基于dSPACE的自学习算法在汽油∕CNG两用燃料发动机空燃比控制中的应用研究.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 1 6 年6 月 小型内燃机与车辆技术 S M A L LI N T E R N A LC O M B U S T l0 NE N G I N EA N DV E H I C L ET E C H N I Q U E V 0 1 4 5N o 3 J u n 2 0 1 6 基于d S P A C E 的自学习算法在汽油 C N G 两用燃料发动 机空燃比控制中的应用研究 刘一鸣 薛 1 一合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽 涛1 合肥 曹姜2 2 3 0 0 0 92 一安徽江淮汽车股份有限公司 摘要 发动机的空燃比对整机的动力性 经济性和排放性有很大影响 而空燃比本身具有非线性 多扰动的特点 空燃比的控制也存在延迟性 为精确快速稳定地控制汽油 C N G 两用燃料发动机空燃 比 利用M A T L A B S im u lin k 软件建立基于开关氧闭环控制的燃气E cu 自学习模型 算法平台为 d S P A C E 公司的M icm A u t o B o x 在改装的江淮4 G A l发动机上进行了验证试验 试验结果表明 该控 制模型可较好地满足发动机空燃比控制需求 关键词 两用燃料发动机自学习闭环控制 d S P A C E 中图分类号 T K 4 6文献标识码 A文章编号 2 0 9 5 8 2 3 4 2 0 1 6 0 3 0 0 4 6 0 6 A p p lica t io nR e s e a r cho nS e lf L e a mA lg o r it h mO f t h eG a s C N GB i F u e l E n g in eA ir F u e l R a t io C o n t r o lB a s e do nd S P A C L iuY iI I lin 9 1 x u eT a 0 1 ca oJ ia n 矿 1 一S ch 0 0 1o fM a ch in e r ya n dA u t o m o t iv eE n g in e e r in g H e f e i U n iv e r s it yo fT e ch n o lo g y H e f e i A n h u i 2 3 0 0 0 9 C h in a 2 一A n h u iJ ia n g h u a iA u t o m o b ileC o L t d A b s t r a ct T h ea ir f u e l r a t ioo fe n g in eh a sa 铲e a tim p a cto np o w e r e co n o m ya n de m is s io n s w h ilet h e e n g in eisn o n lin e a ra n dm u lt i d is t u r b a n ce t h e co n t r o lo fa irf u e lr a t ioa ls oh a sad e la y T oco n t r o la ir f u e l r a t ioo ft h eG a s C N GB i F u e le n g in ef a s t lva n dp r e cis e lv w eu s eM A T L A B S im u lin ks o f t w a r et oe s t a b lis h as e lf le a m a lg o r it h mo fg a sE C Ub a s e do nclo s e d lo o p co n t r 0 1 T h ep la t f o n no fa lg o r it h mist h e M icr o A u t o B o xd e s ig n e db yt h eco m p a n yo fd S P A C E I th a sa lr e a d yd o n et h et e s t e x p e r im e n t so nam o d i6 e d 4 G A1e n g in e T h er e s u lto fe x p e r im e n t ss h o w st h a t t h em o d e lca nm e e tt h er e q u ir e m e n t so fco n t m U in gt h e a i卜f u e lr a t ioo fe n g in ew e ll K e y w o r d s B i F u e le n g in e A ir f u e lr a t io C lo s e d lo o pco n t r o l d S P A C E 引言 随着能源危机和排放污染问题的日益严重 开 发以清洁能源天然气为动力源的发动机逐渐成为研 究的热点 其中汽油 C N G 两用燃料发动机改装难 度和成本都较低 