（机械电子工程专业论文）基于rbf网络和逆模型的汽油机瞬态空燃比控制.pdf

基于r b f 网络和逆模型的汽油机瞬态空燃比控制 专业：机械电子工程 研究生周非指导老师张永相 降低汽车排放和油耗是涉及环境保护和能源的国际性问题从发动机控制 角度而言，精确控制汽油机瞬态空燃比是解决这一问题的重要措施也是一个 具有挑战性的研究课题。对此，作者开发了采用r b f 神经网络控制和逆控制 空燃比的方法，并基于发动机平均值模型进行了这两种控制策略的m a t l a b 离线仿真和s i m u l i n k 在线仿真。 首先，介绍了研究汽车发动机空燃比( 特别是瞬态空燃比) 控制的必要性和 重要性，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，得到在不同控制策略下选择发动机模型的方法。 接着，在分析国内外各种控制策略的基础上，采用神经网络和逆控制对汽 车发动机空燃比进行控制的策略。通过对已有的神经网络控制方案进行分析比 较，得出采用r b f 神经网络的结论。逆控制控制空燃比的控制策略是作者提 出来的，作者在中外刊物上没有找到用此方法控制汽油机空燃比的文献。文中 对神经网络和逆控制的相关知识做了必要的介绍。 文中采用的发动机模型是由月麦技术大学e l b e r th e n d r i e k s 教授和他的同 事们提出来的，此模型具有较高的精度，它对不同于建模的三种发动机在整个 运行域上的误差标准差仅为2 3 ，对同一发动机采用不同进气歧管和喷油 系统时也具有相同精度水平，被研究者们广泛采用。 在发动机模型和控制方案确定后，作者编写了r b f 神经网络和逆控制的 m a t l a b 离线仿真程序，并借鉴课题前期成果的方法，把自适应补偿算法加 到控制程序中，从而构成自适应r b f 神经网络控制和自适应逆控制策略。分 别对简单油膜方程和复杂油膜方程作了m a t l a b 仿真分析比较，两种控制策 略在瞬态过程都得到了很高的空燃比控制精度。随后还与课题前期的c m a c 神经网络控制的仿真结果进行了分析比较。 随后，作者编写了两种控制方案控制器的sf u n c t i o n ，从而构成基于 sf u n c t i o n 的r b f 神经网络和自适应逆控制的s i m u l i n k 在线仿真模型。仿 真中，通过改变负载类型、改变油膜参数和更换油膜方程，同时对点火角附加 随机噪声，考察了两种控制器的适应性和鲁棒性。仿真结果表明，r b f 神经 网络和自适应逆控制的瞬态空燃比与理想空燃比的误差均在2 以内，且均 具有较好的适应性和鲁棒性。最后，对各种仿真结果进行了综合分析，并与课 题前期的c m a c 神经网络控制结果进行了比较分析。 全文参考文献6 7 篇，图8 0 幅，表9 个。 关键词：汽油机：空燃比；r b f 神经网络控制：逆控制；s i m u l i n k 仿 真 i i r b fn e u r a ln e t w o r k - b a s e da n di n v e r s em o d e lc o n t r o l f o rt r a n s i e n ta f ri ng a s o l i n ee n g i n e m 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 g p o s t g r a d u a t e ：f e iz h o u ；s u p e r v i s o r ：y o n g x i a n gz h a n g d e c r e a s i n ge m i s s i o na n df u e lc o n s u m p t i o no fa u t o m o b i l ei sa ni n t e r n a t i o n a l i s s u ea b o u te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds o u r c eo fe n e r g y t oc o n t r o lt h et r a n s i e n t a f r ( a i r f u e lr a t i o ) o fg a s o l i n ee n g i n ei nh i 曲p r e c i s i o ni sa ni m p o r t a n tm e a s u r et o s o l v et h i si s s u e ，b u ti ti sad i f f i c u l ta n dc h a l l e n g i n g s u b j e c tw h i c hi sw e l lk n o w no f t h ew o r l d a i m i n gt ot h i ss u b j e c t ，t h ea u t h o rd e v e l o p sr b f ( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) n e u r a ln e t w o r ka n da d v e r s em o d e la n da p p l i e si tt oc o n t r o la f ro fg a s o l i n e e 