关 键 词：

qc095 发动机 pid 控制 节制 研究 钻研 外文 翻译 开题 报告 讲演 呈文 任务书 ppt

资源描述：

【QC095】发动机怠速PID控制研究【外文翻译+开题报告+任务书+PPT】,qc095,发动机,pid,控制,节制,研究,钻研,外文,翻译,开题,报告,讲演,呈文,任务书,ppt

内容简介：

吉林大学硕士学位论文 论文分类号 单 位 代 码 10183 i 密级 内 部 研 究 生 学 号 2990212吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 on 者姓名：李 雪 松 专 业：动力机械及工程 导师姓名 及 职 称：李云清 副教授 于秀敏 教授 论文起止年月：2001年3月至2002年3月 李 雪 松 吉林大学硕士学位论文 提 要 本文主要进行了结合该实验设计了一套究内容概括如下： 1汽油机怠速工况是提高经济性和排放性能的重要工况，对怠速控制的主要目标是在尽可能低的持怠速工况在较低的转速下运转平稳。本文采用调整怠速旁通空气流量的方法对怠速控制进行了研究。 计了步进电机的硬件驱动电路。以转速信号和冷却水温信号作为输入量，以80功地驱动了步进电机。 3设计了数字式制了相应的控制软件，包括上下位机程序。实验表明，采用速转速波动水平可控制在35r/4对过分析不同转速、不负荷下的燃料调整特性，根据不同工况区域的匹配标定目标，进行了喷油脉宽的标定。使得匹配标定后的发动机动力性、经济性指标均有所提高。 关键词：匹配 标定 汽油机 怠速 林大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪 论.车电子技术的发展与现状.车发动机电控燃油喷射技术发展概况.油机怠速控制发展状况.文的主要内容.二章 怠速控制系统的总体方案及.速控制总体方案设计. 启动初始位置的确定. 启动控制. 暖机控制. 正常怠速.字式. . 数字式制器的设计.字式.三章 怠速控制系统的软件设计.位机软件设计.位机软件设计. 主程序设计. 子程序设计.四章 怠速控制系统的硬件及接口电路设计.0. 80. 本文所用到的主要功能.行机构驱动电路设计. 步进电机驱动电路.林大学硕士学位论文 油器驱动电路.感器信号处理电路设计. 转速信号. 水温信号. 节气门开度信号. 蓄电池电压测量电路.五章 系统抗干扰设计.动机的干扰分析. 内部干扰. 外部干扰.件抗干扰设计. 电源及接地电路设计. 输入输出通道的抗干扰措施.件抗干扰设计. 干扰信号对软件的影响. 软件抗干扰措施.六章 实验结果及数据分析.速控制系统实验. 实验仪器及实验装置. 转速与步进电机步数关系图制取实验. . 发动机匹配的一般原则. .七章 全文总结及展望. 谢.考文献.林大学硕士学位论文 摘 要. I . IV v 吉林大学硕士学位论文 第一章 绪 论 车电子技术的发展与现状 汽车工业100多年来一直占据发达国家支柱产业的地位。一方面，汽车工业的发展迫切需要新科学、新技术的支持；另一方面，新科学、新技术又需要找到用武之地，以扩大其产业发展。所以，从电子工业诞生开始，两者就紧密地联系在一起，成为世界工业的两大支柱。 70年代，电子技术取得了一系列突破性进展。1973年， 位 4004和8位 8008相继问世；1975年，8位单片集成的 8048 问世；1976年，16世；1978年，64世；1979年，16 位 8086问世。电子工业的迅速发展为汽车电子技术的发展提供了可能。而同时，汽车保有量的增加使大气污染问题日益严重。1960年，美国加州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规。1968年，美国颁布了联邦排放法规。这些法规一再修订，限制越来越严格。继美国之后，欧洲和日本也相继制定出排放法规。在70年代，还发生了1973年和1979年的两次石油危机。1978年，美国又颁布了联邦燃油经济性法规。这些法规的颁布对汽车工业造成了巨大的压力。而传统的机械改良方式是无法逾越这些障碍的。在这样的历史背景下，形成了70年代汽车电子技术蓬勃发展的局面。表1在80年代，微机技术有了更长足的发展。继1983年6 位 8096问世后，此同时，内存芯片也从1983年的256985年的1机速度、字长和内存容量的飞速增长，为以微机为“大脑”的发动机集中控制系统提供了基石。在这期间，各种发动机的控制系统功能日趋完善，且从单一的发动机集中控制，发展到包括自动变速器的动力总成控制，再发展到整车集中控制。今天，美国几乎100%的轿车都采用了电子控制1；日本和欧洲紧随其后，电子控制的轿车占其出厂轿车的比率也接近100%。 1 吉林大学硕士学位论文 表10年代发动机电子技术的发展 年份 发 展 情 况 1970 型电子燃油喷射系统 1971 972 C 电子点火系统 众) 汽车公司采用 型电子燃油喷射系统 1973 974 975 莱斯勒) 汽车公司推出模拟式微机电子控制点火系统 1976 977 978 后又推出单点喷射后又推出单点喷射979 后又推出带停缸控制的电喷系统 1980 车发动机电控燃油喷射技术发展概况 汽油喷射技术首先应用在二战后期军用飞机发动机上, 其目的主要不是为了降低燃油消耗率，而是为了排除高空中化油器容易产生的结冰故障，以提高工作可靠性。由于其成本高昂，加上其优点对车用发动机并不显着，因而这一技术并未在汽车行业得到推广，只有在要求输出功率大、瞬态响应性能好的赛车中得到了应用。 轿车最早采用汽油喷射技术是在50年代初期1。当时的汽油喷射系统极2 吉林大学硕士学位论文 类似于柴油喷射系统，采用了机械式的高于汽油的特性不同于柴油，润滑、密封均现了进气管喷射系统，如00 由缸内高压喷射变为进气管喷射制上已能对起动加浓、暖机加浓作出补偿气压力对空燃比进行校正。 