发动机实时模型（精选三篇）
发动机实时模型 篇1
智能制造系统是一种由智能装备、智能控制和智能信息共同组成的人机一体化制造系统,它集合了人工智能、柔性制造、虚拟制造、系统控制、网络集成、信息处理等学科和技术[1,2,3]。在德国工业4.0的启示下,我国提出了“中国制造2025”的发展战略,各行业将大力开展智能制造研究和应用,推动从制造业大国向制造业强国的跨越[5]。
某企业制造的铝包容缸套是一种新型的汽车发动机缸套,用于铝合金基座发动机。主要生产工序包括熔炼、离心铸造、加热发泡(生成毛刺)、切断、切削加工及质量检验等。为了提高企业生产管理水平和保证产品质量,研究开发了基于物联网技术的铝包容缸套智能制造系统。系统结合了企业资源计划ERP、制造执行系统MES和分布式数字控制DNC功能,实现生产过程的大闭环管控。MES集成DNC利用RFID读写器,各种传感器,PLC等信息采集设备将车间现场的生产信息实时收集,通过车间互联网实时送达上层管理决策人员,管理决策人员可以实时掌握车间现场的情况并对各种情况做出及时合理的处理[6],借助系统的智能调度功能实现科学调度。
对于车间生产智能调度,通常的做法是预先选定某种最优化算法按照约束条件计算出一系列工单与生产线的最优化组合。但是实际情况要比预先设定的约束条件更为复杂,单靠传统的优化算法只能做到计划排程的最优,无法实现计划与实际结合。借助MES现场数据的采集,将实时信息作为最优化算法调度的最新约束条件就能实现最优化的实时生产调度。
本文介绍缸套智能制造系统的总体结构和生产实时调度算法的设计。
1缸套智能制造系统
1.1系统总体架构
铝包容缸套生产过程大致可以分为铸造、切断和机械加工三道工序。系统网络架构设计针对该特点,采用分布式网络架构设计,给每个生产车间配置一个局域网。每个局域网设工控机兼做服务器,与各种PLC设备、触摸屏和LED显示设备以及带无线WIFI接口的RFID读写设备通过交换机连网。企业局域网将三个车间子网联合起来,用一个总服务器负责整个系统的协调管理。通过车间网络的布置,管理层的管理决策信息直接下达到车间现场,车间现场的生产情况也可以实时传送到管理层,实现了生产车间与管理层办公室的信息交流与互动。系统总体架构如图1所示。
1.2系统数据架构
服务器端采用SQL Server 2005作为数据库管理后台。以分布式事务管理方式,车间局域网内数据和事务处理在车间服务器完成,不直接与系统总服务器交互,以提高系统稳定性与易维护性。系统总服务器只负责和三个车间服务器的数据交互和事务管理。总服务器和车间服务器之间采用发布与订阅方式完成数据同步。在数据同步过程中,采用队列等候技术以确保避免数据量大网速慢导致同步数据时网络拥塞现象。
1.3系统基本操作流程
系统采用C/S模式,各部门在客户端操作,按照订单驱动方式进行生产调度。先通过基础设置模块对编码系统、产品库、BOM及生产工艺库参数进行设置。销售模块接受订单后,系统通过产品物料BOM拆解订单,然后查询库存模块数据,生成物料清单,同时联合采购管理模块生成采购单及成本分析清单。随后计划与生产模块会查询当前生产线的排产情况,按照订单优先级自动生成生产工单,生成的生产工单直接下发到车间服务器。生产过程中,数据监控模块会定时查询由生产车间采集设备上传到数据库的实时生产数据,并实时计算调度结果,送料员可以查看LED看板的实时调度信息进行送料。最后在产出查询模块可以查看产出数据和生成统计报表。
2生产过程实时监控与调度
2.1调度算法简述
