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高压共轨柴油机EGR-VGT协调控制与仿真研究

作　者: 于峰
导　师: 滕勤
学　校: 合肥工业大学
专　业: 车辆工程
关键词: 柴油机平均值模型废气再循环可变几何截面涡轮增压非最小相位特性 DC增益协调控制
分类号: TK427
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

废气再循环(EGR)和可变几何截面涡轮增压(VGT)技术是降低柴油机NOx和PM排放的有效措施,因而EGR和VGT系统已经成为现代柴油机的标准配置。由于EGR流量和VGT涡轮的气体流量均由废气能量驱动,因此,两个系统之间存在强烈的耦合作用,当EGR阀的位置不变时,改变VGT涡轮的有效流通截面,将引起排气压力和进气压力变化,导致EGR流量变化；而当VGT导向叶片位置不变时,改变EGR阀的开度,将导致排气压力变化,从而引起增压压力变化。但是,传统的控制器通过两个独立的回路分别控制EGR流量和增压压力,由于缺乏协调机制,难以获得理想的瞬态排放控制效果,因此,有必要对EGR和VGT进行协调控制。本文的主要研究工作如下：为了进行基于模型的控制器设计,建立了4缸商用车柴油机平均值模型,该模型由进气歧管、气缸、发动机扭矩、EGR阀、涡轮增压器、中冷器和EGR冷却器等子模型组成。为了减少整定参数的数量,流量和效率根据物理关系和参数模型计算,模型参数基于稳态测量数据采用最小二乘法估计。利用发动机台架动态试验数据对模型进行了验证,结果表明,所建立的模型能够描述发动机的瞬态特性,虽然存在一定的稳态偏差,但稳态平均相对误差小于12%,并不影响基于模型的控制器的设计。按照传统的双回路独立控制形式,分别建立了增压压力和EGR的控制结构。基本目标值map根据发动机稳态排放试验通过权衡NOx和PM排放,并且兼顾动力性和油耗标定得到,然后根据发动机工况(转速和喷油量)通过查表确定基本目标值。利用各种修正变量(环境温度、大气压力、冷却水温度等)对基本目标值进行修正,得到最终目标值。增压压力和EGR控制回路的控制变量分别是设定的增压压力和新鲜空气量,控制输出是VGT比例电磁阀和EGR电磁阀的占空比控制信号,反馈变量分别是进气歧管压力(MAP)和压气机后的空气质量流量(MAF)。控制器采用前馈控制与反馈控制相结合的控制方式,前馈控制用于提高控制系统的响应性,反馈控制用于消除稳态偏差。考虑到两个子系统的非线性特性,采用非线性增益调度方法,使反馈控制器的参数随着发动机工况自动调整。在MATLAB/Simulink环境下研究了增压压力和EGR控制回路的阶跃响应特性,结果表明,虽然所选的被控变量能达到目标值,但是响应时间较长,并且可能出现较大的超调量,因此,为了实现理想的控制效果,必须对EGR和VGT进行协调控制。根据不同的反馈变量和控制结构,可以建立不同类型的控制器。由于MAF和MAP不能直接反映增压压力和EGR流量与排放的关系,因此,通过对不同类型的控制器分析,选择与排放密切相关的氧气燃油比和进气歧管EGR率作为主要的反馈变量。考虑到柴油机空气系统存在两种变化速度不同且相互影响的动态特性,即快速变化的空气动力学特性和缓慢变化的机械动力学特性,基于建立的柴油机模型,在EGR和VGT控制信号阶跃变化条件下,通过仿真分析了被控变量的收敛情况、不同控制回路的非最小相位特性、DC增益变号特性和动态非线性特性。鉴于使用VGT控制信号控制氧气燃油比,会在很大的工作范围内产生非最小相位特性和DC增益变号,为此,选择VGT控制信号来控制EGR率,EGR控制信号来控制氧气燃油比,这样不仅可以在发动机大部分工况条件下避免非最小相位特性和DC增益变号,而且可以大幅缩短控制器的响应时间。EGR-VGT协调控制是利用协调算法同时调度两个控制回路的控制作用,即,随着发动机工况的变化,当某一被控变量改变时,及时调节另一个回路的被控变量,确保两个被控变量都迅速达到目标值。为此,将VGT控制回路的控制作用引入到EGR控制回路中,基于PID控制器、最小/最大选择器和增压器涡轮超速保护安全函数,构建了由主控制回路和辅助控制回路组成的协调控制器。为了避免急加速时的冒烟现象,通过调节喷油量进行烟度限制。为了降低泵气损失以确保燃油经济性,通过限定主、辅助控制回路的控制输出来最小化泵气功。在MATLAB/Simulink环境下对控制器进行了仿真,结果表明,所设计的控制器具有良好的动态响应特性和控制精度,有效地解决了传统控制器瞬态排放控制性能不佳的问题。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
致谢  10-17
第一章绪论  17-26
  1.1 引言  17-20
    1.1.1 柴油机的发展趋势  17
    1.1.2 柴油机的主要排放物  17-18
