基于数学模型的模糊动态空燃比控制.pdf

基于数学模型的模糊动态空燃比控制 基于数学模型的模糊动态空燃比控制 Fuzzy Control about Transient Air fuel Ratio Based on Mathematical Model 1 华南理工大学 2 广州航海高等专科学校 胡静 1 2 肖兵1 罗飞1 Hu Jing1 2 Xiao Bing1 Luo Fei1 摘要 本文针对实际控制需要 对传统的发动机数学模型中气缸空气流量的估算方法以及油 膜蒸发模型的传递函数的简单取反方法加以改进 并在此基础上提出了基于改进数学模型的 模糊动态空燃比控制算法 该算法具有鲁棒性强 实现简洁的特点 关键词 动态空燃比 发动机模型 模糊推理 中图分类号 TK411 文献标识码 A Abstract Aimed at the actual demand this paper improves the calculated methods about cylinder charge and the inverted transfer function of fuel film evaporation model in traditional engine models The fuzzy control algorithm about transient air fuel ration based on the ameliorative mathematical model mentioned above is putted forward This algorithm has good characteristics of strong robust and realization easily Key Words Transient air fuel ratio Engine model Fuzzy illation 1 概述概述 为治理汽车废气污染 各国政府制订了日益严格的排放法规 我国现在执行欧 排放 标准 数据显示 要达到欧 标准 必须较精确控制动态空燃比 而三元催化反应器在达到 正常工作温度的前提下 其转化效果受空燃比的影响很大 只有当当量空燃比 0 996 1 003 时 才能同时降低 CO HC 和 NOX 然而 汽车实际是运行在频繁的动态状况下 仅 采用稳态控制方法无法保证动态过程空燃比恒定在 1 000 附近 因此进行正确的动态空燃比 补偿对改善汽车尾气排放质量是必须的 2 动态空燃比控制方法 动态空燃比控制方法 动态空燃比控制可分为两类方法 基于经验的瞬态工况补偿法和基于发动机动态数学模 型的动态空燃比控制 基于经验的瞬态工况补偿法是根据加 减 速时 由于油膜的增加 减少 相应进行 加速加浓 减速减稀 补偿 同时考虑由于压力传感器测量的绝对压力滞后于节气门位置变 化 必须克服的滞后作用 1 这种方法只凭定性知识进行凑试 调试过程有一定的盲目性 基于发动机动态数学模型的动态空燃比控制 是通过建立数学模型来描述发动机的动 态充气过程 从而实时计算每气缸的充气质量 这类方法取决于电喷系统所采用的空气质量 估计方法以及所选择的发动机数学模型 3 发动机数学模型 3 发动机数学模型 要实现基于发动机动态数学模型的动态空燃比控制 必须要针对实际系统配置 选择合 适的数学模型 在电喷系统中 发动机模型的建立是把燃油与空气混合的过程分为空气路径与燃油路径 两个相互独立的部分 用动态方程分别描述进入气缸的空气质量和燃油质量 其模型分解图 如图 1 所示 图 1 发动机模型分解图 胡静 博士研究生 基金项目 国家自然科学基金项目 60474042 广东省自然科学基金项目 04020000 3 1 气缸充气模型 3 1 气缸充气模型 气缸在每一进气行程中都会吸入一定质量的空气 a G 称为气缸充气或负荷 精确地估 计 a G是动态空燃比控制的关键 根据文献 2 a Gf PIM Nef PIM 1 根据文献 3 当采用发动机均值模型 Mean Value Model 时 A G 均值充气量 与 进气歧管压力PIM成大致线性关系 即 21 CPIMCGA 2 这样 估计 a G问题就转化为精确估计 PIM 问题 