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 et w oc o n t r o l l e r so f f - l i n eu n d e r m a t l a bs o f t w a r ep l a t f o r ma n de m u l a t e si to n l i n eu n d e rs i m u l i n ks o f t w a r e p l a t f o r mb a s e do nm e a ne n g i n em o d e l 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 ya n di m p o r t a n c eo fa f r c 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 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 et h a t h a v eb e e nd o n eb o t hd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d t h e n ，am e t h o dw h i c hc h o o s e sa m o d e lu n d e rt h ed i f f e r e n ts t r a t e g yo fc o n t r o li sg o t t e nb a s e do nt h es y n t h e t i c a l l y a 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 l ln 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 e u r a ln e t w o r ka n da d v e r s em o d e lt ob et h e c o n t r o l l e ro fg a s o l i n ee 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 e u r a ln e t w o r k st h a th a v eb e e nu s e di nc o n t r o l a r e ar e s p e c t i v e l ya n dg e tt h er e s u l tt h a tr b fn e u r a ln e t w o r ki sav e r yg o o dc h o i c e f o ra f rc o n t r o lo fg a s o l i n ee n g i n e t h es t r a t e g yt h a ti sa d o p t e dt oc o n t r o la f ri s b r o u g h tu pb yt h ea u t h o ra n dn o t h i n gi sf o u n di na l lp u b l i c a t i o n sa b o u tt h i sa r e a k n o w l e d g ew h i c hj sr e l a t e dt on e u r a ln e t w o r ka n da d v e r s ec o n t r o li si n t r o d u c e d i l l n e c e s s a r i l yi nt h i sp a p e r t h eg a s o l i n ee n g i n em o d e lw h i c hw a sb r o u g h tu pb yp r o f e s s o re l b e r th e n d r i c k sa n dh i sc o l l e a g u ew h ow o r k si nd e n m a r kt e c h n o l o g yu n i v e r s i t yi sa d o p t e di n t h i sp a p e r t h i se n g i n em o d e lh a sv e r yh i 曲p r e c i s i o na n di t ss t a n d a r de r r o ri so n l y 2 - 3 i nw h o l e w o r k i n gr a n g ef o rt h r e ed i f f e r e n te n g i n em o d e l s i th a st h es i m i l a r l y p r e c i s i o nl e v e lt ot h es a m ee n g i n ea d o p t i n gd i f f e r e n tm a n i f o l da n df u e li n j e c t i o n s y s t e m s oi ti sa d o p t e dw i d e l y 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 r c o m p i l e dm a t l a bp r o g r