基于模型的压缩天然气发动机电控关键技术研究

【摘要】：压缩天然气(Crushed Natural Gas，CNG)发动机因其低排放、低成本被广泛应用做代用燃料汽车动力总成。发动机电控技术通过精确控制进气流量、燃料喷射和点火，大幅提升发动机综合性能，是动力总成技术的核心和热点之一。目前国内燃气发动机电控核心技术缺失，主要产品及平台均被国外公司垄断，严重制约了自主品牌及核心产业的发展。 本文针对CNG发动机电控中的建模、控制、排放优化及开发平台等关键技术进行了全面、深入的分析研究。根据发动机多输入多输出非线性混杂系统特征，建立了面向发动机控制、仿真、排放标定的高集成度CNG发动机平均值模型；基于模型和线性反馈技术，采用一种改进的非线性变换架构进行解耦；针对转速控制回路，提出基于非线性回退方法(Backstepping)的CNG发动机转速控制算法；基于离散滑模非线性观测器，提出一种离散变结构空燃比控制方法。建立了基于V模式和虚拟仪器技术的CNG发动机电控单元开发平台，基于平台完成建模仿真、代码生成、虚拟标定和排放优化，开发了控制器快速原型。 本文主要工作如下： (1)针对离散变结构时滞系统，提出一种基于变指数趋近律调节因子的趋近律，使系统运动快速收敛且抖振幅度较小，为离散滑模应用于非线性发动机控制奠定良好基础。通过合理选择指数收敛项的变调节因子和平移项幅值关联因子，系统运动到达准滑动模态区前符合指数趋近律；进入滑动模态区后，抖振幅值遵循指数规律收敛。证明了采取双曲正切及反双曲正切函数作为趋近律调节因子的可行性，提出参数估值方法。将此趋近律应用于离散状态时滞系统，实验结果表明具有较好的收敛特性及低抖振频率。 (2)针对目前CNG发动机实时模型价格昂贵且底层接口不开放，建立了高集成度、面向电控开发用CNG发动机平均值模型。模型集成了涡轮增压、电子节气门、进气歧管、动力输出及排放等子系统，能够描述EGR、中冷器、缸内工作过程、CNG供给、减压阀及传感器组等辅助环节。基于温差气体定容混合过程的CNG发动机进气歧管方程和燃料喷射延时计算方法建模，具有较高精度及实时性，大幅降低开发成本，接口开放，满足二次开发需要。 (3)针对CNG发动机的转速与空燃比控制进行了研究，提出一种基于离散滑模进气流量观测器的空燃比学习控制算法。首先采用一种基于李导数的解耦方法对CNG发动机进行转速与空燃比解耦控制。对CNG发动机仿射非线性模型进行变换，满足相对阶数向量及输出方程李括号矩阵非奇异的条件，通过线性反馈实现解耦。其次，提出一种基于非线性模型和Backstepping方法的滑模变结构转速控制。选择转速误差与进气流量误差组成二维滑模面，利用虚拟控制变量和分层子系统，保证系统条件稳定性的前提下设计控制律。实验结果表明，相比自适应PID控制，具有较高度响应速度及鲁棒性。采用离散滑模进气流量观测器和进气流量延时补偿，设计CNG喷射控制律，实现空燃比瞬态过程进气流量的补偿与学习，与量产ECU广泛采用的PI控制相比，具有更高控制精度和鲁棒性。 (4)针对目前排放优化与控制参数标定主要依靠台架实验的现状，提出一种基于混沌粒子群优化的CNG发动机控制参数虚拟标定和排放优化方法。通过混沌的随机不确定性和粒子群空间寻优快速收敛的特性，第一轮优化基于台架数据，校验排放模型。第二轮优化基于开发平台和排放模型进行虚拟标定，优化控制参数，对发动机工况点进行了控制参数优化。与传统的13点工况法相比，排放优化效率大幅提高，有效降低优化费用。 (5)建立了一个基于虚拟仪器技术和V模式的CNG发动机电控ECU开发专用平台。平台支持Matlab/Simulink建模、硬件在环仿真、代码生成、标定和ECU功能测试功能，提供可定制化的界面及测试流程，实现了逻辑层与驱动层分离。利用平台完成了32位ECU原型的建模仿真、HIL测试、功能测试、虚拟标定和代码生成工作。建立了一套CNG发动机ECU控制软件的实时逻辑。利用Matlab/Simulink软件建立了进气，CNG喷射和点火系统控制逻辑，对控制算法进行实时性工程化处理。逻辑具备诊断、跛行回家等功能。通过自动代码生成工具，支持第三方开发的ECU原型，实现了逻辑层与任务调度层、驱动层及硬件分离的结构。平台大幅度提升了CNG发动机ECU的开发效率，降低了开发成本。 论文的主要创新点：1、提出一种新的面向电控开发的CNG发动机平均值模型。2、提出一种基于CNG发动机进气流量离散滑模观测器和线性反馈的空燃比控制方法。将仿射非线性的精确线性化反馈解耦和基于模型的CNG发动机转速非线性算法应用于CNG发动机控制。3、建立了CNG发动机电控ECU开发平台。基于专用平台进行建模、仿真、虚拟标定及代码生成，开发了ECU快速原型。将一种改进的混沌粒子群算法应用于CNG发动机虚拟标定和排放优化。 综上所述，论文对CNG发动机的建模、控制、优化和ECU开发平台理论及应用进行了深入研究，控制模型精度较高，控制算法鲁棒性及实时性优于现有产品，建模方法、控制算法及开发平台为CNG发动机ECU产业化奠定良好基础。针对开发过程中遇到的实际问题和不足，提出了未来改进的方向。 【关键词】：CNG发动机 离散时滞系统 转速控制 空燃比控制 ECU开发平台
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM314;TP13
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 前言11
• 1.2 新能源汽车现状11-12
