CN117028051A - 一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，包括建立模型，计算进气量，计算喷油脉宽，获得空燃比，比较空燃比与预期空燃比的误差，通过模糊PID控制器控制喷油脉宽来调整空燃比，实现空燃比的实时控制。本发明基于AMEsim仿真平台搭建四缸发动机模拟模型，能够深入的进行仿真计算和分析，并采用喷油脉宽作为空燃比的调节指标，能够更加精准的控制空燃比，本方法可以快速、精准地对航发空燃比控制进行仿真分析，同时降低了实验成本和周期。
Description
技术领域
本发明涉及空燃比控制技术领域，具体涉及一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法。
背景技术
发动机空燃比控制是航空发动机控制系统的一个重要部分，是衡量发动机燃烧过程的一个重要参数指标，因此对飞机的动力性、燃油经济性以及尾气排放性有直接影响，现有技术中利用传感器等对各指标进行检测来实现对空燃比的控制，而传统的与发动机性能相关的仿真是完全基于发动机平均值模型进行相关研究，所得到的研究结果精度不够，实际控制效果较差，且操作较为复杂。
发明内容
为了克服现有技术中空燃比控制效果差及仿真研究控制精度不够的技术问题，本发明提供了一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，包括以下步骤：
S1：在AMEsim仿真平台中搭建四缸发动机模拟模型；
S2：在Simulink中建立节气门处的空气质量流量计算模型，计算节气门处的空气质量流量；S3：在Simulink中建立进气歧管的压力变化率模型，得到进气歧管的压力变化率，并对压力变化率进行积分得到进气歧管的压力值；
S4：在Simulink中建立进气门处的空气质量流量模型，并利用S2中得到的节气门处的空气质量流量、S3中得到的进气歧管的压力值，计算进气门处的空气质量流量；
S5：在Simulink中建立空燃比计算模型，
S6：根据S4中进气门的空气质量流量，建立基本喷油脉宽的计算模型，并计算基本喷油脉宽；
S7：将得到基本喷油脉宽传输至AMEsim仿真平台中模拟得出喷油量，并将喷油量传输给Simulink中；
S8：利用S5中建立的空燃比计算模型，计算实际空燃比；
S9：判断实际空燃比与预期空燃比的误差是否在误差范围内，若不在，则通过模糊PID控制器调节喷油脉宽；
S10：计算调节后的喷油脉宽，并传输至AMEsim仿真平台中模拟得出喷油量，并将喷油量传输给Simulink中的空燃比计算模型，计算实际空燃比，再重复步骤S9-S10；
优选地，步骤S1中所述在AMEsim仿真平台中搭建四缸发动机模拟模型包括以下步骤：S1.1：搭建进排气管路模拟模型：在仿真平台中设置进排气管路参数和容腔模块，所述排气管路参数包括温度、压力、流量以及管路中节气门开度，所述容腔模块包括容腔体积、容腔压力、容腔温度；
S1.2：搭建燃烧室模拟模型：利用平台元件库中的元件，通过元件之间的连接最终搭建出所需要的模拟模型，其中喷油器选择直接喷射喷油器，直接喷射喷油器的控制因素有注射压力、注入持续时间；燃烧室选择可变容积的热气动容腔，燃烧室的燃烧模型为SI点燃，其中状态变量有：压力、温度和混合气成分，燃烧室上的端口外部变量有：点火、曲轴转角；缸盖温度、缸体温度、活塞温度；主轴连接处有角位移传感器、扭矩传感器、角速度传感器；
S1.3：搭建与Simulink数据传输的接口：所述AMEsim与Simulink的传递介质为Visual Studio编译器，在AMEsim软件中通过Interface模块，生成扩展名为“.mexw64”的仿真接口文件；
优选地，步骤S2中所述节气门处的空气质量流量计算模型表达式为：
其中表示节气门处的空气质量流量，At表示节气门有效流通截面积，Pa表示环境压力，R表示气体常数，Ta表示环境温度，/>表示节气门两端的压力比，Pman表示进气歧管内气体压力，k表示绝热指数；
优选地，步骤S3中所述的进气歧管的压力变化率模型表达式为：
其中进气歧管的压力变化率，R表示气体常数，Tman表示环境温度，Vman表示进气歧管容积，/>表示节气门处的空气质量流量，/>表示进入缸内的空气质量流量；
优选地，步骤S4中所述的进气门处的空气质量流量模型表达式为：
其中Qa、表示进入缸内的空气质量流量，n表示发动机转速，Pman表示进气歧管内气体压力，R表示气体常数，Tman表示环境温度，Vcyl表示发动机单缸工作容积，φc表示发动机充气效率；
优选地，步骤S6中所述基本喷油脉宽的计算模型表达式为：
其中t表示基本喷油脉宽，表示进入缸内的空气质量流量，n表示发动机转速，a、b均为喷油量与喷油脉宽之间线性关系的系数；
优选地，步骤S5与S8中所述的空燃比计算模型表达式为：
其中AFR表示空燃比，Qa表示进入缸内的空气质量流量，Qf表示喷油量；
优选地，步骤S9中所述的通过模糊PID控制器调节喷油脉宽具体为将实际空燃比与预期空燃比的误差和误差变化率作为模糊PID控制器的输入，通过模糊PID控制器得出喷油脉宽的调节量，来调节喷油脉宽值；