a m sa b o u tr b fn e u r a ln e t w o r ka n da d v e r s em o d e la n d e m u l a t e dt h e mo f f - l i n e i nt h em e a n w h i l e ，ak i n do fa d a p t i v e c o m p e n s a t i o n a l g o r i t h mw a sa d d e di nt h ep r o g r a m si no r d e rt oc o n s t i t u t ea d a p t i v er b f n e u r a l n e t w o r ka n da d a p t i v ea d v e r s ec o n t r o ls y s t e m b o t hs i m p l ef u e lf i l mo fe o g i n ea n d c o m p l i c a t e do n eh a v eb e e ne m u l a t e da n dt h e s et w ok i n d so fc o n t r o ls t r a t e g ya l lg e t v e r yg o o dr e s u l t s u b s e q u e n t l y , a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na r ea c c o m p l i s h e db e t w e e n t h i sr e s u l ta n dt h er e s u l tw h i c hi sg o t t e nb yc m a cn e u r a ln e t w o r k u l t i m a t e l y , t h ea u t h o rr i s e ss _ f u n c t i o nt oe x p r e s sc o n t r o l l e r so ft h e s et w o c o n t r o ls t r a t e g yu n d e rs i m u l i n ks o f t w a r ep l a t f o r m ，s ot h es i m u l i n ke m u l a t i o no n l i n em o d e lb a s e do ns _ f u n c t i o ni sa c c o m p l i s h e d t w oc o n t r o l l e r s r o b u s t n e s sa n da d a p t a b i l i t ya r et e s t e db yc h a n g i n gl o a d 、p a r a m e t e ro ff u e lf i l m 、 r e p l a c i n gf u n c t i o no ff u e lf i l ma n da d d i n gr a n d o mn o i s ei ni g n i t i o na n g l ei nt h e s i m u l i n ke m u l a t i o nm o d e l i ti ss h o w e dt h a tb o t he r r o ri si n s i d e 2 b e t w e e n i d e a la f ra n da f rw h i c hi sg o t t e nu s i n gt h e s et w oc o n t r o l l e r s ，a n db o t ht w o c o n t r o l l e r sh a v eg o o dr o b u s t n e s s i nt h ee n d ，a l lk i n d so fr e s u l t sa r ea n a l y z e d s y n t h e t i c a l l y , c o m p a r e dw i t ht h er e s u l tw h i c hi sg o t t e nb yc m a c n e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e r t h e r ea r e6 7r e f e r e n c e s 8 0f i g u r e sa n d9t a b l e si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；r b fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ；a d v e r s ec o n t r o l ； a f ra i r f u e lr a t i o ) ；s i m u l i n ke m u l a t i o n 过量空气系数 外加电压 喷油器线圈的电感 自然底数幂 发动机转速( s “) 论文符号说明 进气体积流量( 卅3 8 ) 与大气压力有关的修正系数。 进气管绝对温度( k ) 汽缸内空气密度 空燃比设定值 比例控制器增益 p i 控制器输出。 