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基于二阶滑模的发动机转速控制研究

作　者: 周宇友
导　师: 彭富明
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 发动机转速控制发动机模型二阶滑模超螺旋算法鲁棒精确微分器硬件在环仿真
分类号: U464
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

发动机作为车辆动力之源,其性能决定着车辆的整体性能,随着现代车辆性能要求的不断提高,这对发动机全工况内转速控制提出了更高的要求,控制要求的提高就需要更先进的控制理论和控制方法。为此,本文提出采用二阶滑模变结构控制算法来设计发动机转速控制器,并从软件仿真和硬件仿真两个角度对控制效果进行了验证。基于Crossley和Cook提出的一种低频范围内四缸四冲程汽油发动机数学模型,通过对模型的分析总结了发动机扭矩输出与发动机转速及节气门开度之间的近似非线性模型,基于该模型利用发动机测控台架测取实验数据,采用多元逐步回归辨识方法建立了汽油发动机的扭矩特性模型。在Matlab/Simulink仿真环境下对发动机扭矩特性模型进行了阶跃响应仿真,并与实际发动机的数据进行了比较,结果表明所建模型能够较好的反应实际发动机的工作特性,为转速控制器的设计和仿真打下了基础。阐述了高阶滑模变结构控制的发展及其基本理论,重点介绍了二阶滑模变结构控制的基本理论及几种常用控制算法、一阶鲁棒精确微分器的设计理论及相关定理。基于发动机的非线性数学模型分别设计了转速控制系统的传统一阶滑模控制器和二阶滑模超螺旋控制器,针对滑模算法中系统误差微分值的需求,设计了一阶鲁棒精确微分器对系统误差进行实时微分计算。在Matlab/Simulink环境中建立了几种控制器的仿真模型,依据性能评价指标对其控制效果进行了验证,并与传统PID控制器的控制效果进行比较分析,主要从光滑连续信号跟踪能力、不连续方波信号跟踪能力、负载突变时系统鲁棒性及系统参数变化时的鲁棒性等几个方面进行了对比分析,分析结果表明了二阶滑模超螺旋控制算法相比其它算法的优异性及传统一阶滑模算法应用在发动机转速控制系统中的不足。简单介绍了Matlab/xPC Target硬件在环仿真平台,基于该平台设计并搭建了发动机转速控制硬件在环仿真系统,依据xPC Target环境下设备驱动开发流程分别设计了发动机转速采集驱动、节气门控制驱动等模块。建立了二阶滑模超螺旋控制器的硬件在环仿真模型,将其下载在工控机中实际控制发动机,检验其控制效果,并与实验台架的PID控制器进行了比较。仿真结果表明二阶滑模超螺旋控制器相比PID控制器具有跟踪性能好、超调小、响应快、鲁棒性强等优点。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-20
  1.1 研究背景与意义  8-9
  1.2 汽油发动机转速控制研究现状  9-13
    1.2.1 常用汽油发动机控制模型  9-11
    1.2.2 汽油发动机转速控制方法  11-13
  1.3 滑模变结构控制及其发展  13-16
    1.3.1 滑模变结构控制基本理论  13-15
    1.3.2 二阶滑模变结构控制的发展  15-16
    1.3.3 滑模控制在发动机控制系统中的应用  16
  1.4 硬件在环仿真测试  16-18
  1.5 本文主要研究内容  18-20
2 二阶滑模变结构控制及相关理论  20-30
  2.1 高阶滑模控制基本理论  20-22
  2.2 二阶滑模控制基本理论  22-27
    2.2.1 二阶滑模控制问题描述  22-24
    2.2.2 常用二阶滑模控制算法  24-27
  2.3 鲁棒精确微分器  27-29
    2.3.1 微分器应用基础  27-28
    2.3.2 一阶鲁棒精确微分器  28-29
  2.4 本章小结  29-30
3 汽油发动机转速控制系统建模  30-42
  3.1 引言  30-31
  3.2 发动机模型辨识  31-39
    3.2.1 发动机模型结构  31-33
    3.2.2 发动机模型辨识  33-39
  3.3 节气门模型  39
  3.4 模型的验证  39-41
  3.5 本章小结  41-42
4 汽油发动机转速系统的二阶滑模控制  42-58
  4.1 发动机模型及滑模量设计  42-44
  4.2 传统滑模控制器设计  44-45
  4.3 二阶滑模控制器设计  45-47
    4.3.1 超螺旋控制器设计  45-46
    4.3.2 鲁棒微分器设计  46-47
  4.4 转速控制系统的仿真  47-55
    4.4.1 仿真评价指标  47-48
    4.4.2 仿真模型设计  48-50
    4.4.3 仿真结果分析  50-55
  4.5 本章小结  55-58
5 汽油发动机转速控制硬件在环仿真  58-72
  5.1 硬件在环仿真系统构建  58-61
    5.1.1 Matlab/xPC Target硬件在环仿真系统  58-59
    5.1.2 汽油发动机硬件在环仿真系统  59-61
  5.2 数据采集卡驱动开发  61-67
    5.2.1 xPC环境下板卡驱动开发流程  61-63
    5.2.2 数据采集卡驱动开发  63-67
  5.3 转速控制器硬件在环仿真  67-71
    5.3.1 仿真模型设计  67-69
    5.3.2 仿真结果分析  69-71
  5.4 本章小结  71-72
6 全文总结与展望  72-74
  6.1 主要完成工作  72-73
  6.2 展望  73-74
致谢  74-76
参考文献  76-82
附录  82

基于二阶滑模的发动机转速控制研究

内容摘要

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