车间柔性调度问题是典型的NP问题,目前解决NP问题的主要方法有智能优化算法和启发式算法。智能优化算法包括模拟退火算法、禁忌搜索算法、蚁群算法、遗传算法、粒子群优化算法和各种混合算法等,但各种算法都有各自的优点和不足[6,7,8,9,10]。周超等采用遗传算法求解柔性作业车间柔性分批调度问题[11],周安阳等提出了一种改进的免疫算法解决了Flow Shop车间调度问题[12],张旭升等提出了一种基于改进蚁群算法的混合型调度算法优化了汽车玻璃制造企业生产调度问题[13]。与智能化算法相比,启发式算法具有求解速度快、容易得到近似最优解的特点。传统车间调度算法的共同点是基于计划层的排产调度,算法复杂度和计算量较大,且没有车间实时生产数据的采集和反馈机制,属于静态调度算法,一旦计算出结果后一直保持不变,没办法针对实际生产情况实现实时性的生产调度。
与静态调度算法相比,在调度机制上增加实时参数采集与反馈机制,可以实现实时动态调度。在实际生产中,考虑更多工件和多样化的机器会发生一些突发情况,如机器故障、新工件插单生产等出现预先排产与实际生产不相符的情况,只有引入有反馈机制的实时调度算法才能解决此类生产调度问题。
实时调度算法由于要针对实际情况重新计算调度结果,因此要求算法求解速度快,求解效率高。启发式算法是依赖于系统配置的算法,与简单优先规则相结合,可以先给系统配置一系列的简单优先级,如可直接根据订单交期先后按顺序给工单设定生产优先级,同时,启发式规则也可使用人的检验作为优先级的调整因素,如可以根据车间实际情况重排工单优先级完成插单和调单等操作。本系统借助传感器、RFID技术及DNC技术实时采集车间设备生产数据,结合基于优先级的启发式算法,实现了车间生产实时调度功能。
2.2问题描述及建模
发动机缸套在机械加工生产过程,由于机床所占空间比较大,零件摆放位置相对较小,而且零件毛坯料的转运又比较耗时,这就会在换批次时如果送料过早,会导致毛坯料没地方摆放,如果送料超时,会导致机床待料时间加长,生产效率下降。根据机器实时生产速度和负荷情况,为了实现总加工时间最短并能通知送料员根据实时的生产信息准时送料,本系统建立了如下生产实时调度数学模型。
(1)有一个按优先级排序的待加工零件工单队列Oi(i=1,2,3,…,i,…),每个工单对应的数量为Qi,工件在机器Mn参考单位加工时间为Dni,单位为分钟,当排产后还没开始生产时,工件单位加工时间按Dni计算(本模型规定不同机器对同一工单的加工速度是相等的。实际生产后以实际平均耗时为准,Dni无意义)。加工时按优先级的先后排序,i为1的工单先加工。排产调度以工单为单位。
(2)有若干台机器Mn(n=1,2,3,…,n,…),每台机器都可以加工所有工件。
(3)每台机器上安装了一台RFID读写器,记录了该台机器当前生产工单的计划数Qni、开始时间Tni和当前工单已完成数量Nni。
(4)排产系数Kni,当工单Oi排在Mn机器,则Kni=1,否则Kni=0。
(5)要实现的调度目标:根据实际生产情况,以总的完工时间最短为目标,实时计算更新所有工单队列Oi的调度信息(包括开始时间Ti和目标机器Mi)。
求解公式:
(公式中表示当前时间)。
2.3数值实验分析
工单队列参数设定如表1:
加工机器:M=[1,2,3]
本算法采用VB平台编程模拟,算法流程图如图2所示,系统定时每隔1秒更新一次调度信息,基础参数设置如图3所示,图4显示了调度甘特图,图5面板显示了7个工单队列的实时调度信息。
3结语
涡喷发动机多媒体实时数字仿真 篇2
涡喷发动机多媒体实时数字仿真
编制了涡喷发动机实时数字仿真软件,该软件可以作为涡喷发动机操作员的模拟训练器.用VB语言实现了模拟发动机声音、动画等多媒体功能.采用动态链接库技术,通过I/O接口,外接油门开关和启动按钮等真实设备,可以反应操作员的随机动作.该软件可以较真实地模拟涡喷发动机的`开车过程以及对试车数据的处理.
