（载运工具运用工程专业论文）汽油机怠速复合模糊pid控制策略研究.pdf

摘要 汽油机怠速工况是发动机的一个重要工况之一，随着汽车保有量的增 加，车辆在交通密集的城市道路中行驶时，相当多的燃油消耗在怠速阶 段。据统计，汽车发动机约有30 的燃油消耗在怠速工况中，有1 3 的排 放量来自怠速工况。怠速转速越高，燃油消耗量越大，且在低转速时c o 和h c 等污染排放物明显增多，为了满足同益严峻的能源衰竭和环境污 染，保持发动机在怠速工况下稳定运行显得尤为重要。 汽车空调压缩机、动力转向器、自动变速器等装置的加载是突变的， 这些扰动因素打破了发动机原有的稳定运行状态，导致了较大的转速波 动，甚至引起熄火现象；发动机运行状况具有非线性特性，传感器信号 测量的干扰和噪声，这些因素都使得对发动机的控制增加了不稳定性。 由于常规的控制方法是基于控制对象精确的数学模型，无法实现对非线 性发动机怠速工况的控制。模糊控制理论不基于控制对象的精确模型， 具有很强的抗干扰能力和鲁棒性，但动作欠细腻、稳态精度低。因此本 文将结合传统p i d 控制和模糊控制理论应用到发动机的怠速工况控制中。 全文共分六章： 第一章阐述了汽油机怠速工况控制的研究意义及国内外研究的现状， 提出了本文研究怠速工况的复合模糊p i d 控制方法。 第二章对怠速执行机构直动式电子节气门的结构和电器特性进行了 分析，建立了电子节气门数学模型，并在m a t l a b s im u1in k 环境下建立 了直动式电子节气门仿真模型，并对其进行了仿真实验。 第三章主要是以四缸发动机为研究对象，在m a t la b sim u1ink 中建立 了汽油机平均值模型。并对平均值仿真模型与实验所得的发动机数据进 行了对比，得出仿真模型的误差仅为2 3 ，适用于仿真研究。 第四章基于模糊控制理论知识，本文结合经典p id 控制理论与模糊控 制理论，设计了复合模糊一p id 控制系统，并在m a t l a b sim ulin k 环境下 建立了复合模糊一p id 控制模型，对其进行抗干扰能力的仿真实验。 第五章对怠速控制策略进行了总体设计，并对怠速复合模糊一pid 控制 算法与传统p id 控制和自适应模糊控制算法进行了对比仿真实验。 最后给出本文的结论及展望。 关键词：汽油机；怠速控制；复合模糊一pld 控制；鲁棒性；仿真 a b s t r a c t i d l es p e e di si m p o r t a n tc o n d i t i o no fw o r k i n gg a s o l i n e e n 9 1 n e ， w l t n i n c r e a s eo ft h ec a r s ，al o to ff u e la r ec o n s u m e di ni d l es t a g ew h e n v e h i c l el n t h ec i t vt r a f f i c a ss a i dt h a tt h e r ei sn e a r l y3 0 o ff u e lc o n s u m p t l o ni nt h e i d l es t a g e ，a n dl 3o fe x h a u s te m i s s i o n sf r o mi d l i n gc o n d i t l o n t h e r ea r el o t so ff a c t o r si m p a c to ng a s o l i n e i d l es p e e dp e r f o r m a n c e ， s u c ha sd u r i n gt h ep r o c e s s o fi d l es p e e d ，a i r c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o r ， p o w e rs t e e r i n gg e a r a n da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nc h a n g e ds u d d e n l y ， a n d t h e s ed i s t u r b a n c e f a c t o r sm a k e t h ew o r k i n g e n g i n es p e e dm c t u a t l n g ， i n s t a b i l i t yo re v e nf l a m e o u t ，a n dt h eu n c e r t a i nl a g g i n gt i m eo ft h es y s t e m ， t h ed i s t u r b a n c ea n dt h en o i s eo fs e n s o r ss i g n a l m e a s u r e m e n t ，t h ee f f e c to f e n v i r o n m e n ta n dt h ep a r a m e t r i cv a r i a t i o nw i t ha g i n ga n df r i c a t i o ne t c a l l t h e s ef a c t o r si n c r e a s et h ei n s t a b i l i t y o fe n g i n e 。