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柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 摘要 乙醇作为发动机的代用燃料在解决能源短缺和降低废气污染等方面具 有独特的优越性，紧密结合我区目前汽车工业生产的需求，设计了一套柴 油乙醇双燃料发动机的电控供醇系统。以y c 2 1 0 5 柴油机为研究对象，采 用进气管电控预喷射乙醇方式对原柴油发动机进行改装，通过p i d 控制算 法实时控制柴油机循环供油量所需的乙醇供给量，使发动机在各种工况下 的空气、乙醇、柴油能够按最佳混合比进行燃烧。 p i d 控制的性能取决于参数的整定情况，由于双燃料发动机难以建立精 确的控制模型及其运行工况的不断变化，将模糊控制理论运用于传统的p i d 控制算法，建立模糊p i d 控制器，实现p i d 控制参数的在线自整定。经 m a t a i ，a b s i 小仿真表明，模糊p i d 控制算法比传统的p i d 控制算 法，具有良好的动态响应特性和较小的超调性。 供醇系统以单片机a t 8 9 s 5 2 为电控单元核心，对传感器测得的转速、 供油拉杆位移i 冷却水温度等工况信号进行采集，确定基本供醇量，以转 速为反馈信号，与目标转速比较得到转速偏差值，将偏差值经p i d 算法调 节得到喷醇量的调整值，送至单片机的p w m 输出口，来调节喷醇电磁阀开 启时间，从而达到实时控制乙醇掺烧率的目的。 在y c 2 1 0 5 型柴油机上的对比台架试验结果表明：双燃料发动机具有足 够的动力输出；排放性能上，较原柴油发动机排气烟度大幅度降低；经济 性能上，当量燃油消耗率优于原柴油发动机。但由于在柴油机中掺烧乙醇 后，柴油机的h c 和c o 的排放值升高，可结合催化净化技术，降低排放， 满足当今越来越严的排放法规。 关键词：柴油机乙醇最佳掺烧率实时p i d 控制 p i dc o n t r o lf o re t h a n o l s u p p l y i n g s y s t e mo fd i e s e l e t h a n o l du a l f u e le ng i n e a b s t r a c t e t h a n o la sa l t e r n a t i v ef u e l so f e n g i n e ，h a su n i q u ea d v a n t a g e si nt h ea r e a so f s o l v i n gt h ee n e r g ys h o r t a g ea n dr e d u c i n ga i rp o l l u t i o n t h et h e s i sc o m b i n e s c l o s e l yw i t ho u rr e g i o n sc u r r e n tn e e d st oa u t o m o t i v ei n d u s t r yp r o d u c t i o n ，a n d d e s i g n sad i e s e l e t h a n o ld u a l f u e le n g i n eo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o r e t h a n o ls u p p l y i n g ，i tr e e q u i p st h ed i e s e le n g i n eb yt h ew a yo fe l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e dp r e i n j e c t i o ni ni n t a k em a n i f o l d s t h es y s t e mc a nr e a l t i m ec o n t r o lt h e v o l u m eo fe t h a n o ls u p p l y i n gf o rc i r c u l a t i n gd i e s e l ，a n dc a ng e tt h eb e s tm i x i n g p r o p o r t i o no f e t h a n o la n dd i e s e lf o re n g i n ei na v a r i e t yo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n t h ep e r f o r m a n c eo fp i dc o n t r o l i n gl i e so np i dp a r a m e t e rt u n i n g i ti s d i f f i c u l tt oe s t a b l i s hap r e c i s ec o n t r o lm o d e lf o rt h ed u a l f u e l e n g i n e t h e o p e r a t i n gc o n d i t i o ni sd i v e r s i f i c a t i o n s ot