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高压共轨柴油机ASD的优化设计与建模仿真

更新时间:2009-03-28

0 引言

自动控制技术的发展和排放法规的日益严格对高压共轨柴油机调速性能提出了越来越高的要求[1]。而传统的调速器响应时间长、精度低下、超调量偏大等缺点严重制约了柴油机的调速特性,进而降低了柴油机的经济性与良好的操作性[2]

高压共轨柴油机必须装有调速器,是为了防止在大油量位置出现“飞车”而在小油量位置无法稳定运行,以保证柴油机的转矩(Ttq)随着转速(n)的上升而下降,同时承担着全程调速的重要功能[3]。相比于模拟电子调速器,ASD可以通过省去外围硬件电路来降低开发成本,将控制系统分为ASDrf和ASDdc两部分来阻尼外界引起的振荡,同时将转矩损失转化为补偿油量,控制精度明显增加。因此,以ASD为代表的调速器得到了广泛应用[4]

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1 ASD控制策略概述

在高压共轨柴油机电控V模式开发过程中,控制策略的研究与合理设计至关重要[4]。ASD(Active Surge Damper)控制策略是基于转矩的ECU内部控制算法,由ASDrf和ASDdc两个基本结构组成。

近年来,国别与区域研究已成一股热潮,日益成为外语学科及其他学科重点开拓的重要学术阵地。考虑到美国的重要性、影响力,以及深层次研究美国的现实需要,笔者提出,应该借此良机在外国语言文学一级学科框架下大力提倡美国学学科建设,从文化和历史视角,运用跨学科理论与方法,重点对美国历史、文化、社会进行深度研究,作为国别与区域研究的重要组成部分,作为新时代拓展外语学科内涵的重要举措。

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1.1 ASD调速原理

ASD是整个高压共轨电控系统中的转速调节控制器,它是一个闭环反馈控制系统,可以进行全程调速。其基本原理是:在由于离合器闭合以及空调开闭等引起转矩变化时,当转速升高时,减少喷油降低转速,当转速降低时,增加喷油升高转速,用以保证柴油机的速度瞬时变化量不至于变化过大,使柴油机可以适应各种运行工况,以达到柴油机平顺过渡到目标转速的目的[5]。具体的功能结构如图1,输入条件是离合器和传动系统状态以及车速等柴油机参数,所选参数不是全部参与内部计算,而是经过判断和选择,与状态标签组合,通过控制模块进行计算,得到补偿转矩的。

1.2 ASDrf与ASDdc的相互作用

ASDrf与ASDdc的相互作用如图2所示。ASDrf将输入参数驾驶员需求转矩(CoEng_trqInrLtd)进行低通滤波,以减少转矩波动,输出为ASDrf转矩(ASDrf_trqInr)。ASDdc将当前反馈的发动机实时转速作为输入参数,并经过补偿器输出由于转速波动而需要修正的转矩量。所得转矩两者相减得到ASD的转矩输出值,将转矩转化为油量进而进行调速。

  

图1 ASD功能结构图Fig.1 Functional structure diagram of ASD

  

图2 ASDrf 和ASDdc的相互作用图Fig.2 Interaction between ASDrf and ASDdc

2 ASD模型搭建

式中:X——X的近似值;K——小于1的正数。

2.1 ASDrf模型搭建

2.1.1 参数模块

参数模块的逻辑运算如表1所示。将输入参数转化为8位状态字的输入状态。其中,2位状态字为待用状态,为后续二次开发做准备,如bit2代表离合器的开合(ConvCD_stClth.0)。设输入状态(ASDrf_stCond_mp)为110010(十进制为50),标定量应用标签与逻辑算子假定量如表1所示。将应用标签和逻辑算子转化为二进制横向排列在表中,以PZ0为例说明具体逻辑过程。在PZ0纵方向,应用标签的编码规则为“01”表示不参加运算,“11”表示取相同值,“00”表示取反,“10”表示没有定义,逻辑算子的编码规则为“11”表示非或(NOR)运算,“00”表示或(OR)运算,“01”表示与(AND)运算,“10”表示非与(NAND)运算。按上述规则,ASDrf_stCond_mp=110010按位运算结果为ASDrf_stCond_mp=111011,经过非或运算后得到“0”,即为假(F)。同理,可以得到PZ4为真,PZ3为假,PZ2为假,PZ1为真。运算结果中PZ4与PZ1同时为真,此时用优先级(ASDrf_numPrio_C)来判别。PZ1的优先级比PZ3优先级高,所以PZ1被激活,优先级也是应用标签。初始化时逻辑算子的编码规则是OR为假,AND为真,NAND为假,NOR为真。