    1.1.3 柴油机的排放标准  18
    1.1.4 EGR技术的发展现状  18-19
    1.1.5 涡轮增压技术的发展现状  19-20
  1.2 柴油机排放的控制方法  20-23
  1.3 EGR-VGT协调控制的技术概述  23-24
  1.4 本文研究的主要内容  24-26
第二章柴油机平均值模型  26-43
  2.1 模型结构  26-28
    2.1.1 测量  27
      2.1.1.1 稳态测量  27
      2.1.1.2 动态测量  27
    2.1.2 参数估计  27-28
    2.1.3 相对误差  28
  2.2 歧管  28-30
  2.3 气缸  30-33
    2.3.1 气缸流量  30-31
    2.3.2 气缸温度  31-32
    2.3.3 气缸扭矩  32-33
  2.4 EGR阀  33-34
  2.5 涡轮增压器  34-38
    2.5.1 涡轮惯性  34
    2.5.2 涡轮模型  34-36
      2.5.2.1 涡轮效率  34-35
      2.5.2.2 涡轮流量  35-36
    2.5.3 压气机模型  36-38
      2.5.3.1 压气机效率  36-37
      2.5.3.2 压气机流量  37-38
  2.6 中冷器和EGR冷却器  38
  2.7 模型假设  38-39
  2.8 模型调试和验证  39-41
    2.8.1 调试  39
      2.8.1.1 稳态模型调试  39
      2.8.1.2 动态模型调试  39
    2.8.2 验证  39-41
  2.9 本章小结  41-43
第三章柴油机空气系统控制研究  43-61
  3.1 增压压力控制  43-52
    3.1.1 增压压力目标值控制  44-45
    3.1.2 开环增压压力控制  45-47
    3.1.3 自适应增压压力控制器设计  47-49
    3.1.4 增压压力控制监控  49-52
  3.2 废气再循环控制  52-58
    3.2.1 空气流量目标值计算  52-54
    3.2.2 EGR控制器设计  54-56
    3.2.3 废气再循环控制监控  56-58
  3.3 传统控制器验证  58-59
  3.4 本章小结  59-61
第四章被控变量选择及系统分析  61-74
  4.1 反馈变量的选择  61-64
    4.1.1 控制器类型  61-62
      4.1.1.1 基于MAP和MAF的双PID控制器  61
      4.1.1.2 基于MAP和MAF的单PID控制器(SPC)  61-62
      4.1.1.3 基于MAP和EGR率的双PID控制器  62
    4.1.2 不同控制器的控制效果  62-64
  4.2 系统特性描述  64-65
  4.3 平衡点  65-67
    4.3.1 VGT控制信号平衡点  65-66
    4.3.2 VGT平衡点模型  66-67
  4.4 阶跃响应  67-71
    4.4.1 VGT控制信号阶跃响应  67-69
    4.4.2 EGR控制信号阶跃响应  69-71
  4.5 系统特性分析  71-73
    4.5.1 DC增益  71-72
    4.5.2 非最小相位  72
    4.5.3 响应时间  72-73
  4.6 本章小结  73-74
第五章 EGR-VGT协调控制器设计  74-85
  5.1 EGR-VGT协调控制问题  74-76
    5.1.1 协调控制方式  74-75
    5.1.2 目标值  75
    5.1.3 控制目标  75-76
  5.2 控制结构  76-82
    5.2.1 主控制回路  76-77
    5.2.2 辅助控制回路  77-78
    5.2.3 最小泵气功  78-79
    5.2.4 u_(vgt)控制x_(egr)时DC增益变号对控制器的影响  79
    5.2.5 喷油量控制  79-80
    5.2.6 安全函数  80
    5.2.7 微分部分的作用  80-81
    5.2.8 PID控制器参数化和整定  81-82
  5.3 控制器自动整定  82-83
  5.4 协调控制器的仿真验证  83-84
  5.5 本章小结  84-85
第六章总结与展望  85-88
  6.1 工作总结  85-86
  6.2 工作展望  86-88
参考文献  88-94
攻读硕士学位期间发表的论文  94

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