发动机怠速PID控制研究毕业设计

PAGE4PAGE36目录1绪论 11.1汽车电子技术的发展与现状 21.2怠速控制发展状况 21.3怠速控制的要求 22汽车发动机怠速控制系统 42.1怠速工况分析 32.2怠速不良表现 42.3怠速控制过程 42.4怠速控制策略 53汽车发动机怠速模型 63.1国外采用的发动机怠速模型 53.2国内采用的发动机怠速模型 93.3本课题采用的发动机怠速模型 104PID控制器 144.1PID控制简介 144.2PID控制器参数的整定 155Matlab介绍 165.1MATLANB简介 165.2SIMULINK简介 165.3SIMULINK建模方法 165.4SIMULINK建模具体步骤 176基于SIMULINK的怠速PID控制仿真 186.1仿真模型的建立 186.2仿真结果分析 206.3发动机怠速稳定性分析 217结论 .23参考文献24致谢26附录271绪论1.1汽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，Intel4位CPUI4004和8位CPUI8008相继问世；1975年，8位单片集成的CPUI8048问世；1976年，16KBRAM问世；1978年，64KBRAM问世；1979年,16位CPUI8086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。70年代发动机电子技术发展的一些情况。在80年代,微机技术有了更长足的发展。继1983年Intel16位CPUI8096问世后，Motorola公司又于1984年和1987年分别推出32位CPUMC68020和MC68030。与此同时,内存芯片也从1983年的256KB、1985年的1MB增长到1988年的4MBRAM。微机速度、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;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%。1.2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%。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CO和HC有害排放物的主要工况。而且,怠速转速越低，废气的稀释作用越明显，这会使CO和HC的排放浓度进一步增加。提高怠速转速对减少CO和HC的排放是有利的。怠速转速从700r/min提高到800r/min，CO下降10%，HC排放量下降15%。因此，汽油机怠速控制的目标应为在尽可能低的CO和HC排放下，保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。当前,对怠速控制策略的要求主要包括以下几个方面：a．在所有可能的工况条件下提供理想的怠速空气量。b．及时补偿发动机的负荷变化。c．防止发动机的失速。d．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。e．采用急减速时增加空气量等方式改善排放.f．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.g．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CO和HC以外，还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。1.3怠速控制的要求“怠速控制”就是通过控制怠速工况的供气量及相应的供油量和点火提前角，使发动机能以一个最佳的怠速转速稳定运转，同时能够平稳地实现由怠速工况向负荷工况(或相反，由负荷工况向怠速工况)的过渡。怠速控制的好坏同发动机的怠速稳定性、燃油经济性和排放性能都密切相关。怠速控制是发动机电子综合控制技术的重要组成部分。在交通密集和拥挤的城市，汽车经常停车而发动机怠速运转。据统计,汽车耗油量的30%消耗在怠速工况,降低怠速油耗将有助于节能.怠速工况缸内残余废气比例增多,要用较浓的混合气，故CO和HC排放污染也增多.在怠速状态下,有时还会出现发动机转速周期性的变化，即所谓游车现象。从广义角度理解，怠速运行这一范畴，不仅是指发动机节气阀关闭(只有少许空气通过节气阀缝隙或经过旁通空气阀进入发动机)汽车处于空档时的发动机空转状态，它也包括了由空转向负载运行过渡初期发动机转速较低的工况。在发动机空转时，其转速决定于指示扭矩与机械损失扭矩的平衡。就机械损失来说，包括发动机内的摩擦损失、附件及所带动的一些外部设备(如空调压缩机、动力转向泵等)的驱动损失。前两项可以说是基本机械损失，其大小随发动机温度状况(以冷却水温为标志)和发动机新旧程度而变化，后者则是随机加入的.就发动机的指示扭矩来说，在空燃比和点火正时相应调整合适的情况下，它决定于进气空气量。因此对于一定的基本机械损失状况，改变怠速供气量(旁通空气阀通路)就可以改变基本怠速转速。从燃料经济性来说，此怠速转速宜取低，但从负载工况过渡的圆滑性和发动机尾气排放考虑，则宜适当提高怠速转速。怠速供气量越低，相应的空燃比越小，CO和HC的排放就增大。实际上基本目标怠速转速的设定是以CO和HC不超过排放标准为限的。在实际运行中，由于随机地加入空调压缩机或动力转向泵，或者发电机负载(电子冷却风扇和照明等)增大，以及发动机本身工作循环的不均匀性、环境温度和压力的变化等等,都会使怠速转速发生波动。怠速控制的基本任务就是通过调整供气量(相应改变空燃比和点火正时)使怠速转速在目标值上下的波动幅度不超过一定范围(一般以维持在目标值的1g%以内)。另一方面，汽车挂行车档而开启节气阀时，由于进气滞后、供油及进气管路内燃油蒸发滞后的影响，混合气变稀，输出扭矩可能低于带动负载所需的扭矩而发生转速急剧下降，严重时可能灭车。为了避免这种情况，除了加大供油量外，还要在挂档和开节气阀之前先提高发动机的目标怠速转速，使发动机有较大的动能。反之，在汽车由行车档转为空档时，混合气可能过浓而熄火，这时也需要在摘档之前先提高发动机的目标怠速转速，使发动机先得到较大的怠速空气量，然后再逐渐降低目标怠速转速。这样，保证在过渡过程中发动机在较低转速区的转速变化较圆滑，这也是怠速控制的任务之一。2汽车发动机怠速控制系统2.1怠速工况分析怠速控制是汽车发动机的基本控制问题和面临的难题之一。怠速是在节气门近乎全关时，车速为零(汽车发动机在空档)情况下的最低转速。