变结构控制理论在非线性发动机调速系统中的应用研究

论文摘要

柴油机在发动机中占有越来越大的比重,而且随着能源及环保法规要求越来越苛刻,电控技术在柴油机上的应用已成为必然的趋势。电子调速器是电控系统中非常重要的部分,为了取得更好的转速控制效果,须要对控制算法进行研究。为此,本文提出用滑模变结构控制算法来设计电子调速器,并做了相应的研究工作。阐述了柴油机瞬时转速的概念、转速测量的方法和转速传感器。介绍了柴油机的一维线性模型。根据4135柴油机的转速、喷油量、输出有效功等实测数据和P-φ示功图,计算出平均指示压力和平均有效压力的值,并在MATLAB环境下利用多项式拟合出转速—喷油量—平均指示压力之间的非线性关系,建立起柴油机调速系统的非线性模型。在此非线性模型的基础上,将调速系统非线性微分方程分别变换为高阶常微分方程、一类仿射非线性系统、线性简约型和离散型系统形式,求取各形式的基于线性切换面的等效控制和滑模运动方程,然后取合适的趋近律求得滑模变结构控制器;还设计基于非线性切换面的滑模变结构控制器、一阶动态滑模变结构控制器和多段超平面滑模变结构控制器;最后对柴油机调速系统的非线性近似数学模型分负载为平稳道路特性和复杂道路特性两种情况进行计算机仿真。在MATLAB软件平台上,根据4135型柴油机的实测数据,建立起柴油机的工作MAP图:并且在Simulink仿真环境下,分线性切换面、非线性切换面、动态滑模控制和多段滑模超平面四种情况进行了基于滑模变结构控制算法的柴油机调速系统工作过程的计算机仿真;最后将各种滑模变结构控制器以及PID控制器对柴油机转速的控制效果进行比较。得出的结论是:1.所设计的柴油机调速系统的非线性模型是合理的;2.滑模变结构控制算法对非线性系统的控制效果是明显的;3.跟传统的PID控制算法相比较,滑模变结构控制有跟踪性能好、超调小、响应快、误差小、抗干扰能力强和鲁棒性好等优点,但也存在抖动问题。以2135型柴油机为对象,采用步进电机带动油泵齿条作为执行机构来设计电子调速器。首先,通过大量的实验测取实验数据;然后对实验数据进行分析得到柴油机转速—电机步数—齿条位置—喷油量之间的关系;再建立起MATLAB/Simulink环境下的2135型柴油机调速系统工作过程的数学模型;最后,分别进行基于离散化的滑模控制算法、离散型滑模控制算法、自适应滑模控制算法、饱和函数滑模控制算法和滑模变结构-PID控制算法的2135型柴油机工作过程的计算机仿真,并将仿真效果同传统PID控制器进行比较,同样得出滑模变结构控制跟踪性能好、超调小、响应快和抗干扰能力强的结论。在MATLAB/Simulink仿真的基础上,利用工业控制计算机在基于MATLAB/Simulink环境的2135型柴油机台架试验的平台上,进行了2135柴油机的滑模变结构控制非线性调速系统台架试验。通过对采集到的转速数据进行分析,同时与使用PID控制时采集到的数据比较可以看出:滑模变结构控制超调小、响应快、误差小、抗干扰能力强,但有抖动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 非线性控制理论
• 1.2 关于变结构控制的基本理论
• 1.2.1 滑模变结构控制基本原理
• 1.2.2 滑模变结构控制理论的研究方向
• 1.3 柴油机电子调速器的历史、现状及发展趋势
• 1.4 柴油机数字式电子调速器的控制策略
• 1.5 本文的研究背景
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 柴油机调速系统非线性模型的建立
• 2.1 瞬时转速的概念
• 2.2 转速的测量
• 2.3 发动机电控燃油系统简介
• 2.4 柴油机调速系统线性模型的建立
• 2.4.1 调速系统—阶线性模型的建立
