引擎多輸入多輸出系統識別之研究 黃俊逸、張一屏
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摘 要
本論文為自行開發設計之四行程汽油引擎動力系統控制與 動態性能評估之相關研究。在引擎動態分析中，由於控制參數與 操作變數對於引擎之性能，均有複雜之交互影響，且為多輸入與 多輸出非線性關係。現有引擎模擬程式由於涉及複雜熱流 場之變 化，無法提供引擎之即時控制使用。因此，本論文試圖以不同之 系統識別方法，建立合適之四行程汽油引擎多輸 入與輸出之動態 模型。實驗分析分別設定引擎在定負荷扭力下，改變油門開度與 轉速，以及設定引擎固定轉速模式控制 下，調整測功計之負荷扭 力與油門開度兩種控制模式。 藉由自行建立之引擎與測功計人 機介面，量測兩種模式下，引擎 之油門開度與引擎負荷扭力輸入 參數，與對應輸出之引擎轉速及進氣歧管壓力，藉各種系統識別 方法以建立與比較驗證 引擎系統動態特性之模型。 藉由利用引擎動態多輸入輸出系統識別出之動態模型，再由 輸入之量測實驗數據包括油門開 度與引擎負荷扭力隨時間之變 化，估計對引擎轉速及進氣壓力之影響。引擎識別之模型可供未 來相關性能評估與引擎管 理系統設計控制器參考。為了提高識別 計算跟隨之結果，本論文經過多次的實驗及模擬比較，得知引擎 系統的實際訊號 變化需有適當之差異性，此外，識別時選取的資 料範圍以選取全範圍資料較選取部份數據做識別結果較佳。訊號 前處理 方面，以濾波前之識別較濾波後為穩定。 在識別法方面，本論文使用了參數識別之自動回歸模型 (ARX)、自動回歸滑動平 均模型(ARMAX)、輸出誤差法(OE) 與 Box-Jenkins (BJ)等方式，以及非參數識別之頻率響應與脈衝響應 法等不同識別方法
，並且探討個別方法中相關參數與其階次之影 響。經過比較之後，在模型的建立上，以參數識別的自動回歸法 對於多輸 入輸出之引擎動態響應較不易發散，但是對於識別計算 的結果以輸出誤差模法為最容易跟隨實際訊號的突波而不至於 發 散或是被忽略過的識別法。在階次之影響方面，引擎識別並非 使用高階層才能預測出接近實際曲線的結果，適當的調整識 別參 數並加以比較，方能找出近似的模型。 在將識別出之引擎轉換為轉移函數模擬的結果發現將非線 性的引擎系統轉換 成線性化的模型時，有發散以及無法跟隨的問 題。為解決此問題，必須要先期判斷頻率響應之跟隨以及藉由極 零點圖來 判斷系統之穩定度，或是改變識別的運算模式來改進。 引擎定扭力模式及引擎定轉速模式下識別結果顯示，高油門 開度 條件下，均以輸出誤差法識別結果為最佳。 經由多方面之 實驗結果得知，定扭力狀態較定轉速的識別容易得到較佳的結 果，在處理訊號方面以未濾波的訊號所識別出的模組較為穩定不 易發散。而識別法方面則是以輸出誤差法為最容易得到較 好結果 的識別法則，但在識別後須建立模型時，則是以自動回歸法的模 組為最佳。所以在建立引擎多輸入輸出系統識別 模型時，建議以 此兩種形式為優先考量的識別法。
關鍵詞 : 引擎動態模型測試分析，多輸入輸出系統識別
目錄
封面內頁 簽名頁 授權書---iii 中文摘要---v 英文摘要---vii 誌謝---x 目錄---xi 圖目錄---xiv 表 目錄---xvii 符號表---xx 第一章 緒論---1 1.1 前言---1 1.2 文獻回顧--- 2 1.3 研究動機---5 1.4 本研究之論文大綱---5 第二章 研究方法與步驟--- 7 2.1 資料擷取之人機介面建立--- 7 2.2 訊號資料
與MATLAB 之連結---12 2.3 系統識別之原理---13 2.4 式誤差模型---17 2.4.1 自動回歸模型---17 2.4.2 線性回歸模型---20 2.4.3 自動回歸滑動平均模型---21 2.5 輸出誤差模型---23 2.5.1 輸出誤差模型--- 23 2.5.2 Box-Jenkins 模型---24 2.6 轉移函數之推算---26 2.7 系統識別的基本程序---27 2.8 研究方式---33 2.8.1 定轉速模式--- 33 2.8.2 定扭力模式--- 37 2.9 系統識別運用之指令---40 第三章 結果與討論--- 42 3.1 各種識別法之比較---42 3.1.1 ARX 法之比較--- 43 3.1.2 ARMAX 法之比較---46 3.1.3 PEM 法之比 較---49 3.1.4 BJ 法之比較--- 53 3.1.5 OE 法之比較--- 56 3.2 識別階數之影響---59 3.2.1 參數a n 之比 較--- 59 3.2.2 參數b n 之比較---60 3.3 不同引擎操作狀態之系統識別比較---61 3.3.1 定轉速情況之比 較---62 3.3.2 定扭力情況之比較---70 3.4 識別結果分析---77 第四章 結論與建議---88 4.1 結論--- 88 4.2 建議事項與未來研究項目---90 4.3 尚須處理克服之問題--- 92 參考文獻---93 附錄---96
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