发明授权：汽车发动机热管理系统建模及控制方法

1.一种汽车发动机热管理系统建模及控制方法,其特征在于：(1)根据发动机热管理系统的结构、原理及可测量的信号,建立系统的动力学模型；(2)从对流换热及辐射换热机理出发,推导出动力学模型中三个中间变量的独立且可测的变量,中间变量包括：发动机气缸对内壁的加热功率、发动机水套与冷却液对流换热系数及散热器的散热功率,并根据实验数据建立该三个中间变量的拟合模型或脉谱图模型；(3)根据系统的动力学模型推导出系统的逆动力学模型,作为前馈控制器,计算系统稳态时的控制量；(4)根据系统的动力学模型设计史密斯预估器,补偿系统的纯时滞环节；(5)设计PD反馈控制器,根据控制输出的偏差调节系统瞬态时的控制量；所述的发动机热管理系统的结构及原理：机械水泵将散热器中的冷却液泵入发动机水套,吸收发动机燃烧及摩擦产生的热量,然后流回散热器,在风扇的作用下向环境散热,机械水泵与发动机曲轴刚性连接,其流量与发动机转速相关,电子风扇转速由ECU控制,ECU采集冷却液流量mc、发动机出入口冷却液温度Tout及Tin、进气量mea及转速信号N,同时,从车辆控制单元接收车速V及环境温度信号Tenv,根据发动机入口参考冷却液温度Tin_ref,计算出风扇的转速Nfan；所述的动力学模型的建立：①热管理系统控制：发动机热管理系统可测量信号有发动机冷却液流量、发动机入口及出口冷却液温度,控制量为风扇转速,输出量为发动机入口冷却液温度,控制目标为：在不同发动机进气量、转速、车速及环境温度下,跟踪发动机入口冷却液温度；②动力学模型的建立：(1)状态方程：Qgf,w_in为发动机气缸对内壁的加热功率,Qw_in,c为内壁对冷却液加热功率,Qc,w_out为冷却液向外壁加热功率,Qw_out,env为外壁向环境散热功率,Tw_in为内壁平均温度,Tw_out为外壁平均温度；将内壁平均温度Tw_in及外壁平均温度Tw_out分别视为集总参数,根据热力学第一定律,Tw_in及Tw_out的动态方程表示如下： 上式中,Cw_out及Cw_in分别为外壁及内壁热容；由于外壁向环境散热功率Qw_out,env相对很小,且较难测得,故将其忽略；气缸对内壁加热功率Qgf,w_in的建立是从对流换热及辐射换热机理出发,推导出与Qgf,w_in相关的独立且可测的变量,Qgf,w_in表示为Qgf,w_in＝f1(mea,N,Tin,mc) (1)上式中,mea为发动机单位时间进气量,N为发动机转速,Tin为发动机入口冷却液温度,mc为冷却液流量；根据对流换热公式,冷却液向外壁散热功率Qc,w_out及内壁对冷却液加热功率Qw_in,c表示为Qc,w_out＝h·Ac,w_out·(Tc-Tw_out) (2)Qw_in,c＝h·Aw_in,c·(Tw_in-Tc) (3)上式中,Ac,w_out及Aw_in,c分别为外壁和内壁与冷却液的换热面积；外壁和内壁与冷却液对流换热系数h的建立是从对流换热机理出发,推导出与h相关的独立且可测的变量h表示为h＝f2(mea,N,Tin,mc) (4)发动机内冷却液平均温度Tc表示为Tc＝(Tin+Tout)/2 (5)将热管理系统中的冷却液温度视作集总参数,用发动机入口冷却液温度Tin近似表示,Tin的动态方程表示如下 上式中,Cc为系统内冷却液热容；散热器散热功率Qr的动态过程相比热管理系统的动态过程很小,因此,忽略其动态过程,建立稳态模型；Qr的建立是从对流换热机理出发,推导出与Qr相关的独立且可测的变量,Qr表示为Qr＝f3(mc,Tr_in,Vra,Tenv) (7)上式中,Vra为散热器入口空气体积流量,Vra表示为Vra＝f4(V,Nfan,Tenv) (8)Tr_in为散热器入口冷却液温度,是由发动机出口冷却液温度Tout延迟时间t1得到,Tr_in表示为Tr_in(t)＝Tout(t-t1) (9)其中,t1是冷却液从发动机出口到散热器入口的延迟时间,t1表示为t1＝f5(mc) (10)；(2)Qgf,w_in模型气缸对内壁的加热功率Qgf,w_in主要由燃烧加热功率Qcomb及摩擦加热功率Qfric组成,即Qgf,w_in＝Qcomb+Qfric (11)燃烧气体对发动机内壁的加热方式为对流换热及辐射换热,因此,燃烧加热功率Qcomb可以描述为 上式中,Acyl是燃烧气体与内壁换热面积,C0为黑体辐射系数,∈g为燃烧气体辐射传热发射率,αg为内壁辐射传热吸收率；燃烧气体与内壁换热系数hcyl近似为燃烧气体温度Tcomb与气缸内气流运动速度va_cyl的函数,即hcyl＝f6(va_cyl,Tcomb) (13)燃烧气体温度Tcomb与发动机单位时间进气量相关,即Tcomb＝f7(mea) (14)气缸内气流运动速度va_cyl与发动机进气量mea及转速N相关,即va_cyl＝f8(mea,N) (15)将公式(16)及(17)代入(15),得hcyl的表达式hcyl＝f9(mea,N) (16)将公式(16)及(18)代入(14),得燃烧气体对内壁的加热功率Qcomb的表达式为Qcomb＝f10(mea,N,Tw_in) (17)又因为摩擦对内壁加热功率Qfric为转速N的单变量函数,即Qfric＝f11(N) (18)因此,将公式(19)及(20)代入(13),得Qgf,w_in的表达式为Qgf,w_in＝f12(mea,N,Tw_in) (19)由于公式(21)中的Tw_in无法测量,而观测值有可能出现误差或扰动,导致Qg,f,w_in不准,因此,继续对公式(21)推导,尝试用可测量的变量代替Tw_in；因为对流换热系数h主要为冷却液温度及流量的函数h＝f13(mc,Tc) (20)将公式(22)代入(5),得到Qw_in,c表达式为Qw_in,c＝f14(mc,Tc,Tw_in) (21)将公式(21)及(23)代入公式(2),得Tw_in的表达式为Tw_in＝f15(mea,N,mc,Tc) (22)将公式(24)代入(21),得Qgf,ω_in表达式Qgf,ω_in＝f16(mea,N,mc,Tc) (23)将公式(24)代入(23),得Qw_in,c表达式Qw_in,c＝f17(mea,N,mc,Tc) (24)发动机入口冷却液温度Tin与出口冷却液温度Tout的稳态关系为 上式中,cp为冷却液比热容；将公式(26)代人(27),并将(27)代入(7),则发动机内平均冷却液温度Tc可表示为Tc＝f18(mea,N,mc,Tin) (26)将公式(28)代入(25),得Qgf,w_in最终表达式为Qgf,w_in＝f19(mea,N,mc,Tin) (27)；(3)h模型对流换热系数h表达式为h＝f20(uc,l,ρ,η,k,cp) (28)其中,冷却液流速uc为流量mc及温度Tc的函数,即uc＝f21(mc,Tc) (29)发动机与冷却液对流换热特征长度l为常值；冷却液密度ρ、动力粘度η、热导率k及比热容cp近似为冷却液温度Tc的单变量函数[ρη,κ,cp]＝f22(Tc) (30)因此,对流换热系数h表示为h＝f23(mc,Tc) (31)经验证,拟合函数f23在全工况下误差为15％,而经验证发现,在固定发动机工况点拟合函数f23时精度较高,误差小于3％,因此,将发动机工况变量作为对流换热系数变量,则h表示为h＝f24(mea,N,mc,Tc) (32)进一步简化,将公式(28)代入(34),得h最终表达式h＝f25(mea,N,mc,Tin) (33)；(4)Qr模型散热器与冷却液换热系数hc_r是冷却液流量mc及散热器内平均冷却液温度Trc的函数,hc_r表示为hc_r＝f26(mc,Trc) (34)散热器与环境换热系数hr_a是空气质量流量mra及流经散热器的空气平均温度Ta_ave的函数,hr_a表示为hr_a＝f27(mra,Ta_ave) (35)散热器内平均冷却液温度Trc及流经散热器的平均空气温度Ta_ave近似为Trc＝(Tr_in+Tr_out)/2 (36)Ta_ave＝(Tenv+Ta_out)/2 (37)上式中,Tr_in及Tr_out为散热器入口及出口冷却液温度,Tenv为环境温度,即散热器入口空气温度,Ta_out为散热器出口空气温度；散热器与冷却液换热功率Qc_r及散热器与空气换热功率Qr_a可以表示为Qc_r＝hc_r·Ac_r·(Trc-Tr) (38)Qr_a＝hr_a·Ar_a·(Tr-Ta_ave) (39)上式中,Ac_r及Ar_a分别为冷却液与散热器换热面积和散热器与空气换热面积,Tr为散热器本体平均温度；将散热器本体温度Tr视作集总参数,Tr的动态方程表示为 