为氧传感器测量值 采样周期 转速 温度校正系数 蓄电池电压校正系数 自适应补偿喷油量 节气门开度 进气导管压力 常数 导管容积( 单位为m 3 ) 导管压力的变化率 发动机产生的转矩 负载转矩( 单位为n m ) 沉积系数 蒸发的燃油 喷射燃油， 输入的空燃比值 f 线圈中的瞬变电流 r 线路中折合电阻 t时问 6 0进气质量流量( m g s ) k 与喷油器流量特性、喷射方式及 发动机汽缸数有关的常数。 k r 与进气温度有关的修正系数 p进气管绝对压力( k p a1 r气体常数。 仉 为发动机容积效率 “一a t ) 氧传感器的测量值 k ；积分控制器增益 k 忙)补偿增益 k 目标值 a 节气门角度 m m 附着在管壁上的油膜质量 ，0 发动机水温度校正系数 只。 ) 基本喷油量 口( 6 ) 点火提前角 m “流入进气道管的质量流速 只标准大气压 丁温度( 单位为。k ) r i 。 导管进气口空气的质量流速 m 。气缸内气体的质量( 单位为g ) ， 发动机的转动惯量 发动机的加速度 声厅 时间常数 m l o 有效蒸发燃油 l 。 输出的氧传感器信号 m 。喷油量 i x y l 。 q即t p k巧呲凹n向l驰她己r_毫盖研咖 m 月 每循环进入气缸所长的比例 厶 从油膜蒸发进入气缸的油占油膜的 比 m 。 进入气缸的空气量 m 。 稳态进入气缸的空气量 m d空气修正量( 4 f ) 。 空燃比的测量值 a f空燃比的计算值 f ) ，理论空燃比( 1 4 7 ) l 观测器矩阵 a o ，a l ，a 2 转速n 的隶属度函数 b 0b l ，b 2 , b 3 转速波动量，l 的隶属度函数c o ，c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 4 输出变量旁通阀开度校正值 增量a 0 的语言等级参数。 c 泛化常数 日 神经网络量化等级 w神经网络权值 神经网络权值向量 a 学习因子 a v 。 神经网络权值修正量 五 第f 个输入 ，输入薯的维数 “女j 基函数的中心 o k ，f 基函数的方差 k 输入的量化级数 b k 瓴) 局部超立方体内的基函数 d 局部超立方体边长 k ， 高斯函数的中一t l , p压力 x 西华大学硕士毕业论文 l 绪论 1 1 问题的提出 随着社会经济的飞速发展，人们对汽车的需求和依赖越来越强，汽车的产 量和保有量都有大幅度的增长。汽车的普及和由此带来的排气污染问题愈来愈 受到各国政府与社会公众的重视与关注。内燃机用的碳氢化合物燃料如在燃烧 室内完全燃烧，则只产生c o ，和h ，0 而没有其他有害产物。不过，高速内燃 机燃烧过程占有的时问极短，可燃混合气不是完全均匀，燃料的氧化反应不可 能完全，故排气中会出现不完全燃烧产物，如c o 和h c 。它们对大气环境和 人类健康产生极大危害( 主要是c o 、h c 和微粒) ，现简述如下： 1 ) 一氧化碳c o 。c o 是一种无色无味的气体，他和血液中输送氧气的载 体血红蛋白的亲和力是氧的2 4 0 倍。c o 与血红蛋白结合生成炭基血红蛋白， 可以剥夺血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中c o 的体积分数超过o 1 时，就会导致人体中毒；超过0 3 时，则可在3 0 分钟内使人致命。 2 ) 碳氢化合物h c 。h c 包括未燃和未完全燃烧的燃油和部分氧化产物， 如烯烃等百种成分。烯烃是与氮氧化物一起在太阳的紫外线作用下形成有毒的 “光化烟雾”的罪魁祸首之一。 3 ) 氮氧化合物。内燃机排放的氮氧化合物绝大部分是一氧化氮n o ，少 量的二氧化氮n o ，一般用n o x 表示。n o 是无色气体，本身毒性不大，但 在大气中缓慢氧化成n o ，。n o ，呈褐色，具有强烈的刺激味，对肺和心肌有 很强的毒害作用。n o x 使地面附近形成光化烟雾的主要义素之一。 4 ) 微粒。排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到5 2 摄氏度后用聚四氟 乙烯的玻璃纤维纸收集的除水以外的物质。它具有致癌作用。 因此，汽车( 尤其是轿车) 的迅速增加，汽车排放的废气作为大气中的一个 流动污染源，己使城市空气污染日趋严重。汽车工业若不能解决有它自身带来 的排气污染问题，汽车在城市中的使用必将受到限制。 为了满足有关环境保护、消除公害等方面的严格要求，国际组织与各国政 府立法部门都为此制定了若干汽车法规和标准，强制性地加以颁布实旌。 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。在其他国 家，对汽车排放越来越严格，欧洲从1 9 9 6 年开始执行了欧洲i i 号标准，2 0 0 0 西华大学硕士毕业论文 年开始执行欧洲i i i 号标准，2 0 0 5 年采用欧洲号标准，以进一步控制汽车 排放。表卜1 是欧洲的排放标准。 表卜l 欧洲汽车排放标准 t a b1 - 1e u r o p e a na u t oe m i s s i o ns t a n d a r d 标准 欧i欧i i欧欧 实施时间1 9 9 5 年底前 1 9 9 5 2 0 0 0 芷 2 0 0 0 - 2 0 0 5 年2 0 0 5 年底起 h c1 1 1 - 1 o 6 6 0 4 6 c o4 5 4 2 1 1 _ 5 n o x8 7 5 3 5 p mo 3 6 0 1 5 o 1 0 0 2 国家环保总局于颁布了五项机动车排放新标准：轻型汽车污染物排放和 l v 号排放标准、两项重型汽车污染物排放限值、摩托车和轻便摩托车加速行 驶噪声限值及测量方法。