大功率机车柴油机时间控制式燃油喷射控制系统研究

论文摘要

电子控制是目前柴油机研究领域的一个重要发展方向,随着国内铁路行业对机车性能的要求越来越高,对其柴油机加装电子控制设备已是大势所趋。针对国内机车柴油机运用现状,本文确定了基于电控单体泵喷油系统的机车柴油机作为研究对象,对其控制模型和控制策略的关键技术展开研究,并通过大量的仿真和试验进行了验证。首先,对针对控制应用的机车柴油机动态建模进行研究。为了硬件在环仿真系统和控制策略仿真的需要,建立了针对控制行为应用的机车柴油机动态模型。仿真比较了平均值模型和神经网络模型,从精确性方面神经网络模型优于平均值模型。选用非线性自回归神经网络结合残差分析法,形成具有自动识别阶次功能的混合神经网络；利用改进的粒子群(MPSO)算法来训练网络。其次,对智能控制策略在机车柴油机电控系统中的应用进行研究。针对内燃机车柴油机非线性、时变性和纯滞后等特点,对机车柴油机转速控制设计了工程实用的模糊自整定PID控制策略和基于BP神经网络整定的PID控制策略,仿真比较了与传统PID控制的不同；针对机车不同工况设计了起动工况、怠速工况和跛行回家的不同控制策略；设计了怠速多缸平衡控制策略,消除了由于制造公差和长时间磨损引起的各缸做功不均衡问题。第三,区间二型模糊控制策略在机车柴油机电控系统中的应用研究。分析了一型模糊控制的不足及二型模糊控制的优缺点,探讨了区间二型模糊控制策略在机车柴油机电控系统这一实时控制系统中的应用,并仿真比较了一型模糊控制与二型模糊控制的不同。第四,基于DSP/BIOS的机车柴油机电控单元的软硬件关键技术研究。在工作特性分析和控制策略研究的基础上设计开发了双CPU架构的燃油喷射电子控制单元；为了满足系统对电磁阀快速响应的要求对电磁阀驱动电路进行了优化设计；软件方面对DSP/BIOS实时操作系统进行了任务安排和调度设计,提高了系统的实时性和可靠性；最后制定了合适的标定策略并编制了标定程序。第五,瞬时转速预测算法的研究。针对时间控制式的柴油机燃油喷射过程,需要预报瞬时转速,在深入研究瞬时转速波动的原因基础上,提出采用相邻循环法结合自适应参数修正的方法预测转速,实现了燃油喷射过程中角度—时间的精确转换,另外为机车柴油机转速闭环控制、失火判断和怠速多缸平衡控制提供了依据。最后,对大功率机车柴油机电控燃油喷射系统进行了硬件在环仿真试验研究。将我们自主研发的电子控制单元应用于喷油泵试验台试验,获取了电控单体泵系统的工作特性,完成了电子控制单元的基本功能的校验。在此基础上搭建了以虚拟仪器为平台的硬件在环仿真系统。通过对大量试验波形、测量数据的分析和总结,验证了电子控制单元功能和控制策略的可行性,以及理论分析的正确性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 我国机车柴油机的现状和存在的问题
• 1.2 机车柴油机采用电控喷油的必然性
• 1.3 国内外最新研究动态综述
• 1.3.1 电控喷油系统的发展历程
• 1.3.2 国外柴油机电控系统综述
• 1.3.3 国内柴油机电控系统综述
• 1.3.4 柴油机电控系统的控制策略
• 1.4 本文的研究方法和主要内容
• 1.4.1 研究对象
• 1.4.2 论文整体结构与主要内容
• 2 针对控制的机车柴油机动态建模研究
• 2.1 柴油机仿真模型建模方法比较
• 2.2 平均值模型概述
• 2.3 大功率机车柴油机平均值模型
• 2.3.1 机车柴油机增压器建模
• 2.3.2 机车柴油机中冷器建模
• 2.3.3 机车柴油机主体建模
• 2.4 神经网络建模的研究与实现
• 2.4.1 NARMAX数学模型应用
• 2.4.2 残差分析法确定结构参数
• 2.4.3 网络结构优化
• 2.4.4 网络训练算法选择
• 2.5 混合非线性自回归神经网络辨识柴油机模型
• 2.5.1 样本数据的确定
• 2.5.2 确定模型的阶次
• 2.5.3 优化网络结构
• 2.6 两种模型的仿真结果及比较分析
• 2.7 本章小结
• 3 机车柴油机智能控制策略研究
• 3.1 模糊自整定PID控制策略的应用研究
• 3.2 基于BP神经网络整定PID控制策略的应用研究
• 3.3 二型模糊控制策略的应用研究
• 3.3.1 二型模糊系统
• 3.3.2 区间二型模糊系统
• 3.3.3 区间二型模糊控制策略
• 3.4 典型工况的控制策略
• 3.4.1 起动工况控制策略
• 3.4.2 怠速工况控制策略
• 3.4.3 多缸平衡控制策略
• 3.4.4 跛行回家控制策略
• 3.5 本章小结
• 4 基于DSP/BIOS的燃油喷射电子控制单元研制
• 4.1 系统总体设计
• 4.2 ECU硬件方案设计
• 4.2.1 基于CPU的硬件架构
• 4.2.2 电控系统传感器选型
• 4.2.3 高速电磁阀驱动电路优化设计
• 4.3 ECU软件方案设计
• 4.3.1 DSP/BIOS实时操作系统的应用
• 4.3.2 曲轴转角域思想
• 4.3.3 瞬时转速预测算法研究
• 4.3.4 CAN网络通信和应用层协议的制定
• 4.4 标定策略及软件实现
• 4.5 本章小结
• 5 机车电控燃油喷射系统特性分析与试验研究
• 5.1 电控单体泵工作原理
• 5.2 燃油喷射模拟计算
• 5.2.1 燃油喷射模拟计算模块化设计
• 5.2.2 特征线法模拟计算压力波传递过程
• 5.2.3 燃油压力模拟计算结果分析
• 5.3 电控燃油喷射系统试验研究
• 5.3.1 试验环境与试验方案
• 5.3.2 电磁阀驱动电路参数
• 5.3.3 喷油特性试验
• 5.4 本章小结
• 6 大功率机车柴油机电控单元硬件在环仿真研究
• 6.1 电控单元硬件在环仿真系统
• 6.1.1 系统方案确定
• 6.1.2 基于虚拟仪器的软硬件实现
• 6.2 大功率机车柴油机电控单元硬件在环试验
• 6.3 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 总结和创新点
• 7.2 论文的工作展望
• 参考文献
• 附录A
• 作者简历
• 学位论文数据集