h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yi sc o m b i n e d w i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m i ts e tu paf u z z y p i dc o n t r o l l e r , w h i c h a c h i e v e st h ep i dc o n t r o lp a r a m e t e r so n l i n es e l f - t u n i n g b ym a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o ns h o w st h a t t h ef u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mh a sab e t t e rd y n a m i c r e s p o n s ea n ds m a l l e ro v e r s h o o tt h a nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m a t 8 9 s 5 2s i n g l e c h i pi st h ec o r eo ft h ee c uo fe t h a n o ls u p p l y i n gs y s t e m i t c o l l e c t st h es p e e ds e n s o r , o i ld i s p l a c e m e n tr o d ，a n dc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e s i g n a lf r o ms e n s o r s ，a n dt h e nc o n f i r m se s s e n t i a lv o l u m eo fe t h a n o l ，l a s tp u t s s p e e da sf e e k b a c ks i g n a l ，w h i c hi sc o m p a r e dw i t ht h et a r g e ts p e e dt o o b t a i n d e v i a t i o nv a l u e s t h ed e v i a t i o nv a l u e si su s e di np i da l g o r i t h mt or e g u l a t e e t h a n o ls p r a y i n gv o l u m e ，t h e nr e g u l a t e se l e c t r o m a g n e t i s mv a l v eo p e n i n gt i m e ， s oa st or e a l t i m ec o n t r o it h eb l e n d e dr a t eo fd i e s e l e t h a n 0 1 i t i sp r o v e db yac o m p a r i s o nt e s tw i t hy c 210 5d i e s e le n g i n e t h e r ei s s u f f i c i e n tp o w e ro u t p u tf o rd u a l f u e le n g i n e ；i nt h ee m is s i o n sp e r f o r m a n c e ， c o m p a r et ot h eo r i g i n a ld i e s e le n g i n e ，e x h a u s ts m o k e i sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ；i n t h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，e n g i n ef u e lc o n s u m p t i o nr a t eo ft h ed u a l f u e ld i e s e l e n g i n ei sb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a lm a c h i n e e t h a n o ls u p p l y i n gs y s t e mc a nb e w i d e l yu s e di na u t o m o t i v ed i e s e le n g i n e ，w i t ht h eu s eo f t h ep r o m o t i o n h o w e v e r , a f t e rb l e n d i n ge t h a n o li nt h ed i e s e le n g i n e ，t h eh ca n dc oe m i s s i o n si n c r e a s e d v a l u ei sh o i s t t om e e tt h