c o n t r o l ， a n dt h er e g u l a r c o n t r o im e t h o di sb a s e do na c c u r a t ec o n t r o lm o d e ls o t h a ti tc a n ts a t l s f yt h e d e m a n do fi d l es p e e d f u z z yc o n t r o lt h e o r yi s n o tb a s e do np r e c l s ec o n t r o l o ft h eo b j e c tm o d e l ，i th a sas t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n d r o b u s t n e s s , b u t1 e s sd e l i c a t em o v e m e n t s ，l o ws t e a d y s t a t e a c c u r a c y t h e r e f o r e th l s p a p e rw i l lc o m b i n et h et r a d i t i o n a lt h e o r yo fp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o l t h e o r yi sa p p l i e dt ot h ee n g i n ei d l es p e e d c o n t r o l t h ep a p e rc o n t a i n sf ol l o w i n gs i xc o n t e n t s t h es i g n i f i c a n c ea n dp r e s e n t c o n d i t i o no fi n v e s t i g a t i o no ng a s o l l n e e n g i n ei d l es p e e dc o n t r o la r ed e s c r i p t ，t h em a i nw o r k st h a tt h i sp a p e r w l l l u s ec o m p o u n df u z z y p i dc o n t r o li ni d l es p e e dc o n t r o l l nc h a p t e a n a l y s i so ft h ed i r e c t a c t i o n e l e c t r o n i ct h r o t t l eo nt h e s t r u c t u r ea n d e l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，t h e ne s t a b l i s ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe l e c t r o n i c t h r o t t l ei nm a t l a b s i m u l i n ka n dc a r r yo u tas i m u l a t i o ni nc h a p t e r z s t u d vf o c u s e so nt h ef o u r - c y l i n d e re n g i n em o d e l ，i nt h i s p a p e rc r e a t e t h em v e m ( m e a nv a l u ee n g i n em o d e l ) i nm a t l a b s i m u l i n k i t h a se r r o ro f 2 3 b e t w e e ns i m u l a t i o nd a t a a n de x p e r i m e n t ，t h e r e s u l tc o n f i r mt h e m v e ma p p l i e dt os i m u l a t i o ni nc h a p t e r3 t h i sp a p e rc o m b i n e dc l a s s i c a lt h e o r yo fp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o l t h e o r vt od e s i g nt h ec o m p o u n df u z z y - p i dc o n t r o l o nt h eb a s e df u z z y c o n t r 0 1t h e o r yo fk n o w l e d g e ，b u i l dc o m p o u n df u z z y 。