最早提出电子控制汽油喷射系统是在手开发的术的研究重点是如何提高发动机的输出经济性考虑较少，对排放污染则尚未考虑不足。而今天，人们已经充分认识到由于给发动机性能、排放和燃油经济性带来了电子技术的局限，电子控制汽油喷射技术场。 1967年，原西德压力，加上电子技术的飞速发展，使此首先是对空燃比控制技术的提高，对空气流量的测量，由速度开始利用翼片式、卡门涡旋式等空气体积流量计，到1981年推出热线式空气质量流量计；同时还发展了利用排气氧传感器的空燃比闭环控制技术。采用闭环控制技术和自学习控制技术，大大改善了由于车化等造成的空燃比控制误差。 其次是计算机的加入以及计算机速度、容量的提高，使控制功压喷射泵，直接向缸内喷射。但由较难解决，使其未能推广。稍后出汽油喷射系统。该系统仍然是机械式，并采用了分组喷射的方式。在控，并可在运行中根据进气温度和大1953年1，由美国50年代对汽油喷射功率和瞬态反应性能，而对燃油的。对于电子控制系统的优点也认识这种精密控制和精确校正的功能，巨大的改进潜力。另外，由于当时举步维艰，露面不久就退出轿车市放法规出台和石油危机这两方面后的电喷技术发展驶上了快车道。1976 1980 1984 1988 1992020406080100美国西欧日本(%)喷射化率年份图1国轿车汽油喷射化发展趋势 3 吉林大学硕士学位论文 能越来越完善。进气道汽油喷射由简单的多点喷射发展到多点顺序喷射，从而进一步改善了排放和瞬态性能。多种传感器的应用，使控制器可以了解整个发动机的运行条件和环境条件，进而可能针对不同工作模式进行智能化控制。随车故障诊断系统可对喷射系统以至控制器本身进行检测，避免了故障运行时的性能恶化，并提高了可靠性，使维修更加方便。由于这些原因，电控汽油喷射得到了迅速的产业化发展。图1汽油喷射是从进气道多点喷射展起来的，并向进气道多点顺序喷射化。机的迅速发展，很快就奠定了同时，进气道单点喷射也出现了。1979年，统，统，它们都是用安装在节气门体上的一个中央单点喷射单元，代替了原来的化油器。由于中央单点喷射系统结构简单、价格便宜，而性能又大大优于化油器，所以问世后马上进入了实用化阶段，并且直到今天仍具有一定的生命力。 最近，随着对稀燃(术的研究，50年代曾经研究过的缸内直喷技术又重新成为研究的热点。 油机怠速控制发展状况 汽车在城市中行驶时，经常会遇到交通拥挤的状况，此时发动机多处于怠速工况。发动机的怠速油耗约占整个工况油耗的30%3。因此，过去人们一直以降低怠速转速为目标来改善发动机的经济性。但是，汽油机的怠速工况由于需要供给较浓的混合气，燃烧不完全，所以怠速工况是产生且，怠速转速越低，废气的稀释作用越明显，这会使高怠速转速对减少速转速从700r/因此，汽油机怠速控制的目标应为在尽可能低的持怠速工况在较低的转速下运转平稳。另外，还应考虑冷车启动、空调及电气负荷、自动变速器、动力转向伺服机构的接入等情况都会引起怠速转速的变化，使发动机运转不稳定甚至熄火。 4 吉林大学硕士学位论文 当前，对怠速控制策略的要求主要包括以下几个方面： 在所有可能的工况条件下提供理想的怠速空气量。 及时补偿发动机的负荷变化。 防止发动机的失速。 采用维持最低怠速与减速空气量控制等方式，以取得良好的燃油经济性。 采用急减速时增加空气量等方式改善排放。 对于零件老化及各车异性等所致的差异能自动地进行补偿，以减少周期性调整的要求。 改善车辆的可驾驶性。 传统的化油器采用单独的怠速系，由怠速空气量孔和怠速孔共同调节以供应怠速时较浓的混合气，保持怠速工况稳定。但是这种机械式的调节方式无法满足上述要求，很难满足使发动机在复杂的外界条件下保持怠速稳定、排放良好的目标。 电控汽油机在怠速工况时除了将怠速转速适当提高以降低可以通过调整怠速空气量与喷油的匹配将怠速转速控制在一个比较稳定的水平上,这样控制的弹性很大,可以适应复杂的外界环境。 表 1速的主要控制型式及控制项目 控制信号 控制型式 主要控制项目 步进电机式 真空控制式 怠速 快怠速 空调高怠速 电气负载高怠速 旋转滑阀式 电磁控制式 怠速 快怠速 电气负载高怠速 发动机转速(n) 节气门位置(车速(冷却水温度(空档启动开关(启动开关(空调开关(A/C) 电气负载(动力转向开关 占空比控制式 开关控制式 怠速 快怠速 电气负载高怠速 电控汽油机怠速控制的实质是控制怠速进气量。控制怠速进气量执行机5 吉林大学硕士学位论文 构的结构形式目前有真空控制式、步进电机式、旋转滑阀式、电磁控制式、占空比控制式和开关控制式等六种。表1在日本早期生产的汽车上，怠速控制常采用真空控制方式。图11系统具有较高的响应性，采用线性规划原理建立了动态数学模型，调节通空气阀）来控制带速旁通空气量。此系统中，怠速转速在节省燃料的前提下，满足附件变化对发动机的要求。如：在怠速工况下空调器接通时发动机转速由650r/关闭空调器时，发动机转速又回到650r/怠速控制方式为旋转滑阀式。它将旋转滑阀固装在电枢轴上，与电枢轴一起转动，用以控制流过旁通道的空气量。永久磁铁固装在外壳上，其间形成磁场。电枢位于永久磁铁的磁场中，电枢铁心上缠有两组绕向相反的电磁线圈。通过控制两个线圈6 吉林大学硕士学位论文 上的电流，使得电枢带动旋转滑阀转动。由于空气流量计的测量值包括了此附加空气量，喷油量也作相应的改变，怠速空气调节装置有效地稳定了怠速转速。它还可以降低怠速转速，从而减少了燃油消耗量。如图1传统的发动机控制系统所采用的控制算法大多是基于静态最优控制过程。也就是通过大量的实验数据，运用优化方法得到最优的供油量、点火正时、把它们制成入微机的存储器中。然后通过查表得到控制值输出。 采用这种静态优化方法的原因主要是由于描述发动机复杂的动态性存在很大的困难，但这种方法也有其明显缺陷。比如当执行机构动作变化较快时，很难保持最优控制；而且，在制造及使用过程中，由于制造误差及零件老化等原因会使静态最优而影响控制效果。 近年随着控制理论的不断发展和完善，人们运用现代控制理论对发动机怠速系统进行控制。