作 者：周淑萍 李新民 倪行强 ZHOU Shu-ping LI Xin-min NI Xing-qiang 作者单位：北京航空航天大学,动力系,北京,100083刊 名：推进技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY年，卷(期)：21(3)分类号：V235.11关键词：涡轮喷气发动机 多媒体计算机 数字仿真 模拟训练
发动机实时模型 篇3
关键词：均质压缩燃烧,实时性,分布式控制系统,分层闭环管理
0 引言
均质压缩燃烧 (homogeneous charge com-
pression ignition, HCCI) 方式具有同时降低油耗和排放的优势, 得到了内燃机界的广泛重视, 并日趋成为一种新的燃烧方式。目前, 国内外主要使用直接进气加热、高压缩比、更易自燃着火的燃料以及使用EGR或内部残余废气来实现HCCI燃烧[1], 而内部废气再循环策略被认为是四冲程汽油机上实现HCCI燃烧的最为可行的方法[2]。与传统汽油机火花点燃式 (SI) 燃烧相比, 基于内部残余废气的HCCI燃烧是利用上一个循环的废气能量来加热本次循环的新鲜空气, 使其压缩自燃着火, 进气门关闭后没有任何方式能影响其着火时刻, 因此HCCI燃烧必须基于循环的控制。同时由于HCCI燃烧不能覆盖轿车汽油机的全部运行工况, 在冷启动、高负荷的情况下还必须过渡到传统的SI燃烧方式, 这就不可避免地存在模式过渡过程, 而模式过渡要求在几个循环内完成, 更需要实时的控制系统。因而, 与传统的汽油SI发动机相比, HCCI发动机需要新的实时控制系统和控制策略。目前国内外主要采用PC机作为控制单元, 所采用的控制算法也过于复杂, 在实时性和有效性方面, 离实用化的要求存在一定的距离[3,4,5,6]。为了解决HCCI汽油发动机实时控制的问题, 本文开发了基于单片机和CAN总线的汽油HCCI发动机分布式控制系统。采用分层闭环管理的思想, 把整个控制体系划分为负荷控制、燃烧相位控制和机构控制三个层次, 每个层次都单独采用闭环控制, 保证了HCCI控制的实时性。
1 基于全可变气门系统的汽油HCCI发动机
在使用内部废气再循环实现HCCI燃烧的汽油机上, 需要通过进排气门相位和升程的连续可变来控制内部残余废气率和着火时刻。但目前商用发动机还没有进排气门相位和升程都能连续调整的可变系统。因此, 开发了装备全可变气门机构系统的四冲程单缸试验发动机, 它的缸体及底座部分为Ricardo Hydra单缸发动机。它是一台双顶置凸轮轴、进气道喷射、自然吸气、排量为0.5L、压缩比为10.44的高速多功能发动机。为了在发动机上加载全可变气门机构系统, 设计开发了一个特殊的缸盖。可变气门机构系统的示意图见图1。进气门和排气门系统的结构一致。通过电磁阀控制可变相位机构, 伺服电动机控制可变升程机构。发动机和全可变气门机构的详细描述可参见文献[7]。
2 汽油HCCI发动机分布式控制系统
汽油HCCI发动机需要控制的对象较多, 包括进排气门升程、相位、喷油脉宽、点火提前角和节气门开度等, 而且必须是基于循环的控制。如果采用集中式的控制方法, 势必导致整个控制系统过于复杂, 并且CPU或单片机都采用时间片轮转的任务调度机制, 控制任务只能逐个执行, 因而很难保证系统的实时性控制。由于CAN总线在数据通信上具有突出的可靠性、实时性和灵活性, 本文提出采用基于多控制单元和CAN总线的HCCI发动机分布式控制系统, 将复杂的控制任务分配到各个控制单元中。
HCCI发动机分布式控制系统如图2所示, 系统由三个控制单元和一个燃烧信息反馈单元组成, 分别为HCCI发动机管理单元、喷油及点火控制单元、全可变气门控制单元和缸压采集分析单元, 并通过CAN总线组成一个分布式控制系统。喷油及点火控制单元在整个HCCI发动机控制系统中起到重要的作用, 它接受HCCI发动机管理系统通过CAN总线传来的节气门开度、点火提前角等指令信息, 实现对发动机点火、喷油和节气门开度的精确的控制以及对空燃比的闭环控制, 同时喷油及点火控制单元还实时采集进气温度、进气压力、进气流量、节气门位置和开关式氧传感器等信号, 通过CAN总线把上述参数上传给HCCI发动机管理单元。