优选地，步骤S9中所述误差范围为5％；
优选地，步骤S10中所述的调节后的喷油脉宽计算表达式为：
T＝t+Δt
其中T表示调节后的喷油脉宽，t表示基本喷油脉宽，Δt表示喷油脉宽的调节量。
本发明与现有技术相比，有益效果在于，基于AMEsim仿真平台搭建四缸发动机模拟模型，能够深入的进行仿真计算和分析，并采用喷油脉宽作为空燃比的调节指标，能够更加精准的控制空燃比，本方法可以快速、精准地对航发空燃比控制进行仿真分析，同时降低了实验成本和周期。
附图说明
图1是本发明一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法流程图。
图2是本发明实施例中在AMEsim仿真平台中四缸发动机模拟模型示意图。
具体实施方式
本实施例的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：在AMEsim仿真平台中搭建如图2所示的四缸发动机模拟模型；
S1.1：搭建进排气管路模拟模型：在仿真平台中设置进排气管路参数和容腔模块，所述排气管路参数包括温度、压力、流量以及管路中节气门开度，所述容腔模块包括容腔体积、容腔压力、容腔温度；
S1.2：搭建燃烧室模拟模型：利用平台元件库中的元件，通过元件之间的连接最终搭建出所需要的模拟模型，其中喷油器选择直接喷射喷油器，直接喷射喷油器的控制因素有注射压力、注入持续时间；燃烧室选择可变容积的热气动容腔，燃烧室的燃烧模型为SI点燃，其中状态变量有：压力、温度和混合气成分，燃烧室上的端口外部变量有：点火、曲轴转角；缸盖温度、缸体温度、活塞温度；主轴连接处有角位移传感器(角度和旋转速度)、扭矩传感器、角速度传感器；
S1.3：搭建与Simulink数据传输的接口：所述AMEsim与Simulink的传递介质为Visual Studio编译器，在AMEsim软件中通过Interface模块，生成扩展名为“.mexw64”的仿真接口文件；
S2：在Simulink中建立节气门处的空气质量流量计算模型，计算节气门处的空气质量流量；
所述节气门处的空气质量流量计算模型表达式为：
其中表示节气门处的空气质量流量，At表示节气门有效流通截面积，Pa表示环境压力，R表示气体常数，Ta表示环境温度，/>表示节气门两端的压力比，Pman表示进气歧管内气体压力，k表示绝热指数；
S3：在Simulink中建立进气歧管的压力变化率模型，得到进气歧管的压力变化率，并对压力变化率进行积分得到进气歧管的压力值；
所述的进气歧管的压力变化率模型表达式为：
其中进气歧管的压力变化率，R表示气体常数，Tman表示环境温度，Vman表示进气歧管容积，/>表示节气门处的空气质量流量，/>表示进入缸内的空气质量流量；
S4：在Simulink中建立进气门处的空气质量流量模型，并利用S2中得到的节气门处的空气质量流量、S3中得到的进气歧管的压力值，计算进气门处的空气质量流量，即为进入缸内的空气质量流量；
进气门处的空气质量流量模型表达式为：
其中Qa、表示进入缸内的空气质量流量，n表示发动机转速，Pman表示进气歧管内气体压力，R表示气体常数，Tman表示环境温度，Vcyl表示发动机单缸工作容积，φc表示发动机充气效率；
S5：在Simulink中建立空燃比计算模型，所述的空燃比计算模型表达式为：
其中AFR表示空燃比，Qa表示进入缸内的空气质量流量，Qf表示喷油量；
S6：根据S4中进气门的空气质量流量，建立基本喷油脉宽的计算模型，并计算基本喷油脉宽；
所述基本喷油脉宽的计算模型表达式为：
其中t表示基本喷油脉宽，表示进入缸内的空气质量流量，n表示发动机转速，a、b均为喷油量与喷油脉宽之间线性关系的系数；
S7：将得到基本喷油脉宽传输至AMEsim仿真平台中模拟得出喷油量，并将喷油量传输给Simulink中；
S8：利用S5中建立的空燃比计算模型，计算实际空燃比；
S9：判断实际空燃比与预期空燃比的误差是否在5％内，若不在，则通过模糊PID控制器调节喷油脉宽，具体为将实际空燃比与预期空燃比的误差和误差变化率作为模糊PID控制器的输入，通过模糊PID控制器得出喷油脉宽的调节量，来调节喷油脉宽值，其中误差为实际空燃比与预期空燃比之差的绝对值与预期空燃比的比值。
S10：计算调节后的喷油脉宽，并传输至AMEsim仿真平台中模拟得出喷油量，并将喷油量传输给Simulink中的空燃比计算模型，计算实际空燃比，再重复步骤S9-S10；
所述的调节后的喷油脉宽计算表达式为：
T＝t+Δt
其中T表示调节后的喷油脉宽，t表示基本喷油脉宽，Δt表示喷油脉宽的调节量。
本发明与现有技术相比，有益效果在于，基于AMEsim仿真平台搭建四缸发动机模拟模型，能够深入的进行仿真计算和分析，并采用喷油脉宽作为空燃比的调节指标，能够更加精准的控制空燃比，本方法可以快速、精准地对航发空燃比控制进行仿真分析，同时降低了实验成本和周期。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在AMEsim仿真平台中搭建四缸发动机模拟模型；
