–266

دانشکده مهندسي مکانيک
رساله دکتري
طراحی و توسعه ساختار کنترلر لایهبالایِ گشتاورمحورِ موتور دیزل به منظور کاهش آلایندهها و مصرف سوخت
نگارش:
کامیار نیکزادفر
استاد راهنما:
دکتر امیرحسین شامخی
اردیبهشتماه 1394

\* mergeformat
تاسيس 1307
دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي
تاييديه هيأت داوران
هيأت داوران پس از مطالعه رساله و شرکت در جلسه دفاع از رساله تهيه شده تحت عنوان : طراحی و توسعه ساختار کنترلر لایهبالایِ گشتاورمحورِ موتور دیزل به منظور کاهش آلایندهها و مصرف سوخت توسط کامیار نیکزادفر صحت و کفايت تحقيقات انجام شده را براي اخذ درجه دکتری رشته مهندسي مكانيك در تاريخ 14/2/94 مورد تأييد قرار دادند.
1- استاد راهنما: جناب آقای دکتر امیرحسین شامخی امضاء
2- استاد ممتحن: جناب آقای دکتر علی غفاری امضاء
3- استاد ممتحن: جناب آقای دکتر مسعود ضیاء بشرحق امضاء
4- استاد ممتحن: جناب آقای دکتر غلامرضا وثوقی امضاء
5- استاد ممتحن: جناب آقای دکتر عقیل یوسفیکُما امضاء
6- نماينده تحصيلات تکميلي: جناب آقای دکتر مجید بازارگان امضاء

\* mergeformat
تاسيس 1307
دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي
اظهارنامه دانشجو
اينجانب کامیار نیکزافر دانشجوي دکترای رشته مهندسي مکانيک دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي گواهي مي‌نمايم که تحقيقات ارائه شده در رساله با عنوان: طراحی و توسعه ساختار کنترلر لایهبالایِ گشتاورمحورِ موتور دیزل به منظور کاهش آلایندهها و مصرف سوخت با راهنمايي استاد محترم جناب آقاي دکتر امیرحسین شامخی توسط شخص اينجانب انجام شده است. صحت و اصالت مطالب نگارش شده در اين رساله مورد تأييد مي‌باشد. در مورد استفاده از کار ديگر محققان به مرجع مورد استفاده اشاره شده است. به علاوه گواهي مي‌نمايم که مطالب مندرج در پاياننامه تاکنون براي دريافت هيچ نوع مدرک يا امتيازي توسط اينجانب يا فرد ديگري در هيچ جا ارائه نشده است و در تدوين متن رساله چارچوب (فرمت) مصوب دانشگاه را به طور کامل رعايت کرده‌ام.
امضاء دانشجو:
تاريخ:

حق طبع، نشر و مالکيت نتايج
1- حق چاپ و تکثير اين رساله متعلق به نويسنده و استاد/استادان راهنماي آن مي‌باشد. هرگونه تصويربرداري از کل يا بخشي از پاياننامه تنها با موافقت نويسنده يا استاد/استادان راهنما يا کتابخانه دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مجاز مي‌باشد.
2- کليه حقوق معنوي اين اثر متعلق به دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مي‌باشد و بدون اجازه کتبي دانشگاه به شخص ثالث قابل واگذاري نيست.
3- استفاده از اطلاعات و نتايج موجود رساله بدون ذکر مرجع مجاز نمي‌باشد.

تقديم به پدر و مادر عزیزم
به پاس دلسوزیها و زحماتی که هرگز جبران نخواهد شد...

