陳路明 劉帝

摘要：為建立面向控制開發(fā)的柴油發(fā)動機仿真模型，本文結(jié)合了數(shù)據(jù)建模和原理建模方法的優(yōu)點，提出了一種具有較高精度的動態(tài)建模方法。利用MATLAB/Simulink平臺，分別進行兩類典型工況實驗，將模型仿真結(jié)果與實際臺架實驗進行對比。結(jié)果表明，本文所建立的柴油發(fā)動機仿真模型各項性能均高度接近實際柴油發(fā)動機，具有較高的仿真精度，可用于支撐后期控制開發(fā)和應用。

Abstract： To establish a diesel engine simulation model for control-oriented development， this paper combines the advantages of data modeling and principle modeling methods， and proposes a dynamic modeling method with higher accuracy. Using the MATLAB/Simulink platform， two representative experiments were performed respectively， and the simulation results of the model were compared with the actual bench experiments. The results show that the performance of the diesel engine simulation model established in this paper is highly close to the actual diesel engine. The model has high simulation accuracy and can be used to support the control development and application in the future.

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動機;數(shù)據(jù)模型;原理模型

Key words： diesel engine;data model;principle model

中圖分類號：U262.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0014-02

1? 背景意義

柴油發(fā)動機是一種將柴油熱能轉(zhuǎn)換為機械能的動力裝置，具有低速扭矩大、中高速油耗低等優(yōu)點，自十九世紀末發(fā)明以來，已在工程機械、農(nóng)用機械以及軍用車輛等重型車輛領(lǐng)域得到廣泛應用，成為助推生產(chǎn)力快速發(fā)展的有利支撐。

無論是發(fā)動機自身工作還是面向整車應用，控制器始終是發(fā)動機控制的核心部分。近些年來，隨著發(fā)動機電控技術(shù)的普及，控制器開發(fā)的自動化程度得到顯著提升。越來越多的開發(fā)人員逐漸摒棄單純依靠臺架實驗進行手動調(diào)整參數(shù)的開發(fā)方式，離線或?qū)崟r仿真手段成為當前柴油發(fā)動機控制器開發(fā)的主流。針對不同控制需求，柴油發(fā)動機的模型可分為數(shù)據(jù)模型、特性模型和原理模型等多種類型。本文面向整車控制應用，主要關(guān)注柴油發(fā)動機的外部特性，不需要研究內(nèi)部復雜燃燒過程，因此采用數(shù)據(jù)建模和原理建模相結(jié)合的方法，建立柴油發(fā)動機的動態(tài)模型。

2? 柴油發(fā)動機建模

2.1 柴油發(fā)動機數(shù)據(jù)模型

柴油發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速和油門開度有關(guān)，三者關(guān)系可表示為：

式中，Te_gd為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，α 為發(fā)動機油門開度，f為函數(shù)關(guān)系。

2.2 柴油發(fā)動機原理模型

柴油發(fā)動機在動態(tài)調(diào)速過程中，存在兩個重要環(huán)節(jié)：①從油門開度調(diào)整指令下達開始，經(jīng)過步進電機動作以及氣缸內(nèi)部燃燒過程，到最終已轉(zhuǎn)矩形式輸出到曲軸，該過程持續(xù)時間較長，動態(tài)特性不可忽略;②對于大功率柴油發(fā)動機而言，其慣性通常較大，對動態(tài)調(diào)整過程的影響不可忽略。為此，采用原理建模的方法，分別對上述兩個動態(tài)過程進行建模：

2.2.1 轉(zhuǎn)矩動態(tài)建模

對于轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應過程，采用慣性和延時進行表示：

式中，Te_sj為實際生成轉(zhuǎn)矩，τ 為轉(zhuǎn)矩生成延時時間常數(shù)，T1為轉(zhuǎn)矩生成慣性時間常數(shù)。

2.2.2 轉(zhuǎn)速動態(tài)建模

根據(jù)動力學公式，可建立如下關(guān)系：

式中，Tload為負載轉(zhuǎn)矩，Tfric為空載轉(zhuǎn)矩，D為摩擦系數(shù)，J為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