S2：在Simulink中建立节气门处的空气质量流量计算模型，计算节气门处的空气质量流量；
S3：在Simulink中建立进气歧管的压力变化率模型，得到进气歧管的压力变化率，并对压力变化率进行积分得到进气歧管的压力值；
S4：在Simulink中建立进气门处的空气质量流量模型，并利用S2中得到的节气门处的空气质量流量、S3中得到的进气歧管的压力值，计算进气门处的空气质量流量；
S5：在Simulink中建立空燃比计算模型；
S6：根据S4中进气门的空气质量流量，建立基本喷油脉宽的计算模型，并计算基本喷油脉宽；
S7：将得到基本喷油脉宽传输至AMEsim仿真平台中模拟得出喷油量，并将喷油量传输给Simulink中；
S8：利用S5中建立的空燃比计算模型，计算实际空燃比；
S9：判断实际空燃比与预期空燃比的误差是否在误差范围内，若不在，则通过模糊PID控制器调节喷油脉宽；
S10：计算调节后的喷油脉宽，并传输至AMEsim仿真平台中模拟得出喷油量，并将喷油量传输给Simulink中的空燃比计算模型，计算实际空燃比，再重复步骤S9-S10。
2.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S1中所述在AMEsim仿真平台中搭建四缸发动机模拟模型包括以下步骤：
S1.1：搭建进排气管路模拟模型：在仿真平台中设置进排气管路参数和容腔模块，所述排气管路参数包括温度、压力、流量以及管路中节气门开度，所述容腔模块包括容腔体积、容腔压力、容腔温度；
S1.2：搭建燃烧室模拟模型：利用平台元件库中的元件，通过元件之间的连接最终搭建出所需要的模拟模型，其中喷油器选择直接喷射喷油器，直接喷射喷油器的控制因素有注射压力、注入持续时间；燃烧室选择可变容积的热气动容腔，燃烧室的燃烧模型为SI点燃，其中状态变量有：压力、温度和混合气成分，燃烧室上的端口外部变量有：点火、曲轴转角；缸盖温度、缸体温度、活塞温度；主轴连接处有角位移传感器、扭矩传感器、角速度传感器；
S1.3：搭建与Simulink数据传输的接口：所述AMEsim与Simulink的传递介质为VisualStudio编译器，在AMEsim软件中通过Interface模块，生成扩展名为“.mexw64”的仿真接口文件。
3.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S2中所述节气门处的空气质量流量计算模型表达式为：
其中表示节气门处的空气质量流量，At表示节气门有效流通截面积，Pa表示环境压力，R表示气体常数，Ta表示环境温度，/>表示节气门两端的压力比，Pman表示进气歧管内气体压力，k表示绝热指数。
4.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S3中所述的进气歧管的压力变化率模型表达式为：
其中Pman进气歧管的压力变化率，R表示气体常数，Tman表示环境温度，Vman表示进气歧管容积，表示节气门处的空气质量流量，/>表示进入缸内的空气质量流量。
5.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S4中所述的进气门处的空气质量流量模型表达式为：
其中Qa、表示进入缸内的空气质量流量，n表示发动机转速，Pman表示进气歧管内气体压力，R表示气体常数，Tman表示环境温度，Vcyl表示发动机单缸工作容积，φc表示发动机充气效率。
6.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S6中所述基本喷油脉宽的计算模型表达式为：
其中t表示基本喷油脉宽，表示进入缸内的空气质量流量，n表示发动机转速，a、b均为喷油量与喷油脉宽之间线性关系的系数。
7.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S5与S8中所述的空燃比计算模型表达式为：
其中AFR表示空燃比，Qa表示进入缸内的空气质量流量，Qf表示喷油量。
8.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S9中所述的通过模糊PID控制器调节喷油脉宽具体为将实际空燃比与预期空燃比的误差和误差变化率作为模糊PID控制器的输入，通过模糊PID控制器得出喷油脉宽的调节量，来调节喷油脉宽值。
9.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S9中所述误差范围为5％。
10.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim/Simulink联合仿真的航空发动机空燃比控制方法，其特征在于，步骤S10中所述的调节后的喷油脉宽计算表达式为：
T＝t+Δt
其中T表示调节后的喷油脉宽，t表示基本喷油脉宽，Δt表示喷油脉宽的调节量。
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