en e e d so ft o d s y se m i s s i o n sr e g u l a t i o n s ，i tc a n c o m b i n ew i t hc a t a l y t i cp u r f i c a t i o nt e c h n o l o g yt or e d u c ee m i s s i o n s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e t h a n o l ；o p t i m a ld i e s e l e t h a n op r o p o r t i o n s l ； r e a l t i m e ；p i dc o n t r o l i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说日月 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 桶叔趣沏声汐月2 弓日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时伺： ， 回即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：均叔硷导师签名：千毛忿如7 年多月2 弓留 广西大学硕士学位论文柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 1 1 课题来源及研究意义 第一章绪论弟一早z 百t 匕 随着全国对环境保护的日益重视，我国环保、汽车、交通部门联合发布的汽车排 放控制技术政策中已明确规定2 0 0 0 年采用欧i 排放法规，2 0 0 4 年采用欧i i ，2 0 0 8 年 采用欧i i i ，2 0 1 0 争取与国际接轨。面对日趋苛刻的排放法规要求，围绕以降低排放为核 心，研制先进的节能、低污染的发动机己成为发动机设计的主旋律。经研究，实现发动 机动力多元化、燃料多元化能满足日趋严格的排放法规要求。乙醇作为一种含氧且具有 可再生性的生物能源，被认为是一种较理想的代用燃料乙醇是一种清洁燃料。发动机中 掺烧乙醇可以大幅度降低一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物及微粒的排放。 我国是柴油消费大国，柴油供应紧张。据推算，我国每年消费柴油总量是7 0 0 0 万 吨左右，如果用乙醇体积分数为o 1 5 的乙醇柴油替代2 0 的柴油，则每年将消耗乙醇 2 1 0 万吨，则可代用1 3 5 万吨柴油，应用柴油乙醇燃料能够解决柴油资源不足矛盾突出 的问题。近几年来，我国开始加强了对柴油乙醇双燃料的应用研究开发，国家自然基金 项目“燃用生物生成乙醇混合燃料的压燃式柴油发动机研究”已经启动。乙醇在柴油机 上的应用，国内各大高校如上海交大、西安交大、清华大学、浙江大学等也紧锣密鼓的 进行着【l j 吲。 我国在2 0 0 1 年制定了g b l 8 3 5 0 2 0 0 1 变性燃料乙醇标准，明确规定以淀粉质、 糖质为原料，经发酵、蒸馏制得乙醇，脱水后再添加变性剂变性的燃料乙醇作为车用发 动机的燃料。在我区糖质原料一甘蔗极为丰富，生产乙醇具有广阔的前景，于2 0 0 4 年 1 1 月2 9 日在南宁召开的“甘蔗糖业可持续发展国际学术讨论会 上，有关专家提出开 发汽车用甘蔗燃料乙醇。此后，于2 0 0 6 年在钦州市建立年产2 0 万吨燃料乙醇基地。若 该基地竣工投产，将为柴油乙醇双燃料发动机提供丰富的燃料乙醇，从而推动车用发动 机使用燃料乙醇。因此，进行关于“柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 的 研究有显著的经济效益和社会效益，促进我区汽车工业和汽车燃料工业不断发展壮大。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 机外混合燃料 机外混合燃料是燃料在出厂前便已配置出合适比例的乙醇柴油混合燃料。在不改变 广西大学硕士学位论文柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 汽车发动机的前提下可直接使用乙醇柴油，满足发动机经济性，动力性和环保的要求。 这种供醇方式具有使用方便、混合比例容易控制等优点，主要的工作表现在寻找能使乙 醇和柴油互溶的助溶添加剂。国内外学者做了大量工作来研究助溶剂。 在国外，美国清洁燃料公司研制的“p u r a n o l 添加剂能保证含有1 0 1 5 的乙醇 柴油混合燃料长期不分层，并且这种燃料能分别使柴油发动机排放的p m 、c o 和n o x 减少4 1 、2 7 和5 。英国的a e e 科技公司在配置1 0 的乙醇柴油混合燃料时，加 入1 2 5 的a e e 助溶剂，在发动机耐力测试和排放物测试中都有较好的表现，此外瑞典 a k z on e b e l 公司、美国的b e t zp e a r b o r m 公司、a k z on o b e l 公司、日本的洋马公司都有 这方面的报道f 3 一j 。在国内，河南天冠集团开发的机械混合法无需添加任何助溶剂可获 得乙醇含量在1 0 以下的混合燃料；在乙醇含量1 0 以上的混合燃料中仅需添加少量助 溶剂，就可以解决低温下乙醇和柴油难互溶的难题。