2.3 面向控制的柴油發(fā)動機控制模型

在2.1和2.2的模型基礎(chǔ)上，在MATLAB/Simulink環(huán)境下可以建立得到完整的柴油發(fā)動機控制模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值輸入到油門開度調(diào)節(jié)器中，受到實際物理執(zhí)行機構(gòu)的限制，得到給定的油門開度指令，與實際轉(zhuǎn)速共同查表，得到期望的轉(zhuǎn)矩輸出值，經(jīng)過執(zhí)行機構(gòu)的動作，得到輸出到發(fā)動機曲軸的實際轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩克服負載轉(zhuǎn)矩，空載轉(zhuǎn)矩等阻力矩后，得到發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，完成整個閉環(huán)調(diào)速過程。

3? 仿真實驗

為驗證所建立的柴油發(fā)動機仿真模型的可靠性，本文設(shè)計了兩類具有代表性的實驗工況，并與實際發(fā)動機的作用結(jié)果進行對比，給出仿真模型可信度結(jié)論。

3.1 轉(zhuǎn)速跟蹤實驗

實驗條件為：初始轉(zhuǎn)速為1000rpm，在2s時刻給定轉(zhuǎn)速階躍到2000rpm，而后維持4s直到6s時刻，給定轉(zhuǎn)速階躍為1000rpm，直到10s時刻實驗結(jié)束，記錄得到的實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在給定轉(zhuǎn)速發(fā)生階躍變化后，實際轉(zhuǎn)速能很快跟蹤目標轉(zhuǎn)速的變化。在給定轉(zhuǎn)速上升和下降時，柴油發(fā)動機仿真模型用時分別為0.65s和1.55s，接近柴油發(fā)動機臺架實驗的0.61s和1.49s，仿真誤差分別為6.55%和4.03%，轉(zhuǎn)速跟蹤性能符合仿真模型精度要求。

3.2 抗負載擾動實驗

實驗條件為：初始轉(zhuǎn)速為1500rpm，初始轉(zhuǎn)矩為0Nm，在2s時刻負載轉(zhuǎn)矩階躍到1000Nm，而后維持4s直到6s時刻，負載轉(zhuǎn)矩階躍為0Nm，直到10s時刻實驗結(jié)束，記錄得到的實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生階躍變化后，實際轉(zhuǎn)速經(jīng)過短時超調(diào)后迅速穩(wěn)定到目標轉(zhuǎn)速。在負載轉(zhuǎn)矩增加和減小階段，柴油發(fā)動機仿真模型調(diào)節(jié)時間分別為0.45s和0.65s，接近柴油發(fā)動機臺架實驗的0.42s和0.6s，仿真誤差分別為7.14%和8.3%，抗負載擾動性能符合仿真模型精度要求。

4? 結(jié)論

本文采用數(shù)據(jù)建模和原理建模相結(jié)合的方法，在MATLAB/Simulink中建立面向控制開發(fā)的車用柴油發(fā)動機仿真模型，并在兩種典型代表性工況下進行仿真實驗，經(jīng)與柴油發(fā)動機臺架實驗進行對比，驗證了本文所提柴油發(fā)動機仿真模型的較高精度，為后期控制開發(fā)提供了高置信度的模型基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]郭秀紅.混合動力電動汽車發(fā)動機建模與MATLAB仿真[J].中國農(nóng)機化學報，2013（04）：193-196.

[2]溫松輝.基于發(fā)動機實際工況的混合動力船舶建模與仿真[J].船海工程，2016（A01）：103-107.

[3]趙小輝，張明柱，白東洋，等.柴油發(fā)動機特性曲線分析與建模[J].中國農(nóng)機化學報，2016（7）：112-115.

[4]周海濤，閆萍，王新權(quán).電控柴油機平均值模型建模研究[J]. 柴油機，2010（02）：12-17.

[5]黃風清.基于MATLAB的發(fā)動機萬有特性曲面擬合[J].柴油機設(shè)計與制造，2014，20（003）：14-16.