（机械电子工程专业论文）基于神经网络精确控制si发动机空燃比.pdf

西华大学硕士研究生毕业论文基于神经网络精确控制s i 发动机空燃比专业：机械电子工程研究生严寒冰指导老师张永相精确控制s i 发动机的空燃比，是降低汽车 # 放的重要措施。针对这问题，作者开发了一种高斯基函数的广义c m a c 神经网络控制器，建立了汽油机电控燃油喷射系统的s i n u l i n k 模型，进行了空燃比控制的在线仿真。首先介绍了研究汽车发动机空燃比( 特别是暂态空燃比) 控制的必要性，以及国内外研究现状，同时，根据对国内外汽车发动机模型的综述分析，选择出适于本文用于空燃比控制的汽油机平均值模型。接着，在分析国内外各种控制策略的基础上，提出了采用神经网络对汽车汽油机空燃比进行控制的策略。再对已有的神经网络控制方案进彳亍分析和比较，从而得出采用c m a c 神经网络的结论，并对神经网络的相关知识作了必要的介绍。根据对大量相关资料的进一步分析结果表明，基本c m a c 神经网络的泛化能力、学习速度和控制精度有待提高。为此，作者采用了基于高斯基函数c m a c作为本文的控制器。确定发动机模型和控制方案之后，作者在m a t l a b 下编写了高斯基函数c m a c 控制器运行程序，并对控制器的不同参数( 主要是泛化参数和物力存储器数量) 匹配进行了比较，选择其中控制效果最佳能一组作为控制器的参数。然后采用台架试验数据对神经网络进行训练，使其控制精度在3 范围内f 部分文献为土5 ) 。把经过充分训练的神经网络的权值固定下来，再对其进行内插和外推测试，其控制效果也在要求的误差带范围内。然后，作者将该控制器与其他控制器的控制效果进行了比较，说明其性能优于其他控制方法策略。为了说明控制器适应变化的能力，作者还对控制器的暂态性能进行了测试，结果表明其控制效果也令人满意。作者随后详细说明了本文采用的汽油机平均值模型，并在s i m u l i n k 下建立了包括节气门和进气岐管、进气一触发系统、压缩冲程、汽车动力学、燃油动西乍犬学硕士研究生毕业论文油动态、燃烧过程等模型的仿真模块。同时，采用m 文件建立广义c m a c神经网络控制器的s i m u l i n k 模块，组成完整的空燃比控制发动机模型，并基于s i m u l r n k 系统模型进行了暂态空燃比性能的在线仿真测试，控制结果也低于3 。全文参考文献7 4 篇，图6 7 幅，表8 个。关键词：汽车发动机：神经网络控制；广义小脑模型关节控制器；s i m u l i n k 仿真西毕大学硕士研究生毕业论文n e u r a ln e t w o r k - b a s e dp r e c i s ec o n t r o lf o r a f ri ns ie n g i n em a j o r ：e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t e ：h a n b i n gy a ms u p e r v i s o r ：y o n g x i a n gz h a n gt oc o n t r o lt h ea f ro fs ie n g i n ei nh i g hp r e c i s i o ni sa l li m p o r t a n tm e a s u r et or e d u c et h ed e l e t e r i o u se m i s s i o no fa u t o m o b i l e a i m m i n gt ot h es u b j e c to fa f ra g c u r a t ec o n t r o l l i n go fg a s o l i n ee n g m ef u e li n j e c t i n g ，t h ea u t h o rd e v e l o p e sag e n e r a l i z e dc m a c ( c e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e 0a n da p p l i e si tt oa i r - f u e lr a t i oc o n t r o lo fs ie n g i n ei nt h i sp a p e r t h ea u t h o rt h e ne m u l a t e st h ec o n t r o l l e rb yo n l i n eu n d e rm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ep l a t f o r mw i t hs ie n g i n e t h ea u t h o rb e g i n sw i t ht h en e c e s s i t yo fa f rc o n t r o l ( e s p e c i a l l yt h et r a n s i e n ta f r ) i na na u t o m o b i l ee n g i n ea n dr e s e a r c h e so nt h i si s s u e st h a th