中国科学院生态环境研究中心也开 发了一种新型助溶剂，均取得了较好的排放效果1 5 j 。 采用这种方式也存在着自身的弊端：由于柴油和乙醇在结果和性质上的差异，乙醇 柴油的相溶性较差；在柴油乙醇中添加助溶剂后，提高了柴油乙醇混合燃料的生产成 本；此外，柴油和乙醇混合的比例是固定不变的，可能对某种工况是高效的，但对其他 工况则可能降低功效，甚至某些工况排放恶劣。这些因素 6 1 不同程度上都阻碍了乙醇 柴油的推广应用。 1 2 2 进气管化醇器供醇 将汽车用的化油器进行适当的改造作为化醇器，安装在进气管上来供给乙醇，通过 节气门控制乙醇供给量。进气循环时乙醇被吸入进气管内，吸热汽化后，与空气混合后 进入气缸参与燃烧。化醇器供醇的主要优点是：原柴油机基本结构及调整参数不需改变， 发动机改装费用低，而且可随时关闭乙醇供给系统恢复到纯柴油工作状态。其主要缺点 是：采用机械控制乙醇和柴油混合比例，与工况合理比配比较困难，这种供醇方式发动 机的起动性、低负荷时经济性和排放都较差。节气门控制乙醇的供给量，会造成进气节 流损失影响发动机燃烧特性。此外，化醇器必须增加加热系统，否则过量吸入乙醇会使 化醇器喉口处结冰。随着电子测控技术的普及，该种供醇方式也逐渐被淘汰【8 儿9 。 1 2 3 缸内直接喷醇 缸内直接喷射采用两个喷油器分别将柴油和乙醇在不同的时刻喷入燃烧室中，并利 广西大掌硕士掌位论文 柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 用柴油燃点低的特点通过压燃来点燃混合燃料。双燃料直喷装置燃用柴油乙醇能满足柴 油机的速度、负荷和温度的要求，不仅能可靠的工作，而且能够达到原柴油机的动力性 和经济性要求。这种方法的优点是可同时有效地降低柴油机排放的n o x 排放值和烟度 值，解决在柴油机排放控制中微粒与n o x 难于同时降低的难题。缺点是由于乙醇的喷 嘴安装在燃烧室的边缘位置，喷出的柴油与乙醇形成的混合气质量不好，燃烧效率降低， 基准烟度值较大，使h c 和c o 的排放较原柴油机增加。此外，对发动机本身改动比较 大，改装技术要求较高，不宜对现有发动机进行改造和应用l l o l 。 1 2 4 电控进气管预混合喷射 进气管预混合是指在进气管加装喷醇器，将醇类燃料定时定量喷入进气管。醇类燃 料在进气管中蒸发雾化，并与空气混合后进入气缸【3 7 l 。柴油机采用预混合燃烧方式掺烧 乙醇，乙醇喷入进气管后，其气化蒸发的吸热作用，使得进气终了时气缸内混合气温度 降低，在一定程度上增加了进气密度。在不改变发动机结构参数和其他进气条件的情况 下，发动机的充气效率得到提高。 在进气歧管入口处配装一套电控低压燃料喷射装置，可以根据不同转速和负荷的需 要将乙醇喷入进气流中，迅速气化后与进入的空气形成一定浓度的预混合气。这种供醇 方式可以按任意比例进行乙醇和柴油的缸内混合，且其混合比例可以在相当宽广的范围 内调整。电控单元可以精确地控制乙醇的喷射量，完成乙醇供给量与转速、负荷变化的 实时比配。同时，采用进气管预喷射方式，乙醇喷射器不直接受气缸内高温和高压的作 用，供应乙醇的泵和喷嘴的磨损问题可得到较好的解决。此外，喷醇器易于安装，不需 对发动机结构做大的改动，很实用且成本低。这种供醇方式适合我国现阶段的柴油机改 装工作，成为首选的乙醇供给方式，而其关键技术是开发可靠、高效的控制方法【1 1 1 【1 2 1 。 1 3 供醇系统p i d 控制的提出 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始，各研究所和高校相继对醇类在内燃机中部分代用和全 部代用，进行了深入的研究。有研究表明，不同的柴油乙醇混合比例在不同的转速、负 荷下对柴油机的功率、油耗、排放等性能的影响规律并不相同。在各种工况下，最佳掺 烧率并非固定不变，在不同的发动机转速和负荷下，存在各自不同的最佳掺烧率l l 引。目 前很多的研究中，大多都只是对不同工况、不同掺烧率下的双燃料发动机的性能进行研 究，而对在整个转速和负荷范围内，按柴油乙醇的最佳掺烧率控制双燃料发动机还没有 3 - - 西大学硕士学位论文 柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 进行深入的研究。 不同的供醇方式均能在一定程度上实现柴油乙醇双燃料的燃烧，达到节油和改善排 放的效果。但机外混合、进气管化醇器及缸内直喷三种供醇方式都无法实现根据柴油机 不同的转速及负荷对供醇量进行准确的计量、实时改变柴油乙醇的混合比的目的。电控 进气管预混合喷醇方式可以根据发动机运行工况对柴油乙醇的混合比进行实时控制，是 目前国内外研究的热点和发展趋势，其技术关键是开发出可靠性高的控制方法。 p i d 控制器结构简单，实现方便，并且适应性广、其控制品质对被控制对象特性的 变化不是很敏感，是一种最常用的线性控制方法。p i d 控制技术广泛地应用于发动机的 研究：上海交通大学在高压共轨电控喷油系统的研究中采用p i d 控制，能够实现快速响 应喷油定时定量供油及多次喷射的控制要求，满足了发动机的控制需要，使发动机在最 佳状态下运彳亍【1 4 l 。在混合动力汽车发动机转速p i d 控制试验表明，发动机转速p i d 控制 器具有良好的控制品质，提高了混合动力汽车发动机的转速特性【l 引。