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硕敞榭黜燃蝴 y 6 2 4 5 3 6 撼要 采用燃气发动枫是解决8 源危机和空气污染简鼷酌霄效措施。为了使撩气发确祝在 各平中工况下获得最佳性能，达弼提高功率、降低燃料消耗、减小孺气污染的爵的，妊须 采敬发动瓤熬耀耀控裁，国爨：空燃毖熬控剃是发动毫追闼鼹按割熬核一妇。 套汽酒发动凝耀强按簇繁蟾疆究秘氡铸感器特撼分援熬基磷上，缝会l p g 发动机 熬黪浚，提爨了翊黪控裁巢赂。在l p g 发动弧台絮实骏中，分别莱烈了p i 控巷l 嚣嬲模 糊控制器。实验结果表明，这蹰种控制器都达到了空燃比闭环控制的爱求，模糊控制器 控制精度更赢、效鬃更好。 根据部分察验络果，糟逮液密度法建立了理论空气流量秘燃气流燕的数学模型， 得到了燃气供给m a p 图，可供编青撩带软件参考。 关键字；l p g ；发渤祝；窆燃毙；氧媾感嚣 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 a b s t r a c t t h e g a s e o u sa u t o m o t i v ee n g i n ew a sp r o v e d t ob ee f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e mo f e n e r g ys h o r t a g ea n da i rp o l l u t i o n t h ec l o s el o o pi s e s s e n t i a lt oe n g i n e ，i no r d e rt om a k e e n g i n ea c q u i r eo p t i m u mp e r f o r m a n c es u c ha si n c r e a s i n gp o w e r ，f a l l i n gr e s u m eo ff u e l e t c t h u sa i r f u e l - r a t i oc o n t r o l l i n gi sk e r n e lo f c l o s e l o o pc o n t r o l l e r t h r o u g hs t u d y i n gc l o s e d - l o o ps t r a t e g yo fg a s o l i n ee n g i n ea n da n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i co f e x h a u s tg a so x y g e ns e n s o ht h ep a p e rg i v e st h ec o n t r o ls t r a t e g i e sb a s e do np ia n df u z z y t h e e x p e r i m e n tr e s u l t m a n i f e s tt h a tb o t hc o n t r o l l e r so p e r a t ew e l l ，f u z z yc o n t r o l l e r i sm o r e p r e c i s i o n a n ds e n s i t i v e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o ra c a d e m i ca i ra n df u e lg a sf l u xb a s e do ne x p e r i m e n t sr e s u l t s i sb u i l du p m a pg r a p h i c so fg i v e nf u e l g a s f l u xi s p u to u t ，w h i c h i sr e f e r e n c e d b y p r o g r a m m i n gc o n t r o l l i n gs o f t w a r e k e yw o r d s ：l p g ；e n g i n e ：a i r f u e l - r a t i o ；e x h a u s tg a so x y g e n s e n s o r 矮尘论义l 瓣发动瓿空燃魄控翻与滤量特柱分辑 ll p g 发动机电控系统发展概况 。 论文背景 近年来，汽车面临着石油供求矛盾加剧和环境保护两个严峻的问题，为了保护环境， 汽车排放法规曰趋严格。为此，世界各国谯不断改进传统发动机性能的同时，也在积极 秀发毅l 源，露残伐弼爨糕。滚德石蘧气( l p g ) 帮天然气其骞徐穆蠖塞、德量事塞、热 气污染低的突出优点，因而燃气汽车的研究开发成为当前内燃机领域的研究热点之一。 大力发展燃气汽车对于改善我国城市环境质量、调整能源结构都具有极其重要的意义 。 鼙前使雳的气体燃料主黉包括滚优石漆气( l p g ) 、聪缩天然气( c n g ) 和液亿天然气 ( l n g ) 等。