p i d c o n t r o li nt h e i i m a t l a b si m u l i n k ，a n dc a r r yo u tt h es i m u l a t i o nw i t ha n t i j a m m i n g c a p a b i l i t yi nc h a p t e r4 d e s i g no fo v e r a l le n g i n e i d l es p e e dc o n t r o ls t r a t e g y ，t h ec o m p o u n d f u z z y p i dc o n t r o la n dt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n da d a p t i v ef u z z y c o n t r o ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e di nc h a p t e r5 t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t so ft h ep a p e ra r ep r e s e n t e da t l a s t k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；i d l es p e e dc o n t r o l ；c o m p o u n df u z z yc o n t r o l ； r o b u s t n e s s ；s i r e u l a t i o n i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 立七许 日期： o j i 年 鑫月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：蔓量杯日期： o ? 年奎月侈日 导师签名_ 叁毛矿t 日期：参吖年j 月驴 日 第一章绪论 1 1 汽油机怠速工况控制研究的意义 近年来，我国汽车产业发展迅速，截止到2 0 0 8 年9 月底，全国机动 车保有量为16 8 0 3 万辆，与2 0 07 年底相比，增加8 25 5 力辆，增长5 17 ， 预计到本世纪3 0 年代中后期，我国汽车保有量将赶上或超过美国。随 着机动车的快速发展，许多地区汽车尾气污染物以每年超过10 的幅度上 升，导致当前城市空气污染已逐渐由煤烟污染向机动车尾气污染转变。 空气质量监测表明，7 0 的城市空气质量超标。北京、上海、广州等大城 市机动车排放的一氧化碳、碳氢化合物所占比例在80 以上。在这些城市 中司机、交通警察长期处于空气污染严重的环境中，乘车者、骑车者和 行人也深受道路空气污染的危害。据预测，2 010 年我国机动车排放污染 在城市大气污染中所占的比例，平均将达到7 5 。光化学烟雾是大气中氮 氧化物( n o x ) 、碳氢化合物( h c ) 和氧化剂在日光作用下形成的二次污染对 人体危害较大，甚至造成生命危险。城市空气质量严重超标，不仅对人 造成危害，甚至危及城市的经济建设和社会进步，对此我们必须有清醒 认识，汽车尾气排放高标准势在必行。2 0 07 年7 月1 日，国家环保总局实 施了相当于欧i i i 的中国i i i 号汽车排放标准，其中北京实施了相当于欧iv 的汽车排放标准妇1 。 汽油机工况通常分为启动和暖机、怠速、部分负荷、全负荷、加速工 况1 。据统计，汽油机约有3 0 的燃油是消耗怠速工况中，在汽车工况法 排放测试中，怠速排放的c o 和h c 量通常占总排放量的7 0 左右1 。汽油 机运转在怠速工况下的比例如此之高，主要是由于： ( 1 ) 汽车起动的需要：若汽油机运转不平稳，则机械润滑不良、磨损 加剧；若汽油机无怠速，转速就不能圆滑地过渡到中高负荷，使得加速 性能不良。 ( 2 ) 怠速运转可检验汽油机技术状况：有了稳定的怠速后，就可在怠速 工况中检测汽油机运转性能情况。因此怠速通常是用来检验汽油机技术 状况和维修质量的主要工况之一。 ( 3 ) 汽车滑行时利用怠速运载来降低发动机温度，避免因冷却水温急 剧升高而造成毁坏轴承的机械事故。 ( 4 ) 临时停车的需要：车辆无怠速停车时，就会起动频繁、经常熄火、 油耗明显增多，而且增加机件磨损，使发动机、蓄电池、起动机等使用 寿命大大缩短。 ( 5 ) 汽车排放检测的需要，为了监控因三元催化器转化效率降低造成 的汽车排放恶化，近年来普遍采用在怠速工况下检测排放污染物量值的 测试方法。 