车用柴油机调速系 统中采用模糊p i d 控制算法，能够精确地控制柴油机的运行，启动过程迅速可靠，加减 速工况响应快，且转速无超调现象，稳态运行时速度波动小，发动机工作平稳柔和，运 行性能良好【1 6 】【1 7 1 。 喷醇 p w m 驱动 图1 - 1 供醇系统p i d 控制方案 f i g 1 - 1t h ep 1 dc o n t r o ls y s t e mo f e t h a n o lp r o v i d i n g 因此，结合广西汽车产业发展的要求，针对柴油乙醇双燃料发动机的研究现状，提 出利用单片机p i d 控制技术，开发一套可实现柴油和乙醇按最佳混合比进行混合的电控 供醇系统( e c u ) ，如图1 1 所示。该系统的主要功能为：( 1 ) 自动测量转速、供油 拉杆位移量，并根据不同的转速、拉杆位移确定基本喷醇量。( 2 ) 根据转速传感器输出 的转速信号，算出与目标转速的偏差，由得到的偏差值通过p i d 算法修正乙醇的喷射量， 输出与之相对应的脉冲宽度。( 3 ) 将单片机输出脉冲送至带光电耦合器的驱动电路，利 用三极管开关作用按时打开驱动喷醇线圈喷射乙醇。( 4 ) 根据柴油机的不同转速及其变 4 广西大学硕士掌位论文柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 化，通过模糊自适应查表实时改变p i d 控制参数，满足在不同工况下行驶的要求。 1 4 主要工作内容 研发设计柴油乙醇双燃料发动机供醇控制系统，主要包括乙醇供给系统的设计，控 制单元硬件的设计、制作，控制程序的编写，双燃料发动机台架试验。研究工作内容有 以下六点： 1 完成乙醇供给装置在y c 2 1 0 5 柴油机上的改装。另外，还包括转速传感器、供油 拉杆位移传感器、冷却水温度传感器等的选用、安装，实现柴油机实时工况信号的采集。 2 以y c 2 1 0 5 柴油乙醇双燃料发动机为研究对象，进行柴油机运行参数优化试验， 验证各种工况下的数学模型的真实性和可靠性；制作以柴油机转速和供油拉杆位移为自 变量，以初始喷醇量为因变量的控制m a p 图。 3 控制系统硬件的设计。包括传感器信号处理电路、执行机构驱动电路、电源电路、 抗干扰电路等的设计、仿真、制作，并进行初步的调试。 4 双燃料发动机p i d 控制算法研究。在m 伽，a b s i m u l i n k 下设计双燃料发动机 准线性模型，设计模糊p i d 控制器将之应用于双燃料发动机模型仿真，确定p i d 控制 参数，对电控喷醇系统的开发具有重要的参考价值。 5 控制系统软件的编写和调试。通过将采集到的发动机实时工况信号传到单片机， 与目标工况比较得到控制偏差，进行p i d 算法计算，优化处理后得到喷醇量调整值，由 单片机发出控制信号，控制喷醇电磁阀来实现喷醇量的实时控制。 6 证实柴油乙醇双燃料发动机供醇系统在柴油机上运用的可行性。通过对双燃料 发动机进行特性试验，对比各种工况下原机与双燃料发动机在动力性、经济型和排放性 上的变化。 广西大掌硕士掌位论文 柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 第二章供醇系统技术方案设计与硬件设计 2 1 双燃料供醇系统的技术方案 柴油乙醇双燃料发动机供醇系统采用电控多点进气道预喷射供醇方式。多点进气道 预喷射系统是在发动机每一个进气歧管上均安装一个乙醇喷射器的乙醇供给系统。发动 机工作时，乙醇适时喷入进气门附近的进气歧管，在进气管中蒸发雾化，与空气混合均 匀后进入气缸参加燃烧。电控供醇系统采集发动机当前运行工况的信号，通过判断、运 算，确定发动机在不同转速、负荷工况下相应柴油乙醇的掺烧率以及乙醇燃料的喷射量， 按照给定喷射正时向喷醇器输出喷醇脉冲信号，控制整个喷射工作过程。 2 1 1 发动机的选型及改装原则 双燃料发动机是在广西玉柴动力机械有限公司生产的y c 2 1 0 5 柴油机上进行改装。 y c 2 1 0 5 柴油机基本参数见表2 1 【1 9 】： 表2 - 1y c 2 1 0 5 柴油机的基本参数 型号y c 2 1 0 5 型式立式、双缸、水冷、四冲程 燃烧室形式 直喷式 气缸直径( m m )1 0 5 活塞行程( r a m ) 1 2 0 活塞总排量( l )2 0 7 7 活塞平均速度( m s )9 6 压缩比 1 7 2 1 7 5 ：l 标定功率( k w )1 7 6 标定转速( r m i n )2 4 0 0 最大扭矩( n m )8 6 最大扭矩转速( r m i n )1 8 0 0 标定工况比油耗( g k w h ) f o 0 1 ( 2 ，1 3 ) ，因此所得到的回归方程是显著的。 f i = 6 7 2 4 f o o l ( 2 ，1 3 ) = 9 0 7 ( 2 8 ) f 2 = o 5 5 f o 0 1 ( 2 ，13 ) = 9 0 7 2 6 3 喷醇脉宽与喷醇量关系的确定 为保证在喷醇停止时刻能迅速地切断乙醇的供给，不发生流漏，要求喷醇器喷射压 力高、射程远。采用蓝鸟汽车上的喷油器作为乙醇燃料的喷醇器。该喷醇器是有电磁阀、 衔铁、针阀及回位弹簧等部分组成。喷醇器头部的衔铁和针阀组合一体。