液化石油气和天然气作为汽车发动机的燃料，本身具有很多“清洁燃料”的 优点，但如果只是将汽油机和柴油机改装成气体燃料发幼机，采用简单的机械式供气方 式，钛使焉壤瑷看存在渚多麓题，只麓越蘩汽蘧器柒瀵戆替代终麓，并不麓充分发挥 气体燃料燃烧特性的优势，排放性能未能得到充分的改蛰，动力性目和经济性能也达不 到原机的水平。双燃料汽车发动机受到燃油和燃气两种祭件的限制，无法同时根据两种 燃糖特殊来优化、调整发动枧参数，最大限度兹降低撼拔和提裹性熊，掰以开发零燃料 燃气汽车是一军孛域好的选择，对燃气汽擎避彳亍细蘩和深入的研究，陂爝先进的计黧橇、 电子技术和现代控制理论等最先成果，结合气体燃料发动机的本身的特点，开发新一代 的燃气汽车控制系统，才能真正发挥“清浩燃料”的优势，将“清洁燃料”汽车农我国 大菠嚣蘧推广藉健焉 。l 。 针对我国的国情，并结合汽车行业的有关规定，可以对化油器式发动机进行气体燃 料发动机的改遗，充分利用现有化油器式发动机资源，延长其使用澎命。对化油器式发 动撬致造较为现实戆方法是鼗靛蓑颞技术慕磴与改装成本，著搜尾气中毒害龚 放甥大掘 魔降低。基于此露的，南京瑗工大学与跃遴集团公司避行合作，对n j g 4 2 7 a 5 化泊器式 拨动机进行l p g 燃气发动机的改装与控制系统的开发，并为今后使用压缩天然气打下 熬础。 n j g 4 2 7 发动砉惩是跃逶篡溺髫行开发戆个老产螽，茭主要技零参数觅表1 1 。它酶 动力定位比较邋台轻卡、城市中巴和支线公交使用，因而在市场上仍有一定的竞争力。 随港市场对发动机的动力性、经济性和排放等要求的提高，n j g 4 2 7 发动机的技术水平急 德援襄。 为了满足环傈和能源结构变化的需要，9 9 年南汽在n j g 4 2 7 发动机上进行了使用液 化气装置的改遗，当时使用的是第一代机械式混合器的l p g 供气系统，虽然其排放达到 了一定的水平，潮怠速排放c 0 ：0 ，0 1 ，h c ：1 0 0 p p m ，工况法排放c o ：3 7 。9 9 k w h ，h c + n 0 ；： 粥1 页 礤士论文l p g 攘动辊空漱沈控制与流量特镌分析 1 8 。5 9 k w h ( 数搬楚程装有e g r 系统酶条l 譬下测褥的) ，满足了g b l 4 2 6 1 2 - - 1 9 9 3 标准，毽 逐达不到欧洲i 标准。此次敬进魁在第一黔段枫城吸入式混合嚣黝慕础上加上l p g 闭环 肇点嘏控系统，争联使英摊教水平达到或超过漱渊i 号标凇，为n j g 4 2 7 发动机打开新 浆枣场大门 7 1 。 表1 1n j g 4 2 7 a 5 汽油机童要技术参数 型号n j g 碡2 7 a 5 鍪式纛歹l 、霾懿、嚣渖程、承冷、诧酒嚣、矮爱气门 缸径冲程( n u n m m )9 5 9 5 王 乍濮彦l 一3 4 2 l 捺擞( 均 2 。8 9 压缩比 8 o l 最大担短 2 0 1 2 7 0 0 。m r r a i n ) 髹定功率f k w )6 9 。9 ( 4 0 0 0 r p m ) 最低燃油消耗率 2 9 9 ( e k w h ) 秘、穗燃、瀵漤怒吾分晓 0 。8 ( ) 燃漓# 汽溪 怠速转速( r t m i n ) 8 5 0 5 0 1 。2l p g 发动机控制系统研究状况 1 + 2 1 豳扑辑究琥状 在国外， 。p g 发动机警遮采用电子控制方式，使l p g 汽车不论在动力性和经济憔方蕊 繇有嚣著缝爨麓，露登在舞 液注筑方嚣硝入”绿色汽车”行到。毽蘩主要鸯电控溅合嚣方 式、魄控单点唆射方式和茂控多点喷射方式p o i 。 1 电控混台器方式 丸卡年代嬲圜辨l p g 发渤枫粒最大特点麓莱瑗魄子翔环控制石油液诧气混合方式， 即压缩石油液化气谯进气道中与空气褶混合，进入发动税。荧蘑康鞠簸b 5 9 g l p g 发动枫 供气舔统采麓游藏楚这穆方案，安装奁潺会器之懿懿步邈嘏援蠹惫擦擎元控割，傻之缝 够根据发动枫的转速、负葡和凡传感器反馈信号等控制窆燃比，从而使发动枫工作过程 第2 舞 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 始终处于理想的化学空燃比附近。这种闭环电控混合器与早期机械混合器相比，其优势 在于在发动机在全部工况范围内对空燃比进行控制，可以从燃料的消耗、动力和排放等 性能之间获得优化匹配点。 2 电控单点喷射方式 闭环电控混合器控制技术因为不能精确控制输送给发动机的进气量，因而对发动 机的过渡工况适应性差。影响整车的动力性能和排放性能。于是出现了电控单点喷射 系统。v o l v o 客车公司推出了一种低排放城市大客车发动机t h g l 0 3 ，排量9 1 6 升，功率 1 8 5 k w 2 2 0 0 r m i n ，采用的是电控单点喷射系统，在增压器前的混合装置上装四个喷射 阀，在1 m p 进气压力下，通过电磁阀控制喷射流量。 3 电控多点喷射方式 单点喷射在气门重叠期仍可能有少量的燃气随废气排出，且在发动机工况骤变时， 单点喷射不能对空燃比迅速调整，多点喷射系统能对各缸液化石油气的喷射时间和喷 射量进行实时控制，可以很好的解决这些问题，并具有以下性能： 1 ) 适应发动机的热力学和动力学过渡工况。 2 ) 精确控制输送给发动机的进气量。 