怠速转速的高低是影响发动机耗油量和控制排放的重要因素之一，过 去认为，发动机的怠速转速越低越好，这样大大降低油耗，提高燃油经 济性，但怠速转速过低，废气稀释作用越明显，容易造成发动机的燃烧 不稳定，且易导致熄火，所以要提供浓的混合气，这会使c o 和h c 的排 放浓度大大增加。因此提高怠速转速对减少c o 和h c 的排放是有利的， 但高转速后油耗却会增加，经济性性能恶化。因此发动机怠速控制的目 标应是在尽可能低的c o 和h c 的排放量下，保持怠速工况在较低的转速 下运转平稳，来达到节省燃油和减少排放的目的。为了节约同渐衰减的 自然资源，满足日益严格的排放法规的要求，尽可能的在降低怠速转速 的情况下，并保持怠速转速的稳定性显得尤其重要，许多国内外广大电 控研究者面临的这一大难题。 怠速转速稳定控制困难的主要原因是发动机工作的非线性、时变性、 不确定性使控制过程中被控对象参数的识别和控制参数的整定相当困难 1 。然而目前控制怠速转速的方法主要依赖于对发动机实际运载情况的经 验总结以及在此基础上采取的一些调整措施，通常经过大量先期实验得 到发动机具体工况下的数据后，再一次性设置好怠速控制器件的参数， 因此怠速控制系统是固化的，怠速控制效果往往不理想。 综上所述，研究发动机怠速工况的控制是一项有意义的研究工作。 1 2 国内外发动机怠速控制的现状和发展趋势 因为发动机具有非线性、时变性、滞后性等特性，很难获得发动机怠 速精确的数学模型，控制系统的参数识别和控制器参数的整定相当困难。 通常的解决办法是在工作点附近找一个线性化的降阶模型，采用的控制 方法通常是比例积分微分( p id ) 控制。在电控汽油机工作在怠速工况下， 存在两个控制变量：点火提前角和怠速阀的占空比1 。由于发动机任何参 数的改变到发动机性能的体现都会存在一定的延时过程，但相应的延时 程度存在不同。一般来说，当改变怠速旁通阀位置来调节怠速转速时， 这种延时约为5 0 0 m s ；而通过改变点火提前角来调节转速，这种延时时间 2 短的多，只有9 0 m s 左右1 。因此，通过对点火提前角的控制方法来控制 怠速转速的控制要快得多，实时控制精度更高，但是改变点火提前角来 控制转速的范围比较小。到目前为止，汽车上仍广泛采用的改变怠速旁 通阀，来改变进气量的方法，达到控制怠速转速稳定的方法。 总结目前国内外发动机怠速控制方面的相关文献，就控制策略而言， 经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论在汽油机怠速控制 领域中都有应用，最典型的是经典p id 控制、神经网络控制、预测控制、 模糊控制和滑模变结构控制，。 1 ) p id 控制 p id 控制方法是工业控制中最基本的控制方法之一，它具有结构原理 简单、使用方便、参数易获取等特点，得到了大量的应用，其怠速工况 控制结构图如图1 1 所示。一个标准的pid 控制器的函数表示如下： 甜= k p p + k 。i p 以+ k ，叫出，11 、 j j ， 其中z f 为怠速执行器的控制量，e 为转速误差， k 。，t ，置，分别为比例、 积分、微分系数，它们由具体发动机的工况来决定，一般采用经验值， 其怠速控制结构图如图1 1 所示。其中积分项主要当冷却水温度已达到正 常的水温后，对发动机怠速工况控制才起作用，使发动机实际转速及时 达到目标怠速转速值。在实际控制过程中p id 控制包含多个积分项，分别 针对空调压缩机、自动变速器及动力转向泵等进行调节。比例和积分项 主要是在怠速旁通阀的快速反应中起作用，保证发动机怠速工况变化时， 能够加快被控对象的响应，使得发动机更快的接近目标转速值。 文献 9 将pid 控制方式在富康轿车上进行了实验，结果表明在无负 载情况下转速波动为5 0 r min 。 怠 目标怠速 i l l ll 速 实际转速 r l 。 斗p i d v i l 执发动机 一 行 器 图1 1 发动机怠速p id 控制结构图 2 ) 神经网络控制 神经网络具有很强的自适应学习能力和泛化能力，理论上适用于对非 线性发动机怠速工况进行控制。其控制结构图如图1 2 所示，在汽油机 怠速工况下，进气压力、空燃比、点火提前角、机械部件摩擦等因素都 会对怠速稳定性产生一定的影响。这些因素的共同作用使怠速工况成为 一个复杂的系统，难以建立精确的数学模型，因此很多研究者更倾向于 用神经网络控制方法。 文献 10 采用了c m a c 神经网络作为怠速控制系统，以点火提前角作 为控制变量进行仿真研究试验。其被控对象以天然气作为燃料的单缸汽 油机，在仿真系统上进行试验研究，最后得到怠速转速误差为1 0 8 2 ， 过渡时间为l0s ，该文未给出加载的类型及大小。从结果可知神经网络能 很好的降低怠速转速波动误差，然而神经网络需要一定的自学习时间， 实时控制效果并不一定理想，因此在实际应用过程中有待检验。 图1 2 发动机怠速神经网络控制结构图 3 ) 预测控制 预测控制是近年来发展起来的一种新型控制算法，由于它采用多步预 测、滚动优化等控制理论，因而控制效果比较理想，适用于不易建立精 确数学模型且比较复杂的系统。其发动机怠速模型预测控制结构图如图 1 3 所示。 