由于怠速系统是一个非线性系统，所以应采用非线性控制理论。但是非线性控制理论是非常复杂的，它不适用在发动机这个复杂结构上进行实时控制。为解决这个问题，人们又提出了很多方法。如： 直接把控制对象模型线性化后，再采用线性系统控制方法。 通过应用非线性输入函数和状态变量传递函数，使非线性控制对象表现为线性控制对象。该线性化方法是用反馈线性化。当它设计得比较好时，控制对象在整个控制中表现为线性。这时就可以用线性控制方法设计一个线性调节器对该系统进行控制。 文的主要内容 本文的主要工作是结合要用于微型车。为了进一步提高发动机的动力性、经济性和排放性能，并在此基础上尽量降低成本，进行了单点电控的匹配实验。电控系统及匹配标定软件由电喷科技（司提供。 电喷科技公司提供的电控系统仍处在不断完善过程中。如：该系统还没有加入怠速控制模块。而发动机的怠速工况在经济性和排放性能指标中占有7 吉林大学硕士学位论文 较大的比重。本文在分析了怠速控制发展状况的基础上，设计了一套怠速控制系统。 发动机的怠速工况是一个典型的多输入，多输出，非线性时变化的复杂系统，很难用精确的数学模型来研究，而且，过于复杂的模型所需的计算量大，耗费单片机资源多，影响了控制系统的响应时间，难于实现实时控制，控制效果并不理想。本文采用了要根据经验调整控制器参数，便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现以灵活地调整参数。这样就回避了数学模型的建立及计算精度的保证等一系列难题，可以实现对怠速工况准确而迅速地控制。 由于缺乏原机使用的单片机的开发设备。本文采用了6位单片机家族中的80计了步进电机的硬件驱动电路及传感器信号接口电路，编制了语言编写了用于监控发动机参数及在线调整现怠速控制中对旁通空气量的调整，使发动机的怠速转速保持在一个稳定的转速。整个系统如图1接口电路 接口电路 转速信号 怠速旁通空气量 步进电机 喷油器 驱动电路驱动电路光耦光耦80却水温信号 启动信号 图1速控制系统结构框图 8 吉林大学硕士学位论文 第二章 怠速控制系统的总体方案及速转速控制的实质是对怠速进气量的控制。本文采用由电喷科技(公司提供的步进电机作为怠速进气量控制的执行机构。以发动机转速变化作为反馈信号，使用80成闭环控制系统，程序结构简单可靠，对输入量的变化反应迅速。 怠速时喷油量的控制仍然是按照与充气量匹配的原则进行增减，以达到适宜的空燃比。 速控制总体方案设计 动初始位置的确定 为了改善发动机的再启动性能，在发动机点火开关关断后，便为下一次启动做好准备。为了使怠速控制阀在发动机下次启动时处于完全打开状态，在点火开关切断电源后，主继电器继续给2秒钟，待步进电机进入启动初始位置后才断电。 本文的方案是：在钥匙门接通电源后、起动电机运转之前，首先让步进电机运行150步，使旁通阀全开。并以此位置作为步进电机运行时的起始基准位置。 动控制 为了保证启动过程的顺利进行，本文采用开环控制方式。发动机启动时，由于怠速控制阀已经预先设定在全开位置，在启动期间经过怠速控制阀的旁通空气量最大，发动机最容易启动。 在发动机启动后，若怠速控制阀仍处在全开位置，怠速转速会升得过高，为防止这种情况发生，采用以下控制策略：单片机根据点火开关位置、发动机转速信号和节气门位置信号确定发动机处于启动工况，通过试验由冷却水温度确定一个转速预设置00r/一个旁通阀位置预设值值对应9 吉林大学硕士学位论文 的怠速转速约为1100r/一旦单片机接收到的转速信号大于预设值00r/单片机判断启动成功，立即控制步进电机，将阀门关小到预设值动及暖机时步进电机步数控制曲线见图6数据是由实际启动试验调整获得。 机控制 在暖机过程中，怠速控制阀的开度的调整是根据冷却水温度的变化进行的。冷却水温度每升高10度，调整一次步进电机的位置。并根据怠速控制阀开度的减小相应减小喷油量。启动及暖机时步进电机步数控制曲线见图6一控制过程是通过查表形式实现的，图6过程中，怠速转速由启动时的1100r/冷却水温度达到70时，怠速转速降至800r/机控制结束。 常怠速 当冷却水温度超过70时，进入该模式中，本文设定怠速目标转速为800r/由转速传感器检测的转速值输入定下一次步进电机的移动步数。这样通过对转速的不断检测和对步进电机位置的不断调整，保证发动机转速工作在目标怠速转速附近。 字式 例、积分和微分 )控制以经典控制理论为基础。它是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法，它具有原理简单，易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。0,只要根据经验调整控制器参数 ,便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现可以灵活地调整参数。,尽管近年来出现了很多先进的控制算法，但控制效果相当令人满意。 连续分微分控制器，即过程控制是按误差的10 吉林大学硕士学位论文 比例（积分（微分（系统进行控制，其系统原理框图如图2所示： 被控对象 微分积分比例c(t) u(t)+ +_ e(t) r(t) 图2的控制规律的数学模型如下： +=)(1)()(0（2或写成传递函数形式： += )()(（2式中，e(t)：调节器输入函数，即给定量与输出量的偏差； u(t)：调节器输出函数； 例系数； T：积分时间常数； 分时间常数。 开，调节器输出函数可分成比例部分、积分部分和微分部分，它们分别是： 比例部分 比例部分的数学表达式是： )(以使系统的过渡过程越快，11 吉林大学硕士学位论文 迅速消除静误差；但使系统超调，产生振荡，导致不稳定。因此，此比例系数应选择合适，才能达到使系统的过渡过程时间短而稳定的效果。 积分部分 积分部分的数学表达式是： 从它的数学表达式可以看出，要是系统误差存在，控制作用就会不断增加或减少，只有e(t)=0时，它的积分才是一个不变的常数，控制作用也就不会改变，积分部分的作用是消除系统误差。 