喷醇器的针阀 在工作过程中受到液体压力、弹簧力、惯性力、摩擦力及电磁吸力的综合作用，线圈通 电前，喷醇器针阀在液体压力和弹簧力的作用下被压紧在阀座上；通电后，线圈产生电 磁吸力，当电磁力大于其他力的作用之和时，针阀上升开启，具有一定压力的乙醇从针 阀周边缝隙喷出。 在稳定的供醇压力下，喷醇器喷醇量聊。可以表示为： m = , u a f 2 j p 艘 ( 2 - 9 ) 式中： t 月一喷孔的有效流通面积； 夕，一乙醇密度； ，一喷醇器的喷射时间； 凹一喷孔前后的压力差。 由于喷孔的有效流通面积、乙醇密度都是固定值，喷孔前后的压力差由压力调节器 保持恒定，所以m 。又可以表示为 m = 鼢 ( 2 1 0 ) 这里k 为常数，显然喷醇器与通电时间成正比。 实验通过单片机控制对喷醇器进行校准，校准时，喷醇器的通电时间的改变是通过 改变单片机寄存器的数值来实现的。校准共进行三个循环，每循环校准4 0 次，喷醇器 广西大学硕士掌位论文 柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 通电时间从l m s 开始，其后每增加5 0 p s 校准一次，每个校准点喷醇1 0 0 0 次以便测取， 最后取其平均值获得每次喷醇量。所得数据通过处理后，得到喷醇器1 0 0 0 次喷醇量和 喷醇脉宽之间的关系式为： y = 一0 9 5 + 4 1 x ( 2 1 1 ) 因此，喷醇脉冲宽度时间，与该宽度下喷醇量m 。之间的关系可以表示为： ，：1 0 0 0 m h + 0 9 5 ( 2 - 1 2 )i 一。一 4 1 假设在某转速玎下的循环供油量1 ，对应的供油拉杆位移量，三者的关系为： v = f ( n ，) ( 2 1 3 ) 假设掺烧比为d ( o 勺 1 ) ，据此可得喷醇量和循环喷油量之间的关系应为： y = v 口= f ( n ，) a ( 2 - 1 4 ) 则可以得到喷醇脉冲宽度时间与凸轮轴转速、供油拉杆位移量的关系为： f ：1 0 0 0 x f ( n , 1 ) x a + 0 9 5( 2 1 5 )f = 7 1) 4 1 采用调用5 0 1 a s 延时程序来确定喷醇脉冲宽度，计算出不同范围拉杆位移量对应的 调用5 0 1 a s 延时次数，转换成相应的1 6 进制数。 在匹配试验中，虽然选择的工况点越多，控制精度越高，但标定的工作量越大，所 以所选定的工况点不能太多。由式2 5 可知：转速在回归方程中为不显著变量，可除去 此变量，但还是要考虑到转速对循环供油量存在着一定的影响。因此，我们将凸轮轴转 速分成： 9 2 5 r m i n 三个阶段，初始喷醇量计数值m a p 图中 主要考虑这三种转速阶段下分别对应的供油拉杆位移量和喷醇延时计数值的关系。 2 6 4 初始掺烧率的确定 乙醇的掺烧率是衡量双燃料发动机性能的一个重要指标。只有提高掺烧率才能充分 发挥乙醇燃料的显著特点，但掺烧率的提高受到燃烧性能、工作稳定性、排放等一系列 问题的制约。在某一工况下不同掺烧率对应双燃料发动机的性能指标不相同，最佳掺烧 率应该在保证排放要求的前提下，使发动机具有最好的经济性和动力性【3 2 弼】。 经过大量的台架试验后，分析优化得到柴油乙醇双燃料发动机在不同工况下的最佳 乙醇掺烧率。在怠速时仅以柴油作为燃料，中小负荷时替代率较小而在高负荷时替代率 可以达到较大值。针对柴油机采用p i d 控制，协调控制乙醇、空气量和柴油量，使每一 广西大学硕士掌位论文柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 工况下的乙醇对柴油的替代率都达到最佳，实现双燃料发动机最佳的燃烧性能1 3 4 。7 1 。据 此，初步确定柴油乙醇双燃料发动机的初始掺烧率为： 9 2 5 r m i n ：0 3 。根据式2 1 2 计算出不同拉杆位移量内的喷醇脉冲宽度及其对应的 调用5 0 1 a s 延时次数，将延迟次数数值换算成相应的1 6 进制数，换算结果如表2 3 所示。 表2 - 3不同掺烧比下各转速负荷工况时对应的5 0 l - t s 喷醇延时次数 一 5 5 0 以下 5 5 0 9 2 59 2 5 以上 拉杆位移量( m m ) 、 掺烧比 0 1o 20 3 7 以上2 6 h 4 7 h6 a h 6 7 2 4 h4 3 h6 3 h 5 6l f h3 a h5 6 h 4 51 b h3 2 h 4 d h 3 41 6 h2 a h3 a h 3 以下1 4 h2 5 h 3 3 h 2 6 5 最佳喷顺时刻 一定相位范围内保持进气门、排气门同时开启的状态，利用新鲜的空气充量将废气 从燃烧室排出，这个进、排气门同时开启的持续时间以曲轴转角表示，就是气门重叠角。 气门重叠开启期间，必然会有新鲜充量直接从排气门排出。为避免乙醇不经过燃烧做功 而直接排出，使燃油经济性恶化造成h c 排放，乙醇的喷射必须避开气门重叠角。乙醇 喷射采用进气道预混合喷射方式，乙醇在进气过程中喷射，原机进气涡流的状况发生改 变，同时，乙醇本身带有氧原子，在气缸内与柴油雾化、混合后会改变原机燃烧规律。 因而，要得到较优的柴油机工况，乙醇喷射的始点的选择十分重要。 乙醇喷射的时刻选择在活塞到达上止点且开始下行时，有利于双燃料混合更加充 分，提高发动机的经济性，若乙醇喷射时刻过晚，将造成喷雾质量不理想且进气温度降 低，压力下降，影响发动机的动力性能。