（控制理论与控制工程专业论文）汽车发动机的变结构控制和智能控制方法研究.pdf

? 8 誉7 2 摘要 在汽车发动机的控制中，转速和燃油控制是二个非常关键的项目，特别是自 动化高速公路计划( a u t o m a t e dh i g h w a yp r o j e c t ) 提出来以后，寻求一个较好 的解决汽车发动机转速( 汽车速度) 控制方案是现代汽车工业面临的一个新课题。 发动机燃油控制的质量直接影响到发动机的工作性能，一直是人们研究的重点。 汽车发动机使用环境变化大，使用条件有时非常恶劣，从寒冷的冬天突然启动进 入行驶状态，行驶过程中的突然加速，急剧的扭矩变化等等，在这样的条件下， 为了使其热效率、输出功率、行驶性、安全性和排气清洁性处于最佳状态，给汽 车发动机的控制带来了极大的困难，特别是零排放汽车排放标准的提出，对发动 机控制提出了更高的要求。 一- 汽车发动机是一个典型的非线性、时滞、时变系统。而变结构控制适应于线 性与非线性、连续与离散、确定与不确定、集中参数与分布参数、同步与时滞系 统，具有一定意义下的完全鲁棒性。智能控制能够将人类的智慧应用到控制系统 中去，解决非线性、复杂的系统控制问题。本文通过一个具体的汽车发动机模型， 采用滑动模态变结构控制( s m c ) 和智能控制( n c 、f s m c ) 方法，对汽车发动机转 速和空气燃油比( a f ) 的协调控制进行了研究。根据汽车发动机控制的特点， 提出了新的燃油喷射规律和在特定条件下设计滑模面的方法：引入了转速与a f 控制的二维滑模面，采用发动机的线性与非线性模型，对s m c 控制器进行了设计； 对发动机转速神经控制的结构和神经网络的形式进行了研究；将模糊控制与变结 构控制相结合，很好地解决了发动机转速与燃油变结构控制中出现的转速抖振问 题；同时对s m c 控制器和智能控制的硬件与软件进行了设计研究。仿真结果表明， 变结构控制和智能控制是解决发动机转速与燃油控制问题非常有效的方法。 关键词；发动机转速控制，燃油控制( a f ) ，变结构控制( s m c ) ，神经控制( n c ) 模糊控制( f c ) a b s t r a ( j r s p e e d a n df u e lc o n t r o la r ek e yi s s u e si na u t o m o t i v ee n g i n em a n a g e m e n t ag o o d s o l u t i o nt os p e e dc o n t r o li sv e r yi m p o r t a n tt oa u t o m a t e dh i g h w a yp r o j e c t f u e lc o n t r o l r e l m i n gt oe n g i n ep e r f o r m a n c ei sa l w a y s ar e s e a r c h e m p h a s i s e n g i n eo p e r a t i n g c o n d i t i o n sc o l db ec h a n g e dq u i c k l ya n da r ev e r yb a ds o m e t i m e s ，s u c ha s ：f r o m s u d d e n l yc r a n k i n gt od r i v i n gi nw i n t e r , a c c e l e r a t i o nt os u d d e nt o r q u ed e m a n d i nt h e l i g h to fz e l oe m i s s i o nv e h i c l e s ，i no r d e rt oa c h i e v eb e t t e rh o te f f i c i e n c y , m a x i m u m p o w e r , h i g h e rs a f e t y a n db e s te m i s s i o n ，e n g i n ec o n t r o l sb e c o m em o r ea n dm o r e d i f f i c u l t a u t o m o t i v ee n g i n e sa r et y p i c a ln o n l i n e a r , t i m e d e l a y , t i m e v a r y i n gp a r a m e t e r s y s t e m s v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o li ss u i t a b l ef o rl i n e a ra n dn o n l i n e a r , c o n t i n u a la n d d i s c r e t e ，c e r t a i na n du n c e r t a i n ，i n t e g r a t e da n dd i s