积分时间常数较大，积分作用较弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢；分作用增强，这时可能使系统过渡过程产生振荡，但可以较快地消除误差。 I 微分部分 微分部分的数学表达式是：微分部分的作用主要是抵消误差的变化，作用强弱由微分时间常数越大，则抑制误差e(t)变化的作用越强，但易于使系统产生振荡；消误差的作用越弱。因而，微分时间常数要选择合适，使系统尽快稳定。 字式制器的设计 发动机怠速控制系统中，80测出转速波动的数值，然后按照控制算法得出的输出补偿量，驱动步进电机以消除转速的波动，因而要采用数字式要将式(2散化。因为采样周期为采样序号，用矩形法面积近似积分，用一阶向后差分代替微分，得： 12 吉林大学硕士学位论文 =(21()()( =(2于是，式(2以写为： +=()()()(0(2式中 ： u(k)：采样时刻e(k)：采样时刻e(采样时刻式(2的输出量u(k) 为全量输出，它对应于被控对象的执行机构，既每次采样时刻应达到的位置，因而式(2称为也是式(2以看出，按其计算u(k)时，输出值与过去状态无关，计算时要占用大量内存并消耗较多的机时，为此，将式(2化成递推形式，根据式(2出采样时刻+=()1(1)1()1(10(2用(2减去(2，并整理可得： += )2()1(2)()1()()1()( 按(2计算在时刻k)，只需用到采样时刻k)，以及向前递推一次和两次的误差值e(e(向前递推一次的输出值u(可节省内存和计算时间。 将(2改写一下，)1()()( = 得： 13 吉林大学硕士学位论文 += )2()1(2)()1()()( (2(2为再令，则(2可变为： )2()1(2)()()1()()( += 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉。 当计算机发生故障时，由于执行机构具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。 算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定仅与最近以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。一般以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算法。 字式普通的要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成使算得的控制量超过执行机构的可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。引进积分分离保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。本文采用积分分离的214 吉林大学硕士学位论文 发动机 步进电机积分分离- Tr(k) c(k) e(k) u(k) u(t) c(t) 图2体实现如下： 原机怠速波动情况见第六章图6波动水平在50r/定分离阈值=30r/ 当e(k)时，采用避免较大的超调，又使系统有较快的响应。 当e(k)时，采用保证系统的控制精度。 改进后的控制算式如下： e(k)时： )2()1(2)()()1()()( += (2)1()()( += e(k)时： )2()1(2)()1()()( += )1()()( += 15 吉林大学硕士学位论文 第三章 怠速控制系统的软件设计 位机软件设计 本文中上位机程序主要负责同下位机软件通讯，在线监控发动机运行时各参数的状态以及当前P、D，并且可以在线修改这三个参数，将修改后的参数传给下位机。该程序是用语言编写的。 图3位机软件界面 设计了图形化的人机交互界面，如图3速的波动情况可以清楚明了地从监视窗口中看到。另外，通过以在线调整P、D，调整参数的同时，即可观察调整之后的控制效果如何。 位机软件设计 程序设计 主程序中包括了起动工况、暖机处理工况和怠速处理工况。其程序框图如图31）起动工况 16 吉林大学硕士学位论文 N N 号采集和转换起动工况高速中断？暖机工况处理模块 怠速工况处理模块 T70? 点火信号?图3动机在冷起动时，温度较低，混合气雾化不良，需要喷入较多的油量才能使发动机正常起动。由转速信号、节气门开度信号判断发动机进入起动工况后，喷油系统向发动机中喷入起动工况所需的油量，保证发动机能够正常起动。 2）暖机工况 暖机工况中，根据发动机水温查相应的步进电机步数，得到一个暖机状态下的步进电机控制量。怠速旁通阀的开度随着水温增加而逐渐减小。其控制曲线见17 吉林大学硕士学位论文 图63）怠速工况 在怠速工况中,根据转速的波动情况，调用到相应对步进电机的控制量，该控制量控制步进电机的步数，从而将怠速旁通阀开度随着转速波动而不断地调整，从而调整怠速进气量，控制发动机转速稳定在800r/程序设计 返回结果右移6位读A/转换结束？送A/）A/温信号和节气门开度信号等是模拟量，需要将其转换为数字量才能被单片机识别和处理。80转换口可以直接将这种模拟量(05V)转换为数字量。为了去除输入信号的干扰，软件上还要对这种信号进行滤波处理。本程序使用算术平均值滤波处理的方法对水温转换值进行处理。即18 吉林大学硕士学位论文 将所得到的十六次处理信号的平均值作为最终值。A/2）步进电机控制子程序 本文的步进电机由电喷科技(司提供。该步进电机为双绕组四相电机，每个定子线圈有12对磁极，参数为N=12R=50, L=50求的驱动电压为+12V，最低驱动电压为+5V。该电机可实行单四拍、双四拍驱动。