• 1.3 CNG 发动机发展现状12-14
• 1.3.1 点燃式 CNG 发动机的优缺点13-14
• 1.3.2 CNG 发动机性能提升的技术路线14
• 1.4 CNG 发动机电控技术发展14-23
• 1.4.1 CNG 发动机电控目标15
• 1.4.2 CNG 发动机电控理论架构15-16
• 1.4.3 CNG 发动机建模技术现状16-17
• 1.4.4 CNG 发动机控制理论及应用现状17-21
• 1.4.5 排放优化技术现状21-22
• 1.4.6 控制器开发平台现状22-23
• 1.5 CNG 发动机控制技术面临的难题23-24
• 1.6 本文的主要创新点24-25
• 1.7 本文组织结构25-27
• 2 时滞离散系统滑模控制27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 滑模变结构控制基础27-28
• 2.3 离散滑模变结构控制28-33
• 2.3.1 系统描述28
• 2.3.2 准滑动模态28-29
• 2.3.3 离散滑模趋近律设计29-31
• 2.3.4 离散滑模控制律设计31-33
• 2.4 离散状态时滞滑模变结构控制33-40
• 2.4.1 离散状态时滞数学描述34
• 2.4.2 离散状态时滞系统滑模控制器设计34-35
• 2.4.3 离散状态时滞系统稳定性分析35-36
• 2.4.4 实验结果分析36-40
• 2.5 小结40-43
• 3 CNG 增压发动机建模43-65
• 3.1 燃油发动机平均值模型43-46
• 3.1.1 进气子系统44-45
• 3.1.2 燃油喷射子系统45-46
• 3.1.3 动力输出子系统46
• 3.2 CNG 增压发动机平均值模型46-56
• 3.2.1 涡轮增压器建模47-49
• 3.2.2 电子节气门建模49-52
• 3.2.3 进气子系统模型52-53
• 3.2.4 CNG 喷射子系统53-54
• 3.2.5 动力输出子系统模型54-56
• 3.2.6 排放子系统模型56
• 3.2.7 IO 接口及信号处理子系统模型56
• 3.3 CNG 增压发动机缸内瞬态模型56-57
• 3.4 模型验证57-63
• 3.5 小结63-65
• 4 CNG 发动机转速与空燃比控制65-93
• 4.1 CNG 发动机非线性解耦控制技术65-73
• 4.1.1 仿射非线性系统解耦算法框架65-67
• 4.1.2 基于反馈线性化的 CNG 发动机多变量解耦框架67-70
• 4.1.3 CNG 发动机电子节气门控制70-71
• 4.1.4 基于线性化反馈的 CNG 发动机转速控制71-72
• 4.1.5 HIL 台架实验结果分析72-73
• 4.2 基于 Backstepping 方法的 CNG 发动机转速滑模控制73-79
• 4.2.1 算法设计74-75
• 4.2.2 实验结果分析75-79
• 4.3 基于离散滑模观测器的空燃比控制79-91
• 4.3.1 CNG 发动机空燃比模型81-84
• 4.3.2 空燃比控制滑模观测器设计84-85
• 4.3.3 稳定性分析85-86
• 4.3.4 控制律设计86
• 4.3.5 误差估计及学习控制86-88
• 4.3.6 实验结果分析88-91
• 4.4 小结91-93
• 5 CNG 发动机控制逻辑及排放优化93-105
• 5.1 CNG 发动机控制逻辑93-97
• 5.1.1 工况判断94-95
• 5.1.2 空气流量计算逻辑95
• 5.1.3 喷油脉宽计算逻辑95-96
• 5.1.4 点火角计算逻辑96-97
• 5.2 基于枚举试验法的排放优化97-99
• 5.3 基于混沌粒子群发动机排放控制优化99-104
• 5.3.1 粒子群简介100
• 5.3.2 混沌粒子群优化算法100-101
• 5.3.3 基于混沌粒子群的发动机排放优化算法101-104
• 5.4 小结104-105
• 6 CNG 发动机电控系统开发平台105-117
• 6.1 CNG 发动机电控单元开发平台简介105-106
• 6.2 发动机 ECU 实时仿真系统106-108
• 6.2.1 CNG 发动机实时仿真系统软件结构106-108
• 6.2.2 系统硬件结构108
• 6.3 CNG 发动机 ECU 标定系统108-109
• 6.4 CNG 发动机 ECU 功能测试系统109-112
• 6.4.1 测试平台功能模块110-111
• 6.4.2 软件设计整体框架111-112
• 6.5 CNG 增压发动机 ECU 快速原型开发112-115
• 6.5.1 点火及 CNG 喷射信号产生113-114
• 6.5.2 ECU 实验结果114-115
• 6.6 小结115-117
• 7 总结与展望117-121
• 7.1 全文总结117-118
• 7.2 未来研究展望118-121
• 致谢121-123
• 参考文献123-137
• 附录137
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录137
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目137

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