全可变气门控制单元采集可变升程机构上偏心轴的位置传感器来检测气门的实际最大升程, 采集进排气凸轮轴和曲轴上的码盘信号来检测进排气实际相位, 通过CAN总线接收来自HCCI发动机管理单元的进排气相位和升程的目标值, 采用闭环控制算法, 驱动直流伺服电动机和高速电磁阀, 实现对进排气升程和相位快速、精确的控制。缸压采集分析单元负责采集发动机气缸压力信号, 并计算出燃烧的特征值, 提供HCCI燃烧状态的反馈信号。由于产品化的缸压传感器的诞生, 使得缸压反馈在发动机上的实际使用成为同进气压力传感器一样的方便、可靠[8]。上述两个控制器和缸压采集分析单元完成对整个发动机的机构控制及发动机状态、燃烧信息的采集, 而HCCI发动机管理单元通过CAN总线接受各反馈信号, 进行闭环反馈控制策略的运行, 然后通过CAN总线组织和协调其他两个控制单元协调控制进排气相位、升程、点火时刻和喷油量, 实现HCCI/SI燃烧相位、负荷和模式过渡控制。HCCI发动机管理单元同时向PC机传送发动机的状态参数及其控制状态, 以便监控和记录发动机的控制过程及结果。
通过上述的分布式控制系统, 可以把复杂的HCCI控制任务划分给不同的控制器同时执行, 通过CAN总线实现信息共享后保证了整个控制系统的实时性。
3 分层闭环反馈控制策略
HCCI着火和燃烧过程受化学反应动力学控制, 它对混合气的温度、压力和成分等多个因素都非常敏感, 只要进排气门相位和升程、进气温度等产生一点波动, 就会影响HCCI燃烧过程及其结果, 带来发动机扭矩、燃烧相位的变化及燃烧状况的恶化, 同时在模式过渡的过程中, HCCI/SI模式切换控制的关键, 就是准确把握模式切换的时机, 做到既不发生非正常燃烧, 又能使HCCI运行范围达到最大。因此, 常规基于参数表 (MAP) 的开环控制难以满足其要求, HCCI燃烧控制必须是基于燃烧过程信息的实时反馈, 采用有效的闭环控制, 实现精确快速的着火定时控制、有效的燃烧速率和指示平均有效压力的控制。
HCCI发动机控制最主要的问题就是控制发动机的负荷及燃烧相位, 必须保证负荷控制的快速性和燃烧相位的稳定性。而HCCI发动机控制较为复杂, 是一个多输入多输出的系统, 并且它具有过程的耦合特性, 即每个控制量都会影响所有的被控量。在这种情况下一般都采用诸如解耦控制的多变量控制策略或模型预测的控制策略, 但这两种控制策略都必须首先弄清楚控制回路间之间的关联。而HCCI发动机及燃烧过程是一个非常复杂的系统及过程, 很难建立输入及输出之间的传递函数, 即使能利用发动机的工作过程建立模型, 使用模型预测等控制策略来控制发动机, 必将导致控制运算过于复杂, 即使目前国内外大多都采用计算机作为控制单元, 也很难保证其控制的实时性, 同时使用PC作为控制单元离实用化还存在一定的距离。要使HCCI发动机实用化, 其控制策略应该能在单片机中运行, 并且能做到基于循环的控制, 因此就需要简单、可行的控制策略来控制HCCI发动机。
为了简化控制策略, 采用分层闭环管理的思想, 把控制系统划分为负荷控制、燃烧相位控制和机构控制等三个层次, 三个层次均采用相应的独立闭环控制。以发动机的负荷控制为主线, 通过控制燃烧相位确保HCCI燃烧的稳定性, 优化发动机的燃油经济性, 最后通过机构的控制完成对整个HCCI发动机的管理。这种思想实现了对每个回路的单独控制, 简化其耦合关系。图3为HCCI发动机闭环反馈分层控制框图。HCCI发动机管理系统根据发动机的转速、扭矩需求和燃烧反馈信息来决定发动机的工作模式, 在不同的燃烧模式下采用不同的负荷控制策略。由负荷控制模块计算出发动机进排气门参数, 并根据发动机的负荷和燃烧相位 (CA50) 的优化规律优化出不同工况下的CA50最佳值, 同时为了燃烧相位控制的快速、稳定, 参数优化模块根据发动机的负荷在线调整燃烧相位的控制参数, 通过燃烧相位控制模块修正进排气参数和点火提前角等, 实现对燃烧相位的闭环控制。最后, 由负荷控制和燃烧相位控制算法得出的进排气门升程、相位、空燃比和点火提前角等参数通过CAN总线分别发送给机构控制层的空燃比闭环控制、气门升程和相位闭环控制等模块来执行。这种分层闭环控制的思想, 不仅结构清晰, 易于实现, 而且提高了控制系统的鲁棒性。
4 试验结果
