柴油机转速控制的仿真与研究.docVIP

柴油机转速控制的仿真与研究摘要：利用数学模型和先进的软件对柴油机及其控制算法进行建模和仿真。首先根据涡轮增压柴油机各部分的工作原理，以MATLAB/SIMULINK 软件为平台，建立了一个柴油机平均值模型，为仿真提供了一个良好的被控对象；然后对该模型中转速控制环节进行了传统的PID 控制效果的研究。仿真结果显示，柴油机的控制效果得到了显著的提高，减少了超调、提高了响应速度。　　关键词： 内燃机工程；PID 控制；数字仿真；SIMULINK　　　　0 引言　　柴油主机的运行转速必须随着车令信号的改变而改变，这就是转速控制的跟踪性能；另外柴油主机的转速也会随着负荷的变化而波动，这种波动会影响到柴油机工作的可靠性与寿命。所以为了使系统具有良好的随动性以及克服主机转速波动性，柴油主机一般采用转速自动调节装置，它在柴油主机最低转速与最高转速之间的人为给定转速下，都能自动调节主机的喷油量达到车令的设定转速或者受到干扰时维持给定转速稳定工作，这种自动调速装置就是调速器。随着电子技术与计算机技术的发展，主柴油机调速控制已由数字调速器广泛取代传统的液压调速器，然而，在目前在柴油机电子调速产品中，无论是模拟式还是数字式电子调速器，转速反馈控制普遍采用PID 控制规律，这对柴油机机组来说是存在一定问题的。　　由于柴油机机组一般存在较明显的变增益非线性问题，单纯的PID 控制在柴油机负荷远离额定负荷工作点时，PID 整定参数不再适合，所以控制性能将明显下降。所以，合适的控制策略，对于柴油机转速的控制，显得极其重要。本文在此基础上进行了仿真研究。　　1 柴油机控制模型的建立及转速控制方式在柴油机控制领域中，平均值模型是被广泛使用的模型之一。这主要是因为平均值模型简单、使用方便，且能满足控制设计的要求。本节建立的就是一个用于控制分析用的平均值柴油机模型。在充分的理论分析的基础上，以MATLAB/SIMULINK 为平台建立的该柴油机模型，具有结构明了、计算简单、实时性好的特性，为仿真提供了一个准确的控制对象。　　1.1 模型建立的主要理论依据和思路柴油机是一种能量转换机械，它通过燃油在气缸内的燃烧，将燃料中的化学能转变为热能，再通过曲柄连杆机构进一步将热能转化为机械能。整个柴油机系统又可以看成由许多子系统组成，如进排气系统、燃烧系统、冷却系统等。从原理上来说，要想建立柴油机的理论模型，必须考虑各个子系统，并建立相应的模型。柴油机平均值模型，不涉及各个部分的复杂计算，只表示过程的综合结果和状态变量的时间平均效应。对物理过程清晰的环节用代数方程或微分方程表示，对物理过程复杂的环节则用经验公式或实验数据表示，突出实时性，不考虑柴油机的循环波动，重在描述柴油机的状态变量的平均值随时间的变化过程[1]。　　1.2 模型的假定及组成柴油机模型建模的基本假设有：　　(1)流过系统各部件的气体质量流量连续。　　(2)柴油机所有气缸工作状态一致，所有增压器工作状态及热力学参数一致。　　(3)循环供油量瞬时变化而达到稳态。　　(4)系统中压力、温度及流量为平均值，所有状态参数只是时间的函数，与空间位置无关。　　涡轮增压柴油机主要由柴油机本体、燃油系统、压气机、中冷器及涡轮等部分组成。其工作过程为：新鲜空气通过压气机增压后经中冷器通过进气管进入柴油机燃烧室，与燃油混合燃烧后产生的废气进入涡轮做功后经排气管排入大气，燃油系统控制喷入燃烧室中的燃油量。下图为柴油机工作原理[2]。　　目前在柴油机的转速控制方式中，最常用的是PID 控制。经典PID 控制器系统原理如图[3]：　　图 2 经典PID 控制器系统原理图经典PID 控制器是一种线性控制器，其调节原理为：根据给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)，将偏差的比例(P) 、积分(I ) 、和微分(D) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。其控制规律为：　　2 仿真工具　　MATLABSimulinkMATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB 由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB 的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径有哪些信誉好的足球投注网站和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB 的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB 的用户界面也越来越精致，更加接近Windows 的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB 提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较