3 ) 能对 传感器作出快速的响应。 于是近年来，国外许多液化石油气汽车生产商和发动机制造商，都在其最新的产品 中采用发动机燃气多点顺序喷射技术，和与之相关的高速电磁阀、专用催化剂等配套技 术。这一技术成为当今世界燃气汽车发展的主流和发展方向。i v e c o 公司在最先开发 的两种型号的发动机上都装配了多点顺序喷射系统，一种是适用与公交车和垃圾车的 6 缸9 5 升发动机，功率1 6 0 k w ( 采用涡轮增压) 和1 9 0 k w ( 采用中冷涡轮增压) ：另一种 是适用于城区短途交通的4 缸2 8 升发动机，功率7 5 8 0 k w ”1 。 1 2 2 国内研究状况 在国内城市，l p g 汽车己在部分城市得到推广应用，但我国目前单一燃料l p g 汽车 发展还处于起步阶段，除一小部分车辆用的燃气发动机是进口产品外，大部分是原有发 动机上改装第一代产品，即在原有的柴油机或汽油机上采用机械式混合器，这种改装 带来的最大的问题是改装后燃气汽车不能充分体现气体燃料的清洁特性，且动力性有 所下降。目前我国一些研究机构和科研院校已经成功开发了进气道预混合第二代产品， 并正在开发歧管燃料多点喷射电控系统和缸内顺序多点喷射电控系统。 第3 页 联士论文l p g 发鼋穰空爨毙控潮与流量特缝分辑 1 3 燃气发幼机控制策略研究现状 遮羞社会豹谈速发震，汽车髹毒量不凝增鸯羹，嚣汽车蓬气撂敖遮藏兹大气污疑获琵 困箍严重；同时，由于不可搿生的石油资源的大量消耗，人类社会锻面临着越来越严峻 的能源危机。柱微电子技术和计算机技术飞速发展的条件下，发动机电子控制技术，特 戮怒电子控裁燃料喷射技术的应爱，使发渤机赣羞提亵燃料经济牲帮辫低撵教的麓糠发 展。采用电子按铡盼发动枫在实现了对空燃眈和点火正辩静精确控制后，萁功率瑶以提 高5 一1 0 ，燃料消耗率降低5 一1 5 ，有害气体的排放减少2 0 或更多。囱动控 制理论是编制和优化控制软件，使电控系统实现精确控制的理论基础。现代控制理论的 不聚发震窥完蓑，以及荟静齑性筢、离哥纛瞧懿簧惑爨摹羹浃速大枣爨豹微整理器鹣广泛 应用，使进一步提高发动机的动力性、经济性、及改善排放成为可能。 在发动机电子控制系统中，为了使废气的排放达到排放法规的鞭求，普遍采用三元 毽化转换装置为发动机豹恳气箍处理设备，共将n o x ，0 2 俸为氧化裁，将c o 、h cl 乍为 还服剂，发生的反应如下： 0 2 彻f 叻 0 2 + h c 卜一 噎 魄+ 2 jl 抒2 。 而三元催化剂的工作范围十分狭窄，只有当混合气的空燃比在理论窳燃比附近时，催化 转换装置的转换效率最高、净化效果最好。为了能够获褥三元催化蠢q j 瓣要求的空燃跑， 一般需要蕊装鬣健感器对发动税运行时的黧矮眈迸罩亍闭环反馈控藩l ，氧俦惑器的输密如 下圈所示。 1 输 出 魄 簇 0 一一一一、 滚窒燃比糕 l 输 出 电 压 o 浓空燃媳秘 由图可知有两种输出特性，一种近似于开关特性，一种近似于线性特性。对于输出其有 开关特性的氧传感器来说，输出的强非线性会给反馈控制带来一定的因难。目前，大多 数簸话感器均瘸子开关型氧传感爨。 篇4 页 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 发动机是一个具有很强的非线性和多扰动性的系统，其工作时的各种参数随着输出 功率、转速及环境状况的变化而变化。要精确控制发动机稳态运行过程中的空燃比比较 容易，而要精确控制瞬态过程中的空燃比则比较困难，特别是进气道喷射式电控多点喷 射汽油机，由于湿壁效应的影响，空燃比会不断地发生偏移，发动机系统的复杂性给控 制系统的设计和优化增加了困难。 目前，发动机空燃比控制技术己进入实用阶段。在实际的产品中，大多根据发动机 运行的不同状态，将其工作过程划分为若干工作模式，如起动模式、暖机模式、怠速模 式、加速模式、减速模式、蓄电池电压补偿模式等。例如，美国福特汽车公司的e f c 型汽车发动机控制系统就将发动机的运行工况划分为8 种工作模式。对于空燃比的 控制多采用开环控制和闭环控制相结合的控制方式，发动机电控系统根据氧传感器的输 出、冷却水温传感器的输出等条件决定是否进入闭环控制，而在启动、暖机等工作模式 下采用开环控制。近年来，许多公司开发的发动机控制系统在空燃比闭环控制的基础上 又增加了自学习功能，能够自动对因部件磨损等原因造成的控制参数的变化进行修正， 提高了控制精度。 当前经常使用的空燃比控制方法一般采用以下几种控制方式：基于经典控制理论的 p i d 控制；基于模型的空燃比控制方法；采用人工智能的控制方法。第一种控制方法的 难点在于有滤波延时和传感器响应延时，传感器信号提取延时，需要大量时间来制作 m a p 图；第二种方法的难点在于需要快速的处理器，需要发展计算动态系统的控制方 法或辫识方法：第三种方法的难点在于智能系统结构或规则的选择，对微处理器的计算 速度与存储容量有较高的需求 2 6 j 。 1 4 论文主要研究内容 本课题是继续完成我师兄薛金林开发的l p g 发动机的电控系统所未完成的内容。他 主要完成了l p g 发动机的硬件设计和初步的开环系统软件设计。本论文的研究工作主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 完成了发动机氧传感器闭环控制策略的研究和闭环控制器的发动机台架实 验。 ( 2 ) 完成l p g 发动机在各个工况下的理论燃气量计算数学模型并建立了理论 m a p 图。 第5 页 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 2 控制理论在电控l p g 发动机中的应用 自本世纪4 0 年代奠定控制理论基础以来，自动控制理论从研究的单输入、单输出 的经典控制理论，发展为研究多变量最优控制系统的现代控制理论。 经典控制理论使用的方法与工具主要是：微分方程，傅立叶变换，拉普拉斯变换， 传递函数及频域分析等。6 0 年代初卡尔曼等人应用状态变量的概念，研究概率性多变量 系统的状态最优估计和最优控制，从而把经典控制理论发展成为现代控制理论，它应用 的数学工具是概率论、随机过程和变分法等。 经典控制理论只能用于线性或定常的系统，而现代控制理论则适用于复杂的系统。 系统的动态可能是线性的，也可能是非线性的：可能是定常的，也可能是时变：本质上 是“时域”的方法。 进入6 0 年代中期以后又发展起来一种新型控制理论一智能控制，它把人工智能和 自动控制相结合。这种控制不依赖系统的精确数学模型，算法非常简捷，在实际应用中 已显出他的巨大优越性。 自动控制理论在汽车上应用，使汽车操纵实现了自动化，极大地提高了汽车性能， 减轻了驾驶员的劳动强度，大大地提高了汽车产品的质量。 汽车电子控制系统是自动控制理论和计算机技术相结合的产物，这两大领域都在迅 猛的发展，因而汽车计算机控制也取得飞跃进步。在国外，自动控制在汽车上应用的研 究方兴未艾，目前在我国也正在加速发展。下面介绍一些应用在电控l p g 发动机中的 控制理论。 2 1p id 控制 p i d ( 比例，积分，微分) 控制是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种控制方 式。它的最大的优点是不需了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数的 整定，即可获得满意的结果。它的不足之处是对参数的变化比较敏感。 p i d 控制器可用微机实现，称作数字p i d 调节器。由于用软件编程方法实现p i d 控 制，参数变动十分灵活，因而获得广泛的应用。 2 1 1 微机p l d 控制系统的原理 微机p i d 控制系统的基本结构方案是由反馈原理组成的，如图2 1 所示。其输出 第6 页 塑主鲨皇 兰! 鱼蕉垫盟黧燮些墼型墨迹璧缝丝坌堑一 圈2 1 微机p i d 控制系统撼本原理 y 章) 被反镶列羧入溃，输入与反馈售号魄较磊鲍镳夔e 鸯嚣绘数字p i d 控剃器，控制器 调节控制鬣u ( ) ，向被控对象输出。所以数字p i d 控制器也称作数字p i d 调节器，它 根据偏差的变化情况来调节控制量。 2 。 ，2 张毒莛数字p l 蠹凌裁冀法 p i d 算法的数字化，其实质就是将连续形式的p i d 微分方程转化成离散形式的p i d 差分方程。 在模撅调节系统中p i d 控澍系统中p i d 熬援潮算法是臣模拟式 。 u o ) = k 删+ 去聃a t + t d 掣 ( 2 - - 1 ) 来鬟述的，在式( 2 一1 ) 中： u f f l 一调节器输出信号； e ( n 一调节器偏差信号； k 一一调节嚣比例系数； t 一谲节嚣积分时闻： t 一调节器微分时间： 在计算机控制系统中使用的是数字p i d 调节器，就是对式( 2 一1 ) 离散化，令 雌e ( t ) 净- - e 雌( k r t ) )l 船z 丁妻舻) 产 幽。e ( k t ) - e ( k t - t ) i 矗tj 第7 页 硕士论文 l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 式中t 是采样周期，显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证足够 的精度。由式( 2 一1 ) 及式( 2 2 ) 可得 一女t u ( k t ) 2 k ， e ( k t 卜了1 p ( 丁) + 等 e ( k t ) - e ( k t - 吲) ( 2 _ 3 ) j = 0 或：u ( k t ) = kpe ( k t ) + k i e ( j t ) + k d e ( k t ) 一e ( k t t ) ( 2 4 ) k ，称为比例常数， k ；= 了k pt 称为积分常数，k 。= 了k pt j 称为微分常数，t 是采样周期。 式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 称作p i d 位置控制算式。该式表明，只需进行四则运算便可求出 当前位置值u ( k r ) ，及可方便计算机来实现。不过在计算u ( 七丁) 时，不仅需要知道本次及 上次偏差信号e ( k t ) 和e ( k t t ) ，而且在积分项中还要对历次的偏差信号进行相加求和。 这样，在运用计算机实现时，既繁琐又占用大量的内存。 