城市交通日益拥挤使得车辆在行车过程中经常要处于怠速工况。发动机在怠速运行时速度波动大，点火提前角控制不好，燃烧不充分，排放严重，油耗也较大(城市运行中，怠速油耗约占总油耗的30%)。过低的怠速还容易导致发动机熄火。这些问题将随着城市的交通的发展而加剧上升。汽车发动机怠速控制的重点，就是要把怠速转速稳定在目标值上。它主要由进气歧管(IntakeManifold)，节气门(ThrottleValve)，永磁转子步进电机式怠速控制阀(ISCV),电控单元(ECU),传感器组(VariousSensors)等组成.在节气门处于近乎全关状态时，空气由与节气门并联的旁通怠速空气道，经怠速控制阀口、进气腔(AirIntakeChamber)进入气缸，汽车发动机在这些空气参与燃烧所做的功和发动机内部摩擦损失功相互平衡的状态下稳定运转。2.2怠速不良表现无负载变化时，发动机怠速性能不良主要表现有如下三种现象。a.无怠速—发动机起动后油门转把不能完全放手，否则熄火。产生的原因有:化油器故障，或化油器至气缸之间有漏气,气缸压力过低等b.怠速过高—发动机怠速运转超过规定范围而无法调低,一旦调低发动机就熄火.产生原因:节气门不能回位或怠速量扎过大。c.怠速不稳—发动机在怠速运转时，发动机抖动，转速忽高忽低。产生的原因:点火时间过早、混合气过浓或过稀(怠速空燃比一般为12)，火花塞间隙过小等原因.有负载变化时,怠速性能不良表现为:发动机转速会因负载变化而严重偏离设定的怠速目标转速。2.3怠速控制过程怠速控制的主要任务是通过控制ISCV的开度，从而控制旁路进气量。当ISCV的执行器件采用比例电磁阀时，就是控制电压的强度;当采用步进电机时就是控制电机的步数。图2－1怠速控制阀的启动控制和暖机控制a.启动控制为改善汽车发动机的启动性能，当点火开关断开时，怠速阀总是处于全开状态(上图为位置A)，这样可使发动机在下次启动时具有大进气量。启动之后，根据冷却水温度(上图，70*C)来确定旁通进气量的大小。在汽车发动机转速达到设定水温下的目标怠速时，怠速阀开度则从A减小到B。b.暖机控制随汽车发动机转速和水温升高，怠速阀开度减小，当水温达到700C时，暖机结束，怠速阀开度保持在C位置不动c.运行控制怠速阀开度取决于怠速负荷.负荷增大时，怠速阀度增大，实现快怠速(一般高于最佳怠速200r/min)，以防止汽车发动机运转不稳或熄火。负荷减小时反之。在怠速运行中，如蓄电池电压过低，怠速阀开度增大，提高怠速转速，以提高电源电压。怠速控制还有两个任务:一是修正喷油量,随怠速转速升高,增大喷油量,以保证怠速目标空燃比一般为12。二是修正点火提前角，随怠速转速降低，减小点火提前角，以保证怠速平稳，防止熄火。2.4怠速策略控制怠速过程的输入与输出不呈简单线性关系,存在传感器及各种时滞非线性环节,在干扰中有不少未知量和随机量(如电器及动力负荷的变化.元器件老化,燃油品质变化等),因此怠速是一个具有慢时变,参数不确定,时滞,复杂非线性的过程,见下图图2－2怠速过程的输入输出及干扰这种特性使得除变结构控制外,各种基于精确参数模型的经典控制(包括变参数PID控制)和现代控制理论(包括LOG最优控制)都难以实现越来越高的控制要求,而模糊控制(FuzzyControl)和神经网络控制(NeuralNetworkControl)则获得了它们的应用新领域.本文采用的是PID控制策略。3汽车发动机怠速动力学模型3.1国外采用的汽车发动机怠速模型国外用于汽车发动机怠速的模型很多，常用的有滑动模型（SlidingModel）,混和模型（HybridModel）,多项式模型（PolynomialModel）,模态分析模型（ModalAnalysisModel）,以及传递函数模型（TransferFunctionModel）等。下面介绍几个典型模型：当怠速时，其状态模型如下：＝＋(3-1)式（3－1）中，P为进气歧管压力，m为控制怠速系统的进气量，为时间延迟，脚号0为初始状态。f(n,P)和f(n,P)为计算进气岐管的空气外流量的非线性函数。对上述状态模型设计反馈控制器如下:=-(3-2)增益K,K采用滑模控制,以便在系统模型参数的某些不确定因素影响下,获得良好的鲁棒性.先设计被控汽车发动机转速的可控伴随模型(ControllableCompanionModel):=+(3-3)式中（3－3）,n为汽车发动机转速,为点火提前角,I为系统常数(非常小).假定m和空燃比为常数,任何出现的变化或者被模拟为不确定性因素,或者组合成如下的多输入模型:=+()(3-4)发动机在怠速时,其混和模型由一系列离散模块,连续变量和符号常量组成.系统控制输入为节气门开度,点火提前角,扰动输入为负载扭矩T和离合器位置b.因此,系统存在两类输入.一是连续变量输入和T,两者影响连续变量动力学;二是离散变量输入和b,两者决定离散模型转换,连续变量复位和符号常量设置.式中连续变量由进气岐管压力p,曲轴转速n和活塞位置组成,其动力学模型如下:=ap(t)+b(t)(3-5)=an(t)+b(T-T(t))(3-6)(t)=kn(t)(3-7)整个发动机的混和模型是一个多元组:H=({Q,X,},{,U},{M,M},{,D},{M,M},{f,})(3-8)式（3-8）中,有限状态模型集Q={S,S,S,S,S,S}连续时间动力学变量:X={(p,n,)|(p,n,)IR}有限状态机构变量:连续输入变量:U连续干扰变量D]离散控制事件集:离散干扰事件集:M与M分别表示离散干扰移动函数(DiscreteDisturbanceMoveFunction)与连续控制器可行性移动函数(ContinuousControllerFeasibleMoveFunction).f,表示过渡函(TransitionFunction).首先考虑二状态动力学模型:,=f(e,e,d,q,T)(3-9)式(3-9)中,e,e为系统状态误差;f,f为非线性映射;d为点火提前角,q为节气门开度;T为外部干扰,二者为控制输入。在分析二阶汽车发动机模型:=k(-),=k(T-T)(3-10)=(1+0.907q+0.0998q)g(P)(3-11)=-0.0005968N-0.13336P+0.0005431NP+0.000001757NP(3-12)T=-39.22+32.5014m-0.0112d+0.000675dN()+0.635d+0.0216N()-0.000102N()(3-13)T=()+T(3-14)G(P)=(3-15)(3.10-3.15)式中,P为进气歧管压力,N为汽车发动机转速;k为进气歧管动力学常数,k为汽车发动机动力学常数;m为进气歧管内的空气质量流量,m进气歧管外的空气质量流量;T为第i个气缸转矩,T为负载扭矩.