基于PID算法的车用天然气发动机怠速闭环控制研究

第2期总第187期2010年4月车用发动机VEHICLEENGINENO2SERIA1NO187APR2010基于PID算法的车用天然气发动机怠速闭环控制研究孙晓娜，郑轶，王道静，张红光，王欣，田小飞1北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124；2承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德067000摘要利用自行改装的天然气发动机及自主研发的ECU和转速采集系统，采取增量式PID控制算法对发动机怠速进行单闭环和双闭环控制，并进行了试验验证及控制结果对比分析。台架试验表明基于PID控制算法的怠速闭环控制有利于怠速的稳定，在单闭环基础上开发的双闭环控制能更有效地降低怠速波动量。关键词天然气发动机；怠速；闭环控制；PID算法中图分类号TK432文献标志码B文章编号10012222201002008104怠速是指能够维持发动机稳定运转的最低转速。怠速是汽车发动机重要的工作模式之一，城市中汽车怠速时间约占总运行时间的13，约有3O的燃油消耗在怠速工况U。天然气发动机的一个重要的直用是城市公交车，因此，怠速运行的稳定性是评价天然气发动机怠速工作质量的一项重要指标，直接影响着发动机的燃油经济性以及排放性能L_2J。本研究通过自行改装的发动机以及自主开发的电控单元，采取增量式PID算法制定了控制策略，进行了单闭环、双闭环怠速控制对比试验，通过调整不同的控制参数实现怠速的稳定控制。1试验系统与条件本研究采用的发动机是由JL465Q5汽油机改装的天然气发动机。原机为4行程、直列4缸、水冷、顶置凸轮轴、闭环多点燃油喷射发动机，其排量为1012L，压缩比为96，缸径为655FILM，最大功率为39KW，最大功率转速为5300RMIN。在原机的基础上加装了1套完整的天然气供给系统和电控系统。试验使用的天然气是在加气站灌注的压缩天然气，其主要成分为甲烷，存贮在高压气瓶内。改造后的天然气供气系统采用进气总管单点喷射方式。试验所采用的电子控制单元ECU采用多片式结构设计，应用了3个ATMEI公司生产的AVR系列单片机，它们针对不同的执行机构分担不同的任务1个ATMEGA128I单片机进行发动机的燃料喷射控制，精确控制燃料喷射时刻和喷射量，实现发动机的电控燃料喷射功能；1个ATMEGA8L单片机用于控制发动机的电子点火，精确控制点火时刻和点火线圈的闭合通电时间，实现发动机的电子点火功能；另1个ATMEGA8L单片机则作为ECU的主控单片机，接收各种传感器采集到的数据并进行计算，同时也控制着发动机起动时的空气供给量以及怠速工况下的空气供给量。怠速控制系统的软件程序采用C语言进行编写，程序开发基于WINAVR平台。怠速转速闭环控制采用了增量式PID控制算法。2怠速闭环控制策略发动机怠速运行工况十分复杂，具有显著的非线性、时变性和不确定性等特点L5。本试验怠速转速的控制采用增量式PID控制算法，直接输出控制量的增量，不需要偏差累积。发动机在怠速工况下工作时，其转速主要受点火提前角、空气量和空燃比的影响。因此，通常将发动机的怠速控制系统看成是由3个输入量和1个输出量组成的多变量系统。21怠速单闭环控制怠速工况下发动机的工作转速变化范围很小，因此，点火提前角可以假设为定值。如果再将空燃比当作1个干扰参数，则怠速控制系统可以简化为1个单输入、单输出系统即控制怠速旁通空气阀的步进电机工作步数为输入量，发动机的怠速转速为输出量。天然气发动机怠速单闭环控制原理见图1，PID控制器是整个怠速控制系统的核心。在怠速单闭环控制中需要用到的基本控制量是怠速转速偏差，即怠速目标转速与发动饥实际转速之差。收稿日期20091229；修回EL期20100315作者简介孙晓娜1978，女，硕士研究生，研究方向为内燃机数值模拟；SBRSXN126COIN。82车用发动机2010年第2期通过PID控制器的计算，得出步进电机的动作步数以及动作方向，改变旁通空气进气量，从而控制天然气发动机的实际转速。图1怠速单闵环控制原理22怠速双闭环控制在天然气发动机怠速转速单闭环试验取得较好试验结果后，为了寻求更优的怠速转速稳定性，拟采用双闭环控制算法进行天然气发动机的怠速转速控制。所谓的“双闭环”控制算法就是采用经典的PID控制算法，对怠速工况下的天然气喷射脉宽和旁通空气进气量进行PID闭环控制，图2示出了怠速双闭环控制原理。