Этот пример показывает, как смоделировать двигатель внутреннего сгорания воспламенения искры с четырьмя цилиндрами от дросселя до коленчатого вала вывод. Мы использовали четко определенные физические добавленные принципы, где это необходимо, с эмпирическими отношениями, которые описывают динамическое поведение системы, не представляя ненужную сложность.
Примечание: Смотрите модель механизма с обратной связью (расширенная версия этой модели).
Этот пример описывает концепции и детали, окружающие создание моделей механизма с акцентом на важные методы моделирования Simulink®. Базовая модель использует расширенные возможности Simulink получить основанные на времени события с высоким качеством. В рамках этого моделирования инициированная подсистема моделирует передачу смеси воздушного топлива от коллектора потребления до цилиндров через дискретные события клапана. Это происходит одновременно с непрерывно-разовыми процессами потока потребления, генерацией крутящего момента и ускорением. Вторая модель добавляет дополнительную инициированную подсистему, которая обеспечивает управление скоростью вращения двигателя с обратной связью через привод дросселя. Эти модели могут использоваться в качестве автономных моделирований механизма. Или, они могут использоваться в большей системной модели, такой как интегрированный механизм и моделирование трансмиссии, в разработке системы регулирования тягового усилия.
Эта модель основана на опубликованных результатах Кроссли и Куком (1991). Это описывает моделирование двигателя внутреннего сгорания воспламенения искры с четырьмя цилиндрами. Кроссли и Кук работают, также показывает, как моделирование на основе этой модели было подтверждено против динамометрических тестовых данных. Следующие (описанные ниже) разделы анализируют основные элементы модели механизма, которые были идентифицированы Кроссли и Куком:
Дроссель
Коллектор потребления
Массовая скорость потока жидкости
Рабочий ход
Закрутите генерацию и ускорение
Примечание: Дополнительные компоненты могут быть добавлены к модели, чтобы обеспечить большую точность в моделировании и более тесно реплицировать поведение системы.
Первый элемент модели является телом дросселя. Входной параметр управления является углом пластины дросселя. Уровень, на котором модель вводит воздух в коллектор потребления, может быть выражен как продукт двух функций:
эмпирическая функция угла пластины дросселя только
функция атмосферных и разнообразных давлений
В случаях более низкого разнообразного давления (больший вакуум), скорость потока жидкости через тело дросселя является звуковой и является только функцией угла дросселя. Эта модель составляет это низкое поведение давления с переключающимся условием в уравнениях сжимаемости, показанных в Уравнении 1.
Уравнение 1
Имитационные модели потребление множат как дифференциальное уравнение для разнообразного давления. Различие в поступлении и исходящих массовых скоростях потока жидкости представляет нетто-ставку массы перемены обстановки относительно времени. Это количество, согласно идеальному газовому закону, пропорционально производной времени разнообразного давления (см. Уравнение 2). Обратите внимание на то, что, различающийся модель Кроссли и Кука (см. также ссылки 3 - 5), эта модель не включает рециркуляцию выхлопного газа (EGR), несмотря на то, что это может легко быть добавлено.
Уравнение 2
Массовая скорость потока жидкости воздуха, что образцовые насосы в цилиндры от коллектора описаны в Уравнении 3 опытным путем выведенным уравнением. Этот массовый уровень является функцией разнообразного давления и скорости вращения двигателя.
Уравнение 3
Чтобы определить общий воздушный заряд, накачанный в цилиндры, моделирование интегрирует массовую скорость потока жидкости от коллектора потребления и выбирает его в конце каждого события хода всасывания. Это определяет общую массу воздуха, которая присутствует в каждом цилиндре после хода всасывания и перед сжатием.
Во встроенном четырехтактном механизме с четырьмя цилиндрами 180 градусов оборота коленчатого вала разделяют воспламенение каждого последовательного цилиндра. Это приводит к каждому цилиндру, стреляющему в любой оборот заводной рукоятки. В этой модели потребление, сжатие, сгорание и выхлопные штрихи происходят одновременно (в любой момент времени, один цилиндр находится в каждой фазе). Чтобы составлять сжатие, сгорание каждого заряда потребления задерживается 180 градусами вращения заводной рукоятки от конца хода всасывания.