预测控制的典型算法有三种： ( 1 ) 动态矩阵控制，简称d m c ( d y n a m i cm a t rixc o n tr o1 ) 。d m c 算法采 用被控对象的阶跃响应序列作为预测和控制的模型，每步计算出的是控 制量的增量式信号，d m c 算法对系统控制无稳态误差，但也只能适用于开 环稳定系统。 ( 2 ) 模型算法控制，简称m a c ( m o d ela1g o rith m icc o n t r o1 ) 。m a c 算 法采用被控对象的单位脉冲响应序列作为预测和控制的模型，每步计算 出的控制量是位置式信号，仅适用于开环稳定系统。 ( 3 ) 广义预测控制，简称g p c ( g en e v a lize dp r e dictiv ec o n tr o1 ) 。g p c 4 是_ 种自适应控制策略即把系统模型参数辨识同预测控制结合起来，同 时在线实现。g p c 每步计算出的控制量也是增量式信号，控制系统无稳态 误差，它既适应于开环稳定系统也适应于开环不稳定系统。 以上三种预测控制的基本思想是一致的，区别在于采用的模型不同。 因而与之相对应的预测控制算法形式和细节有所区别。传统的调节方法 如p id 控制为事后调节的控制技术，怠速转速的波动量较大：预测控制 基于目标预测模型、采用多步滚动优化的控制，属于事前调节的控制策 略。将预测控制算法应用于发动机怠速稳定性控制中 1 引，可以有效地 降低发动机怠速转速的波动幅度，较好的满足排放和节能的要求，但抗 干扰能力不强，在发动机负载突变情况下，效果差。 厂 图1 3 发动机怠速预测模控制结构图 4 ) 模糊控制 模糊控制技术在国外的汽车工程中已经得到了广泛应用，如niss a n 的模糊控制自动变速器、模糊a b s 控制系统、三菱的模糊自动换档等， 国内的研究也有将模糊控制应用到了发动机燃油喷射、点火、怠速控制 等项目中去。许多的研究者提出采用模糊逻辑控制的方法来实现发动机 的怠速控制1 5 1 ，其发动机怠速控制结构图如图1 4 所示，模糊控制的 主要特点有： ( 1 ) 模糊控制对被控对象参数变化不敏感，具有良好的动态性能，使 得发动机怠速工况控制系统具有一定的鲁棒性。 ( 2 ) 模糊控制能对时变和非线性系统具有良好的控制性能，然而怠速 工况中存在的明显的非线性，时变性等特点，因此模糊控制适用于怠速 控制。 ( 3 ) 模糊控制中的知识表示、模糊规则和逻辑推理是基于专家知识或 有经验的工作者，因此在发动机怠速控制中借助一些经验对模糊控制规 则和模糊隶属函数进行及时的更新，所以它具有智能型和自适应学习能 力。 5 ( 4 ) 模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，而发动机怠速工况 下会受到各种因素的影响，难以获得精确的数学模型。 由于模糊控制具有以上优点，因此适用于存在着显著时变性、非线性 和存在不确定因素的发动机怠速控制，但模糊控制存在控制粗糙的特性， 所以稳态性能低，存在一定的静态误差。文献 16 采用简化的汽油机怠 速的传递函数模型以怠速阀作为对象的控制变量，通过m a t l a b 仿真得到 最大转速波动为12 5 r min ，过渡过程时间约2 5 秒。该文未给出系统的 sim u1i1 3 k 模型及仿真。 图1 4 发动机怠速模糊控制结构图 5 ) 滑模变结构控制 r b f 神经网络具有学习能力、逼近任意非线性函数的能力：变结构控制 能够适应系统参数变化和外界扰动，是非线性系统比较好的设计方法：汽 油机怠速是一个非线性、大时滞、多扰动的系统，因此文献 27 采用基 于神经网络的滑模变结构控制方法控制汽油机怠速，汽油机模型是平均 值模型；采用的神经网络是b p 神经网络，以切换面作为目标误差来设计 控制器。采用负载如图1 5 所示，目标怠速75 0 r m in ，点火提前角加扰 动，仿真结果如图1 6 所示。 乍 高 卫 嗣 壤 浆 耨 斌 a 一 目 h v 瑙 婢 淄 咱 图1 5 典型阶跃负载图1 6 点火角加扰动的转速波动 6 由图1 6 可得转速波动最大误差为8 5 r m in ，但负载突变时有抖动。 汽油机怠速目标转速值改变后，控制器能否适应，没有给出仿真结果。 总结近几年来的怠速控制研究现状，可以看到国内外的汽车发动机怠 速控制研究的重点已经从传统的基于参数控制的pid 控制向无需精确模 型、对环境和被控对象参数不敏感的专家系统、基于观测器的控制、模 糊控制、神经网络控制、滑模控制、优化控制等方向转移。但并不是说 非线性控制系统就能取得满意的控制结果，在文献 17 中作者针对发动 机怠速非线性控制问题，采用了线性二次型调节器( l q r ) 、经典的p id 控 制、模糊控制和滑模控制器进行了精细的对比实验。实际的结果却令人 失望，后两种非线性控制方法的控制效果都不如前两种传统线性控制方 法，更不用说实现复杂、长期运行的发动机怠速稳定性的问题。因此本 文结合经典控制理论和智能控制理论来研究探讨汽油机怠速非线性工况 控制的问题。 