文献汽车发动机模型由进气歧管动力学,燃油喷射动力学,曲轴转动动力学三部分组成,分别如下:=MAX{1-cos(1.14459a-1.0600)}-c(3-16)(3-17)(3-18)I(3.15-3.18)式中,m为进气歧管内的空气质量流量,m为燃油喷射质量流量.为燃油系统迁移延迟,和分别为产生于扭矩的进气延迟和点火延迟.t为时间变量,其他为系统常数.系统输入为汽车发动机节气门开度,空然比和点火提前角SA,输出为汽车发动机转速。3.2国内汽车发动机怠速模型国内采用的怠速模型很少,常采用的有传递函数模型(TransferFunctionModel),非线性自回归模型(NRAX),简化模型(SimplifiedModel).下面简要介绍几个典型模型。文献给出了汽车发动机怠速模型参数,如下图:图3－1汽车发动机怠速控制系统框图图中为怠速目标转速,T为负载变化量及其他扰动,u为控制器输出,n为汽车发动机实际转速,K,K,,.文献采用非线性自回归模型(NARX),目的是在简化模型结构的同时提供一个能满足工程控制的使用模型.模型只考虑怠速阀开度φ和点火提前角两个输入变量以及曲轴转速n一个输出变量,如下:n(k)=,s=(3-19)上式中,x为,a(k-j),乘积组成的单项式,n,n为最大预测步数,s为模型输出方差和。确定上述模型的主要困难在于拟和多项式的阶数M和预测步数n,为了简化,根据相关分析取步数n为4.同时由于M=2和M=3时,NRAX模型输出方差和S已充分接近,又本系统是稳定的,NRAX模型收敛,高阶次可以忽略,意味着此时的模型是模型空间中的一个布局最优点.作为本课题的前期研究,文献根据汽车发动机动力学原理,提出描述怠速变化过程的动力学简化模型,该模型阐述了作为控制输入及输出的汽车发动机转速和怠速阀开度的关系,如下:n=(3-20)上式中,I为发动机转动惯量,k,k为模型常数,为采样周期,n为Ts时刻的转速。3.3本课题现采用的汽车发动机怠速模型怠速是一个非线性过程，原则上应采用非线性模型。从上述国内外汽车发动机怠速模型分析可知，国内独自提出的模型很少，大部分都是借用或简化国外的模型。本课题还不具备独自建立汽车发动机怠速非线性模型的条件，故仍借用国外可靠的线性模型，但利用模糊神经网络的泛化(Generalizatio)能力和自适应能力来实现非线性过程控制，在这一特定条件下，怠速可以用线性化模型来描述。本文仿真采用康明斯(Camless)汽车发动机怠速模型，该模型是传递函数模型，模型物理概念清楚，这对控制方法和参数确定带来方便，具体模型结构下图所示:图3－1康明斯汽车发动机怠速模型图中,△r为期望的汽车发动机速度变化量;为干扰负载扭矩:为汽车发动机速度变化量:C(s)为控制器传递函数;G(s)和G(s)是描述发动机结构特性的传递函数G(3-21)G(s)=K(开环增益常数)(3-22)设n和N分别为气缸数和发动机怠速额定转速，时间间隔T为(3-23)则汽车发动机感应动力延迟时间，和发动机传感和计算延迟时间分别为:=2,=4(3-24)G(s)的极点P和零点Z可由下式表达P＝－，Z＝(3-25)图中G是表征发动机动力学特性的传递函数：G(s)=＝(3-26)上式中，J为发动机等效转动惯量;a和b是表征发动机阻尼和固有频率的系数。可见，无控制的汽车发动机怠速系统因G(s)是一个2阶非最小相位系统(Non-MinimumPhase)，因G(s)的特征多项式:s+as-b出现负号(系数不全部大于0)，至少有一个正极点(参数a和b的取值无关)，故无控制下的怠速系统是一个结构不稳定系统，不是参数不稳定系统。G（s）的极点P和P与参数a和存在如下关系:a=-(P+P),b=PP(3-27)G（s）和G（s）的零点Z和Z与延迟时间和有关：Z＝，Z＝－(3-28)系统闭环传递函数为：＋(3-29)可见,如果出现干扰负载,则造成汽车发动机转速波动，从而导致气缸空气流量的增减,燃烧情况变差,输出转矩随之波动。如果不校正即C(s)＝1,转速就不能恢复，依此下去势必会导致转速的大范围瞬态波动。怠速控制就是怠速转速的校正，使出现干扰负载时,能以最小的控制来使发动机转速维持于期望怠速转速。设开环传递函数：L(s)=C(s)G(s)G(s)G(s)(3-30)特征函数:S(s)=1/(1+L(s))(3-31)输入作用下的传递函数：T（s）=S(s)L(s)(3-32)扰动作用下的传递函数：T＝S（s）G(s)(3-33)于是，式（2.30）可简化为（s）=T(s)(s)+T(3-34)控制器输出的脉冲宽度变化量为：(3-35)良好的怠速控制应使汽车发动机在干扰负载扭矩作用下实际转速相对于期望转速没有误差，即，故式（2.31～2.36）简化为：(3-36)(3-37)根据分析可知：干扰扭矩增加时K增加而a,b也单调增加；转动惯量J增加时K不变而a,b单调下降。当负载干扰扭矩T＝0和J＝0.37kg.m时得到：K＝7.93，a=27.01,b=8.66当负载扭矩T＝50NM,J=0.25kg.m时得到：K＝7.52，a=27.39,b=18.55不失一般性,文献将发动机负载扭矩和转动惯量的范围取为:T,J此时得到参数范围:K,a,b本文在仿真中,取：J,K,a=27.20,b(角码0表示怠速仿真中使用的参数);,;Z,Z,于是得到:G,G=7.72,G(3-38)该系统的G(s)存在政极点0.4915和负极点-27.6915.4PID控制器4.1PID控制简介PID控制器是工业过程控制中应用最广泛的一种控制规律，PID控制表示比例，积分，微分(Proportion,Integral,Differential)控制。其工作原理是：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象保持恒定的目的，控制作用就必须不断产生，要想达到出现使得现场控制对象值，即被调参数发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给PID控制器，改变过程变化量，经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值简SP值进行比较得到偏差值简称e值，调节器按此偏差并以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使被调参数发生改变，并趋向于给定SP值），以达到控制目的。