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发动机怠速PID控制研究【论文】,发动机,pid,控制,节制,研究,钻研,论文
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盐城工学院毕业论文 2006目录1 绪论 .11.1 汽车电子技术的发展与现状 .21.2 怠速控制发展状况.21.3 怠速控制的要求.22 汽车发动机怠速控制系统.42.1 怠速工况分析.32.2 怠速不良表现.42.3 怠速控制过程.42.4 怠速控制策略.53 汽车发动机怠速模型.63.1 国外采用的发动机怠速模型.53.2 国内采用的发动机怠速模型.93.3 本课题采用的发动机怠速模型.104 PID 控制器 .144.1 PID 控制简介 .144.2 PID 控制器参数的整定 .155 Matlab 介绍 .165.1 MATLANB 简介 .165.2 SIMULINK 简介 .165.3 SIMULINK 建模方法 .165.4 SIMULINK 建模具体步骤 .176 基于 SIMULINK 的怠速 PID 控制仿真.186.1 仿真模型的建立.186.2 仿真结果分析 .206.3 发动机怠速稳定性分析.217 结论 .23参考文献.24致谢.26附录.27发动机怠速 PID 控制的研究盐城工学院毕业设计论文 20061摘要: 汽车发动机怠速是指发动机对外不作功，以较少的能量消耗来保证发动机能够低速运转。但由于受使用条件的影响，发动机怠速转速会出现变化，导致发动机运转不稳定甚至出现熄火现象。发动机怠速控制的优劣是影响发动机的排放性能和燃油经济性水平最重要的环节。因此，对汽车发动机怠速进行控制具有十分有意义的。论文首先介绍了国内外研究的现状及汽车发动机怠速工况的运行特点。根据对国内外汽车发动机怠速模型的综述分析，提出了本文发动机怠速模型。经过对 PID控制的优缺点的分析，提出了汽车发动机 PID 控制策略，讨论了控制器参数的整定方式根据给定的参数和技术要求，利用 Matlab 软件及 Simulink 工具强大的运算/绘图功能可视化的操作界面，对汽车发动机怠速 PID 控制进行了仿真。分析了控制器的参数对系统特性的影响。结果表明发动机怠速 PID 控制技术具有结构简单、稳定性好、工作可靠调整方便等优点。关键词:发动机；怠速；PID 控制； Matlab/simulink； 汽车The engine idling to the PID control studiedAbstract : Engine idling engine work in a low speed, with less energy consumption to ensure. But as the varing of the operation conditions, engine speed changes too, which 盐城工学院毕业设计论文 20062leads to instability and even stopped. Engine idling engine is the key to affect the level of emission performance and fuel economy. Therefore, the control of engine idling is very important.The thesis presentes engine idling operational features. Based on the analysis of model car engine idling at home and abroad, a idling model is proposed in this thesis. After analysis of the advantages and disadvantages of PID control, the engine PID control strategy is used in this paper, the controller parameters will be adjusted to the given parameters and technical requirements, using the Matlab