c r e t ep a r a m e t e r , s y n c h r o n o u sa n d t i m e d e l a ys y s t e m s i n t e l l i g e n t c o n t r o lc a ns o l v e m a n yc o m p l e xs y s t e mc o n t r o l p r o b l e m sb yi n t e g r a t i n gh u m a nk n o w l e d g ei n t o c o n t r o l s y s t e m s i n t h i s p a p e r , s i m u l t a n e o u sc o n t r o l so f s p e e d a n da i r - f u e lr a t i o ( a f ) i na na u t o m o b i l e e n g i n em o d e a r es t u d i e db a s e do n s l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) a n di n t e u i g e n tc o n t r o l c ，f s m q ， an e wf u e li n j e c t i o ns t r a t e g ya n das l i d i n gs u r f a c ed e s i g nm e t h o da c c o r d i n gt oe n g i n e c o n t r o la r ep r o p o s e d ，s p e e ds l i d i n gs u r f a c ea n da fs l i d i n gs u r f a c eh a v eb e e nu s e d ， t h es t r u c t u r e so fs p e e dn e u r o c o n t r o la r er e s e a r c h e d ，f u z z yc o n t r o lh a sb e e na p p l i e dt o r e d u c e c h a t t e r i n g i ns m c h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n so fs m cc o n t r o l l e r , n e u r o c o n t r o la n df u z z y - s m ca r ep r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts m ca n d i n t e l l i g e n tc o n t r o la r ee f f i c i e n ta p p r o a c h e s t os o l v ea u t o m o t i v e s p e e d a n da fc o n t r o l p r o b l e m s k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ee n g i n es p e e dc o n t r o l ，a i r - f u e lr a t i oc o n t r o l ，s l i d i n g m o d e c o n t r o l ，n e u r o c o n t r o l ，f u z z y c o n t r o l i i 第一章绪论 1 1 汽车发动机的控制 为了便于后面的研究，有必要对汽车控制的内容和发动机控制系统有一个全 面的了解，首先介绍汽车的控制项目“卜”1 ，其次就其中最为关键的几个控制项目 分别做出介绍和讨论邮。 1 1 1 汽车的控制项目 1 1 1 1 发动机燃烧过程及排放的控制项目 ( a ) 发动机点火时刻控制 ( b ) 燃料供给的控制 ( c ) 进气及增压控制 ( d ) 废气再循环控制 ( e ) 燃油爆燃控制 ( f ) 怠速( 转速) 控制 ( g ) 消噪声控制 1 1 - 1 2 汽车底盘控制项目 0 k ( 记4 - ，4 ：】c ；【r1 】h = 1 ) 并假设：口。a ，：) 可控，卢0 ) 一0 x e r ” 作线性变换 阶r v r 卜 丁* n - i 。】 最后可推导出： 王= ( 4 1 一a 1 2 苫1 ) i “2 ( f ) = 一卢一1 ( z ) a 0 ) + 石0 4 l 工+ es g n s + k s 1 3 1 3 单输入非线性简约型系统的变结构控制 系统方程为( 卜3 2 ) 式，取线性切换函数 s ( x ) = c x c 7z 【孑7 1 】f 1 = c l ，c 2 ，c 。一1 ( 1 3 - 4 ) ( 卜3 - 5 ) ( 1 3 - 6 ) ( 1 3 7 ) ( 卜3 - 8 ) 将( 卜3 - 2 ) 式改写为： 未= 4 0 ) 叠。