Итоговый элемент моделирования описывает крутящий момент, разработанный механизмом. Эмпирическое отношение, зависящее от массы воздушного заряда, отношения смеси воздуха/топлива, усовершенствования искры и скорости вращения двигателя, используется для вычисления крутящего момента (см. Уравнение 4).
Уравнение 4
Вычислите механизм угловое ускорение с помощью Уравнения 5
Уравнение 5
Мы включили элементы модели, описанные выше в модель механизма использование Simulink. Следующие разделы описывают решения, которые мы приняли для этой реализации и элементов ключа Simulink используемый. Этот раздел показывает, как реализовать комплексную нелинейную модель механизма легко и быстро в окружении Simulink. Мы разработали эту модель в сочетании с Кеном Буттсом, Ford Motor Company® (2).
Рисунок 1 показывает верхний уровень модели. Обратите внимание на то, что, в целом, главные блоки соответствуют высокоуровневому списку функций, данных в образцовом описании в предыдущих сводных данных. При использовании в своих интересах иерархических возможностей моделирования Симулинка большинство блоков в рисунке 1 составлено из меньших блоков. Следующие параграфы описывают эти меньшие блоки.
Открыть тип модели sldemo_engine в терминале MATLAB® (нажимают на гиперссылку, если вы используете Справку MATLAB).
Нажмите кнопку "Play" на образцовой панели инструментов, чтобы запустить моделирование.
Рисунок 1: верхний уровень модели механизма и результатов симуляции
Примечание: Модель регистрирует соответствующие данные к MATLAB workspace в структуре, названной sldemo_engine_output. Регистрируемые сигналы имеют синий индикатор (см. модель). Читайте больше о Сигнале, Входящем в систему Справка Simulink.
В модели, дважды щелкают по подсистеме 'Throttle & Intake Manifold', чтобы открыть его. Это содержит две других подсистемы - 'Дроссель' и 'подсистемы' Коллектора Потребления. Откройте 'Дроссель', и 'Впускают Коллектор', чтобы видеть их компоненты.
Рисунок 2: 'Дроссель' и 'подсистемы' Коллектора Потребления
Модели Simulink для дросселя и подсистем коллектора потребления показывают в рисунке 2. Клапан дросселя ведет себя нелинейным способом и моделируется как подсистема с тремя входными параметрами. Simulink реализует отдельные уравнения, данные в Уравнении 1, как функциональные блоки. Они обеспечивают удобный способ описать нелинейное уравнение нескольких переменных. Блок 'Switch' определяет, является ли поток звуковым путем сравнения отношения давления с его порогом переключателя, который устанавливается в одной половине (Уравнение 1). В звуковом режиме скорость потока жидкости является функцией положения дросселя только. Направление потока от выше, чтобы понизить давление, как определено блоком Sign. С этим в памяти, блок 'Min' гарантирует, что отношение давления всегда является единицей или меньше.
Дифференциальное уравнение от Уравнения 2 модели потребление множит давление. Функциональный блок Simulink вычисляет массовую скорость потока жидкости в цилиндр, функцию разнообразного давления и скорости вращения двигателя (см. Уравнение 3).
Интегратор накапливает цилиндрический воздушный поток массы в блоке 'Intake' (расположенный в подсистеме 'Throttle & Manifold'). Блок 'Valve Timing' выпускает импульсы, которые соответствуют определенным вращательным положениям в порядке справиться с синхронизацией сжатия и потреблением. События клапана имеют место каждое вращение бегунка или каждые 180 градусов вращения коленчатого вала. Каждое событие инициировало единственное выполнение подсистемы 'Сжатия'. Вывод триггерного блока в подсистеме 'Сжатия' затем возвращается, чтобы сбросить интегратор Потребления. Таким образом, несмотря на то, что оба триггера концептуально происходят в тот же момент вовремя, интегратор, вывод сразу обрабатывается блоком 'Compression' до того, чтобы быть сброшенным. Функционально, подсистема 'Сжатия' использует блок 'Unit Delay', чтобы вставить 180 градусов (один период события) задержки между потреблением и сгоранием каждого воздушного заряда.