因此应用最为广泛 本文通过将d S P A C E 系统与M A T L A B s im u lin k 软件相结合 开发了针对汽油 C N G 两用燃料发动机 燃气时的 闭环修正 自学习 相结合的空燃比控制 系统 并以d s P A C E 公司的M icr o A u t o B o x 作为算法 平台 在改装后的4 G A l发动机上进行了验证试验 d S P A cE 实时仿真系统是由德国d s P A C E 公司 开发的一套基于M A T L A B S im u lin k 的控制系统开发 及测试工作平台 能够与M A T L A B s im u lin k 实现完 全无缝连接 该系统拥有一套具有高速计算能力的 硬件单元 包括处理器 I 0 等 再通过快速控制原型 R C P 功能就可以快速 方便地进行控制算法的开发 和测试 最后通过代码自动生成工具可将算法转化 作者简介 刘一鸣 1 9 5 7 一 男 副教授 主要研究方向为内燃机设计及电控技术 第3 期刘一鸣等 基于d s P A cE 的自学习算法在汽油 C N G 两用燃料发动机空燃比控制中的应用研究4 7 成产品代码 从而大大降低产品的开发周期和成本 1 试验装置 试验装置结构简图如图1 所示 启动时 原车 E C u 控制发动机的喷油点火 当水温和转速满足切 换条件时 d S P A C E 通过控制切换继电器切断原车喷 油信号 并根据原车的喷油信号和转速控制喷气时刻 和喷气脉宽 发动机进入燃气状态 本试验采用经过 改装的江淮4 G A l发动机 原发动机主要技术参数如 表1 所示 通过监控系统和测功机对发动机转速 扭 矩等参数进行监控 在自行设计的C o n t m ld e s k 后台中 可进行油气切换 停缸检查 手动加减喷气脉宽等 发动机在燃气状态下 通过在C o n t r o lD e s k 后台中手 动加减喷气脉宽验证空燃比控制算法的控制效果 C o n t m lD e s k 矬 执行 信号 传感器 信号 测功机 江淮4 G A l 两用燃料 发动机 图1 两用燃料发动机试验装置示意图 表14 G A l型发动机主要技术参数 发动机型号 H F C 4 G A l一C 排量 m L 23 5 l 额定功率 k W 1 1 0 额定功率转速 r 1 1 1 in 1 55 0 0 最大扭矩 N m 2 1 0 最大扭矩转速 r m in 28 0 0 45 0 0 2 空燃比控制 由于空燃比对发动机的性能影响非常大 而且 为满足排放的要求 需要将空燃比控制在理论空燃 比附近 这样三元催化剂对尾气中排放物的处理效 率才能达到最高 2 本文采用开环前馈加闭环反馈控 制相结合的方法来控制发动机的空燃比 借助闭环 的反馈调节 还设计了自学习模块来改善开环控制 此外 氧仿真模块的开发可使发动机在高速 大负荷 时实现稀燃 与自学习模块相结合时可进行喷气 M A P 的辅助标定 由于两用燃料发动机的进气量只能由原车控 制 因此在燃气状态下 燃气E C u 只能通过调节喷气 脉宽来控制空燃比 而天然气是气态 相对于液态汽 油 相同摩尔体积所含的热量较小 因此为保证发动 机的动力性 与一定量的空气混合时 需要更长的喷射 时间 喷气脉宽P W G a s 组成如图2 所示 由基本喷 油脉宽和喷气补偿脉宽P w A d 组成 喷气补偿脉宽 包括查M A P 表得到的基本喷气脉宽B a s e F 闭环修 正量 自学习修正以及温度 压力修正等 控制模型 如图3 所示 控制模块中计算的是喷气补偿脉宽 图2 喷气脉宽P L G a s 组成 氧信号 气脉宽 d S P A C E R T I 兰翌卜 J 幽卧鬣淤喷气 剖3 喷7 i脉苋控制模型 2 1 空燃比开环控制 当发动机的转速和负荷突变时 通过空燃比开 环控制 燃气E C u 可以快速响应 开环控制时空燃 比只依赖于M A P 表 但只通过标定就让喷气M A P 表保证混合气在所有工况处于理论空燃比附近十分 困难 因此还需结合空燃比闭环控制 2 2 空燃比咖闭环控制 P I D 控制由于结构简单 易于实现 对模型的依 赖程度小 且有较强的鲁棒性 被广泛应用于控制过 程中 3 P I D 控制是一种线性控制 其根据目标值与 实际值的偏差 e 玎o r t r in t 一v o u t t 算出修正 量 增量式P I D 控制规律数学表达式为 后 p e r r o r 后 一e r r o r 七一1 矗ie r r o r 后 后d e r r o r 后 一 2 e r r o r 南一1 e 玎o r 一2 1 1 禚 小型内燃机与车辆技术第4 5 卷 e o r j e r r o r 后一1 e r r o r 后一2 分另0 是庇 J 一1 lj 一2 时刻实际值与目标值的差值 矗 为比例系数 i 为积分系数 后 为微分系数 最终 七时刻控制器输出 的结果为 七 i 一1 u 五 本文针对原车开关氧传感器信号设计了增量式 闭环P I D 控制 闭环控制程序模块如图4 所示 喷气开环控制模块 耀 O 一 P l 驯 发动机 实际氧传感器电压 图4 空燃比J 碉环控制模型 为保证发动机的稳定性和动力性 空燃比闭环 