= a ( x ) + 卢o ) “ 贝0 有芦i + x 一0 取指数趋近律： j ；一s g n s k s 0 ，k 0 ( 卜3 9 ) ( 卜3 1 0 ) 则可求出变结构控制为： ( r ) ；一卢一1 0 ) 陋0 ) + 孑1 4 0 ) + s s 印s + b ( 卜3 一1 1 ) 1 3 2 多输入简约型系统变结构控制 1 3 2 1 多输入线性简约型系统变结构控制 系统状态方程为： 主l 。4 x ( 1 3 1 2 ) 王u = a 0 ) + 卢 ) “ 其中工。为n i i l 维状态向量，h 为m 维状态向量，- 4 为( n 一皿) n 维常数阵，a ( z ) 为t n 维列向量，卢o ) 为m m 非奇异阵，“为m 维控制。 记： 秘m ：1 l ( i - 3 - 1 3 ) 则( 1 3 1 2 ) 式化为： 王l = a n 而+ 爿1 2 x n ( 卜3 1 4 ) 设研，4 ：) 可控，则存在t 使得 口。一4 ) 的极点可任意配置，j g a 。为( n m ) ( n m ) 阵，4 ：为( n m ) x m 阵，k 为m x m 阵。 选取线性切换函数 hc n 引 切换面为s ( x ) ；0 ，即 c i x l + n x n = 0 若c 。非奇异，则有 x n 一一c i l c i x 【= 一z ( 1 - 3 - 1 5 ) ( 卜3 一1 6 ) 取c 寻c 。= k ，其中k 决定于给定极点集，将( 1 3 1 6 ) 代入( 卜3 1 4 ) ，可得到滑动 模态的运动方程： 量i a t l x i + a 1 2 x n = ( a 1 1 - a 1 2 七) x l ( 1 3 1 7 ) 取指数趋近律： i = 一s s g n s b e 0 k 0 可求出变结构控制为： “2 ( f ) ；一 c n 卢( z ) 一1 【c 1 0 4 1 一a 1 2 七) z i + c n 口( 曲+ es g n s + s ( 1 3 1 8 ) 1 3 2 2 多输入非线性简约型系统的变结构控制 系统方程为： j 一。4 ?、(1-3-19) 王u a ( x ) + z ( x ) “ 。 其中4 ) 为n 一邢维向量，其它参数的定义与式( 卜3 1 2 ) 相同。 取线性切换函数 一l 【c l c n 】引( 1 - 3 - 2 0 ) 取指数趋近律： j = 一e s g n s k s 0 k 0 可求得变结构控制为 “。o ) ；- c n 卢0 ) 】。1 c 1 4 ( 工) + c n 口( 砷+ e s g n s + b 】 ( 1 3 2 1 ) 1 3 3 变结构控制中的极点配置方法 变结构控制中极点配置法，可用来确定线性切换函数中的常数阵0 该方法 的理论依据是线性系统控制中的极点配置法。用极点配置法求f 矩阵，其目的是 要使得最终滑动模态具有预先给定的极点集。 1 4 a = ，i = 1 , 2 。n m ) 此极点集对实轴是对称的，即复极点成对出现。 设系统具有如下简约型： 量i = a 1 1 x i + a 1 2 x n 立穹爿2 1 工i + 爿2 声+ b 2 h ( 1 3 2 2 ) s 。c l x ij c 2 x f l 式中，z 。为n m 维状态向量，x 。为m 维状态向量，a t l 为( n m ) ( n m ) 矩阵，a 。： 为( n m ) x m 矩阵，a 2 1 为m x ( n f 【) 矩阵，a 2 2 为m x m 矩阵，c 1 为m ( n m ) 矩 阵，c ：为m x m 矩阵，“为m 控制态向量，c 。、c ：为待求矩阵。对系统作如下线性 变换： 汁x 1i x 即： h2 x r 1 x = c ；1 5 一c j l c l x l 则( 1 - 3 2 2 ) 可化为： 王一0 4 1 1 一a t 2 c j l c l k i + 4 】2 c ；1 s( 1 3 2 3 ) 从而有： j 昌【( c 1 a 1 1 + c 2 爿2 1 ) 一( c 1 a 1 2 + c 2 爿2 2 ) c ；1 c 1 x i + q a l 2 + c 2 爿2 2 ) c ；1 s + c 2 8 2 “ 在子空间s = 1 3 上有： s = 0 1 x l + c 2 x ；0 ， j = 。1 量l + c g y c n = 0 那么( 1 3 2 3 ) 在s 互。上为： 圣l = 0 4 。一a 1 2 c ；1 c 。沁，( 1 3 2 4 ) “q = ( c 2 岛) 一1 【c 1 a 1 1 + c 2 a 2 1 - ( c 1 a 1 2 + c 2 如) c ；1 c 1 z i 按有关定理，若0 ，曰) 能控，则口n ，4 ：) 能控，故存在常数阵七使得： 4 1 一a 1 2 k 的极点集为 盯l 一4 2 ) = a ( 卜3 2 5 ) a 为所期望的极点集。 比较( 卜3 2 4 ) 和( 卜3 2 5 ) 可得： k ：c ：1 c ， 因而有： c = c lc 2 】= 【c 2 kc 2 = c 2 i 。】 ( 1 3 2 6 ) 注意，上式中c ：可为任意的非奇异m x m 方阵，若取c ：= j 。，则唯一地确定了； c 一阵，。】 ( 卜3 2 7 ) 这是c 的一种实现，可根据( 卜3 2 5 ) 式由a 求出k ，再根据( 卜3 2 7 ) ，最 终求出c 。 1 4 智能控制的主要方法介绍 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 一词最早出现在1 9 6 7 年l e o n d e s 和 m e n d e l 合著的学术报告“人工智能控制”中，至今已有三十多年的历史，今天 它所包含的内容已相当丰富，所涵盖的领域在不断地扩展。其内容之多，非短短 数语所能讲述，本节介绍二种与本文相关的主要的智能控制方法，以便为后面的 研究打下基础。 神经控制( n c - - n e u r o c o n t r 0 1 ) 是神经网络控制( n n c ) 的简称”叫7 ”，是指在 控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建 模，或充当控制器，或者优化算法，或者进行推理，或者进行故障诊断，以及同 时具有上述某些功能的组合而形成的控制系统。它最早源于1 9 9 2 年h t o l l e 和 e e r s u 的专著 n e u r o e o n t r o l 。它是实现智能控制的重要方法之一，近1 0 年来得到了迅速发展，已经被广泛应用于很多领域。 在传统的基于模型的控制方式中，是根据被控对象的数学模型及控制系统要 求的性能指标来设计控制器，要求用数学解析式来描述控制规律。神经控制的基 本思想是利用神经网络很强的非线性映射能力，用它们来逼近非线性函数或被控 制系统的参数：模糊控制是基于专家经验和领域知识总结出若干条模糊控制规则， 构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系，通过被控制系统输出误差及误差变 化和模糊关系的推理合成获得控制量，从而对系统进行控制。这两种控制方式都 具有显示表达知识的特点，而在神经控制中不一定需要显示的表达知识。控制系 1 6 统的目的在于通过确定适当的控制量，使得被控系统获得期望的输出特性。 神经控制的方式有许多种，除开直接神经网络控制外，还可以把神经网络与 其它控制方式相融合形成各种各样的神经控制方法。例如，神经网络与专家知识 相结合组成神经网络专家系统；神经网络与模糊逻辑相结合组成神经网络模糊逻 辑控制系统；神经网络与p i d 控制算法相结合组成神经网络p i d 自适应控制系统； 将变结构控制与神经网络相结合组成神经网络变结构控制等等。 根据神经网络在神经控制中所起到的不同作用，可以把它们的功能分为以下 几种： ( a ) 在基于精确模型的各种控制结构中充当被控制对象的模型： ( b ) 在反馈控制系统中直接充当控制器； ( c ) 在传统控制系统中起优化计算作用； ( d ) 在与其它智能控制方法和优化算法，如模糊控制、专家控制及遗传 算法等相融合中，为其提供非参数化对象模型、优化参数、推理模 型及故障诊断。 1 9 6 5 年，由美国加州大学l z a d e h 教授开创的模糊理论是解决病态或参数 变化控制系统极为有效的工具，通过封装一些试验性的工程规则或方法，模糊逻 辑控制就能处理很严重的不确定系统问题。模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是以模糊 集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，既是一种 非线性控制又是一种智能控制方法。它已成为目前实现智能控制的一种重要而又 有效的形式，尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新学科的相融 合，显示出了其巨大的应用潜力。 实现模糊控制的关键在于模糊控制的算法，它由以下四个步骤组成： ( a )根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择系统的输入变 量： ( b )将输入变量的精确值变为模糊量： ( c ) 根据得到的模糊量和模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算模 糊控制量； ( d )将计算得到的模糊控制量化为精确的控制量。 在实际应用中，模糊控制器的设计包括以下几项任务： ( a )确定模糊控制器的结构、输入变量和输出变量； ( b )设计模糊控制器的控制规则： ( c )确立模糊化和去模糊化( 清晰化) 的方法： ( d )选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域，并确定模糊控制 器的参数( 如量化因子，比例因子等) ： ( e )合理选择模糊控制算法的采样时间： ( f )编制模糊控制算法的应用程序； ( g )根据实际情况确定模糊控制器的硬件。 