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1、华中科技大学 硕士学位论文 汽油机点火提前角及电子节气门控制仿真研究 姓名：刘斌 申请学位级别：硕士 专业：动力机械及工程 指导教师：蒋炎坤 20090501 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 发动机电子控制技术是解决人类面临的能源危机和环境危机的一项重要技术手 段。目前，在发动机电控系统开发过程中嵌入式系统技术、V 型开发模式和先进的辅 助设计开发工具正被广泛应用。本文以“洛阳北方企业集团的直列三缸摩托车发动机 电控系统设计”项目为依托，总结了项目前期的经验，采用基于模型的电控系统开发 方法，对原有系统进行模块化、平
2、台化设计。 本文以对点火提前角的控制研究为主线， 通过对点火提前角控制策略的分析和研 究，采用爆震反馈信号进行点火提前角闭环控制。为了实现电控系统开发的模块化、 平台化，基于 Matlab/Simulink 和 Matlab/Stateflow 完成了点火提前角控制器的建模， 并通过仿真验证了控制策略设计的正确性。围绕发动机怠速控制问题，采用点火提前 角来实现转速控制，以达到快速响应转速变化的目的。仿真结果表明通过使用点火提 前角作为控制变量和采用滑模控制策略，可以取得良好的控制效果。同时考虑电子节 气门在空燃比控制的应用现状，分析了电子节气门的结构和数学模型，分别运用了 PID 和模糊 PI
3、D 控制算法实现了对电子节气门控制， 仿真结果表明两种控制算法都能 使电子节气门具有良好的跟随特性。在完成离线仿真后，应用 Matlab/RTW 完成了 C 语言代码的自动生成，并验证了代码的正确性。 关键词：关键词：点火提前角 电子节气门 Matlab 仿真 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Electronic control technology of engine is one of the most important ways to deal with energy crisis and envir
4、onmental protection. At the present time, embedded system technology, V-model and advanced aided design tools are being widely applied in the development of engine electronic control system. With “electronic control system design of 3-cylinder vertical motorcycle engine for Luoyang Northern Enterpri
5、ses Group Co.” as the study project, the modularization and platform development of electronic control system based on model was carried out while the preceding experience being summarized. The control of ignition advance angle was mainly studied in this thesis. The control strategy of ignition adva
6、nce angle was analyzed and studied, and meanwhile, the close-loop control of ignition advance angle was achieved by using feedback knocking signal. In order to realize the modularization and platform development of electronic control system, the modeling of ignition advance angle controller was acco
7、mplished in Matlab Simulink and Stateflow, and the reliability of control strategy was thereby verified by the simulation result. The engine speed control of idle speed working condition was realized by manipulating the ignition advance angle, while the quick response of engine speed being achieved.
8、 As indicated by the simulation result, the idle speed was well controlled by using ignition advance angle as the control variable, and sliding model as the control strategy. The structure and mathematic model of electronic throttle was analyzed considering to the extensive application of electronic
9、 throttle in A/F control, and the characteristic of electronic throttle was simulated by PID and fuzzy-PID control algorithm respectively. The C-language code of the control strategy was auto-generated in Matlab RTW when the off-line simulation was finished, and the authenticity of C-language code w
10、as subsequently verified. Keywords: Spark Advance Electronic Throttle Matlab Simulation 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：
11、日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
12、 1 1 绪绪 论论 1.1 概述概述 汽车、 摩托车行业的高速发展给我国带来了日益严峻的能源和环境方面的压力。 2006 年我国原油进口量已经占总量的 47.3%， 远超过 30%的国际警戒线。 严峻的能源 形势要求高度重视内燃机的节能降耗，并降低发动机污染物排放量。2008 年，在全国 范围开始执行新的排放法规12，各污染物排放限值分别如表 1 和表 2 所示。为了解 决能源和环境双重危机， 以电子控制技术为代表的新技术手段在发动机上的广泛应用 成为了必然趋势。 表1-1 轻型汽车常温下冷起动后排气污染物排放试验排放限值1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大
13、学 硕 士 学 位 论 文 2 表 1-2 摩托车污染物排放限值（GB14622-2007）2 1.2 国内外发动机电控系统的研究状况及发展趋势国内外发动机电控系统的研究状况及发展趋势 上世纪 60 年代，博世公司成功研制了 D 型模拟电子控制汽油喷射系统，从此电 子控制技术被逐渐引入发动机。 1.2.1 发动机电控系统含义及应用现状发动机电控系统含义及应用现状 发动机电子控制系统，其基本机构如图 1-1 所示3。目前，内燃机电控技术已经 由空燃比等总体控制向可变气门、电子节气门等细节控制发展，以求从多角度入手获 得最佳的控制效果。 图 1-1 发动机电子控制系统基本结构 目前，发动机电子控制
14、系统产业主要由博世、德尔福等跨国公司控制，产业越来 越成熟，图 1-2 与表 1-3 概述了这些特点4。 图 1-2 汽车电子产业结构示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 表 1-3 汽车电子产业各部分主要供应商 1.2.2 发动机电控系统发展趋势发动机电控系统发展趋势 随着电子技术的发展，发动机电控系统呈现以下趋势4： （1）在控制软件方面，目前已经初步形成标准化的 I/O 驱动模块。 （2） 在系统的硬件方面， 集成化的产品测试平台的引入， 加速了产品的开发速度， 硬件的可靠性和稳定性也得到了提高。 （3）目前生产的新型执
15、行器、传感器功能日渐完善。 就目前我国的发动机电控系统研究来说，由于电子器件行业相对开放，相比软件 系统，硬件供应商较多、开发也相对容易。所以我国发动机电控系统开发的难点主要 是在控制软件平台构建及控制策略的选取上。 1.2.3 发动机电控系统开发方法及应用发动机电控系统开发方法及应用 在发动机电控系统开发过程中为了提高开发效率，目前广泛采用“V 型模式”开发 方法，其基本思路是将设计工作模型化。图 1-2 为在汽车 ECU 系统开发过程中“V 型 模式”开发方法示意图。图 1-3 表示使用基于模型开发方法进行发动机电控系统设计 的过程。“V 型开发模式”的各阶段划分见图 1-256。 图 1
16、-2 电控单元“V 型开发模式”示意图 图 1-3 发动机 ECU 开发方法示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 在图 1-2 中， “V 型开发模式”的各阶段分工明确， 整个开发过程以一致的模型作 为各阶段的交互信息并行推进， 这种方法的最大优点是使发动机电控系统开发人员能 够从软件代码中解脱出来，因此可以把更多的精力放在发动机核心问题的研究上。 1.2.4 MATLAB 软件开发平台软件开发平台 美国 Mathworks 公司推出的 MATLAB 软件提供了功能强大的基于模型的控制系 统设计开发平台，如下图 1-4 所示7。 图 1-4 MATLAB 软件工具在控制系统设计过程中的分布 在 Matlab 软件平台中，Matlab/Simulink 是控制计算与仿真领域中应用最为广泛 的工具8。Matlab/Stateflow 是 Matlab 软件