a v eb e e nd o n eb o t hd o m e s t i c a l l ya n do v e r s e a s t h e n ，i tp u t sf o r w a r d si t so w nm e a nv a l u em o d e l so fs ie n g i n e sb a s e do nt h es y n t h e t i c a l l ya n a l y z i n go fe n g i n em o d e l st h a th a v ee x i s t e dt i i l n o w s u b s e q u e n t l y ，t h ea u t h o ra d o p t sn nt ob et h ec o n t r o l l e ro fs ie n g i n ea st h er e s u l to fa n a l y z i n ge x i s t e ds t r a t e g y f u r t h e r m o r e ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h e s en nt h a th a v eb e e nu s e di nc o n t r o la r e ：r e s p e c t i v e l ya n dg e tt h er e s u l tt h a tc m a c ( c e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ) i sav e r yg o o dc h o i c ef o rs ie n g i n ec o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e ss o m ec o r r e l a t ek n o w l e d g ea b o u tn n b yf t t r t h e ra n a l y z eo fc o r r e l a t em a t e r i a lo fn ns h o w st h eg e n e r a l i z i n gc a p a c i t yo fp r i m a r yc m a ca n di t sl e a r n i n gs p e e da r et ob ei m p r o v e d a c c o r d i n gt of o r er e s e a r c h e s ，g e n e r a l i z e dc m a cc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m et h a ts h o r t c o m i n g t h e r e f o r e ，t h ea u t h o rh a sa d o p t e dg a u s s i a nf u n c t i o na st h er a d i c a lf u n c t i o nf o rc m a ca f t e rr u m i n a t i n go v e rt h eq u e s t i o na n di n d e p t hi n v e s t i g a t i o n 1 1 i西华大学硬士研究生毕业论史a f t e re n g i n em o d e la n di t sc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，t h ea u t h o rc o m p i l e dm a t l a bp r o g r a m sf o rt h ec o n t r o l l e ra n do p t i m i z e si t sp a r a m e t e r s( m a i n l y , g e n e r a l i z e dp a r a m e t e ra n dp r a c t i c a lm e m o r yu n i t ) ，t h e n ，t h eb e s tm a t c h i n gi ss e t t l e di n t ot h ec o n t r o l l e r , w i t hd a t u mo b t a i n e df r o mp l a t f o r m ，t h en nc o n t r o l l e ri sw e l lr e f i n e dt i l lt h ee f r o ri sw n - f i nf 5 i sc o n s i d e r e di ns o r t i ei i t e r a t u r e ) t h e n ，t h ew e i g h t so fn nc o n t r o l l e rc a l lb ef i x e d b yu s i n gi n t e r p o l a t i n ga x x de x t r a p o l a t i n gd a t u