其系统原理框图如下:图4－1PID控制原理图它的控制规律的数学模型如下：U(t)=K(4-1)或写成传递函数形式：G(s)==K(4-2)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；K：比例系数；T：积分时间常数；T：微分时间常数。将式（4-1）展开，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：a.比例部分比例部分的数学表达式是:Ke(t)在比例部分中，K是比例系数，K越大，可以使系统的过渡过程越快，迅速消除静误差；但K过大，易使系统超调，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。b.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T的选择对积分部分的作用影响很大。T较大，积分作用较小，积分较弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢；T较小，积分作用增强，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。c.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T确定.T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；T越小,抵消误差的作用越弱。因而，微分时间常数要选择合适，使系统尽快稳定。4．2PID控制器参数的整定用好PID控制器的关键在于整定好PID控制器的参数。PID控制的主要整定方法有两类：一类是基于自动控制原理的理论计算方法，但该类方法需要有一定的理论基础，计算比较复杂，实际应用较少；另一类是工程整定方法，依据系统的阶跃响应及PID参数在系统中的作用按一定的经验进行，由于方法简单在实际中应用较多。本文采用的是第二种方法。需要指出的是：PID调节器的参数对控制系统性能的影响通常并不十分敏感，因而参数整定的结果可以不唯一。在实际应用中，只要被控过程的主要指标达到设计要求，那么就可以选定相应的控制器参数作为有效的控制参数。5MATLAB介绍5.1MATLAB简介MATLAB语言是由美国NewMexico大学的CleveMoler博士于1980年开始开发的，原意是MatrixLaboratory.1983年他与JohnLittle等用C语言合作开发具备图形功能的MATLAB专业版。1984年成立MathWorks公司，专门从事MATLAB的开发与研究，并正式把MATLAB推向市场。1990年推出以MS-Windows为运行环境的PC机版，提供了与其它高级程序设计语言如C,FORTRAN等的接口，同时推出了能进行可视化动态系统仿真的SIMULINK。特别是1993年开发了在MATLAB环境下实现符号计算的工具包SymbolicToolbox后，又不断吸收个领域权威人士编写应用程序，形成了规模庞大、开放式的、覆盖面广、简单易用的近40个应用工具箱。当前的MATLAB6.5及以上的版本，提供了更强大的数据结构和更完善的应用工具箱，使MATLAB不仅成为国际控制界应用最广的首选工具，也成为国际上最优秀的科技应用软件之一。5.2SIMULINK简介MathWorks公司于1992年推出的SIMULINK是MATLAB在控制系统仿真领域的新突破，具有MATLAB与SIMULINK的交互式模型输入与仿真功能，成为动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境，支持连续、离散及两者混合的线性、非线性系统，现在的SIMULINK5.0使MATLAB的功能得到进一步的扩展，主要表现在:a.实现了可视化建模。在Windows视窗里，用户通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型，并进行仿真。b.实现了多工作环境间文件互用和数据交换，如SIMULINK与MATLAB;SIMULINK与C.FORTRAN;SIMULINK与DSP;SIMULINK与实时硬件工作环境等的信息交换都可以方便的实现。c.把理论研究和工程实际有机的结合在一起。5．3SIMULINK建模方法SIMULINK这一名字的含义是相当直观时因为它较明显地表明此软件的两个显著功能:Simu(仿真)与Link(连接).SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形窗口，可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，就象用笔和纸来画一样容易，与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析。SIMULINK5.0包含有Continuous(连续模块)，Discontinuities(不连续模块)、Discrete(离散环节)、Look-UpTables(查表平台)、MathOperation(数学运算)，ModelVerification(模型验证)、Model-WideUtilities(模型扩展使用)、Port&Subsystems(端口与子系统)、SignalAttributes(信号属性)、SignalRouting(信号通路),Sinks(输出源)、Source(信号源).User-DefinedFunctions(用户自定义函数)等子模型库，每个子模型库中都包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创建用户自己的模块。用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从下到上或从上到下的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型以后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。采用Scope模块和其它的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB工作空间里做事后处理。5．4SIMULINK建模的具体步骤如下a.开始准备。