上式中,Cr为散热器热容；将公式(36)及(37)分别代入(40)及(41),并将公式(40)及(41)代入(42),则散热器本体温度Tr表达式为Tr＝f28(Trc,mc,Ta_ave,mra) (41)将公式(43)分别代入公式(40)及(41),则散热器与冷却液换热功率Qc_r及散热器与空气换热功率Qr_a可表示为Qc_r＝f29(Trc,mc,Ta_ave,mra) (42)Qr_a＝f30(Trc,mc,Ta_ave,mra) (43)散热器出口冷却液温度Tr_out及出口空气温度Ta_out稳态方程为 上式中,cp_a为空气比热容；将公式(44)代入(46),并将公式(46)代入(38),则散热器内平均冷却液温度Trc可表示为Trc＝f31(Tr_in,mc,Ta_ave,mra) (46)将公式(45)代入(47),并将公式(47)代入(39),则流经散热器的平均控制温度Ta ave可表示为Ta_ave＝f32(Trc,mc,Ta_in,mra) (47)将公式(49)代入(48),得散热器平均冷却液温度Trc表达式Trc＝f33(Tr_in,mc,Ta_in,mra) (48)将公式(48)代入(49),得散热器平均空气温度Ta ave表达式Ta_ave＝f34(Tr_in,mc,Ta_in,mra) (49)因此,将公式(50)代入(36),将公式(51)代入(37),得冷却液与散热器对流换热系数hc_r及散热器与空气对流换热系数hr_a表达式hc_r＝f35(Tr_in,mc,Tenv,mra) (50)hr_a＝f36(Tr_in,mc,Tenv,mra) (51)散热器换热系数kr表达式为1/kr＝1/hc_r+λ/δ+1/hr_a (52)上式中,λ为散热器本体导热系数,δ为散热器壁厚；将公式(52)(53)代入(54),则kr表示为kr＝f37(Tr_in,mc,Tenv,mra) (53)散热器散热功率Qr表达式为Qr＝kr·Ar_a·(Trc-Ta_ave) (54)将公式(50)(51)及(55)代入(56),得Qr的最终表达式为Qr＝f38(Tr_in,mc,Tenv,mra) (55)或进一步推导,散热器入口空气体积流量Vra表示为 其中,散热器入口空气密度ρa表示为ρa＝f39(Tenv) (57)将公式(59)代入(58),并将公式(58)代入(57),则Qr表达式为Qr＝f40(Tr_in,mc,Tenv,Vra) (58)；控制系统设计：(1)前馈控制器设计：系统状态方程 其中,系统状态量x及控制量u分别为x＝[Tw_out Tw_in Tin]Tu＝Nfan令得Qgf,w_in-Qr＝0 (60)；通过求解方程(62)计算得到前馈控制量Nfan,s；将方程(62)转化为约束优化问题,优化问题描述如下 J＝(Qgf,w_in-Qr)2 (62)s.t.umin≤u≤umax (63)J为优化问题目标函数,其中,Qr是关于u的单调递增函数,而Qgf,w_in与u无关,视作常值；(2)史密斯预估器设计根据风扇转速、冷却液流量、发动机出口及入口冷却液温度,计算出系统无延迟时发动机的入口冷却液温度Tin_p；其中,散热器出口冷却液温度Tr_out的动态方程表示为 时间常数为tr；风扇动作后,tr为冷却液流经散热器的时间,tr表示为 其中,Vr是散热器容积；发动机入口冷却液温度Tin由散热器出口冷却液温度Tr_out延迟时间t2得到,Tin表示为Tin(t)＝Tr_out(t-t2) (66)其中,t2表示为t2＝f41(mc) (67)；(3)PD反馈控制器设计反馈采用PD反馈控制器,根据参考发动机入口冷却液温度Tin_ref与史密斯预估器得到的系统无延迟时发动机入口冷却液温度Tin_p的偏差,计算得到反馈修正量Nfan,c,继而与前馈控制器稳态控制量相加,并经饱和约束后得到瞬态时的控制量Nfan。