采用此种算法可以使天然气喷射脉宽、旁通空气进气量根据怠速转速偏差进行微调，从而使发动机的实际转速逐渐逼近于怠速目标转速并保持稳定。图2怠速双闭环控制原理3试验方案天然气发动机起动后，采集节气门开度、冷却水温度等信号。通过冷却水温度来设定发动机的怠速目标转速，可以通过试验监控软件自行设置怠速目标转速，便于进行不同怠速目标转速的试验研究。试验过程中节气门全闭，天然气喷射阀的喷射压力绝对压力为025MPA，采用2个天然气喷射阀进行交替喷射，发动机在1个工作循环内每个喷射阀各工作2次。在进行怠速单闭环的试验过程中，点火提前角、天然气喷射脉宽、控制步进电机的PID控制参数K。，K。，K以及控制周期T均在线可调，因此有利于进行不同参数的试验研究。为进行单闭环和双闭环的对比分析，在进行怠速双闭环试验过程中，采取与单闭环相同的天然气喷射压力及点火提前角，通过分别控制天然气喷射脉宽和步进电机的PID控制参数，实现双闭环控制。4试验结果分析41怠速单闭环试验进行了不同目标转速的怠速单闭环试验，通过在线改变步进电机的PID控制参数K。和KI以及天然气喷射脉宽，得出了各参数对转速波动的影响。试验数据的处理采用了数理统计中平均值与均方差的计算方法。在随机变量的数字特征中，除了考虑其平均值外，还要考虑其取值偏离平均值的平均偏离程度。当目标转速为850RMIN时，调整天然气喷射脉宽为352MS，点火提前角为上止点前28。CA。此时固定积分项系数K，为003，微分项系数KD为001，控制周期为发动机的2个工作循环。在线改变比例项系数K。，从而得到不同的试验结果。由表1和图3中可见，当K。取值为008时，发动机的转速波动最小，且均方差为82LRMIN，连续采集到88O_叶喇叫一_I冬O0广谳_打丽一0曲轴转数RAGE004高I88。DH，一一II曲辞001盎1打_夏蠡奇曲轴转数RB00888。呻嘶神幽碲OO盎_赢打；石I_曲轴转数RCKP010I8O_叫_R一辞0L_L5010L0下南5020上一0250300350400450L曲轴转数RD013880产一I呻辞O0秀最曲轴转数REKI018I88。A岫磐O。11蠡亩一0曲轴转数RFKP022螽880州蛐J800FL。LLLJJJJ_一曲轴转数，RGKO26。800EJLJLJLJL_一曲轴转数RHGO30图3K对怠速转速的影响目标转速850RMIN2010年4月孙晓娜，等基于PID算法的车用天然气发动机怠速闭环控制研究的900个转速数据中的最大转速差值为48RMIN，发动机工作最稳定。当K。取值为004，008，010，013和018时，发动机工作都较为稳定，且均方差均保持在10RMIN以下，最大转速差值也维持在4864RMIN之问；随着比例项系数K的持续增大，发动机的转速波动量逐渐增大，且均方差和最大转速差值也逐渐增大。其原因可能是随着比例项系数K的逐渐增大，控制系统ECU每次根据转速偏差计算出来的控制步进电机的步数也有所增加，调整旁通空气进气量的怠速控制阀的开度也有所增大，从而加大了每次空气进气的调整量，对发动机转速有较大影响。由表1中的排放数据可见，当比例项系数K。增大到一定程度后，过量空气系数，尾气中O。和HC排放呈增大趋势，而CO。和CO排放却呈下降趋势，说明此时缸内混合气逐渐变稀，从而导致混合气燃烧不完全，天然气发动机的动力输出不稳定，转速波动量逐渐加大。在试验条件相同的情况下，固定比例项系数和微分项系数，亦可得与上述相似的试验结果。由表2和图4可见，当积分项系数K取值为004时，连续采集900个转速数据点的均方差为842RRAIN，且最大差值仅为53RRAIN，转速波动量最小，发动机工作状态最平稳。当积分项系数K。取值分别为002，003，005时，均方差均未超过10RRAIN，最大转速差值均未超过60RRAIN，发动机工作状态基本稳定。_890880870、86008504，。0820890880_870860850到840辞830820890E880870860850840辞830820_890岂880870860850840830820JJJILL4II止L，。”LIIFF”11III10501O0150200250300350400450曲轴转数RAK002。11050L00150200250300350400450曲轴转数RBKL0O3_ILL珊JIIYY200250300350400450曲轴转数RCKO04山。F。050】00150200250300350400450曲轴转数RDKIO05图4K对怠速转速的影响目标转速850RRAIN表1目标转速为850RRAIN时KN对怠速转速的影响CO体积CO2体积O2体积HC体积转速算术平均值转速均方差转速最小值转速最大值K。