基于dSPACE的天然气发动机实时模型搭建与半物理仿真研究

摘要

作为一种新型的清洁能源，天然气已经在各个行业被广泛使用，尤其是发动机行业。发动机电控技术的发展不仅能够提高发动机动力性、经济性、可靠性和更能够改善发动机的排放性能。因此，开发具有市场竞争力的发动机电子控制单元成为了当前的主流研究目标。现代控制系统的“V模式”开发是发动机研发重要环节之一，其中针对ECU的硬件在环测试环节，发动机模型的准确性、动态响应特性和实时性是影响控制器控制效果和发动机性能的关键。
　　本文在分析了目前主流天然气发动机控制系统硬件在环仿真的相关技术的基础上，搭建了一套较为完善的硬件在环仿真系统，包括半物理仿真实验台、天然气发动机实时模型、信号处理模块以及半物理仿真实验上位机监控界面。利用Simulink软件采用模块化思想建立的基于硬件在环实时仿真天然气发动机零维分缸容积法模型，在满足精度要求的前提下，提高优化了模型的仿真速度，并根据控制器的控制需求，能够反映出不同工况下天然气发动机的缸内参数变化以及燃烧放热率的变化，使模型能够满足电控系统对不同控制策略的开发。
　　本文针对天然气发动机建模方法进行研究，采用分缸容积法原理利用Simulink软件对天然气发动机进行模型的搭建。在实时模型的模块划分、零维燃烧模型的放热率计算、空燃比的计算等方面进行研究，使模型在满足精度的要求上满足半物理仿真实验的实时性要求。然后利用dSPACE平台对搭建的天然气发动机零维分缸容积法模型进行半物理仿真实验验证，实验结果表明搭建的零维分缸容积法模型能够满足半物理仿真的实时性要求与精度要求，模型能够反映出不同空燃比、点火提前角与喷气不均匀性下发动机的燃烧放热率以及缸内其他参数变化。实验结果与真实发动机实验台架数据吻合较好，说明该模型能够满足半物理仿真实验要求，并且满足发动机在不同控制策略下的发动机性能测试。最后将容积法模型与传统平均值模型进行对比，结果表明本文搭建的零维分缸容积法模型更适合电控系统开发半物理仿真的研究。本课题的研究成果对天然气发动机控制系统研发和控制策略验证具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．1．1能源与环境问题

1．1．2排放法规

1．2天然气发动机概述

1．2．1天然气燃料的性质

1．2．2天然气发动机发展

1．2．3天然气发动机分类

1．3半物理仿真技术国内外研究现状

1．3．1半物理仿真技术研究现状

1．3．2发动机模型研究现状

1．4本文主要研究内容及意义

第2章天然气发动机建模方法

2．1天然气发动机的计算方法分析

2．2数学模型基本原理介绍

2．2．1喷气系统数学模型

2．2．2缸内系统数学模型

2．2．3进排气系统数学模型

2．2．4曲柄连杆机构数学模型

2．2．5发动机电子调速器数学模型

2．3本章小结

第3章天然气发动机实时模型的搭建

3．1整体模块划分及仿真建模分析

3．2天然气发动机仿真模型建立

3．2．1喷气系统模型建立．

3．2．2进排气系统模型建立

3．2．3气缸系统模型搭建

3．2．4曲柄连杆机构模型建立

3．3天然气发动机仿真模型实时性优化

3．3．1计算形式的优化

3．3．2缸内过程模块划分的优化

3．3．3 MAP图形式计算

3．3．4混合编程形式建模

3．4天然气发动机燃烧模型的优化

3．5节气门流量计算模型优化

3．6模型离线实时性检测

3．7模型离线精度检测

3．8本章小结

第4章半物理仿真实验平台搭建

4．1 dSPACE实时仿真系统

4．1．1 dSPACE系统介绍

4．1．2 dSPACE的软件体系

4．1．3 dSPACE的硬件体系

4．2实时仿真监控界面建立

4．3发动机半物理仿真实验台

4．4发动机基本参数

4．5本章小结

第5章实时仿真模型硬件在环实验验证

5．1在线测试环境和内容

5．2实时模型与实际ECU的连接

5．3位置信号采集与滤波

5．4起动停机功能实验验证

5．5转速闭环功能实验验证

5．6加减载功能实验验证

5．7发动机模型燃烧性能实验验证

5．7．1不同过量空气系数对发动机模型燃烧性能影响

5．7．2喷气不均匀性对发动机模型燃烧性能影响

5．7．3不同点火提前角对发动机模型燃烧性能影响

5．8容积法模型与平均值模型对比实验

5．9本章小结

第6章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