基于模型的废气再循环控制系统设计及硬件在环仿真

摘要

NOx是内燃机主要排放污染物之一，世界各国的排放法规都对NOx排放做了严格的规定。废气再循环(EGR)是目前应用最广泛的NOx净化技术，围绕着电控EGR控制策略的开发及其应用，国外已经进行了比较深入的研究，积累了丰富的经验。国内也在电控EGR系统的开发、匹配、应用等方面开展了初步的研究。
　　 在分析各种EGR控制系统的基础上，提出了以EGR阀开度为反馈信号的闭环控制方案。设计了通信、控制、执行器驱动和诊断模块，编写了EGR控制程序，设计了传感器信号发生器，搭建了EGR控制系统硬件在环仿真平台。
　　 为了克服传统EGR阀开度控制突变性强、瞬态响应差的不足，选用线性EGR阀，分析了该系统的工作过程、执行器结构和PWM控制规律。采用最小二乘法，建立了EGR控制系统的物理模型，在Simulink软件环境中，建立了发动机平均值模型，便于后续控制器性能测试和硬件在环仿真。
　　 基于控制系统的频域理论，设计了基于模糊PID的改进型Smith预估控制器。在基本Smith预估控制的基础上，采用系统输出的变化率与预估器输出变化率的比值，判断被控对象增益的变化趋势，在线修正控制器和预估模型增益，从而实现动态增益预估自适应。结合EGR系统的物理模型，进行了控制器软件在环测试。结果表明，控制器具有很好的鲁棒性和瞬态响应特性，对非线性EGR系统的时滞现象有很好抑制作用。
　　 基于产品级ECU硬件的快速原型开发平台，以电子节气门开度、转速、冷却水温和进气流量作为输入信号，EGR阀位置作为反馈信号，编写了闭环EGR控制程序。设计了CAN通信、传感器信号诊断、执行器诊断和执行器驱动等功能模块，便于后续发动机电控策略的开发。
　　 分析了在环仿真的信号需求，设计了传感器信号发生器。采用硬件电路和程序，模拟产生发动机转速、冷却水温、进气压力、进气流量、凸轮轴相位等常用传感器信号，并与ECU硬件、标定软件进行CAN通信。
　　 建立了EGR制器硬件在环仿真平台，测试了传感器信号发生器的工作状态和EGR控制器的响应特性。通过模拟发动机的运行工况，考察了EGR控制器的性能。结果表明，传感器信号发生器可以模拟产生各种常用的传感器信号，实现与ECU硬件、标定软件的顺畅通信。EGR控制器具有良好的稳态特性和动态响应特性，可以满足发动机对EGR控制系统的要求，为以后实际应用奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1前言

1.2 NOx的净化措施

1.3废气再循环(EGR)技术

1.3.1 EGR降低NOx排放的机理和局限性

1.3.2 EGR系统的分类

1.3.3 EGR技术的发展

1.4电控策略开发技术

1.4.1基于模型的V字型开发模式

1.4.2 V字型开发模式的常用方法

1.4.3电控系统仿真的模型研究

1.4.4常用电控开发及仿真平台

1.5主要研究内容

第二章 EGR系统分析及EGR系统模型的建立

2.1 EGR系统概述

2.1.1 EGR率的表达式

2.1.2 EGR对发动机排放及性能的影响

2.1.3 EGR系统的设计原则

2.2 EGR控制方案的确定

2.3 EGR系统的确定

2.4 EGR系统的建模

2.4.1 EGR系统建模的主要问题

2.4.2 EGR系统物理模型的建立

2.4本章小结

第三章 控制算法的设计

3.1模糊PID控制算法的设计

3.1.1常规PID控制算法的原理及局限性

3.1.2模糊PID控制的基本原理

3.1.3模糊PID控制器的设计

3.2 Smith预估控制器的设计

3.2.1常规Smith预估控制器

3.2.2改进型Smith预估控制器的设计

3.3 Simulink仿真结果分析

3.3.1模糊PID控制器仿真结果对比

3.3.2 Smith预估控制仿真结果对比

3.3.3 EGR阀控制系统仿真

3.4本章小结

第四章 EGR电控策略开发

4.1电控开发平台简介

4.2 EGR电控策略开发流程

4.3 EGR电控系统基本需求定义

4.4 EGR电控系统硬件

4.4.1电子控制单元

4.4.2 EGR电控系统传感器匹配

4.3 EGR电控策略程序开发

4.3.1底层操作系统设置

4.3.2传感器输入程序开发

4.3.3执行器驱动程序设置

4.3.4 EGR控制策略程序开发

4.3.5 EGR控制系统诊断策略开发

4.4 EGR系统控制策略集成

4.5本章小结

第五章 EGR电控单元硬件在环仿真

5.1发动机控制系统硬件在环仿真技术

5.1.1硬件在环仿真系统组成

5.2 EGR控制单元硬件在环系统设计

5.2.1 EGR控制单元硬件在环仿真系统设计

5.2.1发动机平均值模型

5.2.2仿真用传感器信号发生器的开发

5.2.3 EGR硬件在环仿真平台的搭建

5.3 EGR控制器硬件在环仿真

5.3.1 EGR控制器仿真需求分析

5.3.2仿真结果分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文