Stateflow在柴油机排气阀仿真的应用

严长城　应贵平　徐东洋

摘要：排气阀是柴油机的重要部件，排气阀精确性，对柴油机尾气的排放产生重要的影响。该文以RT-flex电控柴油机排气阀为模型，根据柴油机排气阀的运动过程，提取它的数学模型，用matlab/simulink、stateflow对其进行仿真建模。

关键词：排气阀；simulink；stateflow；仿真；建模

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）30-7214-03

排气阀控制单元简称VCU，它也是CYL-EU的执行器，首先WECS通过曲轴转角传感器送来的曲轴转角信号判断何时发出打开排气阀信号，VDM收到信号后便给共轨电磁阀的下端通电，阀芯在电磁力的作用向下移动，接通共轨电磁阀前等待的控制油，关闭回油通路，伺服油通过排气控制阀内部油路通道作用在VCU排气控制活塞的下部，推动活塞向上运动压缩来自主轴承的滑油，让增压的滑油作用于排气阀顶部，克服空气弹簧的作用力打开排气阀；当WECS发出关闭排气阀信号后，共轨电磁阀上端通电，阀芯在电磁力的作用下迅速关闭伺服油通路，并打开回油通路，双头活塞失去伺服油压立即回落，从而导致作用在排气阀上的滑油压力下降，排气阀在空气弹簧的作用下落座。排气控制阀与上面讲的喷射控制阀的功能类似，排气阀的动作情况由两个位置传感器测定。[1]

1 提取排气阀的运动过程方程

由于条件有限，不可能从柴油机整体地角度考虑排气阀的运动，完成对排气阀的精确控制，只选取排气阀的运动过程作为研究对象，排气阀的运动过程分为打开和关闭过程，打开过程中，伺服油通过共轨电磁阀流到活塞处，使活塞向上运动，使活塞上端产生很高的压力，活塞上端与排气阀上端联通，压力相等，促使排气阀克服空气弹簧阻力向下运动，使排气阀打开，关闭过程中，伺服油共轨压力减小，空气弹簧克服摩擦力与排气阀上端油压，上端油压使活塞向下运动，伺服油通过共轨电子阀流到油箱，排气阀的运动框图如下：

1.1 提取排气阀开启过程的方程

1） 控制活塞芯（piston）的运动方程：

[PAp-PmAp=mpXp+fXp] （1）

P为共轨压力，[Ap]控制活塞芯的面积，[Pm]控制活塞芯上方的压力，[mp]控制活塞芯的质量，f为摩擦阻尼系数，[xp]为控制活塞芯的位移。

2） 排气阀芯的运动方程：[PmAv-PaAa=mvXv+fXv ] （2）

由于控制活塞芯上方与排气阀活塞芯是连通的，所以上方的压力也是[Pm]，[Av]是排气阀芯上方的面积，[Pa]是空气弹簧的压力，[Aa]是下方与空气弹簧接触的阀芯的面积，[Xv]是排气阀芯的位移，[mv]是排气阀芯的质量。

3） 由于控制活塞与排气活塞由根油管连接，两端根据连续性方程知：

[XPAP=XvAv] （3）

由（1） 、（2） 、（3） 知

[PAv-PaAa=[mv+mpAvAP2]Xv+[f+AvAP2f]Xv] （4）

1.2 排气阀关闭过程：

控制活塞芯的运动方程：[PmAp-P‘Ap-fXp=mpXp] （5）

排气阀芯的运动方程：[PaAa-PmAv-fXv=mvXv] （6）

根据连续性状态方程有：[XPAP=XvAv]代入上面两式得出排气阀的工作过程方程：

[PaAa-P'Av=[mv+mpAvAP2]Xv+[f+AvAP2f]Xv] （7）

由于此时的[Xv]与开启过程的运动方程相反，而列该公式的时候设定方向与开启过程相反，现已排气阀开启过程方向为正，则上面的公式可变为：

[P'Av-PaAa=mv+mpAvAP2Xv+f+AvAP2fXv] （8）

上式即为排气阀的关闭的运动方程式，该排气阀的关闭的运动方程与开启运动方程形式一摸一样，唯一不同的就是轨压[P]变为了[P]，设此时[P]为零。

考虑空气弹簧里的空气不泄露，并且也不补充，温度保持不变，将气体看成理想气体，根据理想状态气体方程由：

[PaV=mRTV=Aal-Xv]

