现代控制理论在汽车发动机中的应用.docVIP

课程论文（设计） 英文翻译 原文标题 On the Application of Modern Control Theory to Automotive Enigine Control 译文标题 现代控制理论在汽车发动机中的应用 学生姓名 王珍珍 学号 20121221386 专业年级 12级系统科学 指导教师 张凯 二Ｏ一二 年 十二 月 二十四 日 现代控制理论在汽车发动机控制中的应用 摘要:这篇文章主要解决如何将现代控制理论应用到汽车发动机的控制中.在使用现代控制理论的过程中,恰当的模型是必不可少的.本文使用物理和统计方法建立发动机模型.同样,对现代控制理论的具体应用,由于转矩是发动机最主要的输出,故本文主要关注发动机的转矩.现代控制技术也可用于转矩伺服发动机中来达到省油的目的.研究发现法,与传统控制方法相比,现代控制理论在发动机的控制中潜力很大. 1.介绍 发动机正向小型化,实时化方向发展,汽车也变得越来越轻.因此,转矩变量和非平衡力也需更加可靠,这就给发动机和工程师们带来了更多的问题.现有的发动机在很庞大的平衡机制下才能达到稳定状态. 这种稳定机制导致汽车惯性很大,因而会进一步影响转速,转矩和负载.然而,这么大的惯性会影响启动速度和加速速度.未来的汽车发动机就算没有现在的稳定机制也要能够达到稳定状态. 众所周知,飞机所用的控制配置工具使用控制策略解决了稳定这一问题. 本文的研究者期望提高汽车发动机瞬时性能的同时,运用现代控制理论取得更高的稳定性.发动机是多变量控制系统,输入变量包括路况,燃油量,空气量点火时间等,输出变量包括转速,输出转矩,尾气等,这些变量的优化都是控制器要取得的目标. 而且,很显然,由于燃料只有在燃烧过程中才会对转矩产生作用,所以发动机都有时间延迟系统. 本文的目的就是解决如何将现代控制理论应用到汽车发动机的控制中这一问题. 连续燃料供应 在发动机控制所有输入变量中,燃料值从发动机燃油入口处输入.燃料输入是一个连续时间变量,它取决于发动机转数.一般来说,由于随着转速的提高,每转所需的时间越来越少,因此燃料输入量也在减少. 直观上我们很难获得转矩增加与燃料减少之间的线性关系.因此,本文假定单位时间内燃油输入量fr为常数,是可以控制的.图1显示了本文中使用的燃油率和时间间隔之间的关系.在这种给定输入下,发动机就成为由燃油输入时间间隔控制的系统.在每个固定时间内燃油率都在上升,当注油时间到的时候一次入油过程结束.用这种方法,当一定时间内进油体积确定之后,发动机操作系统就得以控制. 图1 燃油率fr 与时间间隔之间的关系 3.现有模型 许多工作者都已建成了汽车发动机的数学模型.通用汽车研究实验室的Cassidy教授和Dobner教授所建立的模型应用较广泛,见图2.每一个模块都有其物理意义,该单元系统是矛盾系统,但它确实是迄今为止最好的模型. 该线性发动机模型的输入变量包括延迟时间,惯性J,和多个K变量.但是如果不使用物理方法进行计算以及发动机的测试结果,这些输入变量的值将很难获取.因此,该模型需要进行详细的发动机测试以及大量已知的条件.而且,该模型的输出变量为高阶.比如说,Cassidy的模型是17阶的系统.即使在物理条件下建成了这种模型,庞大的计算量也使该模型的应用不现实. 图2 Dobner的发动机模型 建模 如果想使用前一节中提到的发动机模型将需要很繁琐的过程.在这些模型的基础之上,本文作者提出了一个确切的模型,其输入输出之间的时间是确定的.图3是本文中所使用的发动机模型.在该模型中,控制器的输入量只有阀门位置和耗油率两项.为了简化模型,我们固定了点火时间,所以这一项并没有在模型中出现. 图3 本文提出的发动机模型 基于图3的物理模型,运用统计的方法确定了各动态变量.为了测试的目的,我们采用了如图4所示的无规律输入信号.图5给出了输入变量的联系.该联系揭示了一个固定的,不重复的,频域类型的信号.由算法确定的输入信号和转矩之间的关系在附录中可以查到. 图4 输入信号