1 3 本文研究的主要内容 由于常规的二维模糊控制器是以误差和误差变化率作为输入变量，因 此一般认为这种控制器具有比例微分的作用，而积分控制作用不明显， 所以存在静态偏差，控制欠柔和，这样的控制器动态性能较好，稳态精 度低的特点。在经典控制理论中积分作用能够消除静态偏差，所以把经 典p id 控制策略引入到模糊控制理论构成复合模糊一p id 控制器，具有一 定的意义。 本文研究的主要内容是：汽油机怠速稳定性复合模糊- p id 控制策略研 究。研究的目的是寻求一种更好的控制汽油机怠速控制的理论和方法， 解决目前怠速控制中存在的问题。本文研究所做的主要工作如下： ( 1 )查阅中外资料，对汽油机怠速控制的研究现状进行分析，并提出 了怠速复合模糊- p id 控制方法，并深入学习模糊控制理论和方法。 ( 2 )对怠速执行机构一一直动式电子节气门的结构和电器特性进行了分 析，建立了电子节气门数学模型，并在m a t l a b sim ul in k 环境下建 立了直动式电子节气门仿真模型，并对其进行了仿真实验。 ( 3 )根据月麦技术大学e lbe rt 教授提出的汽油机平均值模型，并在该 汽油机数学模型的基础上，根据当前的实际情况和控制算法的要 求，在m a t l a b sim u1in k 环境下建立了汽油机平均值模型，包含四 个子系统：气路模型、燃油蒸发与动态油膜模型、发动机动力输出 模型、氧传感器模型。 7 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 基于模糊控制理论知识，本文结合经典p ia 控制理论与模糊控制 理论，设计了复合模糊一p id 控制系统，并在m a t l a b sim ulin k 环境 下建立了复合模糊一p id 控制模型，对其进行仿真实验。 对发动机怠速控制策略进行了总体设计，并对发动机怠速复合模 糊一p id 控制算法与传统p id 控制和自适应模糊控制算法进行了对比 仿真实验。 最后提出本文的结论及展望。 8 第二章基于m a t l a b sim uiink 怠速执行机构的建模 怠速性能的好坏是评价发动机性能是否优越的重要指标，怠速性能不 良将导致油耗增加，排放恶化。现代轿车中一般都设有怠速控制系统， 由电子控制单元控制并维持发动机怠速在某一稳定转速范围内引。怠速 控制系统根据进气量进气方式的不同，其执行机构可分为直动式电子节 气门和旁通式电子节气门，前者是一种控制节气门最小开度的直动式节 气门，后者是一种控制节气门旁通气道中空气流量的旁通式节气门引。 直动式电子节气门具有较强的工作能力，控制位置稳定性好，但由于 直动式节气门工作时，为了克服节气门关闭方向回位弹簧的作用力，使 用了减速机构，使移位速度下降，造成响应性不太好，同时外形尺寸较 大，所以目前实际使用较少。本文考虑到仿真性能，由于直动式电子节 气门采用直流电机控制，因此建立数学模型比较容易，而旁通式电子节 气门采用步进电机控制，相对建立数学模型比较困难，而且不管采用哪 一种执行机构并不影响仿真的最终结果，所以本文在m a t l a b sim u1in k 环境下建立直动式电子节气门仿真模型。 2 。1 直动式电子节气门的系统结构分析 直动式电子节气门怠速控制装置是通过控制节气门开启程度，调节进 气管道的面积，来控制进气量、实现怠速控制系统。其结构如图2 1 所 示，由复位弹簧、直流电机、减速齿轮、丝杠等组成。其中直流电机是 执行元件，由复位弹簧、减速齿轮组、节气门阀等组成了执行机构。图 2 2 为电子节气门传动系统受力情况分析，当发动机电子控制单元控制直 流电机通电时，直流电机在电枢电路中产生电枢电流，电枢电流与感应 磁通相互作用产生电磁转矩。电磁转矩通过减速齿轮，电磁转矩相应比 例增大。然后又通过丝杠变动角位移转为传动轴的直线运动，通过传动 轴的旋进旋出，调节节气门门阀的角度，来控制节气门开度。复位弹簧 保持节气门开度处于一个微小的角度，以保证在控制系统失去作用后仍 有一个稳定的怠速转速，达到安全行车的目的。节气门在转动过程中， 受到粘性摩擦力矩、弹簧回位转矩、电机驱动力矩、阻尼力矩及进气涡 流产生的不平衡力矩的作用，因此存在不确定非线性因素的影响。考虑 到简化模型及其对节气门开度大小的影响，对于齿轮间隙对传动的影响 9 及进气涡流产生力矩不平衡现象忽略不计。因此得到节气门的数学方程 主要由两部分组成：执行机构机械特性的数学方程和直流电机电器特性 的数学方程心0 1 。 4 ( a )( b ) 图2 1 直动式电子节气门 1 一节气门阀；2 - 执行机构；3 - 节气门体；4 - 喷油器；5 一压力调节器；6 - 节气门： 7 一防转动六角孔：8 - 复位弹簧；9 一直流电机：1 0 - 减速齿轮1 ；11 一减速齿轮2 ；l2 一传动轴； 13 一减速齿轮3 ；14 一进给丝杠； 图2 2 传动系统受力分析 2 1 1 直流电机的数学方程 节气门的执行元件是可逆永磁直流电机，其转子是线圈、定子是永久 磁铁。转子线圈可等效为电感和电阻，图2 3 表示直流电机电路图，反 向电动势e 可看作与电机角速度成j 下比；电枢电阻和电源内阻有一定 的限流作用，电感l 对动态性能有较大影响心1 2 3 1 。 