dSPACE 在發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)仿真中的應(yīng)用

1、dSPACE 在發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)仿真中的應(yīng)用1李修強(qiáng) 武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 (430063) E-mail：lixiuq摘要：利用四缸火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)模型，實(shí)踐基于 dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的具體實(shí)驗(yàn)方法， 判斷控制器模型的優(yōu)劣。其中包括基于 MATLAB/Simulink 的閉環(huán)離線仿真實(shí)驗(yàn), 創(chuàng)建 ControlDesk 試驗(yàn)界面，完成應(yīng)用程序的編譯、連接，代碼的生成及下載，調(diào)整 PI 參數(shù)進(jìn)行 實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，選擇 PI 控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)較小,且能在較短時(shí)間內(nèi)消除影響。關(guān)鍵詞：dSPACE；實(shí)時(shí)仿真；MATLAB/Simulink；硬件在環(huán) 中圖

2、分類號(hào)：U664.1221引言采用 dSPACE 仿真平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物仿真的研究，是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的先進(jìn)技術(shù) 手段。武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院“211 工程”學(xué)科建設(shè)購買了“dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系 統(tǒng)”，需要掌握其具體實(shí)驗(yàn)方法以應(yīng)用到輪機(jī)工程學(xué)科的科學(xué)研究中。dSPACE 已成為眾多用戶解決實(shí)際問題的一條可以信賴的途徑，它使得控制系統(tǒng)的開 發(fā)、產(chǎn)品型控制器的仿真測試變得更加方便易行，大大加快了新產(chǎn)品的研制速度，也使技術(shù) 研究人員對(duì)控制算法及仿真測試方案的研究進(jìn)入更高的境界。目前，dSPACE 已經(jīng)廣泛應(yīng)用 于航空航天、汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、電力機(jī)車、機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)及工業(yè)控制等領(lǐng)域1 。本文首先

3、介紹了四缸火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)模型，然后進(jìn)行了基于 MATLAB/Simulink 的離線 仿真，得到閉環(huán)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。通過基于 dSPACE 的發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真，掌握了代碼的 生成及下載，連接變量，調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)時(shí)觀測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況的實(shí)驗(yàn)方法。2數(shù)學(xué)模型四缸內(nèi)燃機(jī)建模與控制的數(shù)學(xué)形式及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn)首先由 Crosskey 和 Cook 提出2。 The MathWorks 公司的技術(shù)人員用 Simulink 2.0 版本建立了其 Simulink 模型3。模型可以從 活門、進(jìn)氣導(dǎo)管、質(zhì)量流速、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生、加速、壓縮沖程幾個(gè)部分進(jìn)行分析。2.1 活門模型在仿真分析中首先要研究活門部分,

4、其中控制輸入信號(hào)為活門的角度 ,單位為度。 進(jìn)氣導(dǎo)管導(dǎo)入空氣速度的模型可以由兩個(gè)函數(shù)的積來表示- 3 -m&ai =f ( ) g ( Pm )(1)式中 m&ai 為流入進(jìn)氣導(dǎo)管的質(zhì)量流速， Pm 為導(dǎo)管壓力。因子 f ( ) 是關(guān)于活門角度 的 經(jīng)驗(yàn)公式函數(shù)，它可以寫成f ( ) = 2.821 0.05231 + 0.10299 2 0.00063 3另一個(gè)因子是導(dǎo)管壓力的函數(shù) g (Pm )(2)1本課題得到高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（項(xiàng)目編號(hào)：20040497012）的資助。2P P P2 sign(P P )2P P P / 2g (Pm ) =m amamsign(Pa Pm

5、 )ama其他情況(3)其中 Pa 為大氣壓。2.2 進(jìn)氣導(dǎo)管進(jìn)氣的仿真模型可以表示成導(dǎo)管壓力的微分方程&RTPm =Vm(m&ai m&ao )(4)其中 R 為給定的常數(shù), T 為溫度(單位為 K),&Vm 為導(dǎo)管容積(單位為 m), m&ao 為導(dǎo)管進(jìn)氣口空氣的質(zhì)量流速(單位為 g/s),RT / Vm =0.41328。Pm 為導(dǎo)管壓力的變化率 (單位為 bar/s),在該系統(tǒng)中,導(dǎo)管進(jìn)氣口空氣的質(zhì)量流速可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示aommmm= 0.366 + 0.08979 NP 0.0337 NP2 + 0.0001N 2 P式中 N 為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(單位為 rad/s)。2.3 轉(zhuǎn)

6、矩產(chǎn)生與加速模型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩模型由下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示(5)T= 181.3 + 379.36m+ 21.9( A / F ) 0.85( A / F )2 + 0.26 0.0028 2enga+0.027 N 0.000107 N 2 + 0.00048N + 2.55 m 0.05 2 m(6)aa式中 ma 為氣缸內(nèi)氣體的質(zhì)量(單位為 g), A / F 為空氣和燃料的比率,取 1/14.6, 為點(diǎn)火提前量(單位為角度,取 15), Teng 為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(單位為 Nm)。 由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩減去負(fù)載轉(zhuǎn)矩,就可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度N&= 1 (T T)(7)Jengload式中為

7、 J 為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(單位為 kgm),取 0.14kgm,Nm), N 為發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度(單位為 rad/s)。Tload 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩(單位為在四缸四沖程(進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi),曲柄軸每旋轉(zhuǎn) 180 將改變相鄰氣 缸的點(diǎn)火狀態(tài),這將使得每隔一次曲柄轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)周期,每個(gè)氣缸才能點(diǎn)火一次。這樣,相對(duì)進(jìn)氣 沖程來說,壓縮沖程、燃燒沖程將依次延遲 180。2.4 控制器模型選擇比例加積分(PI)控制的策略設(shè)計(jì)控制器,其中積分控制是為了在工作點(diǎn)發(fā)生變化時(shí) 消除靜態(tài)誤差而引入的,PI 控制器的模型為t (t ) = KP ( Nset N (t) + KI ( Nset N ( )d0(8)式中 Nset 為速度設(shè)定點(diǎn)的值,KP 為 PI 控制器中的比例增益,KI 為積分器的增益。3基于 MATLAB/Simulink 的離線仿真實(shí)驗(yàn)3.1 輸入角度和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的設(shè)定活門角度由單個(gè)階躍輸入環(huán)節(jié)構(gòu)造出來,由下式設(shè)定 = 8.9711.93假設(shè)負(fù)載信號(hào)由下式描述t 4t 4(9)25t 2Tload = 302 t 7(10)25t 73.2 閉環(huán)系統(tǒng)的模型與仿真實(shí)驗(yàn)由前面的分析，可以在 MATLAB/Simul