目前，常用的模糊控制结构有：带有自调整因子( 函数) 的模糊控制；基 于模糊关系的系统识别和模型预测；自适应、自组织、自学习模糊控制；基于 神经网络的模糊逻辑控制；基于模糊逻辑的变结构控制；基于模糊推理和神经 网络的专家控制等等。 1 5 本文进行的工作 本研究的主要内容是：汽车发动机转速与燃油的变结构控制和智能控制方法 的研究，研究的目的是寻求一种或几种更好的控制汽车发动机转速与燃油的理论 和方法，解决目前几种控制算法存在的问题。本研究所做的主要工作如下： ( a ) 本研究在现有汽车发动机模型的基础上，根据当前的实际情况和新的控 制算法的要求，对发动机模型进行了改进，并创建了具有多种用途的发 动机计算机仿真模型。 ( b ) 根据发动机控制和新的控制算法的特点，提出了新的燃油喷射控制规律 和在特定条件下设计滑模面的方法。 ( c ) 首次提出了转速与燃油喷射控制的二维滑动模态面的概念，并给出了其 建立的方法、过程和主要的公式。 ( d ) 针对改进后的发动机模型，采用滑动模态变结构控制的方法，对发动机 转速与燃油喷射的控制进行了全面的研究，包括：滑动模态面的确定、 滑动模态的稳定性研究、控制变量的计算、抖振的消弱和变结构控制硬 件和软件的设计探讨。 ( e ) 针对改进后的发动机模型，利用神经网络控制的方法，对发动机转速跟 踪控制进行了全面的研究，包括：发动机神经网络控制结构的设计、神 经网络组建的方式、神经网络学习算法等。 ( f ) 针对改进后的发动机模型，利用模糊一变结构控制的方法，对发动机转 速与燃油喷射的控制进行了研究，包括：模糊控制规则的确定、隶属函 数的选择、模糊控制分量的计算、模糊控制器硬件和软件的设计探讨。 ( g ) 对各种控制算法进行了必要的仿真研究，给出了大量的仿真结果。 第二章汽车发动机模型的建立及p l d 控制 本章首先建立本研究所需要的发动机动力学模型，其次创建该模型的计算 机仿真模型，最后，为了便于和后面研究的控制算法进行比较，对经典的p i d 发动机转速与燃油控制进行简单的回顾和研究。 2 1 汽车发动机模型的建立 本研究采用的发动机模型是根据e l b e r th e n d r i c k s 教授和他的同事们提出 的发动机模型改进而来，原来模型的具体描述请参见附录a ，该模型在发动机的 全工作范围内具有2 的精度。因为原来的发动机模型采用的是单点燃油喷射系 统，考虑到绝大多数的现代汽车上都使用了多点燃油喷射系统，故对该模型进行 了必要的修正。 原来的发动机动力学模型如下： m = ( 一痂f + x m ) ( 2 - 1 一1 ) i：!叩，(，p，口)痈，(t-ra)一_pf(n)+pp(n,p)+pb(n)(2-l一2) 7 7 1 。 n l 声= 争m a t - - m 仆a p 一而p + 等m a t ) ( 2 - 1 3 ) 其中：廊， ，p 为发动机状态变量：t h ，a ，目为发动机控制变量a 2 1 1 误差及稳定工作点 引入状态误差： e ( t ) = x ( t ) 一h = a 脚f ，血，卸】。 ( 2 - 卜4 ) 其中：x = r h o - ， ，p 7 为发动机工作状态，x d = 廊倒，p 。 7 为发动机稳定的期望 工作状态( 点) ，在实际使用过程中稳定工作状态可以用以下几种方法获得： ( a ) 给定控制变量、输出功率等运行参数，就可由试验来获得。 ( b ) 给定控制变量、输出功率等运行参数，可以解下列方程组求得： ( 一廊+ 埘) = 0 ( 2 1 5 ) - h u 聃( 孙易) 哟( t - r a ) 一丛丛生氅盟些堕：o ( 2 十6 ) n j ln l 1 9 等【r h , ( 蚴刈一丽p 面d 。i - 铷= 。 ( 2 - h ) ( c ) 给定控制变量、输出功率等运行参数，由计算机仿真获得。 如给定：负载功率系数k 。= 1 ，x = 1 ，空燃比k = 1 4 7 ，当控制变量 l = 0 0 0 0 1 2 6 ，3 0 。，1 9 5 。 1 ，求得稳定工作点x d l = 0 0 0 0 1 2 6 ，2 4 8 5 ，0 7 6 4 1 ， 当控制变量“d 2 = 0 0 0 0 1 8 5 ，4 5 。，2 3 。 7 ，求得稳定工作点心2 = o 0 0 0 1 8 5 ，2 8 9 3 ， 0 9 5 0 1 ，“。、h 可预先存放在变结构控制器中，使用时再调用。引入状态误 差后，就能够方便地利用变结构控制滑动模态的稳定性、收敛性来进行发动机转 速与燃油喷射的有效控制。 2 1 2 发动机模型的改进 对模型( 2 - 卜1 ) ( 2 - 1 3 ) 作如下处理： ( a ) 将原来发动机模型( 单点喷射) 修正为多点喷射系统，这是因为绝大多 数现代汽车上都使用了多点喷射系统。在多点喷射系统中，喷油器安装 在气缸附近，因而燃油油膜量减少很多，可以设x = o 1 。 ( b ) 根据变结构控制的特点，引入由系统状态反馈等构成的新的燃油喷射控 制规律。一般在发动机稳定的期望工作点h 附近有： 喷油量( 廊。) = 稳定的期望工作点处喷油量( r h 。) + 喷油量修正值( 廓。) 