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双发动机动力系统的控制研究

作　者: 潘松
导　师: 魏民祥
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 车辆工程
关键词: 双发动机动力系统发动机建模鲁棒PI 模糊T-S模型线性矩阵不等式双发动机控制策略嵌入式控制器
分类号: U464
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

多动力源动力装置不仅可以提高动力系统的动力性能,还增加了动力系统的可靠性,即其中一个动力源发生故障失去动力以后不致造成整个动力系统瘫痪,但是这却增加了动力系统的复杂程度,给动力系统的设计分析和控制研究带来了很大的难度。本文根据某国防创新项目要求,完成了某型双发动机动力装置的转速控制。该装置配备两台同型号的专用活塞式二冲程汽油发动机,在工作中需要对两台发动机的转速进行控制。为了对双发动机动力系统进行理论研究,本文对发动机及动力传动系统进行了数学分析建模。根据双发动机系统的动力传递特性和负载特性,在理论分析和实验验证的基础上得到了动力系统的模型。针对所采用的二冲程活塞式发动机,采用系统辨识的方法建立了发动机扭矩模型,采用模块化的建模方法建立了各个模块的数学模型,并用仿真软件Matlab/Simulink进行了仿真模拟。根据课题要求,该动力装置工作中要保持发动机转速恒定,要求控制器具有较强的鲁棒性。首先,设计了鲁棒PI控制算法,采用线性矩阵不等式的方法得到了使得闭环控制系统稳定的控制参数。然后,根据被控对象的特性,采用真值模型的方法构造了模糊T-S模型;基于模糊T-S模型,采用并行分配补偿策略设计了非线性鲁棒控制器,采用Lyapunov稳定性理论对闭环系统的控制稳定性进行了分析,得到了具有全局稳定性的状态反馈控制器。针对双发动机动力系统研究了双动力控制策略,搭建了双动力半物理仿真平台。通过在半物理仿真平台上对几种控制策略的仿真,研究了适合于双发动机的控制策略,降低了实验成本,缩短了控制器的开发周期。以嵌入式16位微控制器为核心,设计了数据采集和控制硬件电路,并且根据所研究的控制算法和控制策略完成了控制软件设计,实现了发动机的远程控制和测试。为实现发动机节气门的自动控制,在原发动机节气门的基础上设计了发动机节气门远程操纵系统,根据操纵系统的特性,采用自适应脉动PID控制算法设计了节气门控制器,实现了节气门的精确位置控制。基于Visual Studio /C++平台设计了地面实验监控系统,可以完成对实验数据的实时观测、保存及历史数据的回放。为了验证所设计的控制算法和控制策略,采用所设计的发动机控制器,在实际动力装置上进行了闭环发动机控制实验。在实验中,在稳定工况和改变发动机的设定转速时,控制器可以控制发动机的转速误差在规定的范围内,改变动力装置的负载时,节气门在闭环控制下可以迅速响应,最终的控制结果达到了课题所提出的控制要求和目标。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-18
第一章绪论  18-30
  1.1 问题的提出和研究的必要性  18-19
  1.2 双发动机动力系统的研究概况  19-22
  1.3 发动机模型的研究概况  22-24
  1.4 发动机动力系统控制研究概况  24-28
    1.4.1 发动机转速控制技术  24-25
    1.4.2 双动力装置控制策略  25-27
    1.4.3 半物理仿真技术  27-28
  1.5 本文的主要工作和研究重点  28-30
第二章双发动机动力系统的建模  30-49
  2.1 双发动机动力系统的结构  30-31
  2.2 发动机的数学模型  31-40
    2.2.1 逐步回归模型辨识算法  32-35
      2.2.1.1 多元回归数学建模思想  32-33
      2.2.1.2 选入变量  33-34
      2.2.1.3 剔除变量  34-35
    2.2.2 Hirth3203E 发动机模型  35-39
    2.2.3 Hirth3203E 发动机模型仿真验证  39-40
  2.3 节气门执行器模型  40-43
    2.3.1 直流电动机系统建模  41-42
    2.3.2 节气门体及传动系统建模  42-43
  2.4 动力传动系统的数学模型  43-45
    2.4.1 发动机到减速器的传动模型  44
    2.4.2 减速器的模型  44-45
    2.4.3 减速器到负载系统的传动模型  45
  2.5 负载系统的数学模型  45-46
  2.6 双发动机动力系统模型及仿真验证  46-48
  2.7 本章小结  48-49
第三章双发动机动力系统控制算法与策略的研究  49-81
  3.1 鲁棒PI 控制算法的研究  49-62
    3.1.1 PID 控制  49-51
    3.1.2 鲁棒PI 控制  51-57
      3.1.2.1 模型线性化  51-52
      3.1.2.2 控制器设计  52-57
    3.1.3 控制算法仿真  57-62
  3.2 鲁棒PI 控制算法分析  62
  3.3 基于模糊T-S 模型的控制  62-73
    3.3.1 模糊T-S 系统的建模  63-66
      3.3.1.1 模糊T-S 控制模型的结构  63-64
      3.3.1.2 模糊T-S 模型的获得  64-66
    3.3.2 发动机模糊T-S 模型  66-68
    3.3.3 模糊T-S 模型的状态反馈鲁棒控制设计  68-70
    3.3.4 仿真结果  70-73
  3.4 双动力控制策略  73-79
    3.4.1 反馈控制  73-75
      3.4.1.1 并列控制器并车控制  73-74
      3.4.1.2 主从式控制器控制  74-75
      3.4.1.3 单控制器控制  75
    3.4.2 前馈加反馈控制  75-78
    3.4.3 仿真结果  78-79
  3.5 本章小结  79-81
第四章双发动机动力系统的控制器研制及半物理仿真验证  81-104
  4.1 控制器采用的硬件  81-83
  4.2 控制器软件方案  83-85
  4.3 信号采集与处理系统  85-89
    4.3.1 转速控制系统  85-88
      4.3.1.1 硬件电路  85-86
      4.3.1.2 转速控制软件方案  86-88
    4.3.2 数据监控系统  88-89
    4.3.3 发动机远程起动和熄火  89
  4.4 节气门控制系统  89-93
    4.4.1 控制硬件电路  89-91
    4.4.2 控制策略  91-93
  4.5 数据通信系统  93-96
  4.6 硬件抗干扰及可靠性设计  96-97
  4.7 上位机监控系统  97-98
  4.8 硬件在环半物理仿真  98-102
    4.8.1 并列控制器并车控制  99-100
    4.8.2 主从式控制器控制  100-101
    4.8.3 单控制器控制  101-102
    4.8.4 反馈加前馈控制策略  102
  4.9 本章小结  102-104
第五章双发动机动力系统控制的实验研究  104-118
  5.1 实验系统总体方案  104
  5.2 发动机台架实验  104-109
    5.2.1 实验台架结构  104-106
    5.2.2 发动机性能试验  106-107
    5.2.3 单台发动机台架转速控制实验  107-109
  5.3 机载实验  109-117
    5.3.1 单台发动机控制  110-111
    5.3.2 双发动机控制  111-117
      5.3.2.1 主从式控制器控制  113-114
      5.3.2.2 单控制器控制双动力  114-115
      5.3.2.3 前馈加反馈控制  115-117
  5.4 本章小结  117-118
第六章结论  118-120
  6.1 全文总结  118-119
    6.1.1 本文主要工作  118
    6.1.2 全文主要创新  118-119
  6.2 展望  119-120
参考文献  120-128
致谢  128-129
在学期间的研究成果及发表的学术论文  129

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