基于Matlab_Simulink的汽油机电控系统仿真

文章编号:1000-0925(2003)05-023-05

内　燃　机　工　程　

　　　　　　　　　　　　Vol.24(2003)No.5

NeiranjiGongcheng

240088

基于Matlab/Simulink的汽油机电控系统仿真

陈　超1,王绍　1,康晓敦2

(1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;2.摩托罗拉(中国)电子有限公司)

SimulationofElectronicallyGontrolledSystemforGasolineEnginein

EnvironmentofMatlab/Simulink

CHENChao1,WANGShao2guang1,KANGXiao2dun2

(1.StateKeyLabofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;

2.Motorola(China)ElectronicCo.Ltd)Abstract:Thispaperpresentsanavailablemathmodelofelectroniccontrolenginebasedonthemeanval2

uemodel,andchoosesthedynamicsimulationsoftwareMatlab/Simulink,describesthesimulatingprocessesandarchitecturesofthesemodelsintheenvironmentofMatlab/Simulink.Furthermoreitisrealizedinanactualen2gine,andcontrastsandanalyzesthesimulatingresultswiththeexperimentaldatas.

摘要:在平均值模型的基础上,建立了合适的发动机数学模型,并选用动态仿真软件Mat2lab/Simulink,给出了以上模型在Matlab/Simulink环境下的仿真过程和结构框图。最后还以实际发动机为仿真对象,进行了仿真计算,并对仿真得出的结果与试验数据进行了对比和分析。

关键词:内燃机;电控系统;仿真;模型

KeyWords:I.C.Engine;ElectronicallyControlledSystem;Simulation;Model

中图分类号:TK413.9　　　　　　文献标识码:A

1　概述

近几年来,为了提高发动机电控系统的开发效率,降低开发成本,计算机动态仿真技术在开发工作中得到了越来越广泛的应用。它可以为发动机电控系统提供仿真的环境,替代许多实机试验,节约实机试验的费用,加快电控系统的开发进度,更好地提高汽油机乃至汽车的整体性能。

Matlab/Simulink是目前控制领域中应用最为普遍的仿真语言,它集可靠的数值运算、图像与图形显示及处理、高水平的图形界面设计风格等于一身,使用起来非常简洁方便。Simulink中存储了大量的系统模型,提供了建模的图形接口,它用框图表示系统的各个环节,用带方向的连线表示各环节

收稿日期:2002210209

的输入输出[1]。

作者在Simulink中建立了发动机模型、传感器模型、执行器模型和控制器模型,并将它们结合起来进行了综合仿真。

2　汽油机电控系统模型的整体结构

汽油机及其控制系统仿真模型的最高层次(或称根层次)如图1所示。由此图可以直观而形象地看出整个模型的结构和组成。当文件“engine-system.mdl”被载入Simulink中时,模型的这一层就会显示出来。整个仿真系统包括发动机模型、传感器模型、控制器模型和执行器模型,其中的核心部分则是在平均值数学模型基础上建立的发动机模型。

作者简介:陈　超(1979-),男,硕士生,主要研究方向为发动机ECU的软、硬件开发,E2mail:chch97@mails.tsinghua.edu.cn。

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要可分为三部分:燃油蒸气与油膜子模型、进气歧

管空气流量子模型和动力输出子模型[3]。

图2　发动机模型结构示意图图1　汽油机电控系统仿真模型

3.1　燃油蒸发与油膜子模型　　在图中左上方有一个“加载模型参数”模块,它将所有模型的参数统一放在一个Matlab的数据文件中以便于修改,这样通过把模型参数从系统模型中分离出去,使模型具有更强的通用性,只要在这个数据文件中改变参数的值,就能使模型适用于多种发动机电控系统的仿真。在每一次仿真运行之前,必须双击这个模块,将其中的模型参数都载入到Mat2lab的工作空间存储器中,才能进行系统的仿真。如果系统进行仿真时,将图中的模拟示波器打开,即能看到输出量在整个仿真过程中的变化曲线,从而能更加直观、更加清楚地了解各个量的变化情况,还可以相互进行比较。也可以将输出量都导入Matlab的工作空间,然后在Matlab环境下绘制曲线。