双四拍的驱动频率分别为130260 步进电机与80体的做法是将高速输出命令送入发时间值送入存器，并选用定时器电机驱动代码和驱动命令时间表分别如表3表31驱动代码表 步数 引脚 1 2 3 4 1 0 0 1 1 0表32 驱动命令时间表 步 数 1 2 3 4 0 0 1 1 0 0命令 21 00 01 20 时间 05107H 16）据第二章推导的增量式制了怠速控制系统工作时，通过主程序来调用程序框图如图319 吉林大学硕士学位论文 开始计算I* *0 吉林大学硕士学位论文 4）中断处理子程序 高速输入中断程序 转速信号是由从点火线圈负极得到的。用两个脉冲信号之间的时间，即周期来代表转速的大小。高速输入中断程序中，对脉冲信号进行极值判断滤波处理，滤除1500r/Y 速1500r/冲周期计算中断发生 图3速输入中断 高速输出中断程序 在高速输出中断程序中, 串行口中断子程序 在80速及转速的波动情况存放在存储单元中，无法实时观察到其变化。因此，作为下位机的单片机需要与上位机程序进行通讯，将瞬时转速值显示出来，并画出曲线，以便于观察和调试。同时，在要以直观和易操作的方式将行口中断程序就是完成这两个功能的。在串行口中断程序中，以模式1的异步串行方式，将缓存区内的转速值、当前1 吉林大学硕士学位论文 系数传送完毕？回接收值存入缓冲区缓冲区值存入相应单元接收中断？发送中断？取串行口状态字图3态参数上传到上位机软件。同时接收上位机软件送来的它们存入相应的存储单元中以供图322 吉林大学硕士学位论文 第四章 怠速控制系统的硬件及接口电路设计 本章主要阐述控制单元、执行机构、传感器及硬件接口电路的设计。 0 80前，在国际上流行的单片机主要是外还有日本电气公司国这些单片机在我国应用不多，而且专业性很强，不是首选机型。优先选用功能很强的据设计的要求和单片机的价格、使用条件和外部电特性，为了满足精度、速度、位数的要求，提高集成度，减少干扰，本系统采用基本结构如图426 图 4本框图 23 吉林大学硕士学位论文 所示。 80包含功能较多，是16位的算速度快，编程效率高。80部24字节的专用寄存器。80直窗口”结构，使新增的256字节以作为通用寄存器来访问。具有高速输入输出口（易实现实时控制，而且可以对所有以采用最高16高系统的计算速度，还可采用10位或8位A/速转换过程。80文所用到的主要功能 1）高速输入（本文通过中，口缓冲器、图4速输入器框图 选通逻辑、除8计数器和输入跳变检测器构成了事件检测逻辑。可以检测4种事件的变化：正跳变、负跳变、跳变（不论正负）和8个正跳变。由24 吉林大学硕士学位论文 入先出）寄存器，加上保持寄存器，可记录多达8个事件，供事件发生的时刻是以定时器于此当采用12事件的分辨率为2s（ I/户必须首先查询证实了可读取。 读取及事件发生的时刻。因此，读取际上就是读取006H）和吉林大学硕士学位论文 论文分类号 单 位 代 码 10183 i 密级 内 部 研 究 生 学 号 2990212吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 on 者姓名：李 雪 松 专 业：动力机械及工程 导师姓名 及 职 称：李云清 副教授 于秀敏 教授 论文起止年月：2001年3月至2002年3月 李 雪 松 吉林大学硕士学位论文 提 要 本文主要进行了结合该实验设计了一套究内容概括如下： 1汽油机怠速工况是提高经济性和排放性能的重要工况，对怠速控制的主要目标是在尽可能低的持怠速工况在较低的转速下运转平稳。本文采用调整怠速旁通空气流量的方法对怠速控制进行了研究。 计了步进电机的硬件驱动电路。以转速信号和冷却水温信号作为输入量，以80功地驱动了步进电机。 3设计了数字式制了相应的控制软件，包括上下位机程序。实验表明，采用速转速波动水平可控制在35r/4对过分析不同转速、不负荷下的燃料调整特性，根据不同工况区域的匹配标定目标，进行了喷油脉宽的标定。使得匹配标定后的发动机动力性、经济性指标均有所提高。 关键词：匹配 标定 汽油机 怠速 林大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪 论.车电子技术的发展与现状.车发动机电控燃油喷射技术发展概况.油机怠速控制发展状况.文的主要内容.二章 怠速控制系统的总体方案及.速控制总体方案设计. 启动初始位置的确定. 启动控制. 暖机控制. 正常怠速.字式. . 数字式制器的设计.字式.三章 怠速控制系统的软件设计.位机软件设计.位机软件设计. 主程序设计. 子程序设计.四章 怠速控制系统的硬件及接口电路设计.0. 80. 本文所用到的主要功能.行机构驱动电路设计. 步进电机驱动电路.林大学硕士学位论文 油器驱动电路.感器信号处理电路设计. 转速信号. 水温信号. 节气门开度信号. 蓄电池电压测量电路.五章 系统抗干扰设计.动机的干扰分析. 内部干扰. 外部干扰.件抗干扰设计. 电源及接地电路设计. 输入输出通道的抗干扰措施.件抗干扰设计. 干扰信号对软件的影响. 软件抗干扰措施.六章 实验结果及数据分析.速控制系统实验. 实验仪器及实验装置. 转速与步进电机步数关系图制取实验. . 发动机匹配的一般原则. .七章 全文总结及展望. 谢.考文献.林大学硕士学位论文 摘 要. I . IV v 吉林大学硕士学位论文 第一章 绪 论 车电子技术的发展与现状 汽车工业100多年来一直占据发达国家支柱产业的地位。一方面，汽车工业的发展迫切需要新科学、新技术的支持；另一方面，新科学、新技术又需要找到用武之地，以扩大其产业发展。所以，从电子工业诞生开始，两者就紧密地联系在一起，成为世界工业的两大支柱。 70年代，电子技术取得了一系列突破性进展。1973年， 位 4004和8位 8008相继问世；1975年，8位单片集成的 8048 问世；1976年，16世；1978年，64世；1979年，16 位 8086问世。电子工业的迅速发展为汽车电子技术的发展提供了可能。而同时，汽车保有量的增加使大气污染问题日益严重。