Рассмотрите полный четырехтактный цикл для одного цилиндра. Во время хода всасывания блок 'Intake' интегрирует массовую скорость потока жидкости от коллектора. После 180 градусов вращения заводной рукоятки, завершений клапана потребления и блока 'Unit Delay' в подсистеме 'Сжатия' выбирает состояние интегратора. Это значение, накопленный массовый заряд, доступно при выводе подсистемы 'Сжатия' 180 градусов позже для использования в сгорании. Во время рабочего хода заводная рукоятка ускоряется из-за сгенерированного крутящего момента. Итоговые 180 градусов, выхлопной штрих, заканчиваются сбросом интегратора Потребления, подготовленного к следующим полным 720 циклам градусов этого конкретного цилиндра.
Для четырех цилиндров мы могли использовать четыре блока 'Потребления', четыре подсистемы 'Сжатия', и т.д., но каждый будет неактивные 75% времени. Мы сделали реализацию более эффективной путем выполнения задач всех четырех цилиндров с одним набором блоков. Это возможно, потому что, в уровне детализации мы смоделировали, каждая функция применяется только к одному цилиндру за один раз.
Крутящий момент Engine является функцией четырех переменных. Модель использует блок 'Mux', чтобы объединить эти переменные в вектор, который предоставляет входной параметр блоку 'Torque Gen'. Функциональный блок вычисляет крутящий момент механизма (описанный опытным путем в Уравнении 4). Крутящий момент, который загружает механизм, вычисленный ступенчатыми функциями в блоке Drag Torque, вычтен в подсистеме Динамики Engine. Различие, разделенное на инерцию, приводит к ускорению, которое интегрируется, чтобы прибыть на скорости коленчатого вала механизма.
Мы использовали следующие входные параметры по умолчанию для моделирования:
Попытайтесь настроить дроссель, чтобы компенсировать крутящий момент загрузки. Рисунок 3 показывает моделируемую скорость вращения двигателя, команды дросселя, которые управляют моделированием и крутящим моментом загрузки, который нарушает его.
Рисунок 3a: входные параметры моделирования разомкнутого цикла
Рисунок 3b: результаты симуляции разомкнутых циклов
Закройте модель. Очистите сгенерированные данные.
Способность смоделировать нелинейные, сложные системы, такие как модель механизма, описанная здесь, является одной из ключевых возможностей Симулинка. Степень моделирования очевидна в представлении моделей выше. Simulink сохраняет точность модели, включая точно синхронизированные цилиндрические события потребления, который очень важен в создании модели этого типа. Основная модель механизма проявляет гибкость Simulink.
Примечание: Смотрите модель механизма с обратной связью (расширенная версия этой модели).
[1] P.R. Кроссли и J.A. Кук, Управление 'Международной конференции IEEE® 91', Публикация 332 Конференции, издание 2, стр 921-925, 25-28 марта 1991, Эдинбург, U.K.
[2] Модель Simulink. Разработанный Кеном Буттсом, Ford Motor Company. Измененный Полом Барнардом, Тедом Лифельдом и Стэном Квинном, MathWorks®, 1994-7.
[3] Дж. J. Москва и Дж. K. Хедрик, "Автомобильное Моделирование Engine для Приложения Управления в режиме реального времени", Proc.1987 ACC, стр 341-346.
[4] Б. K. Пауэлл и Дж. A. Кук, "Нелинейная Низкая частота Феноменологическое Моделирование Engine и Анализ", Proc. 1987 ACC, стр 332-340.
[5] R. W. Недели и Дж. J. Москва, "Автомобильное Моделирование Engine для Управления в режиме реального времени Используя Matlab/Simulink", 1 995 SAE Intl. \cong. бумага 950417.