HCCI发动机实时控制最主要的问题就是控制发动机的负荷及燃烧相位。负荷控制主要是为了满足车辆的运行需要, 而燃烧相位的控制主要是为了使HCCI燃烧稳定, 使发动机具有较好的燃油经济性和排放性能。选取了一组HCCI发动机的平均指示压力 (IMEP) 和CA50的控制结果来验证HCCI发动机控制系统及控制策略的实时性及控制效果。
HCCI发动机试验台架如图4所示, 除了上文的HCCI分布式管理系统外, 系统中还使用A/D卡实时采集发动机的缸压信息并进行瞬态的燃烧分析。同时, 为了监测发动机过量空气状态, 在发动机的排气口上安装了Kister线形氧传感器, 由瞬态燃烧分析系统实时采集。由此通过瞬态燃烧分析系统可以分析每个循环的发动机燃烧状态。瞬态燃烧分析系统的具体功能见文献[9]。测功机使用的是30kW交流电力测功机。
将分层闭环控制策略应用于HCCI发动机控制系统中实现对发动机IMEP和CA50的闭环控制。在试验过程中, 保持排气门关闭时刻 (EVC) 和进气门开启时刻 (IVO) 对称, 由于在HCCI燃烧中使用的是负的气门重叠角, 这样能减小泵吸损失, 具有更好的燃油经济性。同时在同一转速下, 固定一个最佳的排气门开启时刻 (EVO) , 其能使排气最充分, 同时膨胀损失最小, IMEP最大。从试验数据中可以看出, 发动机EVC能直接调节发动机的IMEP。在保持发动机IMEP不变的情况下, 可以使用进气门关闭时刻 (IVC) 调节燃烧相位, 因而也存在一个相对较好的点, 能使燃烧在一个合理的范围之内, 发动机的指示燃油消耗最低。
图5显示了发动机转速在1500r/min时的IMEP从0.28MPa过渡到0.38MPa的HCCI燃烧控制效果。在负荷增加的过程中, 随着排气门关闭时刻向靠近进排气上止点移动时, 而此时排气门的开启时刻保持不变, 因而发动机的排气门的持续期和升程都增大, 同时排气门关闭时气缸容积减小, 因而使得缸内残余废气量减小, 当缸内残余废气量减小以后, 新鲜充量增大, 发动机的IMEP也逐渐增大。随着排气门的关闭时刻排气门关闭时刻的提前, 进气量预测及喷油量计算模块实时计算的发动机每循环进气量相应地增大, 每循环的喷油量也随之增大。由于发动机每循环的进气量增加较大, 为了保证发动机的IMEP迅速增大和过量空气系数不至于变化过大, 采用了燃油补偿策略, 因此出现了两个循环的燃油量增加较大。从过量空气系数来看其整体变化不大。
从图5可以看出, 虽然空燃比采用的是开环控制, 但发动机的过量空气系数变化并不大。同时图5也反映了通过控制发动机排气门关闭时刻能实时控制发动机的IMEP, 较好地跟随IMEP的目标值。试验表明了IMEP的闭环控制策略及空燃比的控制策略能很好地控制发动机的IMEP和过量空气系数, 可以满足发动机动态运行的需求。
图6显示了发动机转速在1500r/min、IMEP为0.28MPa时CA50的控制情况。可以看出:随着CA50需求值的变化, 控制策略根据两者之间的差值动态地调整进气门关闭时刻, 由于进气门关闭时刻影响着有效压缩比的大小, 随着进气门关闭时刻的提前, 发动机的有效压缩比增大。因而使得燃烧提前, 燃烧持续期减小, 从而控制发动机的燃烧相位提前, 控制CA50达到目标值。从试验结果可以看出:HCCI发动机分布式控制系统及分层闭环管理的控制策略实现了对HCCI燃烧相位的实时有效的控制, 实现了对HCCI燃烧的优化。
5 结论
(1) 提出了采用基于单片机和CAN总线的汽油HCCI发动机分布式控制系统, 系统由三个控制单元和一个燃烧信息反馈单元组成, 分别为HCCI发动机管理单元、喷油及点火控制单元、全可变气门控制单元和缸压采集分析单元。该控制系统采用分布式控制, 有效地分化了HCCI控制任务, 保证了控制系统的可靠性和实时性。
(2) 为了提高控制系统的实时性和鲁棒性, 提出了汽油HCCI发动机分层闭环管理的思想。把整个控制体系划分为负荷闭环控制、燃烧相位闭环控制和机构闭环控制三个层次。以发动机的负荷控制为主线, 通过控制燃烧相位优化发动机的燃油经济性, 并对每个回路进行单独控制, 简化了其耦合关系。
(3) 试验表明:所开发的HCCI发动机控制系统和控制策略实现了基于循环, 实时的HCCI发动机控制, 发动机的IMEP和CA50能按照目标值实时运行。
参考文献
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