m ，t h ea u t h o rt e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec m a cc o n t r o l l e ri ss u p e r i o rt ot h e s eo fo t h e r st h ea u t h o rt e s t st h ep e r f o r m a n c et o o ，a n dt h er e s u hi sa l s os a t i s f y i n g w h e r e a f l e r , t h ea u t h o rn a r r a t e st h em e a nv a l u ee n g i n em o d e lb yd e t a i l s t h ee n g i n em o d e li n c l u d e st h r o t t l e m a n 扣l d , i n t a k e t r i g g e r , c o m p r e s s i o n , v e h i c l ed y n a m i c s , f u e lf i l md y n a m i c ，a n dc o m b u s t i o nm o d u l e st h e nt h ea u t h o re m u l a t e si tb a s e d0 ns i m u l i n kt o g e t h e rw i t ht h eg e n e r a l i z e dc m a ca b o v em e n t i o n e d ，w h i c hi sc o n s i f i t u t e d 、i t hm f u n c t i o n ，a n dt h ee r r o ro ft h eg e n e r a l i z e dc m a ci su n d e r 3 t o o u l t i m a t e l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ef r u i t sa n dd e f i c i e n c yo ft h i sp a p e ra n dm a k e sas u g g e s t i o nf o rt h es u c c e e d i n gr e s e a r c h e s t h e r ea r e7 3r e f e r e n c e s ，6 6f i g u r e sa n d8t a b l e si nt h i sp a p e nk e yw o r d s ：m o t o re n g i n e ，n n c a r a tn e t w o r k ) ，g e n e t g i z e dc m a cf c e r e b e l i a rm o d e la r t i c d m i o nc o n t r o l l e r ) ，m a t l a b s i m u l i n k ，r t w西华大学硕士研究生毕业论文符号说明过量空气系数i线圈中的瞬变电流v辩加电压r线路中折合电阻三喷油器线圈的电感f时间p自然底数幂瓯。进气质量流量( m g s )发动机转速( s 。1 )q进气体积流量( 棚3 s )k t与进气温度有关的修诈系数k p大气压力有关的修正系数。p进气管绝对压力( k p a )t进气管绝对温度( 足)r气体常数口汽缸内空气密度叩。发动机容积效率扎；a f r 设定值( 目标值)a ( t a t )氧传感器的测量值k 比例控制器增益k 。积分控制器增益u 。( 0p i 控制器输出。k f f l补偿增益缸。氧传感器测量值a t采样周期口节气门角度n转速m 。附在管壁上的油膜质量埘。每循环进入气缸燃油量所。控制喷油量厶从油膜蒸发进入气缸的油量i x占油膜的比例m 。进入气缸的空气量肌。稳态进入气缸的空气量m 。空气修正量( a f ) 。a f r 的测量值a f r 、a fa f r 的计算值a f s 、( 彳，f ) 。理论a v r 0 47 )j l观测器矩阵，a 1 ，a 2转速订的隶属度函数b 。，b ，b 2 , b 3 转速波动量 的隶属度函数c o ，c i ，c 2 ，c 3 ，c 4旁通阀开度校正值增量a 0 的语言等级参数。泛化常数神经网络量化等级神经网络权值神经网络权值向量学习因子神经网络权值修正量第i 个输入输入t 的维数基函数的中心基函数的方差输入的量化级数每次补偿系数)局都超立方体商的基函数局部超立方体边长高斯函数的中心压力温度校正系数发动机水温度校正系数ixu (“，wc。w矿甜峨誓虬。k驰d尸加麻西华大学硕士研究生毕业论文蓄电池电压校正系数基本喷油量自适应补偿喷油量点火提前角节气门开度流入进气道管的质量流速进气歧管压力标准大气压常数温度( 单位为。k )导管容积( 单位为m 3 )进气口空气的质量流速导管压力的变化率x气缸内气体质基( g )补偿增益系数发动机产生的转矩发动机的转动惯量负载转矩( 单位为n m )发动机的加速度沉积系数时间常数蒸发的燃油有效蒸发燃油喷射燃油输出的氧传感器信号输入的a f r 值屯k，xv 够咖咖k d _ j 鋈，工引吣只0足圪吒己西华大学硕士毕业论文1 绪论1 1 问题的提出在现代社会，人们对汽车的需求和依赖越来越强，汽车业的竞争也越来越激烈。