令( 2 1 1 ) 等于零有，瘌= 等= 1 0 r h 倒，影响喷油量修正值的参数很多， 如转速、歧管真空气压、负载、发动机温度变化等等，本文根据发动机状态反馈 控制的原理引入：喷油量修正值= a m ，+ 七2 幽+ b 印，其中k ik ：，也为待定常 数，其它未考虑参数作为扰动处理。因此有： 廊一= 1 0 m f f a + k t a r h f + 也门+ 岛p ( 2 1 8 ) 将( 2 一卜8 ) 和附录a 中的参数和关系式代入( 2 一卜1 ) ( 2 - 卜3 ) ，进一步 推导可得如下方程，它是规范的仿射非线性方程“，而且为简约型： 叠= 一( x ) + b ( x ) o ) ( 2 - 1 9 ) j 萋中：z = 【疏f ，疗，p 】7 、“( ，) = 口( f ) ，“。( ，) 7 ，“。( f ) = 1 - 14 0 7 3 c o s a + 0 4 0 8 7 c o s 2 盯 2 0 ( f ) = 0 7 + 0 0 2 4 ( 0 一瓯n ) - o 0 0 0 4 8 ( 0 一六* ) 2 4 c x ，= 至萎 ，b c x ，= 且；x ，口曼x ， a t ( x ) = 华= 学= ( o 2 k i 一2 ) a r h h + o 2 k 2 加+ o 2 k 3 印 一2(x)：一丛尘丛型型：0184p-00516一o039伊一k。2一0317852 6 4 n 4 k p o w 为等效输出功率系数，与发动机负载状况有关。 a 3 ( x ) = 一等( o o l + t h 口) = 一旦器淤( o 0 1 + r h 口) = 1 3 2 6 n 一1 6 8 2 4 n p 一1 5 5 2 驰) = 鲁咖呐w ) = 晏筹咖w 枘( ) t h ，= ( 1 一x ) 廊一+ t h f = 0 9 t h 一+ r h 盯= 9 廊删+ 廊仃+ o 9 毛瘌盯+ o 9 k 2 a n + 0 9 k 3 a p 巩( n ) = 一0 0 1 5 + 0 5 5 8 ( 1 一署) ，( p ) = o 8 2 7 + 0 5 2 8 p 一0 3 9 2 p 2 b 2 ( x ) = 等0 3 9 9 8 反( p ) = 旦器8 ；铲0 3 9 9 8 段( p ) = 6 1 8 9 f 1 2 ( p ) 一 叩篝 将( 2 1 4 ) 代入( 2 - i 一9 ) ，因c a = o 可得 j = a ( e ，) + b ( e ，x d ) a u ( t ) 其中“( ，) = “( ，) 一“d = 【( f ) ，a u 。0 ) 】 p 。= o 4 1 2 5 ，n = 丽p 根据上面的推导，可看出汽车发动机模型具有如下特点： ( a ) 典型的非线性性：这种非线性特性，不仅表现在输出状态上，而且还 表现在输入( 控制) 的非线性。 ( b ) 时滞性：发动机从喷入燃油开始，到其转速的升高具有延时f 。燃油 系统具有时间常数r ，。 ( c ) 典型的多输入、多输出系统：模型建立过程中，虽然只考虑了三输入 ( 燃油由引入的控制规律决定) 、三输出的情形，实际系统要远比这复杂。 ( d ) 系统参数与发动机工作状态、环境有关：如力( n ，p ) 就随心p 变化而发 生变化，环境温度、冷却液温度亦影响发动机的控制参数。 2 1 3 发动机模型的线性化 为了利用变结构控制理论中有关线性系统的设计原理和方法，将发动机模型 在稳定工作点处线性化，以供后面设计使用。 利用求偏导数的方法，将( 2 一卜9 ) 在稳定工作点如处线性化可得； a = a b + b a u ( t ) a n = c 。p 其中：e = a r t f ，a n ，a p 7 、a u ( t ) = a u p ( f ) ，“。( 吖 lo 2 与 止= lc l l c 4 c - = 【o 1 册i q 2 磊h ” 2 0 2 k 2 0 2 k 3 i c 2c 3l c 5c 6 j 0 】 咖l 岛。面b ”“ 册 巳2 面 铲薏k ，铲詈h ，旷吒= 鼍k 。2 畜品h 一岛2 亩h 一旷吒3 亩h u 岛2 薏h ，叫6 2 = 善k 。 2 1 4 发动机仿真模型的创建 为了缩短控制系统的开发时间，动力学系统的计算机仿真是有效的方法之 一。近年来，可视化( 图形化) 的动力学仿真软件得到了广泛的使用，它在研究 开发高可靠性、高质量的产品或系统中所起到的作用越来越重要。本节介绍如何 将一组非线性的微分方程( 汽车动力学模型) 创建成为m a t l a b s i m u l i n r 可视化 仿真模型，它可用于下面几个方面： ( a ) 作为非实时的发动机模型用于发动机控制算法的测试。 ( b ) 作为实时的发动机模型用于硬件的在线测试。 ( c ) 作为某一控制算法或观测器的集成系统模型。 ( d ) 作为发动机传感器和执行机构的系统模型。 ( e ) 作为整个汽车动力学系统的一个子系统。 1j o o k 0 岛o ，l = & 尽管该汽车发动机仿真模型是针对某一具体的发动机而建立的，但是经过 修改发动机结构参数，就可用于其它的点火式汽车发动机。 