全国于2 0 0 5 年7 月1 日起实施轻型汽车欧i i 排放标 准，自2 0 0 7 年7 月1 日起实施欧i 标准，2 0 1 0 年7 月1 日起实施欧标准。 北京则在2 0 0 8 年前达到实施欧标准的水平。上海也于2 0 0 3 年1 月1 日起正 式实施欧洲i i 号标准【l j 。从排放标准进程表1 2 可见，我国排放标准远远落后 于美国和日本，与欧洲也有1 0 年左右的差距f 关于排放标准的具体内容见本文 第3 章) 。进一步控制汽车排放将是我国迫在眉睫的一项重要任务。北京、上 海与世界环保相接轨的强制性举措，不仅将改变本地区环境，而且改变人们衡 量好车的标准，环保型汽车将成为车市的一块金字招牌，从而促使我国汽车业 的技术竞争。面对欧i i 标准的考验，我国汽车业竞争格局的变化也将不可避免 【2 1 o 表1 - 2 国内外汽车排放控制进程比较 中国欧洲美国日本 排放物 2 0 0 0 2 0 0 4 正1 9 9 2 1 9 9 5 正1 9 8 7 1 9 9 5 正1 9 7 8 2 0 0 0 正 c o3 1 63 1 62 1 l2 1 h c + n o 。 1 1 31 1 3o 8 70 5 颗粒物 0 1 8o 1 80 2 0o 2 0 每次试验蒸汽排放佗 2 02 02 02 o 耐久性k i n8 00 0 08 00 0 08 00 0 08 00 0 0 西华大学硕士毕业论文 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 】： 1 j t 面c s h l s + ( 0 2 + 3 - 7 7 n 2 ) 寸a l c 0 2 + a 2 c o + 旺3 n o + c 【4 0 2 + a 5 n 2 + a 6 h2 0 + a 7 c h 4 ( 1 1 ) 式中，a 卜空燃比( a i r - f u e l r a t i o ，后文中均用a f r 来表示) ：c 。h 。燃油； d ：+ 3 7 7 ：一空气中氧和氮的混合；c h 。一气缸内的没有燃烧的残留碳氢化 合物：口。( f - - 1 ，2 ，7 卜由空燃比a f r 决定的反应系数。 详述如下： ( 1 ) 当a f r 在a f s ( a i r f u e ls t o i c h i o m e t r i c ，即理论空燃比值) = 1 4 7 附近时， 燃烧过程将会产生式( 1 ) 所示的所有燃烧产物。 ( 2 ) 当a f r a f s 时，模型可以简化， a ： 、 d ， 、 a ， 三个系数可被 忽略。 ( 3 ) 当a f r a f s 时，【a 。】= 【口，】= 【乜。 - - o 。 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 的经济性和环保性。 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。 f 远1 - 1e f f e c t so fc a t a l y z ec o n v e l - t e r o i ld i f f e r e n ta i rf u e lr a t i o 图卜1 在不同空燃比下催化转换的作用 另外一种减少污染的方法是对废气的处理，通过三元催化转化器加快氧化 反应化学过程，使h c s 和c o 转化为h ，0 和c o ，并减少n o x 向n ，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 以获得最大的效率。从图1 - 1 可以看出，a f r 值变化1 ，催化转化器的效率 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 保持在a f s 附近，稳态误差 o 0 1 i 捌，瞬态误差 o 0 3 5 1 6 3 。由此可见，精确控制a f r 西华大学硕士毕业论文 是解决排放问题的关键。 1 3 汽车发动机燃油控制技术的发展 火花点火( s o 发动机的燃油控制技术经历了如下三个重要阶段： 第一阶段机械式。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被淘汰。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宜之计。 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 i 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) 。我国也积极采取措旆，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：( 1 ) 电控燃油喷射( e f i ，e l e c t r o n i cf u e l i 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； ( 2 ) 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；( 3 ) 怠速o s c ，i d e l s p e e d ) 控制；( 4 ) 废气再循环( e g r ，e x h a u s t g a s r e c i r c u l a t i o n ) 和机内净化等控 制技术。