汽车研究、设计、带8 造者和商家们付出了无数的心血和智慧，不断应用各种高新技术，推出各式各样新车型。用户们不仅要求新车具有时尚的外形、良好的舒适性，优良的动力性、可靠性和经济性，同时也越来越看重它们所具有的清洁性( 排放无污染性) 。但是汽车尾气排放中的未燃烃朋和氮氧化合物d ，在大气中通过光化学烟雾反应所生成的臭氧a 、过氧酰基硝酸盐等，是低空大气污染的主要根源，导致了多种人类疾病。因此，随着排放法规的不断升级以及个人健康需求的增强，以及可持续发展观的深入，使得汽车低排放性成为汽车消费的一种必然。如果说节能是汽车工业永恒的主题，那么“零污染”则是汽车工业发展到现在面临的首要而严格的时代要求。汽车排放是一个国际性的问题，更是我国汽车发展的首要问题。世界各国对汽车排放的要求都越来越严格，欧洲从1 9 9 6 年开始执行了欧i i 标准，2 0 0 0年开始执行欧i 标准，而到今年( 2 0 0 5 年) 则采用欧标准，以迸一步控制汽车排放。反观我国的情况，当2 0 0 8 年奥运会锁定中国北京，中国汽车业也同时昕到了环保排放标准的倒计时。北京已宣布，从2 0 0 3 年1 月1f 1 起，北京对机动车的尾气排放标准由现在的欧i 号改为欧l l号，2 0 0 8 年前北京将正式实施欧i 排放标准。上海也于2 0 0 3 年1 月1日起，正式实施欧i i 排放标准【l 】o 北京、上海等地推行与世界环保相接轨的强制性举措，将不仅改变本地区低空污染状况和人们呼吸的感牢份f i g1 1 ：o v 黜豁a n d d o m e s t i c e m i s s i o n c o n 订o ir e g u l a t i o n sc o m p a r a t i o n图1 1 国内外汽车排放控制进程比较觉，还将改变人们传统的衡量好车的标准，环保将成为车市的一块金字招牌。f芝露vq垒一西华大学硕士毕业论文同时，面对欧标准的考验，中国汽车业竞争格局的变化也将不可避免。进一步控制汽车排放将是我国迫在属睫的一项重要任务。排放标准的具体内容见本文第2 章，我国排放标准与世界先进排放水平的差距见图1 1 。1 2 产生问题的原因发动机燃烧过程产生污染的模型如下式【3 】：面1c 8 h 1 8 + ( 0 2 + 3 7 7 n 2 ) c 0 2 + 口2 c o + n o+ d 4 0 2 + t 2 5 n2 + 口6 h 2 0 + 口7 c h 4式中，a 卜空燃比( a i r - f u e lr a t i o ，以后般用a f r 表示) ；c 。爿l 。燃油；d 2 + 3 7 7 2 一空气中氧和氮的混合：c h 。气缸内的没有燃烧的残留碳氢化合物；口。( f = 1 ，2 ，7 卜由a f r 决定的反应系数。详述如下：( 1 ) 当a f r 在化学当量侄a f s ( a i rf u e ls t o i c h i o m e t r i c ，即理论a f r 值) 附近时，燃烧过程会产生上式所示的所有燃烧产物。本文中a f s = 1 4 7 。( 2 ) 当a f r a f s 时，模型可以简化，【口： 、【 、【口，】三个系数可被忽略。f 3 ) 当a f r q 拉s 时，f i 9 1 2e f f e c t so f c a t a l y z ec o n v e r t e ro i ld i f f e r e n t a p【甜i 】_ 【口3 = f 甜4 1 = 0 。图1 2 在不同a f 下催化转化器的作用由这个过程可以看出，只有将a f r 控制在a f s 附近，即上述的第一种情况时，才能同时达到较好的经济性和清洁性。过去的许多研究集中在能产生稀混合气( 欠a f r 即上述第二种情况) 状态的装置上，其目的是降低排放量和燃油储备量。但是，这种方法达到的效果未能尽如人意，还需要做进一步的研究工作。另外一种减少污染的方法是对废气的处理，催化转化器通过加快氧化反应化学过程，使h c s 和c o 转化为甄0 和c d ，并减少n o x 向，的转化。已经证实：只要a f r 保持在a f s 附近的某个严格的范围内，催化转化器就可以获西华大学硕士毕业论文得最大的效率h 。从图1 2 可以看出，a f r 值变化1 ，催化转化器的效率将下降5 0 。目前，在发动机a f r 的控制上，一般要求实际a f r 在a f s 附近的误差 o 0 5 ，精确控制a f r 则要求其误差 0 0 3 5q1 3 汽车发动机燃油控制技术的发展火花点火( s i ) 发动机的燃油控制技术经历了如下三个重要阶段：第一阶段期。械式。用化油器供油，排放问题严重。尽管开发人员对化油器结构进行了大量优化，但受工作原理的局限，它在提高燃烧效率、改善排放水平上已无潜力可挖。化油器式发动机在发达国家已披淘汰。我国对于大量的化油器式在用车，采取严禁出售含铅汽油而限定使用无铅汽油，并加装三元催化装置的措施。不过，化油器难以稳定a f r ，因而不能降低排放，该项措施只能作为对大量化油器式在用车减少排放的一种权宣之计。