根据发动机原机、双燃料发动机不同供油提前 角、不同供醇时刻下的速度特性试验、负荷特性试验，比较分析原机和双燃料发动机的 动力性能，经济性能和排放性能的变化。在进气持续角1 7 。供醇时刻的双燃料发动机的 综合性能较好【3 8 1 。 2 4 广西大掌硕士学位论文柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 本章介绍了对柴油乙醇双燃料发动机供醇系统技术方案，对y c 2 1 0 5 柴油机进行改 装：控制系统有a t 8 9 s 5 2 单片机来控制，对单片机外围电路进行设计：对转速、拉杆位 移、判缸、水温传感器信号调理电路进行设计；完成喷醇计数值m a p 图。 广西大掌硕士掌位论文 柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 第三章柴油乙醇双燃料发动机供醇系统控制策略与仿真 3 1 控制方案设计 发动机电控系统的控制方式主要分为开环控制和闭环控制两种基本的方式。开环控 制方式是由电控系统先检测发动机的运行工况和状态，然后根据所检测的到的发动机运 行工况和状态参数查取m a p 图，确定被控制量的数据。闭环控制方式则是由反馈传感 器将被控制量发生变化后的响应效果反馈到微控制器中，依据反馈结果对被控制量进一 步调节，以达到提高控制精度和实施优化控制的目的。 若供醇控制系统采用开环控制，则要求获得比较精细的喷醇延时计数值m a p 图， 就需要花费大量的时间和精力获得试验数据。要获得大量准确的试验数据，必然增加发 动机控制的开发难度，且大量数据在实际的系统中要占用大量的内存。在保证控制性能 不会降低前提下，应尽可能减少开发难度和占用内存的数量，所以选择闭环控制方案， 如图3 1 所示。转速闭环控制根据发动机设定转速与实际转速的偏差，经过喷油脉冲宽 度调节器，运用p i d 算法，调节喷醇器的导通时间。 3 2p i d 控制算法 3 2 1p i d 控制理论分析 图3 1 转速闭环控制 f i g 3 - 1 s p e e dc l o s e d l o o pc o n t r o l p i d 控制是控制系统中技术成熟、应用最广泛的一种基本控制器。常规p i d 控制系 统原理框图如图3 2 所示。作为一种线性控制器，它根据设定值和实际输出值构成控制 偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量对被控制对象进行控制【3 9 1 。 广西大掌硕士掌位论文 柴；由乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控靠u 给定值，与实际输出c 构成控制偏差为： 础m 卜+ 赤+ 半 或 ) 喝砸) 蝎渺+ 如警 ( 3 - 1 ) 式中：驴比例系数；矸一积分时间常数；死微分时间常数；局一积分系数；妒 p i d 控制中同时引用比例、积分、微分作用，是为了既能改善系统的动态性能，又 z 月匕l - , 改善系统的静态性能。根据对象的特性，适当选择k p 、k i 、k d ，使系统的稳态误差 3 2 2 增量式p i d 控制算法 在计算机控制系统中，p i d 控制规律的实现必须采用数值逼近的方法，多采用增量 p i d 控制算法。 对式3 1 进行离散化处理，就可以得到离散的p i d 表达式： 七 “( 后) = k 尸p ( j j ) + k ，p ( _ ，) + k d e ( k ) - e ( k - 1 ) ( 3 2 ) j = o 增量式p i d 控制算法由式3 2 导出。根据递推原理可得 k - i “( 尼一1 ) = k | p e ( k - 1 ) + k ，p ( ，) + k 。 e ( k - 1 ) 一e ( k 一2 ) 】 ( 3 3 ) 用式3 2 减去式3 。3 得增量式控制算法如下： 2 7 广西大掌硕士学位论文柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 a u ( k ) = k p 【p ( 忌) 一e ( k - 1 ) 】+ k ，p ( 七) + k d 【p ( 足) 一2 e ( k 1 ) + e ( k 一2 ) 】 = k | p a e ( k ) + k ，p ( 尼) + k d a e ( k ) 一a e ( k 一1 ) 】 ( 3 4 ) 式中 a e ( k ) = p ( 尼) 一e ( k 1 ) 位置式p i d 控制算法由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关。计算时要 对误差进行累加，计算机运算工作量大，而且如果计算机出现故障，会引起执行机构位 置的大幅度的变化。这种情况往往在生产实践中不允许的，在某些场合还可能造成重大 的生产事故，因此产生了增量式p i d 控制算法。所谓增量式p i d 控制算法，是指数字控 制器的输出只是控制量的增量。增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，相对位置型 算法而言却带来了不少优点：计算误差或计算精度问题，对控制量的影响较小；可以保 持原值，误动作影响小，控制效果比较好，不会影响系统的工作；便于实现手动到自动 的无扰动切换。