上述各种控制模块通过c a n 总线( 车内局域网) 与其它模块( 如电控 自动变速、防抱死、主动悬架、安全气囊、防盗、故障诊断等) 进行通信，并 由上一级的电控单元( e c u ) 日0 发动机管理系统饵m s ) 统一协调指挥。 第三阶段的控制策略可分为经典控制、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， 西华大学硕士毕业论文 它能够使a f r 保持在a f s 附近，但在汽车瞬态运行( 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瞬态补偿仃f c ，t r a n s i e mf u e lf i l m c o m p e n s a t i o n ) ，因而不能保证精确的瞬态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 化和个体特性的自学习能力。智能控制主要是在上述反馈基础上，采用基于模 糊规则或基于神经网络的观测器或控制器，并常常融入自适应、预报、变结构、 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研究现状 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e c u 则由外商配套提供。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 r 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l o 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，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 能力的提高进展缓慢，高技术产品的研发已形成严重的技术依赖【5 j 。 反思“以市场换技术”策略的初衷落空现实，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 西华大学硕士毕业论文 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 6 1 。 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施，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 国外电喷系统对国产发动机进行电喷改造。3 ) 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 卜o 卜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 卜0 卜0 4 ) ；电控 单元的剖析( 8 5 2 卜o 卜0 5 ) ；汽车电控系统传感器( 8 5 2 卜0 卜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，很少对今后还会在很长时期内 存在的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【禾4 “羽，有一篇用b pn n 去逼 近喷油点火脉m a p 叭，但未涉及到a f r 的控制问题。只有【1 0 】和【1 1 】两篇文 献提出了基于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，但未进行基于发动机平均值模型的s i m u l i n k 仿真。除此之外，无一篇 应用其它先进控制技术的报道。 近三年，国内先后有清华、北航、北京理工、北方交大、哈工大、吉林工 大、天大、山大、上海交大、同济、上海大学、南航、东南大学、中国科大、 西华大学硕士毕业论文 国防科大、华南理工、华中科大、西安交大、西北工大、重大、成都电子科大、 香港理工、香港城市大学等2 8 所大学和6 0 1 所、三院3 3 所、兵器2 0 3 所等 2 0 个研究所购置了国际上的一种通用控制系统开发平台d s p a c e ，它借助于 s i m u l i n k s t a t e f l o w 模型，用r t w 自动生成控制代码，并将其自动下载到其 硬件系统m i c r o a u t o b o x ( - - 种通用控制器) 中，以完成快速控制原型( r c p ，r a p i d c o n t r o lp r o t o t y p i n g ) ；再用t a r g e t l i n k 将r t w 代码自动转换成e c u 产品级代 码，以完成硬件在环仿真( h i l s ，h a r d w a e r - i n t h e l o o p s i m u l a t i o n ) 。这表明我 国科技研发手段已迅速跟进。 北京锐意泰克有限公司、意昂神州科技有限公司等汽车电子研究厂家所用 的发动机e c u 快速开发平台是n o h o o k s 技术。