修正的启动条件包括 发动机在燃气状态下正常运 行 氧传感器工作正常 发动机转速小于35 0 0r m in 上述条件都满足时 开始闭环修正 P I D 控制器根据 当前的开关氧传感器实际电压E G O V 与理论空燃 比时的电压差值e 计算出喷气修正量 从下个工作 循环开始 闭环修正量开始作用于喷气脉宽 2 3 自学习控制 2 3 1 自学习的意义 考虑到各地区天然气的组分差异较大 各个发 动机的制造误差 老化磨损以及在不同海拔和气候 地区使用等问题对发动机空燃比的影响 4 试验标定 的M A P 并不能满足每台发动机运行时实际空燃比 和理论空燃比都保持一致 而且为保证发动机运行 稳定 必须对P I D 闭环修正限幅 当闭环修正达到限 幅但混合气还是偏浓或偏稀时 只能通过自学习来 调节喷气量使实际空燃比接近理论空燃比 自学习模块另一个主要作用是辅助标定燃气 E C U 的喷气M A P 由于在标定燃气E C U 的喷气 M A P 过程中 原车E C U 会根据当前发动机工况变化 对喷油脉宽进行调节和闭环修正 使得喷油脉宽不 稳定 而且两用燃料E C U 一般针对的是天然气改装 车 车型较多 针对每种特定型号发动机都标定好喷 气M A P 是不现实的 所以在实际应用中可以先粗略 地标定好一个喷气M A P 保证发动机可以正常工作 在发动机实际运行过程中 燃气E C u 再根据自学习 模块来优化喷气M A P 2 3 2 自学习修正 自学习实质是通过闭环控制的结果来改善开环 控制 从而减少闭环修正的时间 自学习修正的公式为 P W A d B a s e F S U l2 8 嘲 B a s e F 是根据转速和喷油脉宽查喷气M A P 表得 到的基本喷气脉宽 S L 是根据当前工况查自学习表 得到的对应自学习值 自学习表如图5 所示 横坐标 是转速 纵坐标是喷油脉宽 表中的初始值都为1 2 8 即不修正 发动机运行一段时间后 如果S L 1 2 8 说明该自学习值所对应工况的喷气修正量偏小 需 要增加喷气脉宽 如果S L 1 2 8 说明该自学习值所 对应工况的喷气修正量偏大 需要减小喷气脉宽 程 序中将自学习值S L 限幅在 3 0 的变化范围内 即 9 0 S L 1 6 6 鲁 蟊 鸶 曩 螫 发动机转速 r I I lin 4 6 0 0 8 0 010 0 0l5 0 020 0 025 0 03o o O35 0 040 0 045 0 0 21 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 8 2 51 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 81 2 8 31 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 81 2 8 3 5 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 8 41 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 8 1 2 8 4 51 2 8 1 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 8 51 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 81 2 8 71 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 81 2 8 91 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 8 1 1 1 2 81 2 81 2 8 1 2 8 1 2 8 1 2 8 1 2 81 2 8 1 2 81 2 8 1 31 2 8 1 2 8 1 2 81 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 51 2 8 1 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 8 1 71 2 8 1 2 81 2 81 2 8 1 2 81 2 81 2 81 2 81 2 8 1 2 8 图5自学习表 由于自学习实质反映的是发动机固有属性 老 化 磨损 一致性等 的变化 其不随发动机工况的改 变而变化 所以只要满足以上条件 自学习修正在发 动机所有工况中都参与喷气计算嘲 2 3 3自学习控制算法 自学习程序模块如图6 所示 F S e n L e 唧程 序中包含两个部分 一个是根据当前工况的转速和 喷油脉宽查自学习表得到对应的自学习值S L 然后 除以1 2 8 得到自学习修正系数L 另一个是判断当 前工况是否满足进入自学习的条件 如果满足 则进 行自学习 并且在自学习之后更新自学习表中的值 启动工况时 为使发动机快速暖机 混合气须较 浓 急加速工况时 为保证发动机的加速性能 采取 加浓混合气的方式 高速大负荷时 为保证发动机的 动力性 混合气也偏浓 急减速工况时 考虑到经济 性 