但实际发动机测试 完全根据测量到 的歧管负压进行油门急剧变化时的动态控制 效果总无法令人满意 下面进行理论分析 理想状态下 歧管负压的动态方程如下 1 manman manapmanatmanmanatman man RTRT Pmn PmPPmP VV 3 式中 man P 是动态歧管负压 man T是歧管内空气温度 R 是空气常数 V 是歧管内体积 at m 是经节气门流入歧管的空气流量 ap m 是流进气缸的空气流量 man 是歧管压力等效时间 常数 是节气门开度 根据 3 式 man P 与 间是复杂非线性关系 存在着时间常数 man 另外 上述方 程是理想方程 未考虑节气门急剧变化时的其他因素如进气谐振波 流体阻力等的影响 所 以有待进一步改进气缸空气流量的估算方法 3 2 油膜蒸发模型 3 2 油膜蒸发模型 燃油进入进气管时会有一部分形成油膜附着在进气管壁上 而同时也有部分油膜蒸发进 入气缸 这种油膜的增减仅在稳态时达到平衡 我们采用图 2 所示的油膜蒸发模型 4 计算动 态过程实际进入气缸的燃油 图 2 油膜蒸发模型 图中 fi m 是喷油嘴喷射的燃油流量 fo m 是进入气缸的燃油流量 C 是油膜形成比例 是油膜蒸发时间常数 假定参数不变 油膜的传递函数 G s s sC sG 1 1 1 4 对传递函数简单取反 似乎可抵消油膜作用 但由于油膜形成与蒸发的非线性 参数的 时变性以及影响油膜形成因素的多样性 上述方法在实践中不可取 实际测试发现 简单反 变换抵消存在较大误差 必须寻找适于工程应用的改进方法 4 基于数学模型的模糊动态空燃比控制算法 4 1 动态气缸充气计算 4 基于数学模型的模糊动态空燃比控制算法 4 1 动态气缸充气计算 简单用进气歧管压力表示动态充气量存在一定误差 现根据模型进行改进 从式 3 可知 节气门开度与歧管压力是近似一阶惯性环节 歧管压力正比于气缸充气量 因此定义 一阶差分方程模拟这种关系为 1 1 kmkmkmFkm aaasaa 5 式中 kma表示当前采样时刻的进气充量 1 kma表示下一采样时刻的进气充量 1 kmas表示下一采样时刻的静态歧管压力估计值 a F表示加速减速校正系数 根据式 3 1 kmas主要是节气门开度与转速的函数 可根据节流速度法计算 1 1 1 knkfkmas 6 式中 1 1 knk 分别是下一时刻节气 门开度与转速的估计值 根据动态过程节气门开启或关闭的角速度估计 1 k 根据发动 机旋转加速度估计 1 kn 由于在节气门开启的加速过程与节气门关闭的减速过程中 歧管压力的变化并非完全对 称 所以有必要引入加速减速校正系数 a F 其表达式为 1 1 kmg kmg F asd asa a 7 上式中 1 kmg asa 是加速特性曲线 1 kmg asd 是减速特性曲线 总之 式 5 既表达了数学模型的含义 又兼顾了工程实现 4 2 气缸燃油质量预估 4 2 气缸燃油质量预估 若把油膜蒸发模型取反 可设计一个数字补偿器 ZGC等效于 1 zG 1 1 1 1 1 ZG bZ aZa ZG CC 8 所 以 问 题 转 为 设 计 补 偿 器 ZGC 把 它 变 为 递 推 形 式 可 得 1 1 ccpp ffff mkb mka mkmk 9 c f m表示应补偿的燃油量 p f m表示应进 入气缸的燃油量 预计的实际喷油量为 1 1 1 Jcp fff mkmkmk 10 把补偿量分为两部分 定义参数 m 与 g 其中 a m g b 1 g 代入式 9 1 1 1 cppcc fffff mkgmmkmkgmkmk g 11 这样 m 决定 了补偿油量的多少 g 决定了补偿曲线的形状 即实现了基于数学模型方法与基于经验方法 的形式一致性 剩下的关键问题是较精确地计算参数 m 与 g 显然在发动机工作温度正常 并且采用顺 序喷射的前提下 这两个参数受发动机负荷与转速影响最大 可以采用多种复杂的在线参数 辨识技术 5 辨识油膜蒸发模型中的 C 和 从而确定 m 与 g 但是 ECU 的运算任务已非 常繁重 所以必须另外寻找简单有效的方法 因此采用模糊推理在线估计 m 与 g 1 油膜蒸发规律如表 1 所示 从而确定 m 与 g 