تشکر و قدرداني
خداوند منان را سپاس بیکران، که با حکمتی بیمثال، دنیایی پُر رمز و راز را آفرید و از سر لطف بیدریغش تاریکی جهالت را به نور علم زدود و به بشر قدرت تفکر اعطا نمود تا با نگریستن و تعقل در آن، خود و خدای خود را عمیقتر بشناسد و صد البته در این مسیر انبیاء را معلمانی دلسوز برای نوع بشر قرار داد تا با استعانت از الهامات الهی بشر را در این راه، راهنمایی نمایند. اهمیت و احترام مقام شامخ معلم نیز بواسطه گام نهادن در مسیر خودشناسی، جهانشناسی و مهمتر از همه خداشناسی است. به یقین راهی که تا کنون پیمودهام، به مدد تلاش معلمان و اساتیدی بود که با خودگذشتگی بیبدیل، مرا در راه کسب دانش و ایجاد نگرشی جدید به دنیای اطراف یاری نمودند. بر خود واجب میدانم از همه اساتیدی که از ابتدای دوران تحصیل تا پایان دوره دکتری بر حقیر حق استادی داشتهاند، تشکر نمایم. به طور خاص، در دوره دکتری از محضر اساتید بزرگواری در دانشکده مهندسی مکانیک و مهندسی برق دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین و نیز دانشکده برق و کامپیوتر دانشگاه تهران استفاده نمودم که مراتب تشکر خود را از بزرگواری همه این عزیزان ابراز میدارم.
لازم میدانم از استاد عزیزم، جناب آقای دکتر شامخی که در طول دوران تحصیل در مقطع دکتری، نه تنها به عنوان استادی فرهیخته که به عنوان برادری دلسوز مرا در لحظه لحظه این دوره یار و یاور بودند، خالصانهترین تشکرها را داشته باشم. ایشان به عنوان الگوی اخلاق و تواضع همیشه در یاد و خاطر این حقیر خواهند بود. همچنین بر خود واجب میدانم از زحمات استاد بزرگوارم، جناب آقای دکتر غفاری -که به قطع آنچه در مهندسی کنترل آموختهام حاصل دلسوزی و بزرگواری ایشان در تدریس بیمثالشان است-، نهایت سپاسگزاری را داشته باشم.
در پایان از دلسوزی و زحمات پدر و مادرم عزیزم که در طی دوران تحصیل با رفتار و منش خویش و نیز حمایتهای مادی و معنوی، مهمترین تاثیر را در شکلگیری علایق تحصیلی اینجانب داشتهاند تشکر نمایم. خالصانه بر دستان این دو عزیز بوسه میزنم و امیدوارم روزی فرصت جبران زحمات همه عزیزان فراهم گردد.
در انتها امیدوارم با اتکال به خداوند منّان در سایه الطاف آقا امام زمان(عج)، شاهد رشد و شکوفایی کشور عزیزمان در عرصههای مختلف، خاصه عرصه فرهنگی باشیم.
کامیار نیکزادفر، بهار 1394
چکيده
سیستمهای کنترل موتور دیزل نقشی حیاتی درکاهش آلایندهها و مصرف سوخت خودروهای دیزلی برعهده دارند. یکی از روشهای نوین کنترل موتورهای احتراق داخلی، مدیریت گشتاور محور موتور است. این ساختار عمدتاً در خصوص موتورهای بنزینی مورد استفاده قرار گرفته است. در این پژوهش تلاش میشود تا با رویکرد مدیریت گشتاور محور، یک کنترلر به منظور کنترل گشتاور با حداقل تولید آلایندهها در شرایط گذار و پایا توسعه داده شود. به این منظور از روش طراحی کنترلر مدلمبنا استفاده شده است. نظر به اهمیت دقت و سرعت مدل و نیز قابلیت پیشبینی آلایندهها در شرایط گذار، مفهوم جدیدی از مدل مقدار میانگین برای مدلسازی آلایندهها و پارامترهای عملکردی موتور توسعه داده شده است. این مدل دیدگاهی