3　汽油机数学模型的选择

在该子模型中,将喷射器喷出的燃油分成了两

部分:一部分形成燃油蒸气随空气一起进入气缸燃烧;另一部分则附着在进气歧管壁面上形成油膜,油膜再逐渐蒸发成燃油蒸气进入气缸。

m󰂻󰂻fv=(1-X)mfi

m¨󰂻󰂻ff=(1/τff)(-mff+Xmfi)m󰂻󰂻󰂻f=mfv+mff

式中,m󰂻——燃油喷射流量,kg/sfv—m󰂻——进气门口燃油流量,kg/sf—

m󰂻——油膜质量变化率,kg/sff—

m󰂻——燃油蒸气流量,kg/sfv—

τ——油膜蒸发时间常数,sff—

———喷射的燃油中沉积于壁面的比例3.2　进气歧管空气流量子模型

进气歧管空气流量子模型可以分为三部分:节气门体模型,进气门口模型和进气歧管模型,其主要功能是根据发动机的状态参数(即发动机转速n

)来计算发动机的进气量。和节气门开度α

X

m󰂻󰂻󰂻a=mat-mapp󰂻man=m󰂻ap=

nVdηRTmanvolpman+m󰂻at

120VV

volnVdη

p

120RTmanman

发动机的数学模型是整个电控系统计算机仿真的核心和基础,本文选用的是ElbertHendricks提出的平均值模型[2],并对其中的一些细节进行了必要的修改。此模型主要是从能量转换和工质流动的角度对发动机运行进行分析和模拟,不仅适用于稳态,也适用于瞬态。

此模型不包括燃烧过程和排放物生成的模拟,但由于它能较精确地描述发动机空燃比的变化,而发动机电控系统是用建立在空燃比基础上的三元催化转化器来解决排放问题的,所以此模型在汽油发动机电控系统的开发工作中得到了广泛的应用。

所建立的发动机数学模型结构如图2所示,主

　2003年第5期　　　　　　　　　　　　　　　内　燃　机　工　程・25・

π2pamb2k/(k-1)

βm󰂻Dat=Ct1(α)β2

4RTamb(pman)+m󰂻at0β)=1-cosα1(α

2prk

k+1prk

　　　Pm———机械损失功率,kW

I———发动机运动件转动惯量,kg・mHu———燃油热值,kJ/kg

2

η——发动机热效率i—

)θ——点火提前角,(°ig—

kk-1

-

β2(pman)=2k+12,　　　　　　　pr≥k+1-2k+1k+1k-1

A/F———空燃比

τ——燃烧过程时间延迟,sd—

发动机模型在Simulink中的图形化结构如图3所示。

k-1

22,　pr<

k+1kk-1

pr=pman/pamb

式中,m󰂻——进气歧管内空气质量变化率,kg/sa—

m󰂻——节气门体空气质量流量,kg/sat—

m󰂻——进气门空气质量流量,kg/sap—

m󰂻——节气门体最小空气质量流量,kg/sato—

pman———进气歧管绝对压力,kPapamb———大气压力,kPaTman———进气歧管温度,KTamb———大气温度,K

η——发动机充气效率vol—

Vd———发动机排量,m3VnDk

图3　发动机模型的图形化结构

———进气管容积,m3

———发动机转速,r/min

4　传感器模型

Ct———节气门体流量系数

———节气门体内腔直径,mα—)——节气门开度,(°

———空气比热比3.3　动力输出子模型

动力输出子模型的主要作用是根据前面的两个子模型所输出的进入气缸的燃油量和空气量,以及发动机的其它参数(发动机转速n和点火提前角θig等)来计算发动机的输出功率和转速的变化率。

n󰂻=(Pi-(Pe+Pm))/(In)Pi=Huη󰂻imf(t-τd)

2

Pm=n(a0+a1n+a2n)+n(a3+a4n)Pman

ηη(AFR,n)・η(n)・η(Pman)i=η(θ,n)・

式中,Pe　———负载功率,kWPi———指示功率,kW

在发动机电控系统中常用的主要传感器有:空

气流量传感器(歧管绝对压力传感器)、水温和进气温度传感器、转速传感器、氧传感器、节气门位置传感器和车速传感器等,用来检测发动机运转时反映发动机和汽车工况的状态参数,送到ECU中进行计算处理。电控仿真系统中传感器模型的作用与之类似,即采集发动机模型的各状态参数信号,并将其送到控制器模型中进行处理。其中负荷传感器可提供空气流量和歧管绝对压力两种信号,根据所安装的负荷传感器来选择其一。