现在增量式p i d 控制有比较广泛的应用，所谓增量式p i d 是对位置式p i d 取增量， 数字调节器的输出只是增一a u ( k t ) 。 “( r ) = k p a e ( k t ) + k ，e ( k t ) + k d a e ( k t ) 一a e ( k t r ) ( 2 5 ) 式中： a e ( k t ) = 口忙丁) 一e ( k t 一丁) a e ( k t t ) = e ( k t r ) 一e ( k t 一2 t ) 式( 2 5 ) 称为增量式控制算式。它表明，计算u r ) 时只需知道e ( k 7 ) ，e ( k t t ) ， e ( k t 一2 t ) * nu ( k r t ) 即可，比位置式控制算式简单。很适合于某些以步进电机作为执 行的控制系统的要求。另外它还具有输出增量不大、系统受操作切换冲击影响比较小、 不产生积分失控、输出较平稳和易于获得较好调节效果等优点。 数字p i d 控制除了位置算式，增量算式外，还有速度算式。速度算式是增量算式除以 采样周期t 即： 第8 贞 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 v f k t l ：垒兰塑! 、7 r k p p ( 7 1 ) 一e ( k t t ) 1_一kie(kt)+kde(kt)-2e(kt-t)+e(kt-2t) 丁r ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 称为p i d 速度控制算式。因为t 是一个常数，式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 的控制 效果是相同的。 2 1 3 数字p id 控制器的改进 如果单纯地用数字p i d 控制器去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果。因此必 须发挥计算机速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势，才能在控制性能上超过模拟 调节器。 积分项的改进 在一般的p i d 控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值由于此时有较大 的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调 和长时间的波动。特别对于温度、成分等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。 为此可采用如积分分离、抗饱和等措施。 积分分离机即偏差e ( k ) 较大时，就取消积分作用；当偏差e ( k ) 较大时才将积分投 入。即 当l e ( 女) l 时，采用p d 控制； 当i e ( ) l 卢时，采用p i d 控制； 微分项的改进 标准的p i d 控制算法，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏， 容易引起控制过程振荡，降低调节品质。尤其是计算机对每个控制回路输出时间 是短暂的，而驱动执行器动作又需要一定的时间，如果输出较大，在短时间内执 行器达不到应有的开度，会使输出失真。一般采用微分先行p i d 或不完全微分p i d 控制算法。 2 2 模糊控制 近年来兴起的模糊控制是一种新型的智能控制。它模仿人工控制活动中人脑的模糊 第9 贸 硪 论文 ，p g 发动槐窑牒魄控制与滤爨特矬势辑 概念和成功的羧制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算槐实现。模糊控制不依 赖系统的精确数学模型，阑瓣对系统参数变亿不敏黪。贯外，它辩控露算法麓熬予若干 祭控铡巍剿，髯法非常麓涪，特别邋会予像汽车这一爽快动态系缀。 2 2 1 模糊羧制的工作膘遴 模期控铡系统懿框鬻嫩鬻2 2 。横襁控锱的基本方法楚： 攀咂蛩堑圜鞫 输 _ 一鹱控辩象h 黼2 2 模黢控制系统框嚣 ( 1 ) 将精确爨模糊化 在模糊羧制中，精确鳖的模糊化就照搬物理量盼精确值转换成语言变量镶。语言交 爨馕可以以不黼鹣方法袈瀑，这些方法露淡格法、公式法、躅形法秘坐标法。程横糊控 髑实黢中说麓，模糊控裁：i 璧程对语言黉慧德兹隶属灏数形狭并不敏感，只楚辩滚麟函数 范围有一定的敏感度，故黼，在控制中选用三角形或梯形的函数怒较为合适，因为这有 利予计算淼麟发。 鲍处稳耩确萋楚指模糊控翻嚣豹输入羹稻控涮爨麴基本论域。鬻鼹酶论域怒攒系统 偏麓e ，偏差变化率g 和控制鬣u 。 精确羹的模糊化的规则嫩一样的，先以输入偏麓e 为例。设偏麓e 的基本论域为例。 设偏差e 鹣谂域为【蠛，羽，德麓e 瑟取黪模獭榘论域为【- n ，- n + 1 ，0 ，n 一1 ，蝎，瑟 可褥精确鲞横襁化的量亿闲予菇。= 。 实际一般做法是将1 1 的值设定为6 。如偏差e 的变化不在卜6 ，+ 6 】，丽在【a b 】，则可 邋过变换式： 严兰卜半 搬【a ，b 】闻炎化的变量x 转化为 一6 ，5 】之阕鸵发量y 。 ( 2 ) 变量分解成模糊予鬃 将精确摄模糊化后的模糊变量分解成几个不同的模糊子集。