1960年，美国加州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规。1968年，美国颁布了联邦排放法规。这些法规一再修订，限制越来越严格。继美国之后，欧洲和日本也相继制定出排放法规。在70年代，还发生了1973年和1979年的两次石油危机。1978年，美国又颁布了联邦燃油经济性法规。这些法规的颁布对汽车工业造成了巨大的压力。而传统的机械改良方式是无法逾越这些障碍的。在这样的历史背景下，形成了70年代汽车电子技术蓬勃发展的局面。表1在80年代，微机技术有了更长足的发展。继1983年6 位 8096问世后，此同时，内存芯片也从1983年的256985年的1机速度、字长和内存容量的飞速增长，为以微机为“大脑”的发动机集中控制系统提供了基石。在这期间，各种发动机的控制系统功能日趋完善，且从单一的发动机集中控制，发展到包括自动变速器的动力总成控制，再发展到整车集中控制。今天，美国几乎100%的轿车都采用了电子控制1；日本和欧洲紧随其后，电子控制的轿车占其出厂轿车的比率也接近100%。 1 吉林大学硕士学位论文 表10年代发动机电子技术的发展 年份 发 展 情 况 1970 型电子燃油喷射系统 1971 972 C 电子点火系统 众) 汽车公司采用 型电子燃油喷射系统 1973 974 975 莱斯勒) 汽车公司推出模拟式微机电子控制点火系统 1976 977 978 后又推出单点喷射后又推出单点喷射979 后又推出带停缸控制的电喷系统 1980 车发动机电控燃油喷射技术发展概况 汽油喷射技术首先应用在二战后期军用飞机发动机上, 其目的主要不是为了降低燃油消耗率，而是为了排除高空中化油器容易产生的结冰故障，以提高工作可靠性。由于其成本高昂，加上其优点对车用发动机并不显着，因而这一技术并未在汽车行业得到推广，只有在要求输出功率大、瞬态响应性能好的赛车中得到了应用。 轿车最早采用汽油喷射技术是在50年代初期1。当时的汽油喷射系统极2 吉林大学硕士学位论文 类似于柴油喷射系统，采用了机械式的高于汽油的特性不同于柴油，润滑、密封均现了进气管喷射系统，如00 由缸内高压喷射变为进气管喷射制上已能对起动加浓、暖机加浓作出补偿气压力对空燃比进行校正。 最早提出电子控制汽油喷射系统是在手开发的术的研究重点是如何提高发动机的输出经济性考虑较少，对排放污染则尚未考虑不足。而今天，人们已经充分认识到由于给发动机性能、排放和燃油经济性带来了电子技术的局限，电子控制汽油喷射技术场。 1967年，原西德压力，加上电子技术的飞速发展，使此首先是对空燃比控制技术的提高，对空气流量的测量，由速度开始利用翼片式、卡门涡旋式等空气体积流量计，到1981年推出热线式空气质量流量计；同时还发展了利用排气氧传感器的空燃比闭环控制技术。采用闭环控制技术和自学习控制技术，大大改善了由于车化等造成的空燃比控制误差。 其次是计算机的加入以及计算机速度、容量的提高，使控制功压喷射泵，直接向缸内喷射。但由较难解决，使其未能推广。稍后出汽油喷射系统。该系统仍然是机械式，并采用了分组喷射的方式。在控，并可在运行中根据进气温度和大1953年1，由美国50年代对汽油喷射功率和瞬态反应性能，而对燃油的。对于电子控制系统的优点也认识这种精密控制和精确校正的功能，巨大的改进潜力。另外，由于当时举步维艰，露面不久就退出轿车市放法规出台和石油危机这两方面后的电喷技术发展驶上了快车道。1976 1980 1984 1988 1992020406080100美国西欧日本(%)喷射化率年份图1国轿车汽油喷射化发展趋势 3 吉林大学硕士学位论文 能越来越完善。进气道汽油喷射由简单的多点喷射发展到多点顺序喷射，从而进一步改善了排放和瞬态性能。多种传感器的应用，使控制器可以了解整个发动机的运行条件和环境条件，进而可能针对不同工作模式进行智能化控制。随车故障诊断系统可对喷射系统以至控制器本身进行检测，避免了故障运行时的性能恶化，并提高了可靠性，使维修更加方便。由于这些原因，电控汽油喷射得到了迅速的产业化发展。图1汽油喷射是从进气道多点喷射展起来的，并向进气道多点顺序喷射化。机的迅速发展，很快就奠定了同时，进气道单点喷射也出现了。1979年，统，统，它们都是用安装在节气门体上的一个中央单点喷射单元，代替了原来的化油器。由于中央单点喷射系统结构简单、价格便宜，而性能又大大优于化油器，所以问世后马上进入了实用化阶段，并且直到今天仍具有一定的生命力。 最近，随着对稀燃(术的研究，50年代曾经研究过的缸内直喷技术又重新成为研究的热点。 油机怠速控制发展状况 汽车在城市中行驶时，经常会遇到交通拥挤的状况，此时发动机多处于怠速工况。发动机的怠速油耗约占整个工况油耗的30%3。因此，过去人们一直以降低怠速转速为目标来改善发动机的经济性。但是，汽油机的怠速工况由于需要供给较浓的混合气，燃烧不完全，所以怠速工况是产生且，怠速转速越低，废气的稀释作用越明显，这会使高怠速转速对减少速转速从700r/因此，汽油机怠速控制的目标应为在尽可能低的持怠速工况在较低的转速下运转平稳。另外，还应考虑冷车启动、空调及电气负荷、自动变速器、动力转向伺服机构的接入等情况都会引起怠速转速的变化，使发动机运转不稳定甚至熄火。 4 吉林大学硕士学位论文 当前，对怠速控制策略的要求主要包括以下几个方面： 在所有可能的工况条件下提供理想的怠速空气量。 及时补偿发动机的负荷变化。 防止发动机的失速。 采用维持最低怠速与减速空气量控制等方式，以取得良好的燃油经济性。 采用急减速时增加空气量等方式改善排放。 对于零件老化及各车异性等所致的差异能自动地进行补偿，以减少周期性调整的要求。 改善车辆的可驾驶性。 传统的化油器采用单独的怠速系，由怠速空气量孔和怠速孔共同调节以供应怠速时较浓的混合气，保持怠速工况稳定。但是这种机械式的调节方式无法满足上述要求，很难满足使发动机在复杂的外界条件下保持怠速稳定、排放良好的目标。 