分数分数分数分数10RMIN0041O83022105215293862859728378940081O410941011893258662O82L84289O0101076O3410520229385919899827885013106705210420727685948956830887018105107103188268860739898218850221O55077L02205312862421179819896026115602596364258642912598178940301166032953864358639918518O5913表2目标转速为850RMIN时KJ对怠速转速的影响CO体积CO2体积2体积HC体积转速算术平均值转速均方差转速最小值转速最大值KI分数分数分数分数1ORRAINO021O870421032413O28668895583688900310440791031823168641388983388800411L302610127829786219842833886005109302510223527O8588386282688284车用发动机2010年第2期42怠速双闭环试验天然气发动机怠速双闭环试验根据转速偏差的大小，通过在线实时调整天然气喷射脉宽和旁通空气进气量各自的PID控制参数进行试验。分别进行了不同目标转速的怠速单闭环和双闭环试验。在进行1200RMIN的怠速单闭环控制试验时，控制旁通空气进气量的比例项系数K叭为009，积分项系数K。为003，微分项系数K为001，控制周期为发动机的2个工作循环，天然气喷射脉宽为416II1S，点火提前角为28。CA，此时得到的天然气发动机的怠速转速基本稳定见图5D。在保持旁通空气进气量的怠速单闭环控制参数不变的基础上，增加了针对天然气喷射脉宽的PID控制，从而进行怠速双闭环的控制试验。从试验结果可以得出，当目标转速为1200RMIN时，基于天然气喷射脉宽和旁通空气进气量的怠速双闭环控制试验效果优于怠速单闭环的控制效果，得到的转速波动量更小见图5和表3；此外，PID控制参数对天然气发动机转速的波动有较大的影响。由上述分析可以得出，怠速双闭环控制在目标转速为1200RMIN时可以有效地降低天然气发动机的怠速转速波动量，使其工作状态更加稳定。LIJ“JII】I。LLRROITIIIII曲轴转数RA双闭环A05O100150200250300350400450曲轴转数，RB双闭环BI“_IIILLIJILI1LLLLILI_甲F竹F”。II_II1050100L50200250300350400450曲轴转数，RC双闭环CLIJJJ_I山IJILIJII4。_IILII唧1ILF1LIII_10050L0L50200250300350400450曲轴转数RD单闭环D图51200RMIN时的怠速转速波动试验对比表3双闭环与单闭环控制的试验结果对比天然气喷射天然气喷射脉宽的PID控制参数转速算术平均值转速均方差转速最小值转速最大值控制类型控制周期RMIN1脉宽MSKPGKGKDGRMLNR0MLN循环双闭环A014O100026412154484L11911238双闭环BO14010001641223O274711971242双闭环C02O01OO64L213888O811881235单闭环D4161215341353117012555结论A应用增量式PID控制算法对天然气发动机怠速转速进行闭环控制是有效可行的，而且控制效果较好；B基于天然气喷射脉宽和旁通空气进气量的怠速双闭环控制效果优于基于单独的旁通空气进气量的单闭环控制效果，采用怠速双闭环控制策略可以有效地降低怠速转速的波动量，使天然气发动机的工作状态更加稳定；C从试验中可以发现，采用怠速双闭环控制时，控制系统ECU根据控制策略使发动机从转速偏差较大的状态自我调整到转速偏差较小的状态所需要的时问周期较长。