第二阶段电控式。采用电子控制化油器技术，同时引入氧传感器按尾气中的氧浓度对进行闭环p 【控制，点火系统也发展到无触点电子点火，改进了燃烧情况，降低了排放。但它仍不能保证稳定的a f r ，不能满足不断升级的排放法规。目前这类发动机在国外也被列为淘汰型产品，我国并没有大量生产这类发动机，而是直接引进第三代电喷式发动机或电喷系统。第三阶段电喷式。用微电脑控制的燃油喷射系统代替机械式和电控式化油器，在燃烧理论和控制理论上都有突破，实际效果十分显著。在美、日、欧最先用于赛车，后来在7 0 年代未一8 0 年代初迅速向普通轿车发展。进入9 0年代后，发达国家生产的普通轿车全部采用了燃油电喷系统( 包括大多数轻型车) 。我国也积极采取措施，规定从2 0 0 0 年起新轿车必须采用第三代电喷技术，到2 0 1 0 年力争与当时的国际标准相当。第三阶段的控制技术主要是电控燃油喷射( e f i ，e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n ) +三元催化转化器( t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e r ) + a f r 精确控制和电控点火提前角( e s a ，e l e c t r o n i cs p a r ka n g l e ) 控制，以及废气再循环( e g re x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 、机内净化和怠速0 s c ，i d e ls p e e d ) 控制技术。此外，些高中档车还包括电控自动变速、防抱死、主动悬架、安全气囊、防盗等项控制。上述各种控制模块通过c a n 总线( 一种车内局域网) 进行通信，并由上一级的e c u即发动机管理系统( e m s ) 统一协调指挥。西华大学硕士毕业论文第三阶段的控制策略可分为经媳控制、现代控制、智能控制及复合控制。经典控制主要是通过氧传感器的反馈信息采用p i 控制，在汽车稳态运行时，它能够使a f r 保持在a f s 附近，但在汽车暂态运行( 节气门开度变化或外负荷变化) 时，由于它不能及时提供油膜暂态补偿( t f c ，t r a n s i e n tf u e lf i l mc o m p e n s a t i o n ) ，因而不能保证精确的a f r 。现代控制主要是考虑了发动机的进气流量、油膜动力学等内部状态的信息，采用非线性状态观测器( 估计算法) 和自适应控制，提高了a f r 的控制性能，但缺乏对环境变化、发动机老化和个体特性的学习能力。智能控制主要是在上述反馈基础上，采用基于模糊规则或神经丽络的观测器或控制器，常常融入自适应控制、预报控制、变结构控制、鲁棒控制等先进控制方法，实际上是一种复合控制策略，不仅提高了a f r 的控制精度，也大大改善了系统的自适应性和鲁棒性，为解决发动机这一非线性、慢时变、变时滞、m i m o 复杂系统的控制提供了新途径。1 4 我国汽车发动机空燃比控制现状近年来，我国汽车产业发展迅速，各大汽车厂生产了大量的高中档轿车，其发动机已全部采用了燃油电喷技术，但电喷系统基本上属于引进。系统中的传感器、电磁阀、喷油器、点火器等元器件，少数由国内配套研发和生产，而核心核心部件一电控单元( e c u ) 则由外商直接提供。国外公司的电喷技术对我国完全保密，e c u 中的m a p 、控制算法和程序都未卖给我国，目前我国没有一家企业( 合资、非合资) 拥有电喷系统e c u 的自主知识产权。此外，我国e c u的进口国别多、品种规格杂，一些企业缺乏选择论证，引进的技术水平和产品质量参差不齐，有的还缺乏充分的匹配标定实验。我国汽车电喷技术的落后有多种原因，但与“以市场换技术”的产业发展策略密切相关。该策略实施1 0 多年来，我国汽车产业在生产能力和生产技术上虽有很大提高，但让外资企业获得了巨大市场份额，而且垄断了我国汽车某些行业f 特别是汽车电子产业，以e c u 为代表) ，国内自主设计、研发和创新能力的提高则进展缓慢，高技术产品的研发已形成严重的技术依赖【7 “。反思“以市场换技术”策略初衷落空的现实，从跨国公司的逐利性本质，既占领市场又占领股权的企图和行为动机来看，可以预料，现行正在实行的“以股权换技术”策略也将不会为我国带来真正的核心技术。事实上，经济全西华夫学硕士毕业论文球化的历史过程表明，虽然它可以使生产产品迅速跨国界销售，产品服务、资本和极小部分“高技术”人力资源的跨越国界流动，但经济全球化没有而且不可能消灭国家利益；没有也不可能导致技术“创新能力”和“组织能力”的跨国界流动。只有自主研发汽车发动机e c u 才是我国汽车电子产业可持续发展的根本途径。这是因为，创新能力的关键是产品研发能力，否则既无法选择也无法集成技术( 不管这些技术是内生的还是引进的) ：而组织能力则是企业和一国经济持续竞争优势的源泉和持续经济扩张的动力 7 3 j 。我国汽车电喷技术的落后也与其研发的状况有关。在1 9 5 8 年吉林工业大学进行过机械式燃油喷射装置的研制与试验。对e f i 系统的研究则是从8 0 年代初期才开始的，其中长春汽车研究所、清华大学、上海交大等高校及科研院所，对汽油机特别是柴油机的电喷控制技术都作了不少研究工作。