即：[Pa=mRTAal-XvPa=mRTAal-Xv2Xv] （9）

上式为空气弹簧力的变化率。

2 运用matalb/simulink、stateflow进行数学建模

由于排气阀参数难找，下面的数值只是大致的估计值。模型中代表的参数符号与及各参数数值与上面的公式一一对应。

Stateflow是基于有限状态机上的建模，在matlab/simulink的基础之上通过状态流程和事件驱动对离散系统进行仿真。

2.1 运用如上公式所建模型如下[2][3]

3 所建模型及图形曲线结论分析

所建模型将排气阀的开闭过程通关stateflow状态机分成开与关两个状态，打开过程是在140-210度，在打开过程中，触发If action subsystem动作，产生了排气阀打开曲线，当开到最大值时，排气阀开着一段时间，如图四平稳曲线，当曲轴转角大于210度时，发出信号使排气阀关闭，作用于If action subsystem1系统，产生排气阀关闭的曲线，如图二下降的部分。但其关闭的过程始终在360度之内，即如图始终在两秒内，图五满足条件。

参考文献：

[1] 赵辉.船用高压共轨柴油机共轨系统建模与仿真研究[D].大连：大连海事大学轮机工程系，2012.

[2] 李颖.simulink动态系统建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3] 张威.stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[4] 张德丰.详解MATLAB图形绘制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.endprint

摘要：排气阀是柴油机的重要部件，排气阀精确性，对柴油机尾气的排放产生重要的影响。该文以RT-flex电控柴油机排气阀为模型，根据柴油机排气阀的运动过程，提取它的数学模型，用matlab/simulink、stateflow对其进行仿真建模。

关键词：排气阀；simulink；stateflow；仿真；建模

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）30-7214-03

排气阀控制单元简称VCU，它也是CYL-EU的执行器，首先WECS通过曲轴转角传感器送来的曲轴转角信号判断何时发出打开排气阀信号，VDM收到信号后便给共轨电磁阀的下端通电，阀芯在电磁力的作用向下移动，接通共轨电磁阀前等待的控制油，关闭回油通路，伺服油通过排气控制阀内部油路通道作用在VCU排气控制活塞的下部，推动活塞向上运动压缩来自主轴承的滑油，让增压的滑油作用于排气阀顶部，克服空气弹簧的作用力打开排气阀；当WECS发出关闭排气阀信号后，共轨电磁阀上端通电，阀芯在电磁力的作用下迅速关闭伺服油通路，并打开回油通路，双头活塞失去伺服油压立即回落，从而导致作用在排气阀上的滑油压力下降，排气阀在空气弹簧的作用下落座。排气控制阀与上面讲的喷射控制阀的功能类似，排气阀的动作情况由两个位置传感器测定。[1]

1 提取排气阀的运动过程方程

由于条件有限，不可能从柴油机整体地角度考虑排气阀的运动，完成对排气阀的精确控制，只选取排气阀的运动过程作为研究对象，排气阀的运动过程分为打开和关闭过程，打开过程中，伺服油通过共轨电磁阀流到活塞处，使活塞向上运动，使活塞上端产生很高的压力，活塞上端与排气阀上端联通，压力相等，促使排气阀克服空气弹簧阻力向下运动，使排气阀打开，关闭过程中，伺服油共轨压力减小，空气弹簧克服摩擦力与排气阀上端油压，上端油压使活塞向下运动，伺服油通过共轨电子阀流到油箱，排气阀的运动框图如下：

1.1 提取排气阀开启过程的方程

1） 控制活塞芯（piston）的运动方程：

[PAp-PmAp=mpXp+fXp] （1）

P为共轨压力，[Ap]控制活塞芯的面积，[Pm]控制活塞芯上方的压力，[mp]控制活塞芯的质量，f为摩擦阻尼系数，[xp]为控制活塞芯的位移。

2） 排气阀芯的运动方程：[PmAv-PaAa=mvXv+fXv ] （2）

由于控制活塞芯上方与排气阀活塞芯是连通的，所以上方的压力也是[Pm]，[Av]是排气阀芯上方的面积，[Pa]是空气弹簧的压力，[Aa]是下方与空气弹簧接触的阀芯的面积，[Xv]是排气阀芯的位移，[mv]是排气阀芯的质量。