1 0 图2 3 直流电机等效电路图 根据基尔霍夫定律，建立如下方程： r j + 尽f + 三罢+ k 国一甜= o ( 2 1 ) 式中u 为占空比；r a 为电枢电阻；l 为电枢电感；r r 电源内阻；v b a t 为 电源电压； ( 1 ) 为电机角速度；k b 为电机转矩系数。 由于磁场是恒定的，电磁转矩t a 与电枢电流f 成正比引： 乃= 蚝f ( 2 2 ) 2 1 2 执行机构的数学方程 1 ) 非线性弹簧 节气门轴上有两个复位弹簧在相反方向起作用，保证在电子节气门控 制系统出现故障时，节气门能够回复到平衡位置即皖处，使发动机能够 继续运转引。系统开发时对复位弹簧进行了标定，得到了弹簧回复力矩 和节气门开度的关系曲线，如图2 4 所示：复位弹簧转矩在眈位置进行 阶跃跃变，弹簧的转矩发生了突变，呈现非线性。 6 。钞由一 o p 卅护 i i ，o 2 03 0柏5 06 07 08 09 l 一 节气门转角( d e g ) 图2 4 复位弹簧转矩特性曲线 瓣 褥 o 柏 鳓 一m。邑聚拿毒淑歌 复位弹簧转矩方程描述如下： 乇= k m ( o - e o ) + h s g n ( o - o o ) ( 2 3 ) 式中0 为节气门开度；t m 为复位弹簧转矩；h 为复位弹簧补偿系数；k m 为复位弹簧系数； o o 为节气门平衡位置。 2 ) 摩擦力矩 系统中受到的摩擦力十分复杂，为液、气体摩擦和干摩擦、边界摩擦 的混合摩擦。本文采用经典的“静摩擦+ 库仑摩擦+ 粘性摩擦模型，如 图2 5 所示。 f_ - _ ， ( o 图2 5 静摩擦、库仑摩擦和粘性摩擦 在实际转动过程中忽略静摩擦，则总的摩擦力矩可表示为引： 乃= k 缈+ 巧s g n ( c o ) ( 2 4 ) 式中国为节气门角速度；弓为摩擦力矩；k 为粘性摩擦系数；k ，为库仑 摩擦系数。其中库仑摩擦力矩为 f 巧 彩 o 致= 0 彩= 0 ( 2 5 ) l k s c o _ a * r 时，智能 开关接通参数自适应模糊一p id 控制，提高系统的鲁棒性。当i e i a * r 时， 智能开关接通传统p id 模块，采用传统p id 控制，减少运算时间，提高稳 态精度。其中，为智能开关系统设定值，a ( o a 1 ) 的选取应保证自适应 模糊一p id 有较广泛的控制空间。 4 3 复合模糊一p ld 控制系统的仿真与分析 根据上节所述的复合模糊- p id 控制方法，本文利用m a tla b sim u lin k 仿真平台，建立复合模糊一pid 控制结构图，其中被控制系统数学参考模 型为1 ( s 2 + 2 j + 1 ) ，进行阶跃响应仿真，如图4 10 ： 图4 10用sif r i l li nk 实现复合模糊一pid 控制结构图 3 8 应 ! t 分别对pid ，文献 4 8 提出的模糊一p id 和本文提出的复合模糊一p id 控 制器在m a t l a b sim u1 in k 平台上进行了阶跃响应仿真。其中仿真过程中， 量化因子k1 ，k 2 为1 。p id 控制模块使用z - n 法得出其比例、积分、微分系 数分别为o 6 ，0 5 ，0 15 。自适应p id 模块的k 卢o ，k k o 初值设为0 2 ，0 2 ， o o1 ，其中比例因子g l ，9 2 ，9 3 分0 2 6 ，0 2 6 ，0 0l 6 ，智能开关模块a ， r 的参数设为0 00 5 ，l0h 引。 - ：7 一md i 几 _- i 艚蝴p l h _ - j f 一 l 天f 明。i l lo 一 e i 复合模 ；目- p i d ； i ， l ， j 、 一 球一 。 ，一一 一z 二n 。刚j y 一艾 模糊止。d r 一 复台横胡中1 d 1 图4 1 1 无干扰时系统的响应图4 12 有干扰时系统的响应 本文首先试验了在无干扰输入时的系统响应，结果如图4 1 l 所示， 从图上可以看出，用z n 法p id 控制与模糊- p id 控制的系统响应有超调 现象，分别达到3 0 和12 ，而且控制系统的响应速度慢，在2 秒时才使 误差变为零。图中，本文提出的复合模糊一p id 控制系统的超调量几乎为 零，而且在1 秒左右达到稳定值，响应速度快，无静态误差。 为了观察系统的抗干扰能力，在运行3 秒时，加入一个干扰信号，干 扰信号值设置为0 1 ，观察控制器的鲁棒性。仿真结果如图4 12 所示，p id 和模糊一p id 控制系统的响应在加入干扰信号时，有明显的超调和震荡现 象，而复合模糊一p id 的响应曲线，有微微的抖动，无明显突变，系统有 很强的鲁棒性。 4 。4 本章小结 本章首先介绍了模糊控制理论基础，并在m a tla b sim u1 ik 环境中建立 复合模糊一pid 控制系统。通过对三个控制系统阶跃响应曲线的对比，所 设计的复合模糊一pid 控制器有效的将pid 控制器和模糊控制器的优点结 3 9 合，使得控制系统即有p id 控制系统响应快，精度高，又有模糊控制系统 抗干扰能力强，鲁棒性好等特点。