要按SIMULINK格式输入一个系统模型，则应该首先启动SIMULINK程序。我们可以在MATLAB命令窗口的提示符下键入SIMulink命令来启动SIMULINK程序，这时就会将SIMULINK模型的模块库窗口显示出来，(若SIMULINK已经启动，会自动将之调到前台)，同时还将自动打开一个空白的模型编辑窗口来建立新的系统模型。b.画出系统的各个模块。打开相应的子模块库，选择所需要的模块，拖动到模型编辑窗口的合适位置。c.给出各个模块的参数。各个模块中己给出默认的模型参数，要修改模块默认的参数，则需用鼠标双击该模块图标，这样就会出现相应的对话框进一步提示用户如何修改模块参数。d.画出连接线。当所有的模块都画出来之后，则可以接着画模块间必要的连线，构成完整的系统。模块间的连线很简单，只需用鼠标点按开始模块的输出端(三角符号)再拖动鼠标，到终止模块的输入端释放鼠标键，则会自动地在两个模块间画出带箭头的连线。e.指定输入和输出端子。在SIMULINK下允许两类输入输出的信号，若用户提取系统的线性模型，则需要打开SIMULINK模块库中的"Continuous"(连续模块)图标，从中选取相应的输入输出端子，若只想对系统进行仿真分析，则需从“Source”信号源)图标中取输入信号端子，从“Sinks"(输出源)图标中取输出端子即可。6基于SIMULINK的怠速PID控制仿真6.1仿真模型的建立本文基于SIMULINK的汽车发动机怠速PID控制仿真系统下图所示。控制对象的模型参数采用第3章第3.3节的式(3-8)。系统是在MATLAB6.5/SIMULINK5.0环境下，利用SIMULINK各子模型库来实现的，在系统设计过程中，采用自顶向下(Top-Down)的模块化设计方法，将系统分几个小模块，既方便设计，也使一些界面更美观、更实用，功能更全。系统主要由如下模块组成:输入模块(DesiredInput,Step,SpeedSetPoint，Clock和PivotPointForPendulum)、控韦喘模块(PIC)、被控对象模块(G(s),G(s)和G(s))、接受模块(Scope和ToWorkspace)。上述各模块由SIMULINK中Continuous,MathOperation,Ports&Subsystems,SignalRouting,Source,Sinks以及User-DefinedFunctions等标准模块组中元件组成。图中的Step的作用是加上对象的扰动量。时间变量(Clock)送到工作空间（Workspace）中，设置仿真时间为10秒，仿真步长为可变步长（Variable-step）。仿真结果自动化送到（workspace2）和示波器（scope）中。图6－1发动机怠速PID仿真系统SIMULINK框图图6－2传递函数模型图6－3PID控制器的设计6.2仿真结果分析仿真时忽略内部扰动（元器件，燃油品质,传感器,喷油量及点火角等的变化）以及气压,气温等环境变化条件,仅考虑系统外部干扰扭矩。仍设目标转速为n=750,在T=1秒时施加典型阶跃扰动扭矩T＝15N.M(典型怠速阶跃扰动扭矩范围为10～20N.M),在P4台式微机上运行.为了保证在惯性和扭矩变化下系统稳定,并获得最快的闭环响应和较小的衰减,需要对PID参数进行多次仿真.本文PID参数的确定是通过上述仿真模型的调试来确定的,首先运行仿真模型，kpkikd的值预先设置为kp=0.1,ki=0;kd=0,然后在点击simulink仿真模型中的outputconstraint模块，点击运行，整定开始。最后kpkikd的值将显示在仿真模型中。图6－4未加PID控制器时速度阶跃相应图图6－5加PID控制器后的阶跃响应图图6－6根据整定的PID参数出的Bode图6.3发动机怠速稳定性分析怠速控制通常包括启动后的怠速控制，暖机状态的怠速控制，负荷变化时的怠速控制以及减速时的怠速控制。对于大多数电控汽油机来说，怠速控制是以怠速步进电机驱动旁通空气阀的方式实现的。发动机启动时，怠速阀预先设定在全开位置，起动期间旁通空气流量最大，使发动机易于起动。起动后，当发动机转速达到一定值时，电控单元（ECU）控制步进电机将旁通阀门关小；暖机过程中，随着冷却夜温度的提高，怠速控制阀开度将逐步减小；当冷却液温度超过70时，暖机过程结束，发动机的实际怠速转速已接近根据发动机工况而确定的目标转速，发动机进入相对稳定怠速运转状态。发动机怠速目标转速的确定依赖于冷却液的温度，其值可由发动机试验测的，并以表格形式保存于发动机的ECU和RAM中。发动机运转时ECU依据检测到的水温等参数查出对应的状态目标转速，并与发动机运行的实际转速进行比较，利用实际转速做反馈，对怠速进行闭环控制,依据转速偏差的变化方向确定电机的转动步数。由于步进电机带动旁通气通道中的空气调节阀旋转，从而可以实现调节阀门的流通面积，使气缸内的混合气量发生相应的变化。增加混合气量，转速上升；减小混合气量转速下降。经过反复调节，最终发动机怠速转速稳定在目标转速附近。另外在怠速过程中，进气,点火,供油,点火,燃烧以及负荷变化等因素,都会使发动机的平均转速发生波动，影响发动机怠速的稳定性，引起波动的主要原因是怠速混合气空燃比值的漂移，因此,对发动机怠速转速稳定性的控制，实质上主要是对怠速阶段混合气空燃比的控制。进行空燃比控制时，控制器依据检测出的进气歧管的空气流量和发动机转速及设定的空燃比值，由ECU计算出每循环的供油量，再依据喷油器的流量特性，计算出施加在喷油器上的控制脉宽，从而控制怠速空燃比保持在理论空燃比附近。对空燃比的控制依赖于精确计算每一循环进入气缸的空气量。由于进气管内气体的动态效应，造成预期进气量与实际进气量存在误差，同时由于壁面油膜效应，造成喷油量与实际进入气缸的燃油量不完全相等，最终使预期空燃比存在误差，使怠速运转发生明显波动。因此整体考虑进气及油膜效应的影响，是怠速控制的重要环节。怠速空燃比控制程序图如下：图6－7发动机怠速空燃比控制图通常在PID控制中，根据过程模型，预先对控制器参数进行离线整定。对于发动机怠速过程，由于其特有的非线性，时变性，PID控制中的参数完全采用预定值难以达到理想的控制效果，为了保证不同工况下的发动机动态特性，PID控制器的三个参数设为动态在线可调的控制策略是一种较好的控制模式。最简单的一种实现动态调整的方式是将不同工况状态下的控制参数值以表格的形式存储在计算机中，在进行怠速控制时，通过转速反馈，查取相应的控制参数，将PID控制器的输出，经过必要的修正，转换为驱动步进电机的控制信号，使步进电机进行动作，控制怠速旁路的进气量实现对空燃比的实时调整。