基于輸入觀測(cè)器的分缸空燃比估計(jì)
- 期刊名字:吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)
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- 論文作者:王萍,江和耀,范亞南,陳虹
- 作者單位:吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所
- 更新時(shí)間:2020-03-23
- 下載次數(shù):次
第43卷第6期吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)Vol, 43 No2013年11月Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)Nov.2013基于輸入觀測(cè)器的分缸空燃比估計(jì)王萍1,江和耀,范亞南,陳虹(1.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,長(zhǎng)春13002:2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所,鄭州450015)摘要:針對(duì)進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī),為了實(shí)現(xiàn)更加精確的空燃比( Air-fuel ratio,AFR)控制,提出了基于輸入觀測(cè)器的分缸空燃比估計(jì)方法。首先建立發(fā)動(dòng)機(jī)的完整油路模型,主要包括燃油傳輸模型、氣體(廢氣)混合過程模型、廢氣傳輸模型和氧傳感器模型,并基于發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件 enDYNA對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。然后設(shè)計(jì)了輸入觀測(cè)器來估計(jì)各缸內(nèi)的空燃比,并利用區(qū)域極點(diǎn)配置方法確定觀測(cè)器的増益。最后通過離線仿真和發(fā)動(dòng)機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)架上的實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證了觀測(cè)器的合理性和有效性。關(guān)鍵詞:控制理論;分缸空燃比;油路模型;輸入觀測(cè)器;區(qū)域極點(diǎn)配置中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1671-5497(2013)06-157407DOl:10.7964/ jdxbgxb201306023Individual cylinder air-fuel ratio estimation based on input observerWANG Ping, JIANG He-yao, FAN Ya-nan, CHEN HongCollege of communication engineering, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. The 713th Research Instituteof China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China)Abstract: Based on the input observer, an estimator of individual cylinder Air- Fuel Ratio(AFR) in aSI engine is proposed. The fuel path model, which is constituted by fuel wall-wetting model. exhaustgas mix model, exhaust gas transfer model and universal exhaust gas oxygen(UEGO)sensor model,is established. Then, under the same working condition and with the same input, the developed modelis validated using the precise engine model of enDYNA. Furthermore, an input observer based onregional pole placement is proposed to design an AFR estimator. Finally, the rationality and feasibilitof the proposed observer and AFR estimator are validated by real-time and offline simulations on asimulation platform for automotive engine controKey words: control theory; individual cylinder air-fuel ratio; fuel path model; input-observer; regionalpole placement常用的空燃比控制方法主要有基于經(jīng)典控制智能控制等。然而這些方法沒有考慮實(shí)際的發(fā)理論的PID控制、基于模型的現(xiàn)代控制以及人工動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸以及各個(gè)噴油器之間都會(huì)存在細(xì)微收稿日期:2012-10-19.基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61034001);教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(ITR1017作者簡(jiǎn)介:王萍(1982-),女,講師博士,研究方向:預(yù)測(cè)控制,發(fā)動(dòng)機(jī)控制.E-mail:wangping12@jlu.edu.cn通信作者:陳虹(1963-),女教授,博士生導(dǎo)師研究方向:預(yù)測(cè)控制魯棒控制及非線性控制的理論與應(yīng)用E-mail:chen@jlu.edu.cn第6期王萍,等:基于輸入觀測(cè)器的分缸空燃比估計(jì)·1575·差別,使得各缸內(nèi)空燃比不盡相同。