电控汽油机在怠速工况时除了将怠速转速适当提高以降低可以通过调整怠速空气量与喷油的匹配将怠速转速控制在一个比较稳定的水平上,这样控制的弹性很大,可以适应复杂的外界环境。 表 1速的主要控制型式及控制项目 控制信号 控制型式 主要控制项目 步进电机式 真空控制式 怠速 快怠速 空调高怠速 电气负载高怠速 旋转滑阀式 电磁控制式 怠速 快怠速 电气负载高怠速 发动机转速(n) 节气门位置(车速(冷却水温度(空档启动开关(启动开关(空调开关(A/C) 电气负载(动力转向开关 占空比控制式 开关控制式 怠速 快怠速 电气负载高怠速 电控汽油机怠速控制的实质是控制怠速进气量。控制怠速进气量执行机5 吉林大学硕士学位论文 构的结构形式目前有真空控制式、步进电机式、旋转滑阀式、电磁控制式、占空比控制式和开关控制式等六种。表1在日本早期生产的汽车上，怠速控制常采用真空控制方式。图11系统具有较高的响应性，采用线性规划原理建立了动态数学模型，调节通空气阀）来控制带速旁通空气量。此系统中，怠速转速在节省燃料的前提下，满足附件变化对发动机的要求。如：在怠速工况下空调器接通时发动机转速由650r/关闭空调器时，发动机转速又回到650r/怠速控制方式为旋转滑阀式。它将旋转滑阀固装在电枢轴上，与电枢轴一起转动，用以控制流过旁通道的空气量。永久磁铁固装在外壳上，其间形成磁场。电枢位于永久磁铁的磁场中，电枢铁心上缠有两组绕向相反的电磁线圈。通过控制两个线圈6 吉林大学硕士学位论文 上的电流，使得电枢带动旋转滑阀转动。由于空气流量计的测量值包括了此附加空气量，喷油量也作相应的改变，怠速空气调节装置有效地稳定了怠速转速。它还可以降低怠速转速，从而减少了燃油消耗量。如图1传统的发动机控制系统所采用的控制算法大多是基于静态最优控制过程。也就是通过大量的实验数据，运用优化方法得到最优的供油量、点火正时、把它们制成入微机的存储器中。然后通过查表得到控制值输出。 采用这种静态优化方法的原因主要是由于描述发动机复杂的动态性存在很大的困难，但这种方法也有其明显缺陷。比如当执行机构动作变化较快时，很难保持最优控制；而且，在制造及使用过程中，由于制造误差及零件老化等原因会使静态最优而影响控制效果。 近年随着控制理论的不断发展和完善，人们运用现代控制理论对发动机怠速系统进行控制。由于怠速系统是一个非线性系统，所以应采用非线性控制理论。但是非线性控制理论是非常复杂的，它不适用在发动机这个复杂结构上进行实时控制。为解决这个问题，人们又提出了很多方法。如： 直接把控制对象模型线性化后，再采用线性系统控制方法。 通过应用非线性输入函数和状态变量传递函数，使非线性控制对象表现为线性控制对象。该线性化方法是用反馈线性化。当它设计得比较好时，控制对象在整个控制中表现为线性。这时就可以用线性控制方法设计一个线性调节器对该系统进行控制。 文的主要内容 本文的主要工作是结合要用于微型车。为了进一步提高发动机的动力性、经济性和排放性能，并在此基础上尽量降低成本，进行了单点电控的匹配实验。电控系统及匹配标定软件由电喷科技（司提供。 电喷科技公司提供的电控系统仍处在不断完善过程中。如：该系统还没有加入怠速控制模块。而发动机的怠速工况在经济性和排放性能指标中占有7 吉林大学硕士学位论文 较大的比重。本文在分析了怠速控制发展状况的基础上，设计了一套怠速控制系统。 发动机的怠速工况是一个典型的多输入，多输出，非线性时变化的复杂系统，很难用精确的数学模型来研究，而且，过于复杂的模型所需的计算量大，耗费单片机资源多，影响了控制系统的响应时间，难于实现实时控制，控制效果并不理想。本文采用了要根据经验调整控制器参数，便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现以灵活地调整参数。这样就回避了数学模型的建立及计算精度的保证等一系列难题，可以实现对怠速工况准确而迅速地控制。 由于缺乏原机使用的单片机的开发设备。本文采用了6位单片机家族中的80计了步进电机的硬件驱动电路及传感器信号接口电路，编制了语言编写了用于监控发动机参数及在线调整现怠速控制中对旁通空气量的调整，使发动机的怠速转速保持在一个稳定的转速。整个系统如图1接口电路 接口电路 转速信号 怠速旁通空气量 步进电机 喷油器 驱动电路驱动电路光耦光耦80却水温信号 启动信号 图1速控制系统结构框图 8 吉林大学硕士学位论文 第二章 怠速控制系统的总体方案及速转速控制的实质是对怠速进气量的控制。本文采用由电喷科技(公司提供的步进电机作为怠速进气量控制的执行机构。以发动机转速变化作为反馈信号，使用80成闭环控制系统，程序结构简单可靠，对输入量的变化反应迅速。 怠速时喷油量的控制仍然是按照与充气量匹配的原则进行增减，以达到适宜的空燃比。 速控制总体方案设计 动初始位置的确定 为了改善发动机的再启动性能，在发动机点火开关关断后，便为下一次启动做好准备。为了使怠速控制阀在发动机下次启动时处于完全打开状态，在点火开关切断电源后，主继电器继续给2秒钟，待步进电机进入启动初始位置后才断电。 本文的方案是：在钥匙门接通电源后、起动电机运转之前，首先让步进电机运行150步，使旁通阀全开。并以此位置作为步进电机运行时的起始基准位置。 动控制 为了保证启动过程的顺利进行，本文采用开环控制方式。发动机启动时，由于怠速控制阀已经预先设定在全开位置，在启动期间经过怠速控制阀的旁通空气量最大，发动机最容易启动。 在发动机启动后，若怠速控制阀仍处在全开位置，怠速转速会升得过高，为防止这种情况发生，采用以下控制策略：单片机根据点火开关位置、发动机转速信号和节气门位置信号确定发动机处于启动工况，通过试验由冷却水温度确定一个转速预设置00r/一个旁通阀位置预设值值对应9 吉林大学硕士学位论文 的怠速转速约为1100r/一旦单片机接收到的转速信号大于预设值00r/单片机判断启动成功，立即控制步进电机，将阀门关小到预设值动及暖机时步进电机步数控制曲线见图6数据是由实际启动试验调整获得。 