جدید از موتور را ترسیم مینماید. پارامترهای عملکردی موتور به حالتها، ورودیها و خروجیها دسته بندی شدهاند. با انجام یک تحلیل حساسیت، حالتهای موثر بر خروجیها تعیین شده و با استفاده از آن یک ساختار کنترل سلسله مراتبی متشکل از دو لایه کنترل حالت و کنترل خروجی ترسیم شده است. در هر دو لایه از یک کنترل پسخور در کنار کنترل پیشخور استفاده شده است. به منظور تضمین عملکرد بهینه موتور، از بهینهسازی حالتها برای دستیابی به گشتاور با کمترین مصرف سوخت و آلایندگی استفاده شده است. به این منظور از روش الگوریتم ژنتیک با تابع هدف چندمعیاره وزندار استفاده شد. همچنین مقادیر ورودیهای کنترلی متناظر با نقاط عملکردی موتور با استفاده از مدلهای استاتیکی موتور تعیین گردید. کنترلر مزبور قادر بود سیستم را در شرایط پایا و بدون اغتشاش، به صورت بهینه کنترل نماید. به منظور کنترل حالتها و خروجی در شرایط دینامیکی از کنترلر پسخور استفاده شده. با توجه به غیرخطی بودن موتور در نواحی عملکردی، یک سیستم کنترلی چندمتغیره 3×3 غیرمتمرکز برای کنترل حالتها و یک کنترلر بالادستی برای کنترل گشتاور با استفاده از تئوری فیدبک کمی توسعه داده شده است. نتایج کنترلی حاکی از قابلیت مناسب سیستم کنترلی در نگه داشتن حالت، در شرایط شبهاستاتیکی بهینهشده در شرایط گذار است.
واژههاي کليدي: موتور دیزل؛ توربوشارژر؛ مدل مقدار میانگین توسعهیافته موتور؛ کنترل موتور دیزل؛ مدیریت گشتاور محور موتور؛ تئوری فیدبک کمی
فهرست مطالب
TOC \o "1-3" \h \z \u 1مقدمه PAGEREF _Toc412627008 \h 11-1بیان موضوع PAGEREF _Toc412627009 \h 21-1-1 موتورهای دیزل PAGEREF _Toc412627010 \h 21-1-2 مدیریت موتورهای دیزل PAGEREF _Toc412627011 \h 41-1- 3 سیستم های مدیریت موتور گشتاور محور PAGEREF _Toc412627012 \h 51-2ضرورت پژوهش PAGEREF _Toc412627013 \h 61-3اهداف پژوهش PAGEREF _Toc412627014 \h 81-4مروری بر ادبیات موضوع PAGEREF _Toc412627015 \h 91-4-1 مدل سازی کنترلی موتورهای دیزل PAGEREF _Toc412627016 \h 91-4-2 طراحی کنترلر PAGEREF _Toc412627017 \h 121-4-3 بهینه سازی و کالیبراسیون موتور PAGEREF _Toc412627018 \h 241-5نحوه انجام تحقيق و به دست آوردن نتایج PAGEREF _Toc412627019 \h 301-6توضيح ساختار پايان نامه PAGEREF _Toc412627020 \h 312مدل سازی PAGEREF _Toc412627021 \h 332-1بستر آزمون PAGEREF _Toc412627022 \h 362-2اهداف مدل سازی PAGEREF _Toc412627023 \h 372-3مدل سازی مفهومی موتور PAGEREF _Toc412627024 \h 382-4فرضیات مدل PAGEREF _Toc412627025 \h 402-5معماری مدل PAGEREF _Toc412627026 \h 412-6مدل سازی موتور PAGEREF _Toc412627027 \h 422-6-1 مدل سازی سیستم ورودی-خروجی هوا و دود PAGEREF _Toc412627028 \h 422-6-2 مدل سازی پدیده های درون سیلندری PAGEREF _Toc412627029 \h 502-6-3 مدل سازی سیستم اینرسی مکانیکی موتور PAGEREF _Toc412627030 \h 572-7صحه گذاری مدل PAGEREF _Toc412627031 \h 583معماری سیستم کنترلی PAGEREF _Toc412627032 \h 633-1بررسی ساختار سیستم موتور PAGEREF _Toc412627033 \h 643-2تحلیل حساسیت