电喷系统开发还被列入“八五”攻关计划、由中汽总公司组织实旌，主要内容是：1 ) 制定国外电喷系统对国产发动机的匹配试验规范，台架初步标定，整车初步匹配。奥迪轿车、东风卡车、切诺基吉普三种基本车型的初步标定和装车试验。2 ) 用豳外电喷系统对国产发动机进行电喷改造。3 1 完成基本型的电控单元、传感器、油泵及节流阀体等试样研制。这些研究取得了一定成果，按国家科技部所公布的研究成果是：东风载货汽车适配电控技术的应用( 编号8 5 2 l o l - 0 3 ) ；电控喷射技术在切诺基吉普车上的应用及匹配标定技术( 8 5 - 2 1 0 1 - 0 4 ) ；电控单元的剖析( 8 5 - 2 1 - 0 1 0 5 ) ；汽车电控系统传感器( 8 5 - 2 1 o l - 0 6 ) 。由上可见，受产业发展战略的影响以及起步阶段的实际困难，我国“八五”计划对电喷系统的研发重点放在对国外电喷e c u 的解剖分析、匹配标定及基本配套器件的研制上。在“九五”及以后时期，“八五”成果还未深化和转化，主要研究已开始转向电动汽车和混合动力汽车，很少对今后存在很长时期的s i发动机的燃油电喷控制( 即便是经典控制) 技术本身进行研究，在先进控制技术的研究上则几乎为空白。对n n 控制s i 发动机的a f r 的研究上，就目前国内所见论文，多数是介绍国外研究方法【4 3 2 1 ，有一篇用b pn n 去逼近喷油点火脉m a p l 7 0 】，但未涉及到a f r 的控制问题。只有f 6 7 】和 7 1 】两篇论文提出了基于n n 进行喷油量自适应补偿的控制策略，m a t l a b 仿真结果良好。除此之外，无篇应用其它先进控审4 技术的报道。激烈的市场竞争要求缩短汽车发动机e f i 的开发时间，因此，国外在研究西华大学硕士毕业论文先进控制策略及其控制算法的同时，开发过程和手段也发生了变化。传统开发中由于缺乏功能强大、方便实用的开发平台，系统建模与仿真、快速控制原型( r c p ，r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n 曲、硬件在环仿真( h i l s ，h a r d w a e r - i n t h e l o o ps i m u l a t i o n ) 等阶段各自孤立进行，开发时间长、质量难以提高。国外已采用m a t l a b s i m u l i n k d s p a c e 开发平台来加以解决这一问题。d s p a c e 源于汽车发动机控制系统开发，能与m a t l a b ，s i m lh 刖k 无缝连接，支持从数学模型建立、控制算法仿真、基于框图的e c u 原型到自动产品代码生成、以至e c u测试的所有研发阶段，极大地节约了开发时间与成本、提高了程序质量，并有利于研究机构、制造企业、供应商之间的合作。近三年，国内先后有2 8 所大学( 清华、北航、北京理工、北方交大、哈工大、吉林工大、大连理工、天大、燕山大学、烟台海军航空、山东大学、上海交大、同济、上海大学、南航、东南大学、中国科大、国防科大、江南理工、华南理工、华中科大、武汉理工、话安交大、西北工大、重庆大学、成都电子科大、香港理工、香港城市大学) 和6 0 1 所、三院3 3 所、兵器2 0 3 所等2 0 个研究所购置了d s p a c e ，这表明我国科技研发手段已迅速跟进。但在n n 控制s i发动机a f r 方面，目前还未见其应用研究的报导。本论文就是在上述背景下，力图借助于m a t l a b s i m u l i n i ( d s p a c e 开发平台，研究汽车发动机精确控制a f r 的先进控制策略及其控制器实现，为我国自主汽车发动机电喷系统智能e c u 奠定基础。从我国汽车电喷控制技术目前水平及其开发的特点，需要国家和企业加大投入，同时加强校企合作，从多角度、多层面对发动机进行综合研究，才能开发出达到国际水平、具有自主知识产权的电喷控制系统。1 5 课题来源及技术路线1 5 1 课题来源本论文是四川省重点学科建设项目汽车电喷发动机神经网络控制( 项目编号：z 0 0 2 2 1 ) 的后续子课题之，项目由我校机械工程与自动化学院系统与控制研究所承担。项目针对我国汽车电喷技术远远落后于世界水平的背景，以自主研发s i 发动机e f i 的e c u 产品为最终目标，力图通过这一开发过程，掌握精确控制a f r 的核心技术。西华大学硕士毕业论文1 5 2 项i i 研究思路s i 发动机工作过程如图l3 ，是一个复杂非线性、慢时变系统过程参数、结构参数和元器件参数都随工况不同、环境各异而变化发动机使用时间的延长而改变，很难用确定性数学模型来进行描述，如对其采用传统控制或基于模型的现代控制理论的最优控制，都难以使对象具备趣好的动态品质、自适应能力和鲁棒性。近年来发展起来的非参数模型一人工神经网络( 简称神经网络n n ) 是发动机这类复杂非线性时变对象的最佳数学模型。已经证明，n n 具有很强菲线性映射能力，在理论上能以任意精度逼近一个复杂的非线性对象；而且它在工作系统中各同时也随汽生发动机机理上模拟人脑神经网络，具有很强的自学习能力、泛化能力和容错能力，可用于各种控制，特别是智能控制。