仿真结果证明本文所提出的复合模糊 一p id 控制系统应用于汽油机怠速稳定性的控制是可行的，具有较强的鲁 棒性，为汽油机怠速系统的仿真及实际应用提供良好的控制理论基础。 第五章汽油机怠速工况控制策略的仿真与分析 发动机怠速控制是发动机电控的一个重要工况，怠速性能的好坏直接 影响汽车的驾驶性能和发动机的性能。发动机怠速控制的目的使发动机 转速稳定运行，同时保证发动机的经济性和排放性。为了保证怠速稳定 性，尤其当外围设备突然加载或者卸载时，要及时地调整进气量来保证 怠速转速稳定在目标转速下，因此对怠速转速的控制可以采用发动机的 转速作为反馈信号，动态调整汽油机的进气量、燃油量和点火提f j 角等 发动机参数，来减少发动机转速与目标转速间的误差。 由于调整喷油量和点火提前角等发动机参数可能会使汽油机的燃油 经济性能降低、恶化，所以通常采用动态调整发动机进气量，即采用控 制怠速阀的方法来控制汽油机的怠速转速。本文采用第四章所设计的复 合模糊一p id 控制系统，以转速为反馈量建立闭环控制系统自适应的调节 发动机进气量，达到稳定转速的目的。 5 1 怠速控制过程 怠速转速越高，燃油消耗越大，为了降低油耗水平，怠速转速应尽可 能的低，但当发动机在低转速运转时c o 和h c 等排放物明显增多，考虑 到排放条件的限制，怠速转速又不能太低。在怠速工况下，冷却水温的 变化、电器负荷、空调负荷加载、自动变速器、动力转向等机械结构的 接入都会引起怠速转速的变化，导致发动机转速运转不稳定甚至可能导 致熄火，因此发动机怠速控制内容包括三个部分： 1 ) 目标转速的确定 根据电子控制单元e c u 接收各种负荷、冷却水温、蓄电池电压、助力 转向器等传感器信号来确定目标转速。 2 ) 怠速启动暖机过程 发动机启动过程中，控制系统根据冷却水温以及空调丌启等状态得 到发动机的瞬时目标转速，来调节节气门的开度，减少发动机实际转速 与瞬时的目标转速差。 3 ) 怠速反馈控制 在稳态怠速工况运行程中，以发动机实际转速作为反馈量与设定的 怠速目标转速的差作为控制系统的输入量，输出电子节气门的占空比， 4 1 来调节节气门开度，动态改变进气量。 5 1 1 目标转速的确定 ( 1 ) 基本目标转速 怠速工况下利用基本目标转速和冷却水温的关系得到当前冷却水温 的目标转速n o ，如图5 1 中a 图所示。怠速目标转速经过各种负荷干扰因 素的修j 下后得到实际目标转速值，即：n = n o + n1 + n 3 + n 4 + n 5 ； 其中：n 一一实际目标转速；n o - - 点火电压修正；n 卜一助力转向修正； n 2 一一基本目标转速；n 3 - - 空调修正；n4 一蓄电池电压修j 下； 由于实验参数条件获取有限，本文只考虑冷却水温和空调加载对目标 转速的影响。通过对图5 1 中a 图( 12 75 c c 发动机实验数据) 的数据进行 曲线拟合插值，得到冷却水温与目标怠速的仿真模型如图5 2 所示。由仿 真模型得到的基于冷却水温的怠速目标转速如图5 1 中b 图所示，其仿真 数据与a 图的实际数据非常吻合，最大误差在2 左右，所建立的基于冷却 水温的目标转速仿真模型是符合实际情况，适用于仿真研究。 譬 善 嘲 浆 鞲 皿 飞 、 戋l 、 x 蟑k 富 差 嘲 擗 蟾 皿 i 一 2 0 昏 。气 k 、 o 、 9 、 。1 hk 蚴 怖一 矗啼嘶h 斗 7 加珈02 0柏印 n n - 4 0 0 4 0 印1 冷却水温( ) 冷却水温( ) a 实际转速与水温的关系b 仿真模型转速与水温的关系 图5 1 基于冷却水温的汽油机目标怠速转速 图5 2 冷却水温一一目标转速的仿真结构图 ( 2 ) 空调加载一一目标转速补偿修正 当空调满足打开条件时，将发动机的目标怠速转速值提升一定量。在 4 2 仿真过程中，采用增加外负载来模拟空调加载的情况，可采用如图5 3 所 示的控制方法。当空调开关吸合的同时目标怠速转速值马上增加相应量， 当空调开关离合后，目标怠速值又恢复到原来的转速值。根据文献 5 0 得出，一般怠速工况下开启空调，目标怠速值相应的增加5 0 10 0 ( r m in ) ，本文设置空调开启时目标怠速值增加6 0 ( r m in ) 。空调加载转 速补偿结构图如同5 4 所示。 图5 3 空调开启转速补偿策略 a i rc o m p e n s a t o r i 6 0i - - , , - xl i r i i t i o n 0l _ 口 l 图5 4 空调开启转速补偿仿真结构图 综合以上分析，实际目标转速：n = n 2 + n 4 ，可得到实际怠速目标转速 的结构图如图5 5 所示。 空调 转速 冷却水温一目标转述 图5 5 发动机实际目标转速仿真结构图 5 1 2 怠速启动暖机过程 发动机启动后就进入怠速暖机过程控制。在暖机过程控制中，控制系 统根据冷却水温、点火电压以及空调加载等状况以及其他因素修正后得 到发动机的瞬时目标转速值，控制系统从而改变节气门丌度，调节进气 量来改变发动机转速，使发动机实际转速与目标转速一致，当冷却水温 度高达8 0 时，暖机过程结束，转入j 下常的怠速反馈控制。 4 3 5 1 3 怠速反馈控制 在怠速正常运行过程中，以实际的发动机转速