发动机一般采用低于理论空燃比的稀混合气 所 以以上工况都不会进入自学习 司 此外 为保证自学 习的可靠性 还需满足以下具体条件 第3 期刘一鸣等 基于d S P A C E 的自学习算法在汽油 cN G 两用燃料发动机空燃比控制中的应用研究4 9 I 卜 1 l 一 l r 1 6 一 l一 一 7 I 7 l 1 r l 卜 L 1 自学习冀髓判断 二卜 图6自学习模块模型 1 发动机工作正常 并且相关传感器如水温 进 气压力传感器等未发生故障 2 发动机冷却水温度大于自学习启动设定温度 3 打开自学习使能le 锄一e n a b le 该项在C o n t r o ld e s k 后台中控制 4 发动机工况稳定 即发动机的转速 喷嘴压 力 喷油脉宽都在限定的范围内波动 5 发动机空燃比处于闭环控制状态 并且P I D 控制达到修正限幅 但混合气还是持续偏浓或偏稀 上述条件都满足 则进入自学习程序 程序框图 如图7 所示 工况延迟计数器 是为了保证自学习 期间发动机工况稳定 后台设置为2s 即当发动机 稳定2s 后再进人下一程序判断 自学习延迟计数器 纪是为了保证自学习的可靠性 后台设置为1 s 即在 工况稳定的前提条件下 发动机已经达到闭环修正 限幅时间超过1s 当计数器 和纪同时满足条件时 如果混合气 偏浓 则该工况对应的自学习值减一个自学习步长 如果混合气偏稀 则该工况对应的自学习值加一个 自学习步长 程序中将自学习前3s 内出现最多的工 罔7 自学习程J 子框图 况点作为当前自学习点 自学习结束后 对当前工况的自学习值进行限 幅后再更新自学习表中对应的自学习值 2 3 4 氧仿真功能 燃气状态下混合气偏稀或偏浓时 原车E C U 也 会根据氧传感器信号对喷油脉宽作出相应的调整 严重偏离理论空燃比时 甚至会改变喷油M A P 从而 影响到发动机燃油时的性能 因此 在燃气E C U 模型中添加了氧仿真功能模 块 燃气状态下开启氧仿真功能时 通过信号处理电 路中的切换继电器截断进入原车E C u 的氧传感器 信号 接人程序中模拟产生的理论空燃比时氧传感 器电压信号 这样原车E C u 对喷油脉宽不进行调 整 只有燃气E C U 根据氧传感器信号对喷气脉宽进 行调整 正常行驶时关闭氧仿真功能 可以利用原车 E C u 和燃气E C u 实现双闭环控制 这样可以更快地 调节空燃比 标定喷气M A P 时需打开氧仿真功能 另外 城市改装车辆在高速大负荷工况下 利用氧仿 真功能可以实现稀燃以提高燃油经济性 5 0小型内燃机与车辆技术第4 5 卷 3 实验验证 将设计好的空燃比控制程序下载到M icm A u t o B o x 中后 co n t r o lD e s k 后台软件通过与M icr 0 A u t o B o x 实时通讯来观测和修改发动机各项参数 为单独 验证燃气E C u 空燃比程序模块的控制效果 并避免原 车E C u 由于混合气偏稀或偏浓对喷油M A P 产生影响 以下试验中通过C o n t r o lD e s k 后台打开氧仿真功能 并关闭所有工况修正 图8 为C o n t r o lD e s k 后台界面 图8C o n t r o lD e s k 后台界面 3 1 混合气偏浓时自学习试验 试验开始前发动机先暖机 当转速和水温达到 切换条件时进入燃气状态 将发动机稳定在转速为 15 0 0r m in 喷油脉宽为4m s 工况点附件 保持油门 位置不变 通过标定使发动机混合气在理论空燃比 附近 即氧传感器电压在0 1V 之内均匀跳变 在 C o n t m lD e s k 后台中启动闭环修正使能和自学习使 能 手动增加喷气脉宽3m s 试验结果分别如图9 图1 0 和图1 1 所示 从图 9 图1 0 中可以看出 前9s 内由于标定使混合气处 于理论空燃比附近 氧传感器电压均匀跳变 手动增 加喷气脉宽后 氧传感器电压在1V 左右波动 喷气 脉宽和自学习值开始减小 5s 后喷气脉宽恢复正 常 氧传感器电压在0 1V 之间均匀跳变 说明混 合气又恢复到理论空燃比附近 期间由于氧仿真的 功能 喷油脉宽几乎未发生变化 时间 s 图9 混合气偏浓时喷气量 喷油量 氧信号的变化 时间 s 图1 0 混合气偏浓时自学习值 喷气修正量的变化 发动机转速 r 1 1 1 in 1 兽 憾 鸶 景 螫 lO o o 15 0 020 0 0 3 6 1 2 61 2 31 2 8 41 2 31 1 31 2 3 4 51 2 61 2 31 2 6 图1 1 混合气偏浓时自学习后的自学习表 3 2 混合气偏稀时自学习试验 将发动机稳定在转速为20 0 0r m in 喷油脉宽 为7m s 工况点附近 保持油门位置不变 通过标定 使发动机混合气在理论空燃比附近 手动减少喷气 脉宽3m s 试验结果分别如图1 2 图1 3 和图1 4 所示 从图 1 2 图1 3 可以看出 前5s 内通过标定使混合气处于 理论空燃比附近 氧传感器电压在0 1V 之间均匀 跳变 手动减少喷气脉宽后 氧传感器电压在0V 左 右波动 喷气脉宽和自学习值开始增大 经过6s 后 时间 s 图1 2 混合气偏稀时喷气量 喷油量 氧信号的变化 之 心 坦 熊 镩 迎 坼 时间