software and Simulink tool for its powerful computation graphic. The PID control of a vehicle engine is simulated. The factors influencing the engine idling speed are discussed in the thesis. The results showed that the engine idling PID control technology has the merits of simple structure, good stability, easy adjustment, etc.Key words: Engine; Idling; PID control; Matlab/simulink; Motorcar1 绪 论 1.1 汽车电子技术的发展与现状 汽车工业 100 多年来一直占据发达国家支柱产业的地位。一方面，汽车工业的发展迫切需要新科学、新技术的支持；另一方面，新科学、新技术又需要找到用武之地，以扩大其产业发展。所以，从电子工业诞生开始，两者就紧密地联系在一起，成为世界工业的两大支柱。70 年代，电子技术取得了一系列突破性进展。1973 年，Intel 4 位 CPU I 4004 和 8 位 CPU I 8008 相继问世；1975 年，8 位单片集成的 CPU I 8048 问世；1976 年，16KB RAM 问世；1978 年，64KB RAM 问世；1979 年,16 位 CPU I 8086 问世。电子工业的迅速发展为汽车电子技术的发展提供了可能。而同时,汽车保有量的增加使大气污染问题日益严重。1960 年，美国加州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规。1968 年,美国颁布了联邦排放法规。这些法规一再修订，限制越来越严格。继美国之后，欧洲和日本也相继制定出排放法规。在 70 年代,还发生了1973 年和 1979 年的两次石油危机。盐城工学院毕业设计论文 200631978 年，美国又颁布了联邦燃油经济性法规。这些法规的颁布对汽车工业造成了巨大的压力。而传统的机械改良方式是无法逾越这些障碍的。在这样的历史背景下，形成了 70 年代汽车电子技术蓬勃发展的局面。70 年代发动机电子技术发展的一些情况。在 80 年代,微机技术有了更长足的发展。继 1983 年 Intel 16 位 CPUI 8096 问世后，Motorola 公司又于 1984 年和 1987 年分别推出 32 位 CPU MC68020 和 MC68030。与此同时,内存芯片也从 1983 年的 256KB、1985 年的 1MB 增长到 1988 年的 4MB RAM。微机速度、字长和内存容量的飞速增长，为以微机为“大脑”的发动机集中控制系统提供了基石。在这期间，各种发动机的控制系统功能日趋完善，且从单一的发动机集中控制，发展到包括自动变速器的动力总成控制，再发展到整车集中控制。今天,美国几乎 100%的轿车都采用了电子控制;日本和欧洲紧随其后,电子控制的轿车占其出厂轿车的比率也接近 100%。1.2 怠速控制发展状况汽车在城市中行驶时,经常会遇到交通拥挤的状况，此时发动机多处于怠速工况。发动机的怠速油耗约占整个工况油耗的 30% 。因此，过去人们一直以降低怠速转速为目标来改善发动机的经济性。但是，汽油机的怠速工况由于需要供给较浓的混合气，燃烧不完全，所以怠速工况是产生 CO 和 HC 有害排放物的主要工况。而且,怠速转速越低，废气的稀释作用越明显，这会使 CO 和 HC 的排放浓度进一步增加。提高怠速转速对减少 CO 和 HC 的排放是有利的。怠速转速从 700r/min 提高到800r/min，CO 下降 10%，HC 排放量下降 15%。因此，汽油机怠速控制的目标应为在尽可能低的 CO 和 HC 排放下，保持怠速工况在较低的转速下运转平稳。另外,还应考虑冷车启动、空调及电气负荷、自动变速器、动力转向伺服机构的接入等情况都会引起怠速转速的变化，使发动机运转不稳定甚至熄火。当前,对怠速控制策略的要求主要包括以下几个方面：a在所有可能的工况条件下提供理想的怠速空气量。b及时补偿发动机的负荷变化。 c防止发动机的失速。d采用维持最低怠速与减速空气量控制等方式,以取得良好的燃油经济性。