样和控制策略。在ECU中，依据变

6、化的时钟脉冲采集信号，根据控制信号的不同(用于基于时间或基于冲程的控制)，时钟脉冲的速率设置为固定或随转速变化。根据Shannon采样定理，无法完全获取高于一半采样频率的频率信息，因此，如果不抑制高于采样频率一半的所有频率，那么这些频率将被折叠进低于采样频率一半的频率窗口，即产生信号频率混叠，无法获取原始模拟信号的正确信息。如果把这种有问题的混叠信号输入ECU，通常可采用两种方法避免信号混叠。其一般工作方式如图1．1所示。连续模拟信必然会导致错误的控制结果。一是设计适当的数字抗混叠滤波器，图1—1抗

7、混叠滤波器的工作方式无论是基于时间的采样还是基于冲程的采样，在设计抗混叠滤波器时，都需要正确选择截止频率。对于基于时间的采样，因为频带固定，所以抗混叠滤波器很容易设计。而对于基于冲程的采样，在设计抗混叠滤波器时，如果频带选择太小，在发动机高速时会丢失太多的有用信息，这样就会限制反馈控制所能达到的性能；如果频带选择太大，在发动机低转速时就有可能产生信号混叠，因此，基于冲程采样的抗混叠滤波器设计难度更大(带宽随发动机转速变化)。二是采用合适的采样策略，主要是选择合适的采样周期。对于基于时间的采样，根据不

8、同的信号特性使用不同的采样频率【6】，常用的3种采样频率是：◆lms：常用于传感器信号的处理，如故障诊断等高速任务的场合：◆10ms或20ms：面向控制的正常时间，如共轨压力控制(10ms)、增压压力控制(20ms)等场合；◆100ms：常用于慢适应任务，如温度、大气压力修正等场合。对于基于冲程的采样信号，因为抗混叠滤波器设计难度大，所以，在实际中更倾向于设计合适的采样策略。常用的基于冲程的采样算法有【_7J：1)基于冲程的固定相位采样(FEBS)算法，即每冲程在固定