参考文献1李鹏威，王京，蔡文远，等天然气发动机怠速控制策略的研究EJ内燃机学报，200854404452李妹，陈虹，赵海燕基于混合系统模型的SI汽油发动机怠速控制J吉林大学学报工学版，200932963O23张红光，盛宏至，潘奎润，等车用柴油天然气双燃料发动机的开发LIJ农业机械学报，200358N4郑轶，张红光，刘凯，等车用天然气发动机怠速转速闭环控制研究J小型内燃机与摩托车，20094L一5ES蔡昌贵，黄韶炯基于PID的汽油机怠速控制策略EJ农机化研究，20069，144146下转第88页呦瑚猢拗猢LJ制蟀T童J蜊辞制蜱童J辩88车用发动机2010年第2期参考文献1E234E51王珍，马孝江局域波时频法在柴油机缸套活塞磨损诊断中的应用研究IJ内燃机学报，2002，202157160郭文勇，朴甲哲，张永祥柴油机缸套磨损故障的机体振动监测研究FJ振动、测试与诊断，2005，25428929L_GENGZ，CHENJINVESTIGATIONINTOPISTONSLAPINDUCEDVIBRATIONFORENGINECONDITIONSIMULATIONANDMONITORINGJJOURNALOFSOUNDANDVIBRATION，2005，282S457357510SOWSKIS，GARANTYKFORECASTINGOFTHEDAILYMETEOROLOGICALPOLLUTIONUSINGWAVELETSANDSUPPORTVEETORMACHINEJENGINEERINGAPPLICATIONSOFARTIFICIALINTELLIGENCE，2007，206745755TRUONGTK，LINCC，CHENSHSEGMENTATIONOFSPECIFICSPEECHSIGNALSFROMMULTIDIALOGENVIRONMENT67891OUSINGSVMANDWAVELETJPATTERNRECOGNITIONLETTERS，2007，281113071313WANGZ，CHILDRESSAR，WANGJJ，ETA1SUPPORTVECTORMACHINELEARNINGBASEDFMRIDATAGROUPANALYSISJNEUROIMAGE，2007，36411391151MITRAV，WANGCJ，BANEEESTEXTCLASSIFICATIONALEASTSQUARESUPPORTVECTORMACHINEAPPROACHEJAPPLIEDSOFTCOMPUTING，2007，73908914伍学奎基于信息融合的故障诊断理论与方法及其在内燃机中的应用D武汉武汉交通科技大学，1998王静基于磨粒分析的磨损模式识别方法研究ID浙江浙江大学，2004HSUCW，LINCJACOMPARISONOFMETHODSFORMULTICLASSSUPPORTVECTORMACHINESJIEEETRANSACTIONONNEURALNETWORKS，2002，132415425113VAPNIKVN统计学习理论的本质M张学工，译北京清华大学出版社，2000APPLICATIONOFSVMINCYLINDERLINERPISTONWEARSTATEINSPECTIONWANGJING，LIUKUN，WANGWEI，HUZHAOWENSCHOOLOFMACHINERYANDAUTOMOBILEENGINEERING，HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HEFEI230009，CHINAABSTRACTTAKINGTHETIMEDOMAINFEATURESCONSISTINGOFSECONDORDERMOMENT，FOURTHORDERMOMENT，MAXIMALABSOLUTEVALUEANDTIMESECONDORDERMOMENTANDAMPLITUDEDOMAINFEATURE，WHICHWASMAXIMALAMPLITUDE，OFENGINEVIBRATIONSIGNALASFEATUREPARAMETERS，THEWEARCLEARANCEPREDICTIONMODELOFCYLINDERLINERPISTONBASEDONSUPPORTVECTORMACHINESVMWITHRBFKERNELWASDESIGNEDBYTAKINGFOURCLEARANCESASTHESVMRECOGNITIONRESULTSTHROUGHTHESIMULATION，THEINFLUENCESOFKERNELPARAMETERANDPENALTYCOEFFICIENTONCLASSIFIERPERFORMANCEWERESTUDIEDTHERESULTSHOWSTHATTHEAPPROPRIATEVALUECANMAKETHECLASSIFIERWORKATTHEOPTIMALCONDITIONS，WHICHBRINGSTHEREFERENCEFORCYLINDERLINERPISTONWEARSTATEINSPECTIONKEYWORDSCYLINDERLINER；PISTON；WEA