3） 由于控制活塞与排气活塞由根油管连接，两端根据连续性方程知：

[XPAP=XvAv] （3）

由（1） 、（2） 、（3） 知

[PAv-PaAa=[mv+mpAvAP2]Xv+[f+AvAP2f]Xv] （4）

1.2 排气阀关闭过程：

控制活塞芯的运动方程：[PmAp-P‘Ap-fXp=mpXp] （5）

排气阀芯的运动方程：[PaAa-PmAv-fXv=mvXv] （6）

根据连续性状态方程有：[XPAP=XvAv]代入上面两式得出排气阀的工作过程方程：

[PaAa-P'Av=[mv+mpAvAP2]Xv+[f+AvAP2f]Xv] （7）

由于此时的[Xv]与开启过程的运动方程相反，而列该公式的时候设定方向与开启过程相反，现已排气阀开启过程方向为正，则上面的公式可变为：

[P'Av-PaAa=mv+mpAvAP2Xv+f+AvAP2fXv] （8）

上式即为排气阀的关闭的运动方程式，该排气阀的关闭的运动方程与开启运动方程形式一摸一样，唯一不同的就是轨压[P]变为了[P]，设此时[P]为零。

考虑空气弹簧里的空气不泄露，并且也不补充，温度保持不变，将气体看成理想气体，根据理想状态气体方程由：

[PaV=mRTV=Aal-Xv]

即：[Pa=mRTAal-XvPa=mRTAal-Xv2Xv] （9）

上式为空气弹簧力的变化率。

2 运用matalb/simulink、stateflow进行数学建模

由于排气阀参数难找，下面的数值只是大致的估计值。模型中代表的参数符号与及各参数数值与上面的公式一一对应。

Stateflow是基于有限状态机上的建模，在matlab/simulink的基础之上通过状态流程和事件驱动对离散系统进行仿真。

2.1 运用如上公式所建模型如下[2][3]

3 所建模型及图形曲线结论分析

所建模型将排气阀的开闭过程通关stateflow状态机分成开与关两个状态，打开过程是在140-210度，在打开过程中，触发If action subsystem动作，产生了排气阀打开曲线，当开到最大值时，排气阀开着一段时间，如图四平稳曲线，当曲轴转角大于210度时，发出信号使排气阀关闭，作用于If action subsystem1系统，产生排气阀关闭的曲线，如图二下降的部分。但其关闭的过程始终在360度之内，即如图始终在两秒内，图五满足条件。

参考文献：

[1] 赵辉.船用高压共轨柴油机共轨系统建模与仿真研究[D].大连：大连海事大学轮机工程系，2012.

[2] 李颖.simulink动态系统建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3] 张威.stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[4] 张德丰.详解MATLAB图形绘制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.endprint

摘要：排气阀是柴油机的重要部件，排气阀精确性，对柴油机尾气的排放产生重要的影响。该文以RT-flex电控柴油机排气阀为模型，根据柴油机排气阀的运动过程，提取它的数学模型，用matlab/simulink、stateflow对其进行仿真建模。

关键词：排气阀；simulink；stateflow；仿真；建模

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）30-7214-03

排气阀控制单元简称VCU，它也是CYL-EU的执行器，首先WECS通过曲轴转角传感器送来的曲轴转角信号判断何时发出打开排气阀信号，VDM收到信号后便给共轨电磁阀的下端通电，阀芯在电磁力的作用向下移动，接通共轨电磁阀前等待的控制油，关闭回油通路，伺服油通过排气控制阀内部油路通道作用在VCU排气控制活塞的下部，推动活塞向上运动压缩来自主轴承的滑油，让增压的滑油作用于排气阀顶部，克服空气弹簧的作用力打开排气阀；当WECS发出关闭排气阀信号后，共轨电磁阀上端通电，阀芯在电磁力的作用下迅速关闭伺服油通路，并打开回油通路，双头活塞失去伺服油压立即回落，从而导致作用在排气阀上的滑油压力下降，排气阀在空气弹簧的作用下落座。排气控制阀与上面讲的喷射控制阀的功能类似，排气阀的动作情况由两个位置传感器测定。[1]