e采用急减速时增加空气量等方式改善排放.f对于零件老化及各车异性等所致的差异能自动地进行补偿，以减少周期性调整的要求.g改善车辆的可驾驶性.传统的化油器采用单独的怠速系，由怠速空气量孔和怠速孔共同调节以供应怠速时较浓的混合气，保持怠速工况稳定。但是这种机械式的调节方式无法满足上述要求，很难满足使发动机在复杂的外界条件下保持怠速稳定、排放良好的目标。电控汽油机在怠速工况时除了将怠速转速适当提高以降低 CO 和 HC 以外，还可以通过调整怠速空气量与喷油的匹配将怠速转速控制在一个比较稳定的水平上,这样控制的弹性很大,可以适应复杂的外界环境。盐城工学院毕业设计论文 200641.3 怠速控制的要求“怠速控制”就是通过控制怠速工况的供气量及相应的供油量和点火提前角，使发动机能以一个最佳的怠速转速稳定运转，同时能够平稳地实现由怠速工况向负荷工况(或相反，由负荷工况向怠速工况)的过渡。怠速控制的好坏同发动机的怠速稳定性、燃油经济性和排放性能都密切相关。怠速控制是发动机电子综合控制技术的重要组成部分。在交通密集和拥挤的城市，汽车经常停车而发动机怠速运转。据统计,汽车耗油量的 30%消耗在怠速工况,降低怠速油耗将有助于节能.怠速工况缸内残余废气比例增多,要用较浓的混合气，故 CO 和 HC 排放污染也增多.在怠速状态下,有时还会出现发动机转速周期性的变化，即所谓游车现象。从广义角度理解，怠速运行这一范畴，不仅是指发动机节气阀关闭(只有少许空气通过节气阀缝隙或经过旁通空气阀进入发动机)汽车处于空档时的发动机空转状态，它也包括了由空转向负载运行过渡初期发动机转速较低的工况。在发动机空转时，其转速决定于指示扭矩与机械损失扭矩的平衡。就机械损失来说，包括发动机内的摩擦损失、附件及所带动的一些外部设备(如空调压缩机、动力转向泵等)的驱动损失。前两项可以说是基本机械损失，其大小随发动机温度状况(以冷却水温为标志)和发动机新旧程度而变化，后者则是随机加入的.就发动机的指示扭矩来说，在空燃比和点火正时相应调整合适的情况下，它决定于进气空气量。因此对于一定的基本机械损失状况，改变怠速供气量(旁通空气阀通路)就可以改变基本怠速转速。从燃料经济性来说，此怠速转速宜取低，但从负载工况过渡的圆滑性和发动机尾气排放考虑，则宜适当提高怠速转速。怠速供气量越低，相应的空燃比越小，CO和 HC 的排放就增大。实际上基本目标怠速转速的设定是以 CO 和 HC 不超过排放标准为限的。在实际运行中，由于随机地加入空调压缩机或动力转向泵，或者发电机负载 (电子冷却风扇和照明等)增大，以及发动机本身工作循环的不均匀性、环境温度和压力的变化等等,都会使怠速转速发生波动。怠速控制的基本任务就是通过调整供气量(相应改变空燃比和点火正时)使怠速转速在目标值上下的波动幅度不超过一定范围(一般以维持在目标值的 1g%以内)。另一方面，汽车挂行车档而开启节气阀时，由于进气滞后、供油及进气管路内燃油蒸发滞后的影响，混合气变稀，输出扭矩可能低于带动负载所需的扭矩而发生转速急剧下降，严重时可能灭车。为了避免这种情况，除了加大供油量外，还要在挂档和开节气阀之前先提高发动机的目标怠速转速，使发动机有较大的动能。反之，在汽车由行车档转为空档时，混合气可能过浓而熄火，这时也需要在摘档之前先提高发动机的目标怠速转速，使发动机先得到较大的怠速空气量，然后再逐渐降低目标怠速转速。这样，保证在过渡过程中发动机在较低转速区的转速变化较圆滑，这也是怠速控制的任务之一。盐城工学院毕业设计论文 200652 汽车发动机怠速控制系统2.1 怠速工况分析怠速控制是汽车发动机的基本控制问题和面临的难题之一。怠速是在节气门近乎全关时，车速为零(汽车发动机在空档)情况下的最低转速。城市交通日益拥挤使得车辆在行车过程中经常要处于怠速工况。发动机在怠速运行时速度波动大，点火提前角控制不好，燃烧不充分，排放严重，油耗也较大(城市运行中，怠速油耗约占总油耗的 30%)。过低的怠速还容易导致发动机熄火。这些问题将随着城市的交通的发展而加剧上升。汽车发动机怠速控制的重点，就是要把怠速转速稳定在目标值上。它主要由进气歧管(Intake Manifold)，节气门(Throttle Valve)，永磁转子步进电机式怠速控制阀(ISCV),电控单元(ECU),传感器组(Various Sensors)等组成.