• 2.4.2 迟延环节的线性化
• 2.5 非线性调速系统模型的建立
• 2.5.1 系数的多项式拟合
• 2.5.2 调速系统非线性模型的建立
• 2.6 本章小结
• 第三章 滑模变结构控制器设计及近似模型仿真
• 3.1 高阶常微分方程形式非线性系统
• 3.1.1 高阶常微分方程构造
• 3.1.2 滑模运动方程的求解
• 3.1.3 滑模变结构控制求解
• 3.2 单输入仿射非线性系统
• 3.2.1 等效控制和滑模运动
• 3.2.2 滑模变结构控制求解
• 3.2.3 仿射非线性系统的构造和滑模变结构控制求解
• 3.3 线性简约型系统的变结构控制
• 3.3.1 滑模运动方程的求解和变结构控制器设计
• 3.3.2 滑模控制器设计
• 3.4 离散型滑模变结构控制器设计
• 3.4.1 系统的非线性状态变换条件
• 3.4.2 调速系统的非线性状态变换条件
• 3.4.3 系统的非线性状态变换
• 3.4.4 离散型滑模变结构控制策略
• 3.4.4.1 K.Furuta离散滑模变结构控制策略
• 3.4.4.2 改进的离散滑模变结构控制策略
• 3.4.4.3 滑模参数矩阵的确定和变结构控制求解
• 3.5 非线性切换滑模变结构控制
• 3.6 一阶动态滑模控制
• 3.7 基于比例切换的多段滑模平面的控制器设计
• 3.8 基于趋近律的多段滑模平面的控制器设计
• 3.9 调速系统近似模型仿真
• 3.9.1 多项式拟合模型仿真
• 3.9.2 改变负载特性的非线性模型仿真
• 3.10 本章小结
• 第四章 非线性调速系统的计算机仿真
• 4.1 柴油机工作MAP图的建立
• 4.2 柴油机调速系统工作过程的计算机仿真
• 4.2.1 柴油机工作模块
• 4.2.2 柴油机动力学模块
• 4.2.3 柴油机的负载扭矩模块和启动工况判别模块
• 4.2.4 调速系统计算机仿真结果
• 4.3 非线性切换变结构控制器的设计与仿真
• 4.4 动态滑模控制器的设计与仿真
• 4.5 基于比例切换的多段滑模平面的控制系统仿真
• 4.6 基于趋近律的多段滑模平面的控制系统仿真
• 4.7 滑模变结构控制算法的鲁棒性
• 4.8 本章小结
• 第五章 2135柴油机调速系统计算机仿真
• 5.1 电控系统油量调节机构简介
• 5.2 调速系统工作过程总体结构图
• 5.3 control子模块结构图
• 5.3.1 order子模块结构图
• 5.3.2 start1子模块结构图
• 5.3.3 controller子模块结构图
• 5.3.3.1 controller模块内部结构
• 5.3.3.2 离散化滑模变结构控制器结构
• 5.3.3.3 Subsystem模块内部结构
• 5.4 pump子模块结构图
• 5.5 engine子模块结构图
• 5.6 离散化滑模变结构控制器调速系统仿真
• 5.7 离散型滑模变结构控制器调速系统仿真
• 5.8 自适应滑模变结构控制器调速系统仿真
• 5.8.1 滑模变结构自适应参数
• 5.8.2 自适应滑模控制器的设计
• 5.8.3 自适应滑模控制调速系统仿真
• 5.9 饱和函数型滑模变结构控制
• 5.10 滑模变结构—PID控制
• 5.11 本章小结
• 第六章 2135柴油机电子调速器台架试验
• 6.1 台架试验硬件系统简介
• 6.1.1 输入信号的确定与预处理
• 6.1.2 输出信号的处理
• 6.1.3 快速原型系统的构建
• 6.2 台架试验数据采集结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究成果和创新点
• 7.2 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文、科研情况