1 提取排气阀的运动过程方程

由于条件有限，不可能从柴油机整体地角度考虑排气阀的运动，完成对排气阀的精确控制，只选取排气阀的运动过程作为研究对象，排气阀的运动过程分为打开和关闭过程，打开过程中，伺服油通过共轨电磁阀流到活塞处，使活塞向上运动，使活塞上端产生很高的压力，活塞上端与排气阀上端联通，压力相等，促使排气阀克服空气弹簧阻力向下运动，使排气阀打开，关闭过程中，伺服油共轨压力减小，空气弹簧克服摩擦力与排气阀上端油压，上端油压使活塞向下运动，伺服油通过共轨电子阀流到油箱，排气阀的运动框图如下：

1.1 提取排气阀开启过程的方程

1） 控制活塞芯（piston）的运动方程：

[PAp-PmAp=mpXp+fXp] （1）

P为共轨压力，[Ap]控制活塞芯的面积，[Pm]控制活塞芯上方的压力，[mp]控制活塞芯的质量，f为摩擦阻尼系数，[xp]为控制活塞芯的位移。

2） 排气阀芯的运动方程：[PmAv-PaAa=mvXv+fXv ] （2）

由于控制活塞芯上方与排气阀活塞芯是连通的，所以上方的压力也是[Pm]，[Av]是排气阀芯上方的面积，[Pa]是空气弹簧的压力，[Aa]是下方与空气弹簧接触的阀芯的面积，[Xv]是排气阀芯的位移，[mv]是排气阀芯的质量。

3） 由于控制活塞与排气活塞由根油管连接，两端根据连续性方程知：

[XPAP=XvAv] （3）

由（1） 、（2） 、（3） 知

[PAv-PaAa=[mv+mpAvAP2]Xv+[f+AvAP2f]Xv] （4）

1.2 排气阀关闭过程：

控制活塞芯的运动方程：[PmAp-P‘Ap-fXp=mpXp] （5）

排气阀芯的运动方程：[PaAa-PmAv-fXv=mvXv] （6）

根据连续性状态方程有：[XPAP=XvAv]代入上面两式得出排气阀的工作过程方程：

[PaAa-P'Av=[mv+mpAvAP2]Xv+[f+AvAP2f]Xv] （7）

由于此时的[Xv]与开启过程的运动方程相反，而列该公式的时候设定方向与开启过程相反，现已排气阀开启过程方向为正，则上面的公式可变为：

[P'Av-PaAa=mv+mpAvAP2Xv+f+AvAP2fXv] （8）

上式即为排气阀的关闭的运动方程式，该排气阀的关闭的运动方程与开启运动方程形式一摸一样，唯一不同的就是轨压[P]变为了[P]，设此时[P]为零。

考虑空气弹簧里的空气不泄露，并且也不补充，温度保持不变，将气体看成理想气体，根据理想状态气体方程由：

[PaV=mRTV=Aal-Xv]

即：[Pa=mRTAal-XvPa=mRTAal-Xv2Xv] （9）

上式为空气弹簧力的变化率。

2 运用matalb/simulink、stateflow进行数学建模

由于排气阀参数难找，下面的数值只是大致的估计值。模型中代表的参数符号与及各参数数值与上面的公式一一对应。

Stateflow是基于有限状态机上的建模，在matlab/simulink的基础之上通过状态流程和事件驱动对离散系统进行仿真。

2.1 运用如上公式所建模型如下[2][3]

3 所建模型及图形曲线结论分析

所建模型将排气阀的开闭过程通关stateflow状态机分成开与关两个状态，打开过程是在140-210度，在打开过程中，触发If action subsystem动作，产生了排气阀打开曲线，当开到最大值时，排气阀开着一段时间，如图四平稳曲线，当曲轴转角大于210度时，发出信号使排气阀关闭，作用于If action subsystem1系统，产生排气阀关闭的曲线，如图二下降的部分。但其关闭的过程始终在360度之内，即如图始终在两秒内，图五满足条件。

参考文献：

[1] 赵辉.船用高压共轨柴油机共轨系统建模与仿真研究[D].大连：大连海事大学轮机工程系，2012.

[2] 李颖.simulink动态系统建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3] 张威.stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[4] 张德丰.详解MATLAB图形绘制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.endprint