机控制 在暖机过程中，怠速控制阀的开度的调整是根据冷却水温度的变化进行的。冷却水温度每升高10度，调整一次步进电机的位置。并根据怠速控制阀开度的减小相应减小喷油量。启动及暖机时步进电机步数控制曲线见图6一控制过程是通过查表形式实现的，图6过程中，怠速转速由启动时的1100r/冷却水温度达到70时，怠速转速降至800r/机控制结束。 常怠速 当冷却水温度超过70时，进入该模式中，本文设定怠速目标转速为800r/由转速传感器检测的转速值输入定下一次步进电机的移动步数。这样通过对转速的不断检测和对步进电机位置的不断调整，保证发动机转速工作在目标怠速转速附近。 字式 例、积分和微分 )控制以经典控制理论为基础。它是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法，它具有原理简单，易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。0,只要根据经验调整控制器参数 ,便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现可以灵活地调整参数。,尽管近年来出现了很多先进的控制算法，但控制效果相当令人满意。 连续分微分控制器，即过程控制是按误差的10 吉林大学硕士学位论文 比例（积分（微分（系统进行控制，其系统原理框图如图2所示： 被控对象 微分积分比例c(t) u(t)+ +_ e(t) r(t) 图2的控制规律的数学模型如下： +=)(1)()(0（2或写成传递函数形式： += )()(（2式中，e(t)：调节器输入函数，即给定量与输出量的偏差； u(t)：调节器输出函数； 例系数； T：积分时间常数； 分时间常数。 开，调节器输出函数可分成比例部分、积分部分和微分部分，它们分别是： 比例部分 比例部分的数学表达式是： )(以使系统的过渡过程越快，11 吉林大学硕士学位论文 迅速消除静误差；但使系统超调，产生振荡，导致不稳定。因此，此比例系数应选择合适，才能达到使系统的过渡过程时间短而稳定的效果。 积分部分 积分部分的数学表达式是： 从它的数学表达式可以看出，要是系统误差存在，控制作用就会不断增加或减少，只有e(t)=0时，它的积分才是一个不变的常数，控制作用也就不会改变，积分部分的作用是消除系统误差。 积分时间常数较大，积分作用较弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢；分作用增强，这时可能使系统过渡过程产生振荡，但可以较快地消除误差。 I 微分部分 微分部分的数学表达式是：微分部分的作用主要是抵消误差的变化，作用强弱由微分时间常数越大，则抑制误差e(t)变化的作用越强，但易于使系统产生振荡；消误差的作用越弱。因而，微分时间常数要选择合适，使系统尽快稳定。 字式制器的设计 发动机怠速控制系统中，80测出转速波动的数值，然后按照控制算法得出的输出补偿量，驱动步进电机以消除转速的波动，因而要采用数字式要将式(2散化。因为采样周期为采样序号，用矩形法面积近似积分，用一阶向后差分代替微分，得： 12 吉林大学硕士学位论文 =(21()()( =(2于是，式(2以写为： +=()()()(0(2式中 ： u(k)：采样时刻e(k)：采样时刻e(采样时刻式(2的输出量u(k) 为全量输出，它对应于被控对象的执行机构，既每次采样时刻应达到的位置，因而式(2称为也是式(2以看出，按其计算u(k)时，输出值与过去状态无关，计算时要占用大量内存并消耗较多的机时，为此，将式(2化成递推形式，根据式(2出采样时刻+=()1(1)1()1(10(2用(2减去(2，并整理可得： += )2()1(2)()1()()1()( 按(2计算在时刻k)，只需用到采样时刻k)，以及向前递推一次和两次的误差值e(e(向前递推一次的输出值u(可节省内存和计算时间。 将(2改写一下，)1()()( = 得： 13 吉林大学硕士学位论文 += )2()1(2)()1()()( (2(2为再令，则(2可变为： )2()1(2)()()1()()( += 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉。 当计算机发生故障时，由于执行机构具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。 算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定仅与最近以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。一般以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算法。 字式普通的要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成使算得的控制量超过执行机构的可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。引进积分分离保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。本文采用积分分离的214 吉林大学硕士学位论文 发动机 步进电机积分分离- Tr(k) c(k) e(k) u(k) u(t) c(t) 图2体实现如下： 原机怠速波动情况见第六章图6波动水平在50r/定分离阈值=30r/ 当e(k)时，采用避免较大的超调，又使系统有较快的响应。 当e(k)时，采用保证系统的控制精度。 改进后的控制算式如下： e(k)时： )2()1(2)()()1()()( += (2)1()()( += e(k)时： )2()1(2)()1()()( += )1(