为了使仿真模型具有通用性，在建立仿真模型的过程中，暂不代入发动机 参数，不引入新的燃油控制规律( 2 一卜8 ) ，将( 2 - 1 一1 ) ( 2 一卜3 ) 改写为； i = a ( x ) + b ( x ) h ( r ) ( 2 - l 1 2 ) 其中：x = 廊f ，胛，p 】7 、“o ) = 疏一，0 ) ，“。( f ) 】7 ，“。( f ) = 1 1 4 0 7 3 c 。s 口+ o 4 0 8 7 c 。s 2 口 爿c x ，= 至量 ，b + c x ，= 茸f x ，鼋 x ， a i ( x ) = 一罟 4 ( x ) ：一丛坐堡粤型 一i ( 石) = 一等( o o l + y h 。) b i ( x ) 一m i x 姒x ) = 鲁巩( 咖如) 州卜啪，啊= ( 1 - x ) r h s , + 嘞 眦，_ f 甲p p , j s p p c i p c = 0 4 1 2 5 , p ，2 志 上述微分方程描述的是一个三输入三输出的连续时间系统，它由三个子系 统组成：燃油流子系统、空气流子系统和发动机转速子系统。根据s i m u l i n k 的 仿真模型系统层次结构要求，可将它们表示如图2 一卜1 所示的结构： 图2 一卜l 发动机动力学系统结构图 下面利用m a t l a b ( 6 1 ) s i m u l i n k 建立本文研究所需要的发动机仿真模 型，有关m a t l a b s i m u l i n k 的知识请参见 7 2 7 3 。建模方式采用从上到下 的结构方式，即先建立总的发动机系统模型，再建立各个子系统模型，此时应将 附录a 中的参数和关系式代入( 2 - 卜1 2 ) 中。 第一步：创建如图2 - 1 3 所示的三个发动机子系统，并分别命名为：f u e l s u b s y s t e m ，r p ms u b s y s t e m ，和a i rs u b s y s t e m ，相应的输入端命名为：廊。， t i m ( o ) ，a l f a ( a ) ，相应的输出端命名为：旃，n ，p 。这些输入、输出与发动机的 控制变量和状态变量相对应。这时“e n g i n e ”的外形也随之发生改变，其结果如 图2 - 1 - 2 所示。 将所创建的模型存入文件名为e n g i n e m o d e l m d l 的文件中。 图2 一卜2 发动机仿真模型外观 图2 - 1 3 发动机仿真模型内部 第二步：增加各个子系统中的内容： ( a ) 燃油流子系统，由( 2 1 1 2 ) 式可知，该子系统的输入为，输出为r h 。 打开“f u e ls u b s y s t e m ”窗口，根据( 2 - 卜1 2 ) 第一个表达式可创建出 如图2 一卜4 所示的燃油流子系统结构图。 图2 一卜4 燃油流子系统 ( b ) 转速子系统：该子系统的输入为c i t a ( o ) ，t h ，廊，p ，输出为”。 打开“r p ms u b s y s t e m ”窗口，根据( 2 - 1 1 2 ) 式第二个表达式，可创 建出图2 - 1 - 5 所示的转速子系统结构。 图2 一卜5 转速子系统 ( c ) 空气流子系统，该子系统的输入为a l f a ( c r ) ，n ，输出为p 。打开“a i r s u b s y s t e m ”窗口，根据( 2 - 1 1 2 ) 第三个表达式，可创建图2 一卜6 所示的空 气流子系统结构图。 图2 一卜6 空气流子系统 第三步：连接各予系统之间的输入、输出信号，保存所有模型。 另外文献 7 4 、 7 5 介绍了二个汽车发动机仿真的有用模型。 2 2 汽车发动机转速与燃油的p i d 控制 2 2 1 算法及参数优化 目前，汽车发动机的转速控制主要采用可变增益的p i d 方法，具体控制算法 如下： a - - - - k p + k ，i 出+ k d 如d t ( 2 - 2 1 ) 其中：a 为节气门张开的角度，为转速误差，k ，k 。，k 。为可变增益，它 们由发动机的工作状态来确定，点火提前角0 和喷油量由其它的控制规律或经验 数据给出。 由于数字微分有时若处理不好可能带来很大的瞬时值，故k 。一般取为零。 根据( 2 2 1 ) 式可建立如下的p i d 转速控制框图。 图2 2 1p i d 转速控制框图 本研究对上述控制方案的p i d 调节器参数耳，k ，k 。利用m a t l a b 中的 s i m u k i n k 仿真工具软件进行了优化，优化结果为：群= 1 2 ，k = 1 2 ，畅= o 。 汽车发动机的燃油喷射控制是发动机控制最关键的任务之一，燃油喷射的 质量直接影响到发动机的动力性、经济性和排气清净性。为了对空气燃油比进行 良好的控制，现代汽车上一般采用了如下的燃油控制方式： 吆= k + 巧，y + k tj 脚 ( 2 2 2 ) 其中，廊加为进入发动机气缸所需要的燃油质量流速； 南。为进入发动机气缸的空气质量流速； y 为氧传感器( 九传感器) 的输出； ，。