s i 发动机的喷油一点火控制必须解决获取m a p 有效数据的问题。严格意义上的m a p 是一个高维超曲面，空气温度、大气压力、冷却水温、环境湿度、节气门开度、进气压力、转速、尾气氧浓度等是它的各维坐标，e c u 的输出量就是超曲面上的点。工程上为了便于实现，将多维m a p 分解为两个基本三维m a p ( 喷油量一转速一负载数据组，点火提前角一转速一负载数据组) 以及多个一维修正m a p ( 冷却水温、空气温度等修正系数组) 。虽然喷油点火m a p 从多维降到了三维，但要获得这个三维m a p 也非常困难，它需要采用先进完善的检测设备进行充分的台架实验和路况实验，实验费用十分高昂。国外具有这种良好的实验研究条件，我国还不具备这种条件，即便具备，本课题也无力承担使用经费，为此本课题采用二种办法来解决：1 ) 由于认识有限，项目的前期采用办法是：设计制作一种e c u 信号检测装置，通过对国外e c u 的i ，0 信号检测( 剖析) 来获取有关控制参数，分析控制方法。这种办法无论在开发时间上或是在质量上都难以成功。2 ) 项目现在的办法是：基于m a l 乙a b s i m u l i n k ，d s p a c e 开发平台，通西华大学硕士毕业论文过对e c u 的建模、仿真、r c p 、i - i l l s ( 包括虚拟路试) 来获取有关控制参数，分析控制方法。国外开发实践表明，这种办法非常成功，能节约试验经费，缩短开发时问，保证开发质量。1 4 3 开发项目的技术路线项目开发过程的主要环节如图1 4 。项目主要开发步骤如下：1 被控对象进行台架实验，以认识对象、获取对象性能及控制所需的有关数据。( 已在四川省汽车产品试验检测站完成) 。2 建立被控对象的数学模型，用m a t l a b 的m f i l e 格式表示。3 确定控制策略和控制方法用m a t l a b 工具箱设计初始控制方案，进行离线仿真，考察对象模型、控制方案及其模型参数和控制参数的合理性。4 完善控制方寰中组成系统的各环节，在s l m 【h i n 则s t a t e n o w 下建立框图模型，进行在线仿真，通过进一步分析调整以确定控制方案。5 对s i m u l f n k s t a t e f l o w 框图模型，从d s p a c e r t i 库用拖放指令指定实时测试所需的i o ( a c d 转换器，增量编码器接口等) 并设置i o 参数。f i g1 , 4r e s e a r c h i n gr o u t eo f t h i st a s k图1 4 本课题项目开发路线6 在m a t l a b 下用鼠标选择r t wb u i l d ，完成e c u 原型d s p a c e 的m i c r o a u t o b o x 硬件系统的实时c 代码的自动生成、编译、连接和下载。西华大学硕士毕业论文7 用m i c r o a u t o b o x 代替被控发动机e f i 的e c u 进行台架实验和道路实验。实验中用d s p a c e m l i b m t r a c e 、d s p a c f j c o n t r o l d e s k 与m i c r o a u t o b o x进行交互操作，调整控制参数，实现参数自动优化；以用e a l m o r i o n 显示发动机速度，进气流量、a f r 等状态，并跟踪响应过程，以获得更多的信息( 对象模型参数范围是否适应、控制特性是否过严或过松、控制系统对干扰及传感器噪音是否有足够的鲁棒性等) 。从而实现发动机e c u 的r c p 。8 控制系统鲁棒性、可靠性设计。9 返回1 ，再经历1 - 8 的过程。1 0 选择目标d s p 系统的微处理器和编译器，用d s p a c e t a r g e t l i n k 从m i c r o a u t o b o x 自动生成产品级控制代码，封装为e c u 产品( 主要是e f i 、e s a 、f i g1 5a u t 。2 e n e r a c ea n dd 。w n l 。a di s c 三个模块) 。o f 品r m ic o d e1 2 用d s p a c f j m o f i o n d e s k 对台架图1 5 控制代码的自动生成和下载和道路实验所难以完成的极限工况( 如高山冰雪地区、热带沼泽地区的喷油- 点火) 进行虚拟实验，完成h i l s 。1 3 对指定的发动机匹配标定产品e c u 。注；以上1 - 4 步是全开发过程的基础，也是体现e c u 的核心技术之所在。据软件销售商和国外有关资料介绍，如s i m u l i n k s t a t e f l o w 框图模型仿真成功，则以后各步一般也会成功，主要工作是使控制优化，除第1 3 步以外，其各步实质是软件操作。因目前经费缺乏，无法购买d s p a c e 平台，故未进行上节中第4 步后的工作。1 6 本论文的主要工作本论文在继承“汽车电喷发动机神经网络控制”( 项目编号：z 0 0 2 2 1 ) 前期工作的基础上，进一步作了以下工作：1 1 进行了大量的外文资料检索，根据检索和查新结果，对国外发动机电喷系统中a f r 控制的现状与发展进行了进一步分析。