7结论通过本课题对目前国内外发动机怠速发展状况的研究，怠速模型的对比分析研究，以及对康明斯怠速模型的Simulink怠速仿真，PID控制器参数的整定，发动机怠速稳定性的分析，得出如下结论：1.采用PID控制策略的发动机怠速控制，具有结构简单，稳定性好，工作可靠，参数调整方便，具有良好的跟踪性能，调整时间短，超调量小，提高了系统控制精度，达到了预期设定转速的控制目标，且稳态误差控制在5％以内，动态误差控制在10％以内，具有良好的频率特性，具有良好的燃油经济性和排放性能。2．怠速过程的排放性和燃油经济性一直是发动机研究的重要内容之一。对怠速空燃比的精确控制是保持怠速稳定运转的关键。怠速过程的空燃比的随进气压力，温度，发动机转速以及油膜湿壁效应因素不断发生漂移，因此在进行空燃比控制时，必须考虑相应的燃油补偿。参考文献[1]欧阳黎明.Matlab控制系统设计[M].北京：国防工业出版社，2001[2]黄文梅，杨勇，熊桂林，成晓明.系统仿真分析与设计[M].长沙：国防科技大学出版社，2001[3]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004.[4]张弓.基于SIMULINK的汽车发动机怠速模糊神经网络控制[J].[5]DanijelPavkovic,JoskoDeur,MartinJansz,NedjeljkoPeric.Adaptivecontrolofautomotiveelectronicthrottle[J].ControlEngineeringPractice14(2006)121–136[6]钱人一..现代汽车发动机电子控制[M].上海：上海交通大学出版社，1999[7]王韶光.发动机管理系统[M].北京：清华大学出版社，1992[8]张振东，周萍，张昊.电控发动机怠速控制模糊算法研究[N].农业机械学报2000，11：75－77.[9]刘利，卓斌.PID控制在电控汽油机λ闭环控制中的应用及相关参数的标定[N].车用发动机2000，2:17-20[10]姜平，汤敏自整定PID控制的研究和实现[N].南通工学院学报2000，12：15-16[11]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000[12]陈家瑞.汽车构造(上册)[M].北京：机械工业出版社，2005[13]陈家瑞.汽车构造(下册)[M].北京：机械工业出版社，2005[14]胡寿松.自动控制原理[M].北京：国防工业出版社，1994[15]邵家翼.发动机转速自动控制[M].北京：人民交通出版社，1990[16]PatrickCunningham.LMIcontrollersynthesisforidlespeedcontrolofanSIengine[EB/OL],http:\\,2001,11,14.[17]赵光宙等.应用神经网络模糊控制器的发动机怠速控制[J].内燃机工程，2001.59～62.[18]YanWang,AnnaStefanopoulouandRoySmith.Inherentlimitationsandcontroldesignforcamlessengineidlespeeddynamics[J].InternationalJournalofRobustandNonlinearControl.2001,(1):1023-1042.[19]邢建国等.发动机怠速控控制制NRAX模型及辨识[J].内燃机工程2002,1(23)[20]陈万忠，张振东等汽油机怠速模糊控制的研究[J].农业机械学报，1998,26(2).[21]庄继得.汽车电子控制系统工程[M].北京:北京理工大学版,1998.5:221-242.[22]张金龙，赵芙生汽油发动机怠速的预测控制[J].南京林业大学报.2002,1(26).[23]舒华等.汽车电子控制技术[M].北京：人民交通出版社.2002.2;130-134.[24]张道文等.模糊神经网络技术在发动机怠速控制系统中的应用[J].汽车技术.2002.518-20[25]樊林等.电控汽油机怠速控制方式[J].汽车工程，2002，24(6):490-506.[26]杨家志等.发动机怠速模型及前馈补偿控制[J].小内燃机，1997,26(5)19-23.[27]杨妙梁等编著.汽车实用电子技术与90年代市场需求[M].北京.中国物资出版社，1996，10：239－240.[28]鲍鸿，黄心汉.用模糊RBF神经网络简化模型设计多编量自适应模糊控制[J].控制理论与应用，2000，17(2):169-170.[29]候宏，杨建华.RBF网络用于边界层转换中抽吸流优化控制[J].航空学报，2002，23(6):556-557.[30]李人厚.智能控制理论和方法[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.1.[31]张卫东.PID控制器自整定技术的发展[J].世界控制大会，2002.3.[32]沈永福，吴少军.智能PID控制系统综述[J].工业仪表与自动化装置，2002,1(6).[33]王伟，张晶海，柴天佑.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报，2000，26(3).[33]黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京：国防工业出版社.2001,11:105-182.致谢本次毕业设计是对我大学四年所学知识的一次全面考验，它也是对即将走向工作岗位的我们的进行的一次有效的训练。回顾这场毕业设计，我觉得我获益菲浅。我的课题是一个研究类的课题，它让我体会到做研究的艰难，从搜集国内外相关课题资料，到对课题内容的全面分析，提出课题研究方案，再到学习Matlab软件的应用，这对像我这样从未做过课题研究的学生是多么困难，个中艰辛，只有本人经历过才知道。所以我认为这次毕业设计锻炼了我很多方面的能力使我学到了许多课本外的知识，尤其是对Matlab软件的应用使我受益颇丰。它使我面对困难不退缩，勇于克服困难，锻炼了自己解决难题的能力。在本次毕业设计的开始到结束一直得到吕红明老师的认真指导和帮助，使我能得以顺利完成并学到了很多知识，我想这对我以后走上社会工作岗位会有很大帮助。