为发动机运行空燃比，汽油车经济运行时为1 4 6 7 1 4 7 ； k 小k 为控制器增益。 上述控制方案最大的缺点是：氧传感器输出存在延时，且其工作的可靠性和 抗干扰方面存在不足。 2 2 2 仿真结果与分析 发动机p i d 转速与燃油控制计算机仿真的条件如下： ( a ) 仿真软件为m a t l a b 6 i s i m u l i n k 。 ( b ) 发动机仿真模型如前面一节所述。 ( c ) 发动机干扰信号采用采样周期为0 i s 、能量为0 0 l 的白燥声。 ( d ) 给定转速信号采用阶跃信号，这比较符合实际使用情况，如汽车从起 步到跟踪速度为l o o k m h 的车辆。 ( e ) 采用一般线性点火提前角控制规律。 图2 2 2 图2 2 4 给出了几种典型情况下的仿真结果。 艿 o = e e 一 图2 - 2 - 2p i d 转速跟踪情况 。 。 ? _ “? 。1 1l 门吣觚 岍叫l l f 酬刈i l 0 _ 。 t i m e s 】 图2 - 2 3p i d 负荷有干扰情况 “，jj t 。? j ，。，影 n 。j “ ? | j ? u m m 吣蚋蜘 图2 - 2 - 4p i d 输入有干扰情况 从仿真结果可看出，当发动机负载很低时( o 5 k w ) ，或负载不大( 5 k w ) 且 拍 ： ， o 口oc西qjnllpiao正 【0001，u-e一可mm4 拈 ： 协 ， o 心qc叮qjnl岍ip c o 若c 6 i 【o o o l，edj一口。心 设定转速不高( 约2 x1 0 0 0 r p m ) 时，p i d 调节器能正常工作：当发动机输入有干 扰时，p i d 调节器失调；当发动机负载大于i o k w 时，发动机转速与设定值相差 很大( 约为5 0 ) ；当发动机负载有扰动时，发动机转速不平稳，这表明p i d 调 节器只适应于负载很小、发动机各种干扰很小的转速控制，仿真结果还表明p i d 调节器的转速跟踪( 负载较大时) 效果很差。 第三章汽车发动机转速与燃油的变结构控制 3 1发动机线性化模型的s m c 转速控制 本节利用线性系统摄动的变结构控制设计方法“，研究发动机转速的控制。 首先选取稳定工作点为：h = o 0 0 0 7 7 9 ，2 ，0 6 0 4 7 ，相应的控制变量 = c o 9 6 ，0 0 5 6 5 2 1 ( 喷燃量已经用本文提出的控制规律2 1 8 式所取代) 。并 其中：p = 嘞，a n ，卸 7 、”( f ) = “口( r ) ，a u 。( r ) 】7 ， 。=。-214墨742=；1i2岛6301222妻43，z。=00。095。00 88 4 75 380 5 8 7 6 a = l 一 1 ，& = i i l 一一 1ii e = o 1 0 】 s = 要 = c e = 。( 3 - 1 - 2 ) c = 【c l 足c l 】 其中，k = 乏： 为常数增益阵，c 为任意z z 非奇异常数阵，本文取c - = l ，有： c 柞刚= 雕0 s l = k g l 十a t h f + 以+ 0 + 卸= k 9 1 ar h 扩+ a n = 0 ( 3 1 3 ) 显然，如果在( 3 1 3 ) 中令以。= o ，则有血= 0 ，这样就满足了发动机转速控制 r0 1 o l 弘k ：o1 j 其中k 。：待定，此时系统滑模方程的极点以为； l = 爿。i l 一爿。1 2 k = 0 2 k 1 2 - 0 2 岛 女9 2 ( 3 1 4 ) 只要合理选择k l ，k 3 ，k g ：，使得0 2 k 1 2 0 2 k 3 + k g ： 0 ，p 0 ( i = 1 ，2 ) s = d i a g c , e 2 】 ( 3 一卜1 5 ) s g n s = s g n s ls g n s 2 】。 令( 3 - 1 1 5 ) 式等于( 3 一卜1 6 ) 式，则可求出： a u ( t ) = “( f ) = 一 c b ( e ，h ) 】 c a ( e ，x d ) + e s g n j + b 取：g 。= o 5 ，k i = 5 ( i = 1 , 2 ) ，则可求出变结构控制为： a u ( t ) = “+ ( f ) = 一 c b ( e ，x d ) c a ( e ，x d ) + 0 5s g n s + 5 j ( 3 1 1 7 ) 本文已经验证在发动机的全工作范围内有： d e t l c b ( e ，硝) i = 最( 8 ，x d ) b 2 ( e ，硝) 0 因而变结构控制总是存在。最后得出发动机的控制变量为： u ( t ) = + “2 ( f ) ( 3 - 卜1 8 ) 3 1 4 仿真结果及结论 本节仿真的条件如下： ( a ) 仿真软件为m a t l a b 6 1 s i m n l i n k 。 ( b ) 采用第二章建立的发动机仿真模型。 ( c ) 发动机干扰信号采用白燥声。 ( d ) 给定转速信号，采用阶跃信号。 本文对发动机的多个稳定工作点和不同扰