的模糊推理规律 If Load is H and Ne is L Then m is LARGE If Load is L and Ne is M Then m is SMALL If Load is L and Ne is H Then m is SMALL If Load is L and Ne is L Then g is MEDIUM If Load is H and Ne is H Then g is MEDIUM If Load is H and Ne is L Then g is LARGE 其中 Load 表示发动机负荷 Ne 表示发动机转速 H 代表 High L 代表 Low M 代 表 Medium 表 1 油膜蒸发规律 影响因素 油膜蒸发量 说明 空气流速增大 增大 高速气流有利于油膜蒸发 进气压力增大 减少 进气压力增大 油膜蒸发饱和温度提高 油膜蒸发困难 转速提高 增大 转速提高 进气道内空气运动加剧 油膜蒸发大 2 确定模糊推理知识库 取输入变量的模糊隶属函数为高斯函数 输出变量的模糊隶属函数为模糊单点 采用 sum product 的推理方法和加权平均的反模糊化方法 得到 m 与 g 的显式表达式 1 1 M jj j N kk k mm XmpX gg XgqX 12 式中 M N 为规则数 X 为输入向量 XqXp kj 是模糊基函数 这样 调整隶属函 数参数就能实现较精确的油膜补偿 而且算法比在线参数辨识 6 实现简单 5 动态空燃比控制算法验证 5 动态空燃比控制算法验证 为了验证上述控制算法 我们对奥托汽车进行了二十八工况运转循环实验 随二十八工 况变化 HC CO NOX的浓度变化曲线如图 3 所示 经国家轿车质量监督中心 天津 按 欧 标准测试 型试验排放限值如表 2 所示 图 3 奥托汽车实测实验结果图 表 2 试验奥托车的 型试验排放值 一氧化碳 CO g km 碳氢化物 HC g km 氮氧化物 NOX g km 实际测量值 1 2 0 1 0 1 国家标准限制 2 2 HC NOX 0 97 6 结 论 6 结 论 实践证明 基于改进数学模型的模糊动态空燃比控制算法 鲁棒性强 实现简洁 避免 了复杂的实时在线参数辨识与参数估计 大大减轻了 ECU 的运算负担 本文作者创新点本文作者创新点 在原有数学模型的基础上采用模糊控制算法对传统的空燃比控制算法进行 改进 通过实车实验证明 该算法完全能够满足目前欧 排放标准的要求 参考文献参考文献 1 Elbert Hendricks and Tomas Vesterholm Nonlinear Transient Fuel Film Compensation NTFC J SAE 930767 2 N F Benniger and G Plapp Requirement and Performance of Engine Management Systems under Transient Conditions J SAE 910083 3 Elbert Hendricks and Spencer Sorenson Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines J SAE 900616 4 Nobuo Imatake and Shunji Kudo Quantitative analysis of fuel behavior in port injection gasoline engines J SAE 971639 5 Teruji Sekozawa Development of a highly accurate air fuel ratio control method based on internal state estimation J SAE 920290 6 段瑞玲 李玉和 李庆祥 精密工作台参数自调整模糊控制环节设计与仿真 J 微计算机 信息 Vol 22 2006 4 6 作者简介 胡静 1976 女 博士研究生 主要从事汽车发动机建模及控制方面的研究 Email hanshanjf 肖兵 1964 男 博士 副研究员 主要从事 汽车