2 ) 多次参与美国m a t h w o r k 公司中国代理公司北京九州恒润公司组织的日西华大学硕士毕业论文m a t l a b 产品及其升级产品的运用和介绍讲座，对m a t l a b 的相关产品有进一步的了解，对使用m a t a l b 系列软( 硬) 件运用、开发到产品实行有比较深入的了解。3 ) 深入学习了n n 及非线性系统的建模理论，对n n 类型的选择，b p 、r b f 、c m a c 三神n n 的学习算法及其参数调整有了较多了解。对本课题的前期研究进行了认真学习，继承了前期工作中的相关成采。4 ) 在查阅大量c m a cn n 相关资料的基础上，将前期研究中基函数为常数l 的基本c m a cn n 改进基函数为高斯函数的广义c m a cn n ，编制了算法的m a t l a b 程序，对其网络参数进行了精心调整，提高了c m a c 的泛化性能和学习速度。5 ) 在m a t l a b 下进行了广义c m a cn n 控制仿真，与基本c m a cn n 控制方法进行了控制效果比较。结果表明，在a f r 动态品质( 稳定性、响应速度、稳态精度) 、系统抗干扰能力及自适应能力上，广义c m a cn n 控制效果均优于其它控制方法。6 1 依据上面c m a c n n 算法和汽油发动枫平均值模型，建立了c m a cn n控制汽车s i 发动机a f r 的s i m u l i n k 图块模型，它包括了节气门子系统、进气岐管子系统、压缩( 触发) 子系统、发动机动力学子系统、广义c m a cn n 子系统、油膜动力学子系统、燃烧一混合子系统等模块，其中的广义c m a cn n 模块是采用自行开发的m a t l a bf u n c t i o n 来实现的。7 ) 基于s i m u l i n k 系统模型进行了控制仿真，并与p i d 、r b fn n 和基本c m a cn n 控制进行了比较，a f r 达到达理想效果，控制误差低于3 ；在加入输入噪声、改变发动机模型参数( 主要是两个非线性时变参数：喷油沉积系数x 和油膜蒸发时间常r ，) 的情况下，也得到了较好结果。西华大学硕士毕业论文2 发动机a f r 和电喷系统2 1a f r 及其对排放影响9 】2 1 1 a f r 的定义汽油发动机燃油供给装置向进气管提供一定比例的燃油与空气混合，形成可燃混合气，其中空气质量与燃油质量之比称为空燃比，通常用a f r 表示，其公式如下：么豫= 蒜箍，使l k g 汽油完全燃烧按化学当量计算需要1 4 7 堙空气，故a f s = 1 4 7 被称为理论a f r 。在实际的汽油发动机燃烧过程中，燃烧l k g 汽油可消耗的空气不一定就是理论上所需要的空气量，它与汽油发动机的结构和使用工况密切相关，吸入气缸中的实际空气量可能大于或小于理论空气量。实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，可用下式表示：过量空气系数 = 躺( 2 t 2 )下式清楚地表示出了表征混合气稀、浓程度的空燃比a f r 和过量空气系数z 两者之间的相互关系：五 1a f r 1a f r 1 4 7稀( l e a n ) 混合气2 1 2a f r 对排放浓度的影响【1 0 】i ) a f r 对c o 的影响当混合气的a f r 小于a f s 时，混合气越浓，燃烧废气中c o 的浓度越高，这是氧气不足所致。e 风+ 罢d 2 斗”c o + 詈皿二1c o + 0 2 斗c 0 2( 2 3 )z在a f r 大于1 6 时，c o 的浓度便急剧增加。所以只要燃烧稳定，并使a f r比保持在1 6 以上，就能把c o 浓度控制在最小范围。西华大学硕士毕业论文。n麓-no釜0no hn oh 亿。，+ 馥+卜( 2 4 )+畸+j2 1 3 汽车排放限制【钟表2 i 汽油车的排放限值标准类型级别c o 嬲；( g k m 一1 )肋+ n q 排放量“g - k m “)l2 2 7 ( 3 1 6 )0 9 7 ( 1 1 3 、欧洲i 号标准25 1 7 ( 6 0 )1 4 ( 1 6 )36 9 ( 8 0 )1 7 ( 2 0 )欧洲i i 号标准12 。20 524 o0 6西华大学硕士毕业论文+ 用于生产一致性检查表2 2 柴油车的排放限值c o 排放量h o 十n o 。排放量颗荽翅标准类型级别( g 栅。)( g 枷。)( g k m )欧洲i 号标准l2 2 7 ( 3 1 6 + )0 9 7 ( 1 1 3 、0 1 4 ( 0 1 8 + )25 1 7 ( 6 0 。)1 4 0 6 )0 1 9 ( 0 2 2 )36 9 ( 8 0 )1 7 ( 2 0 )o 2 5 ( 0 2 9 1欧洲i i 号标准11 o0 7 ( 0 ，9 ”)o 0 8 ( 0 1 0 ”、21 2 51 0 ( 1 3 ”)o ，1 2 ( 0 1 4 “131 5l ，2 ( 1 6 “10 1 7 ( 0 2 0 ”)用于生产一致性检查。”用于直喷柴油机。欧洲2 0 0 0 年1 月起实行的欧洲号标准、2 0 0 5 年1 月起实行的欧洲号标准比欧洲1 号、欧洲h 号标准更加严格，具体看有以下几个特点：( 1 ) 排放限值更