模糊子集如何划分有一 定的主观瞧，般根据经验来定，键习惯上多分成八个子集，即橇威地为：芷大( p l ) ， 正中 纂于经典控制理论的空燃比控制策略 基予经典整豢l 理论兹空燃晓控稍繁臻最誊矮瓣跫p i d 控麓，它包括p i 、p i d 、p 努 等几种形式。如图3 ，1 所示为p i 控制器的结构框图，其中u o “f 0 ) 为控制器的输出， 丑砒y 为空燃比的设定值，a ( t a r ) 为氧传感器的测量值。 黧3 。i 采爰p l 控锈熬空燃晓控制器框图 p i d 算法是在工业中应用较多的一种控制方法，比例环节及时成比例地反映 控制系统的偏差信号；积分环节的作用在于消除误差、提黼系统的无差度；微分环 节反姨缡差信号静变伲趋势，并在镳差售号蜜诧遂大之黪引入一个鸯羧瓣旱袭修 正信号，从而加快系统的动 幸速艘，使输出塞琵好地跟踪给定值。它的嫩大的优点 是实现方便，可不必用精确的发劝机模型。p i d 的算法有许多变形，如熬于滑模控 制的p i d 控制方法、变参数p i d 控制算法等。 蒸子瑷戎控翻瑾论豹窒燃跑控割策戆 在经典控制理论中，由于传感器和滤波器延时等原因、使得采用经媳控制方 法在实际中的应用效果不是特别理想，由于混合气不均、传感器有一定的延时等都 会影螺控毒l 系统敬爱痘速度，承以必矮寻找爨好数控裁算法。戆羞发动撬模型技术 的发联和电子技术的发展，2 0 傲纪9 0 年代以来、许多研究者致力于基于发动机模 型的现代控制理论的控制算法的研究、此类控制方法得到飞速的发展。在基于模型 的控制算法中包括旗于观测器的控皋方法、自邋应的控制算法、非线性控制算法等。 硕上论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 基于人工智熊的控制方法 随着人工智能理论以及微处理器和d s p 技术的发展，使得基于人工智能的控 制方法越来越受到重视。由于基于模糊和神经网络的控制可以不需要了解控制对象 的模型，特别是在非线性理论还不象线性控制理论那样完善的程度下，模糊控制器 和神经网络控制器的这个优点显得更为突出。所以在基于模型的控制算法发展的同 时，基于人工智能的空燃比控制方法也开阔了许多研究者的思路。 目前许多发动机控制系统采用基于查表的p i d 反馈控制方法。p i d 控制是 控制系统中技术最成熟、应用最广泛的一种控制方法。p i d 控制的最大优点在于不 需要了解被控对象的精确数学模型，只需根据经验调整调节器的参数，便可以得到 比较满意的控制效果：其缺点是对被控对象的参数变化比较敏感，在某一条件下设 计的最优控制参数在其他条件下不一定取得理想的效果。传统的解决方法是根据发 动机的转速和输出功率特性将其运行状态划分成几个不同的区域，对每个区域进行 p i d 参数优化，实际运行时查表取值。为了提高p i d 控制算法的控制效果，在p i d 控制的基础上引入现代控制方法，从而形成了基于神经网络和模糊控制的智能p i d 控制技术。 3 2 氧传感器的特性分析 3 2 1 三元催化器和氧传感器与空燃比的关系 如何在保证发动机动力性能的前提下，尽量降低发动机的有害排放和燃油消耗， 以满足日益严格的排放法规是一个重要课题。发动机的动力性、经济性和排放性能均与 其瞬态空燃比密切相关。三元催化转换装置的应用，极大地改善了发动机稳态工况下的 排放性能，但是催化转换装置的转化效率受发动机空燃比的影响很大。为保证催化转换 装置的转化效率，必须将发动机的空燃比精确控制在一个很窄的范围内( 如图3 2 所示) 。 此外，在排放和燃油经济性方面具有很大发展潜力的稀燃发动机，也需要对发动机的空 燃比进行精确控制。 为了将实际空燃比控制在理论空燃比附近，在发动机控制系统中普遍采用氧传感器 组成的空燃比控制方式，即闭环控制方式。在三元催化转化器前面的排气歧管或排气管 内装有氧传感器，其功用是用来检测排气中的氧气含量，以确定实际空燃比是比理论空 第l7 页 堡主迨塞生鱼垄塾热黧塑些整型兰煎薰缝堡坌塑 1 输 出 宅 压 o 一一、 l 输 出 宅 压 o 滚空燃魄穗浓空燃跑穗 图3 2 三效倦化转化器的静态空燃比特性 燃比是浓逐是稀，并向e c u 反馈相应的电压信号。e c u 根据飘传感器反馈的空燃比浓 壤信号，拣镧进气量匏绻趣或减少。 氧传熊器一般有二氧化钛和二氧化锆两种，现在在一般电撩汽车上的氧传感器都是 二氧化锆型的，其输出信号是开关量，其电压范围为o 1 v 。 3 。2 ，2 氢耱隳纂戆渡形努耩 氧传感器信号测试中有三个参数( 最高信号电压，最低信号电压和混合气从浓到稀 时信号的响应时间) 需要检查，只要在这三个参数有一个参数不符合规定，这氧传感器 就不符合簧袋。一个努豹氡传感器箕三个参数必须符合表3 。l 耩示静标准。 表3 1 氧传感器信号波形参考标准 序号测缀参数允许范围 | t 最赫嚷压痿号 8 5 0 m v 2最低电压信号7 5 1 7 5 m v 3 混合气从浓到稀的最大允许 1 0 0 m s 响艨时间 透过对电喷发动李珏黔氧传感器在不丽的工况下输出鲍波形分丰厅( 圈3 3 ) 就鼹氧传感嚣 在空燃比掇制正常的条件下输出的电压波形) ，得出以下结论： 氧传感器在矗= l 发生阶跃，e c u 为氧传感器提供了一个4 5 0 m v 偏压。 