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原文传递增程器系统中稀燃天然气发动机转速控制研究

论文题名：	增程器系统中稀燃天然气发动机转速控制研究
关键词：	增程式电动汽车;稀燃天然气发动机;转速控制;抗干扰性能
摘要：	增程式电动汽车可以解决纯电动汽车“里程焦虑”的问题，还具有成本低廉，整车效率高等优点，是目前新能源汽车行业研究的热点。增程器系统中，发动机转速的稳定运行是增程器高效输出需求功率的前提。增程器用发动机转速系统的研究有助于推动增程式电动汽车的发展，进而推动整个新能源汽车行业的发展。本文研究了增程器用稀燃天然气发动机的转速控制策略，旨在提高发动机转速系统的响应速度和抗干扰性能，进而提高增程器系统功率输出的快速性和稳定性。主要研究成果如下：　　为了建立准确的天然气发动机系统数学模型，分析了气体燃料对发动机空气进气量的影响，提出了使用空燃比来修正天然气发动机空气进气量的方案，建立了天然气发动机空气进气系统模型，并在此基础上，导出了考虑空燃比影响的发动机输出扭矩模型。另外，针对扭矩模型参数难以标定的问题，设计了改进的输出扭矩模型，使之更易于参数的标定和相应控制器的设计。Simulink和GT-Power的联合仿真说明所建系统数学模型能在大范围工况准确模拟发动机运行情况，为控制器的设计提供依据　　在所建的天然气发动机数学模型的基础上，分析了节气门动态过程对进气压力的影响，提出了包含节气门动态过程的发动机双闭环自适应转速控制方案。内环考虑节气门动态过程的自适应控制器可以提高进气压力的响应速度，减少内外环系统的相互影响；外环转速环设计了PI+目标转速前馈+负载补偿+开关项的自适应控制策略，并分析了内环系统跟踪误差对转速系统的影响，说明了转速闭环系统的稳定性和收敛性。Simulink和GT-Power联合仿真说明所提策略能有效提高系统的响应性和抗干扰性能。　　为了进一步提高稀燃天然气发动机转速系统在中高负荷工况下的响应速度和抗干扰性能，在双闭环控制结构的基础上，提出了基于多输入模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)的“加速加载加浓，减速减载减稀”的转速控制方案。在加速或加载工况，加浓空燃比，通过增加燃气量来提高发动机扭矩输出，反之则减稀空燃比，且稳态时恢复到空燃比设定值，维持稀薄燃烧模式。Simulink和GT-Power联合仿真说明所提策略能进一步提高中高负荷工况下发动机转速系统的快速性和抗干扰能力。　　涡轮增压器的匹配可以有效补偿稀薄燃烧模式带来的发动机扭矩损失，但是会增加扭矩延迟时间，降低发动机转速系统性能。针对这个问题，提出了一种新型增程器增压发动机转速控制方案。该方案一方面将转速控制策略放在增程器控制器(RECU)中实现，维持了发动机控制器(ECU)原有基于扭矩的效率最优的控制策略，降低了ECU开发成本；另一方面，设计了参数化控制器，并引入了发电机扭矩当作系统的辅助输入，通过对系统非期望极点的重新配置，提高了系统的抗干扰性能。Simulink和GT-Power的联合仿真验证了该策略的有效性。　　最后，为了进一步验证本文所提算法的有效性和实用性，搭建了一个增程器台架系统，并针对提出的各个控制策略设计了台架实验测试方案，给出了实验结果和对比分析。台架实验结果表明，所提的控制策略能有效提高增程器转速系统的响应性能和抗干扰性能，具有很高的实用价值。
作者：	熊文羽
专业：	控制科学与工程
导师：	沈安文;徐金榜
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021