它是一项最新的美国专利技 术，与d s p a c e 不同，它的目标e c u 直接就是产品e c u ，不通过中间的通用 控制器，所以该产品是一款纯软件工具，广泛用于e c u 控制策略的软件开发 与标定。该开发系统已被通用汽车公司动力总成部门、伟世通动力总成部门、 德国i a v 等公司用于e c u 控制软件的开发过程中，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，企图借助于m a t l a b s i m u l i n k n o h o o k s 开发平台，研究精确控制汽车发动机a f r 的先进控制策略及其控制器实现， 为我国自主研发汽车发动机电喷系统e c u 中的智能控制模块奠定基础。 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，同时加强校一企合作，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 ) 的后续子课题之一，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 项目研究思路 s i 发动机工作过程如图1 2 ，是一 个复杂非线性、慢时变系统，系统中各 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，同时也随 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，都难以使对象具备良好的 动态品质、自适应能力和鲁棒性。 冷却水温 负荷 转速 喷油压力 喷油量 点火提前角 氧浓度 环境气压 环境温度 蓄电池电压 汽 车 发 动 机 油耗率 f i g1 - 2s ie n g i n ew o r k i n gp r o c e d u r e 图1 - 2s i 发动机工作过程系统 近年来发展起来的非参数模型人工神经网络( 简称神经网络n m 为精 确控制发动机瞬态a f r 提供了富有前景的解决方案。已经证明，n n 具有 很强非线性映射能力，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，在非线性系统、不确定系统的控制中具有明显的优势，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、进气压力和温度、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。为此本课题采用如下办法来解决： 】) 由于认识有限，项目初期曾经采用过的办法：设计制作了一套e c u 检 测装置，通过对国外产品e c u ( 华晨j m 4 9 1 q e 单点电喷发动机配套的意大利 m m 公司e c u ) i 0 信号进行检测，来剖析控制逻辑，分析控制方法，获取有关 西华大学硕士毕业论文 控制参数。这种办法无论在开发时间上或是在质量上都难以成功。 2 ) 项目前期拟用的办法是：自主开发神经网络控制策略，用台架实验数 据离线训练神经网络，利用神经网络的自学习能力和泛化能力，完成用于运行 的m a p 表的非线性映射( 包括内插与邻域外推) ；通过m a t l a b 离线仿真获取 有关控制参数。 3 ) 项目现在拟用办法是：通过s i m u l i n k 在线仿真，自适应生成动态 m a p 表并获取有关控制参数。 1 5 3 开发项目的技术路线 项目主要开发步骤如下： 1 在四川省汽车产品试验检测站完成被控对象的台架实验，以认识对象、 获取对象性能及控制所需的有关数据。 2 确定控制策略和控制方法，用m a t l a b 工具箱设计控制方案，进行离 线仿真，初步考察对象模型、控制算法及控制参数的合理性。 3 选择高精度的发动机平均值模型，并用s i m u l i n k 模块表示。 4 开发控制器的sf u n c t i o n ，实现系统的s i m u l i n k 在线控制仿真，完 善对象模型、控制算法及控制参数。 5 借助于m a t l a b s i m u l i n k r t w ( r e a l t i m ew o r k s h o p ) ，自动生成控 制c 代码。 6 完成r c p 和h i l s ，即用n o h o o k s 在产品e c u 的空闲资源上自动生成 r b f 神经网络或逆模型控制瞬态a f r 的旁路模型f 其它控制不变，包括稳态 a f r 控制) ，控制器作实时运行。这个过程不需要访问和修改产品e c u 的源代 码，只需其标定文件( 描述性文件+ a 2 l 和可执行文件+ h e x ) b pn t 。 国外通用汽车公司开发实践表明，上述办法非常成功，能节约试验经费， 缩短开发时间，保证开发质量，在国内，奇瑞子公司北京锐意泰克有限公司， 以及意昂神州科技有限公司都是采用此技术路线。 1 6 本论文的主要工作 本论文在继承省重点学科资助项目“汽车电喷发动机神经网络控制”( 项 目编号：z 0 0 2 2 1 ) 前期工作的基础上，完成了工作1 - 4 ，主要工作有： 话华大学硕士毕业论文 f 1 1 进行了大量外文资料检索，根据检索和查新结果，对国外发动机电喷 系统中的空燃比控制现状与发展进行了进一步分析，为研究方案的拟定和研究 内容的展开奠定了基础。 ( 2 ) 参与北京九州恒润公司( 美国m a