溪合气滚跨，畿抟惑器羧窭约为0 ，7 5 v 0 9 v 蠡每毫宅基。 混合气稀时。飘传感器输出约为o 1 v 乙o ，3 v ( 或无1 。 今氧传感器进入闭环控制后，飘传感器在0 3 0 7 之间不断跳动。 第1 8 页 磺士论文l p g 发蘸礁空攥 0 按髑与流量特建分辑 图3 3时代越人发动帆程空燃比控制正常的条 牛下氧往感器信号豹电压波形 3 3pi 控制策略的研究和参数的整定 3 。3 1p i 控制策峰的研究 控制系统的核心是控制算法的确定和实现。成功的控制算法嚣保证控制系统的静 差小、动态响威快和较好的镶椿性。对闭环空燃比控制系统来说，就是要使稳定工况时 空燃毙静平均德接近理论空燃比，且发动辍工况突然变化遣戏空燃比偏离曩蠡僮拜尊，系 统能逐速响应将警熬比控制戮秘标僮。奄控汽油枫采掰秘p i d 控裁，但在电控l p g 发 动机控制系统中，e c u 对步谶电机的控制是短暂的，丽步进电机动作又要一段时间，如 果输出太大，在缀时间内步进电机达不到殿有的相应开度，会使输出失真，为了毙服这 一缺点，本文套去了徽分环节，采爱p l 羧翻器。校撂裁传感器售号粼瑟空爨篦敬控锈 值和目标值之间的偏差确定闭环修正量，彼控制系统满足上面的控制目标，所要解决的 两个主要问题怒： 1 ) ，氧抟感器售号豹菲线瞧牲对控裁系统豹影嚷。 2 ) 混合气掇燃眈的变化和氧传感器测量到这个变化之闻的响应时闻( 表示为f ，) 的 影响。 第1 9 页 碟士论文l p g 蓑动辊空然泌撩铡与流量特 生分辑 嚣贴 输出 豹电 蓬 圈3 4 是典型的氧传感器电服输出和过量空气系数关系的曲线 由图3 4 中可以看出，开关型氧传感器的输出电压和空燃比成非线性关系。在理论 空燃跑瓣近电爨竣出急剽变魄，出现 # 零涎懿蹒交沿，蕊在浓区域秽褥区域内憩联变位 却穰小，因此穰据氧传感器静电压信号确定尾气中氧静含量，从而确定当前空燃院和理 论空燃比之间的偏差是不可靠的，换句话说，根据氧传感器信号只能判断混合气怒浓还 是稀，而不能确定浓多少或者稀多少。在发动机控制系统中，解决这问题常用方法是 疆德德环法，鞠鬏据氧传感嚣穗往、控髑嚣特性帮纯浦瓣特毪确定麓低电压陵，羧翻器 在鼠传感器信簪高于高限时删断为浓，低于低限时判断为稀，这两种情况均进行积分修 j e ，而在氧传感器信号位于离低限之间时不进行积分修难( 见图3 5 ) 。 臻中戆滚门摊穰_ 葶羹爨门槛蕊怒壤据实验嫒蠖爨调整的，凌阕了书籍鞠疑辩，拐步恕滚门 槛值和稀门槛馕定在o 7 和0 ，3 。 嫩s 敬的 氧侍 勰 辘整 电压 v ，v 图3 5 根据浓稀门槛确定积分调节示意图 鹅2 0 页 鞭士论文l p g 发稳撬空燃毙控潮与流量特蛙分辑 图3 6 给出了典型的p i 控制器结构彬图，从图中可以看出，系统输出量y ( f ) 可能会 嚣为黄感器受裂臻声于撬謇委系绫撬袭蠢镳凑设定篷y 。童) ，姨瑟产生潢差。，焱薹 控 制器作用下，分别对误差的积分j e o 如进行比例和积分运算，将其结果的加权和作为系 统懿控裁售号“) ，送绘慰象貘鏊热竣控制。 图3 6 典型懿p i 控裁鞫 p i 控制器的数学描述为： “= 置。e 移) + k ，t ) d t 比例控制能够掇离系统的稳定性，降低对外界干扰的敏感程度，积分控制能够消除稳态 偏羞。参数的选择可以k 。，k 的适当的选择可以达到以上目标。设定参数的一个方法 是按扩充临界拢例度法。 3 3 2 参数的熬定 采样射阉的选择 s h a n n o n 采样定理给出了采样周期的上限，郾t 兰l ，万。为采样周潮的上 刃m a x 限角频率。在此范围内，采样周期太小( 采样频率离) ，则对定长的时间记录来说 箕数字瘳麓缀长，计雾王 笮量攫大；翅莱采撵超骚过大( 采梯颧率糕) ，裂可缝丢 掉有用的信息。 按扩究临界比例度法整定参数 这种熬定方法筒单翁行，适用现场应用。 黄先，选择一个定够短莳采样周麓。 葳次用选定的采样周期使系统工作，这时，数字控制器去掉积分作用，只 第2 i 页 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 保留比例作用，然后逐渐减小比例度 1 8 ( 占= 二) ，直到系统发生4 5 次振荡 甄 为此，此时认为系统已达临界振荡状态，记下使系统发生振荡的临界比例度瓯 及系统的临界振荡周期t 。 然后，选择控制度。所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将d d c 的控制 效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方积 分f e 2 ( f ) 出表示。 控制度：墼 j 82 ( 伽r 模拟 实际应用中不需要计算出两个误差平方积分，控制度仅表示控制效果的物理概 念。例如，当控制度为1 0 5 时，就是指d d c 与模拟控制效果相当；控制度为 2 0 时，是指d d c 比模拟效果差。最后选定的控制度为1 5 ，查表3 2 求得k 。、 臣。 表3 2按扩充临界比例度法整定参数 控制度 控制规律 t k p k ， 1 0 5p 1 0 0 3 瓦 0 5 3 6k 0 8 8 瓦 1 2 p 1 0 0 5 瓦0 4 9 民0 9 1 t 1 5p 1 0 1 4 瓦 0 4 2 6 ko 9 9 正 2 op 1 0 2 2 瓦0 3 6 瓯1 0 5 瓦 通过实验本文整定结果为k 。