在节气门处于近乎全关状态时，空气由与节气门并联的旁通怠速空气道，经怠速控制阀口、进气腔(Air Intake Chamber)进入气缸，汽车发动机在这些空气参与燃烧盐城工学院毕业设计论文 20066所做的功和发动机内部摩擦损失功相互平衡的状态下稳定运转。2.2 怠速不良表现无负载变化时，发动机怠速性能不良主要表现有如下三种现象。a.无怠速发动机起动后油门转把不能完全放手，否则熄火。产生的原因有:化油器故障，或化油器至气缸之间有漏气,气缸压力过低等b.怠速过高发动机怠速运转超过规定范围而无法调低,一旦调低发动机就熄火.产生原因:节气门不能回位或怠速量扎过大。c.怠速不稳发动机在怠速运转时，发动机抖动，转速忽高忽低。产生的原因:点火时间过早、混合气过浓或过稀(怠速空燃比一般为12)，火花塞间隙过小等原因.有负载变化时,怠速性能不良表现为:发动机转速会因负载变化而严重偏离设定的怠速目标转速。2.3 怠速控制过程怠速控制的主要任务是通过控制 ISCV 的开度，从而控制旁路进气量。当 ISCV 的执行器件采用比例电磁阀时，就是控制电压的强度;当采用步进电机时就是控制电机的步数。图 21 怠速控制阀的启动控制和暖机控制a.启动控制为改善汽车发动机的启动性能，当点火开关断开时，怠速阀总是处于全开状态(上图为位置 A)，这样可使发动机在下次启动时具有大进气量。启动之后，根据冷却水温度(上图，70* C)来确定旁通进气量的大小。在汽车发动机转速达到设定水温下的目标怠速时，怠速阀开度则从 A 减小到 B。b.暖机控制随汽车发动机转速和水温升高，怠速阀开度减小，当水温达到 700 C 时，暖机结束，怠速阀开度保持在 C 位置不动。c.运行控制怠速阀开度取决于怠速负荷.负荷增大时，怠速阀度增大，实现快怠速(一般高于最佳怠速 200r/min)，以防止汽车发动机运转不稳或熄火。负荷减小时反之。在怠速运行中，如蓄电池电压过低，怠速阀开度增大，提高怠速转速，以提高电源电压。怠速控制还有两个任务:一是修正喷油量,随怠速转速升高,增大喷油量,以保证怠速目标空燃比一般为 12。二是修正点火提前角，随怠速转速降低，减小点火提前角，盐城工学院毕业设计论文 20067以保证怠速平稳，防止熄火。2.4 怠速策略控制怠速过程的输入与输出不呈简单线性关系,存在传感器及各种时滞非线性环节,在干扰中有不少未知量和随机量(如电器及动力负荷的变化.元器件老化,燃油品质变化等),因此怠速是一个具有慢时变,参数不确定,时滞,复杂非线性的过程,见下图 图 22 怠速过程的输入输出及干扰这种特性使得除变结构控制外,各种基于精确参数模型的经典控制(包括变参数 PID控制)和现代控制理论(包括 LOG 最优控制)都难以实现越来越高的控制要求,而模糊控制(Fuzzy Control)和神经网络控制(Neural Network Control)则获得了它们的应用新领域.本文采用的是 PID 控制策略。3 汽车发动机怠速动力学模型3.1 国外采用的汽车发动机怠速模型国外用于汽车发动机怠速的模型很多，常用的有滑动模型（Sliding Model）,混和模型（Hybrid Model）,多项式模型（Polynomial Model）,模态分析模型（Modal Analysis Model）,以及传递函数模型（Transfer Function Model）等。下面介绍几个典型模型：当怠速时，其状态模型如下： 0nPm021)(JmanPf 021)(Jnfam0nPm盐城工学院毕业设计论文 20068(3-1)01n0am式（31）中，P 为进气歧管压力，m 为控制怠速系统的进气量， 为时间延迟，a n脚号 0 为初始状态。f (n,P )和 f (n,P )为计算进气岐管的空气外流量的非线性12m函数。对上述状态模型设计反馈控制器如下:=- (3-2)0a1K20nPm增益 K ,K 采用滑模控制,以便在系统模型参数的某些不确定因素影响下,获得良12好的鲁棒性.先设计被控汽车发动机转速的可控伴随模型(Controllable Companion Model):= + (3-3)nnfI)1(0IJL)(1gn0I式中（33）,n 为汽车发动机转速, 为点火提前角,I 为系统常数(非常小).假定 m 和空燃比 为常数,任何出现的变化或者被模拟为不确定性因素,或者aFA组合成如下的多输入模型:= +( )nJLnfI)()1(10nI1)(00FAgmga(3-4)(FAma)(
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