為了達(dá)到更1.1燃油傳輸模型加精確的空燃比控制效果,分缸空燃比控制日漸燃油傳輸動(dòng)態(tài)模型,即油膜模型,選用Xτ油興起2。另外,寬域廢氣氧傳感器(UEGO)主要膜模型(,噴出的燃油大部分直接與空氣組成混用于測(cè)量廢氣中氧氣的濃度,已經(jīng)逐漸應(yīng)用到轎合氣進(jìn)入氣缸內(nèi),其余部分(比例為X)形成油車排放控制系統(tǒng)中9。通過它得到的數(shù)據(jù),經(jīng)過膜,而油膜又進(jìn)行二次蒸發(fā)為燃油蒸氣(蒸發(fā)時(shí)間觀測(cè)算法加工后能夠精確估計(jì)氣缸內(nèi)的空燃比常數(shù)為τ),與其他燃油一同進(jìn)入氣缸。假設(shè)發(fā)動(dòng)值,從而實(shí)現(xiàn)了空燃比的精確控制。機(jī)具有n個(gè)氣缸,對(duì)于氣缸i有:本文綜合考慮燃油傳輸動(dòng)態(tài)和廢氣動(dòng)態(tài),建m(k+1)=(l-r)m(k)+ Xm(k)立了完整的油路模型。然后基于此模型設(shè)計(jì)了分ma(k+1)=m(k)+(1-X)m(k)缸空燃比的狀態(tài)/輸人觀測(cè)器。最后進(jìn)行離線和式中:i=1,2,…,n;m為壁上油膜質(zhì)量;m為噴實(shí)時(shí)仿真,試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器可行且油器一次噴出的燃油總量,且m(k)=gta(k),g有效。為噴油器增益;m。為進(jìn)入氣缸的燃油的質(zhì)量。油路系統(tǒng)模型氣缸i內(nèi)的空燃比為,(k)=mn(k)(2)圖1為四氣缸進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射的SI發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖。假設(shè)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)吸入的式中:m為進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量,m為常數(shù)空氣質(zhì)量不變,建立油路數(shù)學(xué)模型,并通過發(fā)動(dòng)機(jī)1.2廢氣混合模型仿真軟件 enDYNA以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)0獲取??扇蓟旌蠚饨?jīng)過壓縮、燃燒做功變?yōu)閺U氣后型參數(shù)。完整的油路模型如圖2所示,主要包括:從缸內(nèi)流向排氣歧管中。廢氣迅速膨脹,各自流燃油傳輸模型G、廢氣混合模型G灬x、混合點(diǎn)到向排氣歧管的混合點(diǎn),如圖1所示。由于氣體流氧傳感器的模型Gah。速很快,這里假設(shè)各排氣歧管等長(zhǎng),即傳輸延遲均節(jié)氣門相等。此過程可以看作是廢氣在混合點(diǎn)的合并過進(jìn)氣歧管程12。顯然,混合點(diǎn)的空燃比A是關(guān)于各個(gè)氣缸空燃比λ1的函數(shù)。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)假設(shè)廢氣到達(dá)混合點(diǎn)之前不存在排氣管之間的廢氣混合,則一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi),每個(gè)排氣歧管中的空燃比為常數(shù),那么在第個(gè)排氣歧管中,到混合點(diǎn)排氣管達(dá)混合點(diǎn)的燃油可以表示為Am,m為流經(jīng)混寬扮防在氫傳成興合點(diǎn)的空氣質(zhì)量流量。因此,廢氣混合點(diǎn)處的空燃比為總的燃油質(zhì)量流量與總的空氣質(zhì)量流量之圖1四缸SI發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖比,即:Fig. 1 Four cylinders SI engineAm∑Gb(2)定義發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)周期為T,s;N為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min,所以T=120N。對(duì)于任意氣缸i,在k個(gè)循環(huán)內(nèi),只有一次排氣發(fā)生,然而在排氣管混合點(diǎn)處,一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)之內(nèi),會(huì)連續(xù)流過n個(gè)廢氣氣流。排氣沖程階段,活塞運(yùn)行至上止點(diǎn),此Fig 2 Fuel path model時(shí)對(duì)UEGO傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣,定義采樣周期圖2中,n為氣缸數(shù)目,t(i=1,2,…,n)為為T,T,=T。/n。由于在第k個(gè)周期的kT+噴油脈寬;λ;(i=1,2,…,n)為各缸內(nèi)的空燃(-1)T時(shí)間內(nèi),只有第j(≤i)個(gè)氣缸發(fā)生噴比;A為廢氣混合點(diǎn)的空燃比;Am為氧傳感器的油,所以對(duì)于氣缸j(>i)來說,空燃比( Air-fuel測(cè)量值。ratio,AFR)的值仍為第k-1個(gè)周期時(shí)的值,即:·1576吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)第43卷=1(k),≤i(4)其中時(shí)間延遲δ=m+bm。并對(duì)式(11)以采樣λ,(k-1),>時(shí)間T進(jìn)行離散化,得:Gexh()=zm(1+ab1則在第k個(gè)氣缸循環(huán)內(nèi),混合點(diǎn)的n個(gè)采樣數(shù)據(jù)z amix為λ。[kT+(-1)T]=式中:amx=e(r,m);am=e-(,cm);m=8/T,;U sis LkT.+(i-1)T, Ja, (k)a=一m;b=-m一;z=er。mLkT。+(i-1)T,從混合點(diǎn)到氧傳感器輸出的離散模型可以寫∑
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