 

表1 参数选择模块逻辑位运算表Tab.1 Parameter selection module logical bit table

  

输入状态 PZ4 PZ3 PZ2 PZ1 PZ0 应用标签量位1(1) 11 01 01 00 01 849量位2(1) 11 00 00 01 11 775量位3(0) 01 01 11 11 00 380量位4(0) 00 11 11 00 10 242量位5(0) 01 01 01 01 01 341量位6(1) 01 01 01 01 01 341逻辑运算 01(AND)00(OR)00(OR)10(NAND)11(NOR)逻辑算子(267)运算结果 T F F T F状态数 4 3 2 1 0优先级 3 10 5 7 13激活状态 NO NO NO YES NO

参数经过运算进入控制模块,根据激活参数和优先级将T1、Kp、A和B四个标定变量在控制标签ASDrf_stSelectState_mp的作用下进行转矩计算。如图5所示,PDT1控制模块计算是ASDrf_Governor的核心部分,它由两个P与一个PT1组成,在整个控制模块占主导地位。其输出为未经限制的转矩(ASDrf_trqInrUnLim_mp),P与PT1采用了延迟和选择开关等模块实现编制,并留有多个接口以便在其他编程中使用,本例中只用到4个接口。变量T1、Kp、A和B同时也参与转矩限制模块的计算,上下限模块的逻辑结构基本相同。论文中以柴油机转矩减小时下限计算为例说明转矩限制模块的运算过程,转矩限制模块是关于A、B的二元方程。

  

图3 ASDrf输入参数二进制位计算图Fig.3 ASDrf input parameter binary bit calculation

  

图4 ASDrf输入参数优先级判断模块Fig.4 ASDrf input parameter priority judgment module

2.1.2 控制模块

图3为输入参数二进制位计算图,采用置位和移位模块进行计算。图4为优先级判断模块,对主参数进行优先排序,以保证参数集的确定。

  

图5 ASDrf PDT1控制模块计算图Fig.5 ASDrf control module calculation chart of PDT1

经过P与PT1串并联运算,PDT1的差分方程如下式所示:

  

图6 负载转矩损失负梯度状态机Fig.6 State machine for the negative load torque loss gradient

2.2 ASDdc模型搭建

2.2.1 参数模块

运算过程与ASDrf模块类似。ASDdc的主要输入参数有柴油机需求转速、变速器状态、传动系状态,分别对应状态字的“7”、“0”、“2”位,经过参数与状态字信号的转换、应用便签的标定、主参数的逻辑运算和优先状态的分配等过程。外部干涉输入条件如图7,位屏蔽GIbDa_stTrqDem与ASDdc_stCfgConExtIntv_C进行二进制按位与运算,选择确定Val输入值,通过SetBit模块确定状态字为“0”或“1”,存储在ASDdc_stCon_mp某一位。状态字第一位表示离合器的闭合,用传动比(PT_rTraGear)选择该参数。当ASDdc输出信号出现零点时,表明柴油机发生速度干涉,输出必须重设以保证ASDdc的快速衰退,条件的转化如图8。

  

图7 外部干涉输入条件Fig.7 Input condition for external interventions

  

图8 离合器参数设置状态机Fig.8 Clutch/gear parameter set state machine

2.2.2 控制模块

控制模块主体部分由两个DT1串联组成,DT1是一阶时滞微分单元,采用同步段进行计算可以保证相位损失最小。T0是采样时间,此模块中串联DT1可以实现计算转矩反向输出,这符合ASD调速特性,具体计算过程如图9所示。参数集连续变化导致初始化发生,虽然D2T2输出转矩梯度为定值,但是只要开关ASDdc_swtIniparSet_C不等于零时,初始化就发生,计算全过程都需初始化且发生在D2T2计算之前,一旦初始化,参数Kd和T属于新的参数集而不是当前参数集。

3 PDT1优化设计

3.1 PDT1方程描述

1.3观察指标:将两组分别采集数据进行对比,评估临床疗效、心功能指标、血液黏滞度(血细胞比容)、凝血系统[包括活化部分凝血酶原时间(AWTT)、血浆凝血酶原时间(PT)和凝血酶时间(TT)和不良反应等。