但增量式p i d 也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差，溢出的 影响大。因此，选择时不可一概而论。 3 2 3p i d 控制参数整定 由于柴油机电控系统为非线性、时变、大滞后系统，难以建立精确的数学模型。因 此，常选用工程整定法。p i d 工程整定法包括试凑法和实验经验法。采用试凑法，就是 闭环调试观察系统的响应曲线，根据各个参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数， 以达到系统最优【4 2 1 。调试中，采用先比例、后积分、再微分的反复调整，具体步骤如 下：首先，置积分和微分系数为零，由小变大调整比例系数，观察响应曲线，使系统过 渡过程达到4 ：1 衰减的响应振荡和较小静差。其次，将比例系数减少1 0 2 0 ，由小到 大调节积分参数，以期得到满意的效果。再次，当需要加入微分环节构成p i d 控制器时， 再整定时，逐步增大微分系数，同时注意调整比例系数和微分系数，反复试凑直至获得 满意的控制效果为止。 在实际的p i d 控制中，比例系数k p 主要用于偏差的“粗调 ，积分系数k 卜微分 系数k d 主要用于偏差的“微调”。但k p 、k i 、k o 三种控制参数相互影响，其中一个参 数的改变会影响另外两个控制参数的效果，调试过程是三者相互折中协调。由于三者之 间的制约，使得调试工作量大。 目前在柴油机电控系统中广泛应用的还是p i d 控制，但实践证明，由于柴油机的非 线性及时变性问题很突出，随转速、负荷及其他运行条件的变化，其内部参数发生较大 变化，仅仅采用传统的的p i d 算法，不能解决p i d 控制性能不足以补偿参数的变化的 广西大学硕士掌位论文柴 由乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控靠u 问题。此外，传统的p i d 控制算法中，对柴油机转速偏差的处理还存在以下不合理的因 素：控制参数一经确定，不能在线调整；存在积分饱和现象。 模糊控制的算法简单，用于计算机实时控制计算量很少，并且自适应模糊控制可以 使控制参数和规则在控制过程中自动调整，修改和完善，从而使系统的控制性能不断完 善，达到最佳的控制效果。为此提出模糊自适应p i d 控制，将模糊控制和p i d 控制两 者结合起来，模糊自适应p i d 控制器对供醇系统进行控制，可以扬长避短，既具有p i d 控制精度高的特点、又具有模糊控制灵活和适应性强的优点。供醇系统采用的模糊自适 应控制是将一系列模糊控制规则离线转化为p i d 控制参数查询表( 又称控制表) ，存储 在计算机中供在线控制使用。 3 3 模糊控制基本原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控 制，模糊控制模仿人类思维，能对模型不精确或根本无法建模的被控对象取得较理想 的控制效果。模糊控制在工业过程控制、机器人、交通运输等方面得到广泛应用。 r 丽镇f ； 图3 - 3 模糊控制器功能模块 f i g 3 - 3 f u n c t i o nm o d u l e so f f u z z y - c o n t r o l l e rs y s t e m 模糊控制器是模糊控制系统的核心【4 3 】，如图3 3 所示，模糊控制器主要由以下四个 基本模块组成：模糊化、知识库、模糊推理和解模糊。模糊化将真实的输入值表示为一 个模糊集，以便于使模糊推理同知识库中的规则相匹配。在模糊控制中由于观测到的信 息是清晰量，对输入数据进行模糊化是必不可少的一步。知识库由两部分组成：数据库 和模糊规则库。数据库包含与模糊控制规则和模糊数据处理有关的各种参数，包括尺度 变换参数、隶属度函数等的选择。模糊控制规则是由一系列的i f t h e n 型模糊条件句 构成，前为输入变量，后为控制变量。模糊规则可以根据专家的经验知识，也可以通过 大量的试验数据给出。推理是根据输入的模糊量，由规则库提供的控制规则计算出输出 2 9 广西大掌硕士掌位论文柴油乙醇双燃料发动机供醇系统的p i d 控制 控制量的模糊量。由于推理所得到的结果是一个模糊量，模糊控制器的输出必须是一个 确定的值，这就要求将推理结果进行转换，以得到清晰的控制量输出，即解模糊。 3 4 供醇系统模糊p i d 控制器设计 3 4 1p i d 控制器参数模糊调整原理 模糊p i d 控制器结合模糊理论设计能实现p i d 参数调整的控制器，它是在常规p i d 调节器的基础上，采用模糊推理思想，根据不同的偏差e 和偏差变化率d e d t ，对p i d 参数k p 、k l 和k d 进行在线调整的模糊控制器，其结构由常规p i d 控制部分和模糊规则 与推理部分两部分组成【4 训。 如图3 4 所示，模糊控制器在运行中根据检测到发动机转速偏差e 和转速偏差变化 率d e d t ，进行模糊推理，查表确定p i d 三个控制参数k p 、k 卜k d ，及时修改，以满足 不同转速偏差和偏差变化率时对控制参数的不同要求，从而使发动机具有良好的动、静 态性能。喷醇控制器的三个控制参数来自与经模糊控制器整定的参数k v 、k 卜k d ，将 模糊推理所得的比例、积分、微分系数作为增量式p i d 控制器的输入，经p i d 运算之后 确定喷醇器导通所需的脉宽【4 5 1 。 3 4 2