程序清单Simulink仿真控制界面程序：functionvarargout=PIDjiemian(varargin)%PIDJIEMIANM-fileforPIDjiemian.fig%PIDJIEMIAN,byitself,createsanewPIDJIEMIANorraisestheexisting%singleton*.%%H=PIDJIEMIANreturnsthehandletoanewPIDJIEMIANorthehandleto%theexistingsingleton*.%%PIDJIEMIAN('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...)callsthelocal%functionnamedCALLBACKinPIDJIEMIAN.Mwiththegiveninputarguments.%%PIDJIEMIAN('Property','Value',...)createsanewPIDJIEMIANorraisesthe%existingsingleton*.Startingfromtheleft,propertyvaluepairsare%appliedtotheGUIbeforePIDjiemian_OpeningFunctiongetscalled.An%unrecognizedpropertynameorinvalidvaluemakespropertyapplication%stop.AllinputsarepassedtoPIDjiemian_OpeningFcnviavarargin.%%*SeeGUIOptionsonGUIDE'sToolsmenu.Choose"GUIallowsonlyone%instancetorun(singleton)".%%Seealso:GUIDE,GUIDATA,GUIHANDLES%EdittheabovetexttomodifytheresponsetohelpPIDjiemian%LastModifiedbyGUIDEv2.512-Jun-200614:38:05%Begininitializationcode-DONOTEDITgui_Singleton=1;gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...'gui_Singleton',gui_Singleton,...'gui_OpeningFcn',@PIDjiemian_OpeningFcn,...'gui_OutputFcn',@PIDjiemian_OutputFcn,...'gui_LayoutFcn',[],...'gui_Callback',[]);ifnargin&&ischar(varargin{1})gui_State.gui_Callback=str2func(varargin{1});endifnargout[varargout{1:nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:});elsegui_mainfcn(gui_State,varargin{:});end%Endinitializationcode-DONOTEDIT%ExecutesjustbeforePIDjiemianismadevisible.functionPIDjiemian_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)%Thisfunctionhasnooutputargs,seeOutputFcn.%hObjecthandletofigure%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%varargincommandlineargumentstoPIDjiemian(seeVARARGIN)%ChoosedefaultcommandlineoutputforPIDjiemianhandles.output=hObject;%Updatehandlesstructureguidata(hObject,handles);%UIWAITmakesPIDjiemianwaitforuserresponse(seeUIRESUME)%uiwait(handles.figure1);%Outputsfromthisfunctionarereturnedtothecommandline.functionvarargout=PIDjiemian_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)%varargoutcellarrayforreturningoutputargs(seeVARARGOUT);%hObjecthandletofigure%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%Getdefaultcommandlineoutputfromhandlesstructurevarargout{1}=handles.output;functionedit1_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit1(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%Hints:get(hObject,'String')returnscontentsofedit1astext%str2double(get(hObject,'String'))returnscontentsofedit1asadouble%Executesduringobjectcreation,aftersettingallproperties.functionedit1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit1(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled%Hint:editcontrolsusuallyhaveawhitebackgroundonWindows.%SeeISPCandCOMPUTER.ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');end%Executesonbuttonpressinpushbutton1.functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletopushbutton1(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)functionedit2_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit2(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%Hints:get(hObject,'String')returnscontentsofedit2astext%str2double(get(hObject,'String'))returnscontentsofedit2asadouble%Executesduringobjectcreation,aftersettingallproperties.functionedit2_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit2(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled%Hint:editcontrolsusuallyhaveawhitebackgroundonWindows.%SeeISPCandCOMPUTER.ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');end%Executesonbuttonpressinpushbutton2.functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletopushbutton2(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)functionedit3_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit3(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%Hints:get(hObject,'String')returnscontentsofedit3astext%str2double(get(hObject,'String'))returnscontentsofedit3asadouble%Executesduringobjectcreation,aftersettingallproperties.functionedit3_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit3(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled%Hint:editcontrolsusuallyhaveawhitebackgroundonWindows.%SeeISPCandCOMPUTER.ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');end%Executesduringobjectcreation,aftersettingallproperties.functionedit4_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit4(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled%Hint:editcontrolsusuallyhaveawhitebackgroundonWindows.%SeeISPCandCOMPUTER.ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');endfunctionedit5_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit5(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%Hints:get(hObject,'String')returnscontentsofedit5astext%str2double(get(hObject,'String'))returnscontentsofedit5asadouble%Executesduringobjectcreation,aftersettingallproperties.functionedit5_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit5(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled%Hint:editcontrolsusuallyhaveawhitebackgroundonWindows.%SeeISPCandCOMPUTER.ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');endfunctionedit6_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit6(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%Hints:get(hObject,'String')returnscontentsofedit6astext%str2double(get(hObject,'String'))returnscontentsofedit6asadouble%Executesduringobjectcreation,aftersettingallproperties.functionedit6_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletoedit6(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled%Hint:editcontrolsusuallyhaveawhitebackgroundonWindows.%