传感器数学模型的建立是采用传递函数模型的形式,根据各传感器的输出特性,用最小二乘法来进行建模。具体方法是根据输出特性上离散的数据点,用最小二乘法将其拟合成阶次合适的多项式,作为仿真系统中应用的传感器数学模型。例如温度传感器,由于其输出特性曲线斜率变化幅度很大,有的部分很陡,而有的部分却很平坦,很难用低阶多项式来直接拟合。如果用高阶多项式进行拟合的话,会影响运算的速度以及拟合的精度。所

・26・内　燃　机　工　程　　　　　　　　　　　　　　　2003年第5期　

以,采用分段拟合的方法来建立其数学模型。根据

输出特性曲线,将其分成如下三段:

t∈[-40,-30],[-30,10],[10,150]

分别进行多项式拟合,可以得到:

-4887t-94819　　　t∈[-40,-30]

R(t)=33t2-450t+8267.6　t∈[-30,10]

的SBEC2II电控系统,可以实现汽油发动机多点顺

序燃油喷射控制[3]。6.1　稳态验证

图5是发动机外特性扭矩曲线对比图,在试验数据中共选择了1100r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500r/min、4000r/min、4500r/min和5000r/min九种转速。

-27.4t+3207.8　　　t∈[10,150]

图4是拟合曲线与原有输出特性数据点的对

比,从图中可以看出结果相当接近,具有很好的拟合精度。

图5　发动机外特性扭矩模拟结果与试验数据的对比

———模拟结果　　3—3试验数据

图4　温度传感器拟合曲线与原输出特性比较

———拟合曲线　　3—3原特性数据

5　执行器和控制器模型

电控系统的执行器主要包括喷射器和点火线圈,执行器模型的作用就是根据控制器模型计算得出的喷油脉宽,将其转变成喷油量,并和点火提前角一起送入发动机模型之中。而控制器模型的作

用相当于实际电控系统中的电子控制单元(ECU),即根据传感器模型传来的各种发动机状态参数,进行计算处理,并产生最佳的喷油脉宽和点火提前角,送到执行器模型中。6　仿真系统的验证

为了验证模型的模拟精度和仿真系统的各项功能,以I24发动机为模拟对象,分别对稳态过程和动态过程进行了仿真,并将仿真结果与实际的试验数据进行了对比和分析。

I24发动机是直列4缸水冷式发动机,排量为2.5L,压缩比为8.6。该发动机装有克莱斯勒公司

图6　不同转速下扭矩随负荷变化模拟结果与

试验数据的对比

———模拟结果　　3—3试验数据

　2003年第5期　　　　　　　　　　　　　　　内　燃　机　工　程・27・

图6所示转速为2500r/min和3500r/min下扭矩随负荷变化的模拟结果与试验数据的比较,验证时每种转速下选择了八种负荷。

从上面各图中可以看出,试验数据与系统模拟计算的结果比较接近,平均误差在7%以内,具有较好的仿真精度。6.2　动态验证

　　动态过程是指在节气门迅速变化时,进气歧管

绝对压力和空燃比的变化过程。

进行实验时,将发动机稳定在某一工况(设定转速为2000r/min,节气门开度25%),然后迅速打开节气门至较大开度(45%),等发动机在新工况点稳定一段时间后,再将节气门恢复为原来位置(25%)。然后在仿真系统上模拟相同工况点,并控制节气门按上面实验过程进行类似的变化,得到进气歧管绝对压力和空燃比的变化情况。将实验结果和模拟结果进行比较,如图7所示,可以看出模拟系统模拟的动态过程与实测的发动机动态过程相比,变化趋势基本相同。7　结论从以上稳态和动态的各项验证可知,仿真结果能够正确反应出各种变化的趋势,与试验数据比较接近,具有较好的仿真精度。因此,采用Matlab/Simulink软件作为电控汽油机的动态仿真工具,可以为发动机电控系统的开发提供便利的开发环境,更好地促进发动机电控燃油喷射系统的开发,提高开发效率。参考文献:

[1]　施　阳.MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK

[M].西安:西北工业大学出版社,1997.

[2]　HendricksE,VesterholmT.TheAnalysisofMeanValueSIEn2

gineModels[C].SAE920682.

[3]　石　奕.电控汽油发动机计算机实时模拟系统的研究与开发

[D].北京:清华大学,2000.

图7　发动机动态特性模拟结果与试验结果对比　　TPS-气门位置　　pman-进气歧管绝对压力

AFR-空燃比

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