= 1 1 4 ，k ，= 1 2 。 3 4 实验研究的基本方案和实验结果 3 4 1 实验研究的基本设备 台架实验的主要装置如图3 7 所示 第2 2 负 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 表3 3 主要测试仪器和设备 图3 7 试验装置试验图 仪器名称型号生产厂家 直流稳压电源 j w y 3 0 g 石家庄无线电四厂 示波器 y b 4 3 4 2 江苏扬中仪器厂 微机电源w d启东计算机总厂 电涡流测功机c w 2 5洛阳南丰机械厂 蒸发减压器 l a n d i 一9 9l a n d i 公司 温度测量仪 d a t 上海内燃机研究所 氧传感器 b o s c h 博世公司 第2 3 页 醺主论文l p g 发动规空燃比控潮与流量梅 耋分辑 鞫3 , 8 实验控制瀚界面圈 3 4 ，2 实验磷究的鏊本方案 本文对液化气发动极终了以下实验内黎： 1 。渡化气发动搬在怠速下酌阉环控制。 2 发动机在转速为1 5 0 0 ，1 8 0 0 ，2 0 0 0 ( r p m ) 下，负荷分别为1 0 0n 。m 和1 2 0 n ，m 下的 黼环捺制。 3 4 + 3 实验讲究的结果 第2 4 嚣 照圭鎏塞蔓旦垒篓塑垫至憨些篓劐童煎量楚您熊堑 强3 9 在怠遮状态下羧裁藩嚣豹裁簧感嚣输基彀蕴 a )( b ) 图3 i 0 猩转速1 5 0 0r r a i n ，负耐1 0 0n m 下控制前后的氧传感器输出电压 ( a ) ( b ) 匿3 11 程转速1 5 0 0r m i n ，受衙1 2 0n m 下控制前后的氧传感器输出毫压 第2 5 页 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 ( a )( b ) 图3 1 2 在转速2 0 0 0r m i n ，负荷1 0 0n m 下控制前后的氧传感器输出电压 ( a )( b ) 图3 1 3 在转速2 0 0 0r m i n ，负荷1 2 0 n n l 下控制前后的氧传感器输出电压 ( a )( b ) 图3 1 4 在转速2 2 0 0r m i n ，负荷1 0 0n m 下控制前后的氧传感器输出电压 第2 6 页 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 第2 7 页 硕士论文l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 4 空燃比模糊控制系统设计与实验 4 1 模糊制器的设计 设计模糊控制器一般分为三步：精确量的模糊化：模糊规则和模糊推理的确定； 输出信息的模糊判决及反模糊化： 夺撕值的确定 实现空燃比闭环控制的关键传感器是氧传感器。它把排气含氧浓度信号传给 e c u ，而e c u 据以判断混合气的空燃比相对与设定值是浓还是稀，并相应控制步 进电机的开度增减。由于氧传感器是一个非线性的传感器，所以模糊控制器的 输入量选择前一章p i 控制器的输入量，也就是偏差的积分。下面把电压偏差的 积分简称为电压偏差。 夺输入值韵维翱亿 空燃比的控制系统是一个二维控制系统，它的输入信号包括电压偏差v 电 压偏差变化率a v ，输出变化量a u 。这个空燃比控制系统的框图如图4 1 所示。 图4 1 模糊控制原理 其中v 为理论空燃比时氧传感器输出的电压，v 为实际的氧传感器输出的电压，那么 v 2 j ( v 01 ) a t ，矿= d 。 将v 和矿都分为三档模糊集合：将a u 也分为三档模糊集合，这些模糊子集可以表 示为： v = 负( n ) ，零( z ) ，i e ( p ) ) 矿= 负( n ) ，零( z ) ，正( p ) ) u = 负大( n b ) ，负小( n s ) ，零( z ) ，正小( p s ) ，正大( p b ) ) 隶属函数常见的形状有四种形式：三角形，梯形，正太分布，直线形。隶属函数形 状越陡，分辨率越高，控制精度越高，控制灵敏度就越高。反之，控制越平缓，系统稳 定性就越好。 通常情况下，输入量的隶属函数对控制性能的影响不大，而幅度大小对控制性能的 硕士论文 l p g 发动机空燃比控制与流量特性分析 影响很大，由于，为了减少计算量，将输出和输入函数的形状都设定为三角形，各语言变 量的论域均取 4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4 】，如图4 2 和4 3 。 图4 2 输出函数的隶属函数 图4 3 输出的隶属度函数 令槿翱圮刚和摧翱拍理韵蹁定 通过试验，并经过筛选，优化，制成以下模糊规则： 1 i fv = za n da v = zt h e na u = z 2 i fv = za n d v - nt h e na u = p s 3 i fv = za n da v = pt h e na u = n s 4 i fv = na n d v - nt h e na u = p b 5 i fv