PDT1是一阶延迟比例微分元件,由两个比例控件P和一个一阶时滞比例单元PT1组成,PDT1的差分方差由如下三个方程决定:

 

式中:Xk——柴油机需求转矩;Kp——比例常量;T0——采样时间;T1——时间常量;Q——函数变换中间量。

  

图9 ASDdc D2T2控制模块计算图Fig.9 ASDdc control module calculation chart of D2T2

图6为负载转矩损失负梯度状态机,状态变量ASD_stLAN的二进制编码是由输入条件相互转化的,分别是BELOW、INACTIV、ABOVE、LIMIT,如负梯度变化到INACTIV状态,转矩的下限等于ASDrf_trqLossNeg与ASDrf_trqOfsNegMid_C的和。将输出转矩进行限制,保证运行安全。

 

3.2 PDT1编程

为了便于动态对比,在LabVIEW中编写了程序,编写了PT1算法模块,采用While循环,用数簇捆绑控件与波形图表控件相连显示输出,用数值控件表示T1与Kp

 

本文基于MATLAB/Simulink软件,在研究策略的基础上对整个ASD进行了模型的搭建,接下来将分成ASDrf和ASDdc两部分对每个模块进行详细介绍[6]

PDT1数学优化算法采用了差分原理,基本数学思维可以用下式表示:

4 仿真结果分析

4.1 PDT1仿真分析

图10为PDT1优化仿真结果,当需求转矩呈上升趋势时,PDT1早于PT1响应;当需求转矩呈下降趋势时,PDT1迟于PT1响应。PDT1的控制精度更高,响应速度更快,明显优于传统的PT1控制,对需求转矩的非线性变化,鲁棒性良好。

其三,从审计结果角度看,CPA审计寻租降低了审计质量。我国资本市场中,CPA往往会采用低价揽客的方法进行竞争寻租,如果这种现象长期得不到改善,可能会演变为恶性降价竞争。当审计收入不断下降,降至低于审计活动正常进行需要付出的成本时,会计师事务所为了获取收益,可能就会倾向于不执行一些本应执行的有效审计程序,这必然会导致审计质量下降,最终造成审计失败。

4.2 ASD仿真分析

  

图10 PDT1优化仿真Fig.10 PDT1 optimized simulation

图11为ASD仿真结果,在t=3~5 s时,柴油机稳定在转速为1 000r/min,ASD输出转矩稳定。在第4 s末突然把转速提高50r/min,如图11箭头所示,此时ASD输出反向转矩,减少喷油;当转速在1 055r/min左右下降时,ASD输出正向转矩,增加喷油;当转速1 050r/min震荡时,ASD输出正负转矩,使柴油机平稳过渡到目标转速。这符合调速器的特性,且动态性和准确性良好。

  

图11 ASD仿真Fig.11 ASD simulation

5 结束语

本文基于MATLAB/Simulink和LabVIEW两款软件,对ASD模型进行了搭建和控制器的优化设计,通过仿真分析得出以下结论:

(1)对PDT1控制原件进行了算法研究,根据需求转矩的不断变化,调整Kp与T1的值,优化结果实时性好,超调量小。该优化系统有利于ASD调速的实现,适用于柴油机多变工况运行,提高了调速系统的稳定性和准确性。

(2)通过编写ASD全部模块,分析了参数选择与控制模块的逻辑运算和建模过程。通过ASD调速,转速可以平稳过渡,相比于传统调速器容易实施、性能可靠。

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参考文献

[1]胡明江,杨铁皂,徐斌,等.柴油机电子调速器的研究现状及发展趋势[J].河南科技大学学报:自然科学版,2003,24(4):44-47.

[2]于世涛,杨林,王俊席,等.柴油机高压共轨电控系统开发方案的研究[J].汽车工程,2005,27(6):678-681.

[3]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2011.

[4]聂枝根,申立中,徐劲松,等.高压共轨柴油机的ASD控制策略研究[C]//中国内燃机学会学术年会.2010.

[5]Lu Y S.Smooth speed control of motor drives with asymptotic disturbance compensation[J].Control Engineering Practice,2008,16(5):597-608.

[6]王增欣,胡明江.用MATLAB对电子调速器系统的仿真[J].中原工学院学报,2004,15(6):73-75.

 
郭帅帅,申立中,王正江,杜金博
《农业装备与车辆工程》2018年第04期文献

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