基于模糊邏輯理論的發(fā)動機怠速控制研究

李佳怡++錢同云

摘要：針對電控發(fā)動機中怠速控制（Idle Speed Control， ISC）系統(tǒng)工作過程的特點和規(guī)律，把模糊邏輯理論應用于發(fā)動機的怠速控制，提出了相應的模糊控制規(guī)律及模糊控制表，根據(jù)模糊控制規(guī)則建立了怠速控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，在MATLAB/Simulink動態(tài)仿真集成環(huán)境中進行了怠速跟蹤性和抗干擾性的仿真研究，結果表明系統(tǒng)怠速平穩(wěn)，而且具有很好的抗干擾特性。

關鍵詞：模糊邏輯理論 怠速控制 ISC MATLAB Simulink 仿真

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0013-02

從控制理論上來說，怠速工況具有明顯的非線性，時變性和不確定性，因此很難得到其精確的數(shù)學模型。而傳統(tǒng)的PID控制又依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，所以很難達到理想的控制效果。然而，模糊控制的優(yōu)點恰是不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，它模仿人在控制活的中的模糊概念和控制策略，對系統(tǒng)的參數(shù)變化和外部干擾具有很強的魯棒性。因此，模糊控制和怠速系統(tǒng)是很好的結合。本文根據(jù)電控發(fā)動機的怠速系統(tǒng)的工作特點，設計了怠速模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)模糊控制規(guī)則建立了怠速控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并進行了MATLAB/Simulink的仿真研究。

1 怠速模糊控制系統(tǒng)工作原理

怠速控制是指怠速時轉速的控制，實質上市對怠速時的氣缸充氣量進行控制。在發(fā)動機運行時，傳感器通過檢測到的轉速n，負荷P，冷卻水溫T和電瓶電壓E等信號后經(jīng)ECU計算后確定怠速電動機調節(jié)步數(shù)u及發(fā)動機的目標怠速轉速n0。控制系統(tǒng)將檢測到的實際轉速n也目標轉速n0進行比較，當nn0時，關小旁通氣閥，減少混合氣，轉速下降。

當模糊論域為離散時，fuzzy量化后的輸入、輸出量是有限的，可以通過各種組合離線計算對應的控制量，大大減少了在線的計算量。圖1是怠速模糊控制系統(tǒng)結構框圖，其中k1，k2，k3為尺度變換的量化因子。怠速模糊控制系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以誤差和誤差的變化為輸入量，以控制量的變化作為控制器的輸出。

2 怠速控制系統(tǒng)數(shù)學模型

由于點火時刻，空燃比控制盒怠速控制都是相對獨立的過程，因此可以將怠速控制系統(tǒng)動態(tài)模型簡化成單輸入/單輸出的控制系統(tǒng)，輸入量為步進電動機的工作步數(shù)，輸出量為怠速轉速，如圖2所示。

由于很難建立一個復雜的動力學過程的怠速控制系統(tǒng)的精確模型，因此，通常將怠速控制系統(tǒng)的數(shù)學模型簡化為工作點附近線性化的降維模型，如圖3所示。

2.1 怠速旁通閥數(shù)學模型

由表1和得出，電動機工作步數(shù)是0～128步，與旁通閥開度0%～100%，近似可看成直線關系，故視為其數(shù)學模型為比例環(huán)節(jié)，即

在發(fā)動機怠速運行的狀態(tài)下，我們所討論的理論工作范圍為怠速從600r/min提高到800r/min，，旁通閥開度值為27%，即

2.2 發(fā)動機數(shù)學模型

在此工作過點附近，怠速旁通閥的開度與怠速關機可近似為一個二階系統(tǒng)模型，離散的狀態(tài)空間表達式可近似為公式1所示。

3 模糊規(guī)則的確定

模糊控制器的輸入是發(fā)動機轉速誤差e，和誤差變化率de，輸出量是旁通閥調節(jié)量的步進發(fā)電機步數(shù)u。取誤差，誤差變化率即輸出變量的模糊集整數(shù)論語均為[-6 +6]，劃分為13個等級。

發(fā)動機轉速的誤差e的實際變化范圍是，de的實際變化范圍是，，步進電動機的工作步數(shù)u的實際變化范圍是步，模糊論域均為，所以e，de，u的量化因子分別為：

本控制器當中轉速誤差e和步進電動機步數(shù)u取為7個模糊子集，分別是{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，把轉速誤差de的模糊自己取為8個，分別是{負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}。得到一組由56條模糊條件語句構成的控制規(guī)則，總結為模糊控制規(guī)則表2。表2表示的模糊規(guī)則為：

R1：如果e是NB and de是NB，則u是NB；R2：如果e是NB and de是NM，則u是NB；R56：如果e是PB and de是PB，則u是PB。

4 系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建怠速仿真模型如圖4，設置輸入為600rad/min～800rad/min的方波，查看仿真曲線如圖5所示。

5 結語

系統(tǒng)的設定值是600rad/min～800rad/min的方波，無負載空轉時設定為600rad/min，有負載怠速設定為800rad/min。通過怠速系統(tǒng)仿真曲線可以看出實際輸出值可以很快跟蹤到設定值，因此，采用模糊邏輯理論的方法可以有效對怠速系統(tǒng)進行控制，而且得到的實際輸出值波動很小，控制效果良好，確保了汽油機怠速運行的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]李國勇.智能控制及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]Tohru Takahashi ，Takashi Ueno，Aklto Yamamoto ect.A simple Engine Model for Idle Speed Control[R].SAE 850291，1985.2.769-2.776

[3]卓斌，劉啟華.車用汽油機燃料噴射與電子控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4]王順顯，舒迪前.智能控制系統(tǒng)及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[5]李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.

摘要：針對電控發(fā)動機中怠速控制（Idle Speed Control， ISC）系統(tǒng)工作過程的特點和規(guī)律，把模糊邏輯理論應用于發(fā)動機的怠速控制，提出了相應的模糊控制規(guī)律及模糊控制表，根據(jù)模糊控制規(guī)則建立了怠速控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，在MATLAB/Simulink動態(tài)仿真集成環(huán)境中進行了怠速跟蹤性和抗干擾性的仿真研究，結果表明系統(tǒng)怠速平穩(wěn)，而且具有很好的抗干擾特性。

關鍵詞：模糊邏輯理論 怠速控制 ISC MATLAB Simulink 仿真

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0013-02

從控制理論上來說，怠速工況具有明顯的非線性，時變性和不確定性，因此很難得到其精確的數(shù)學模型。而傳統(tǒng)的PID控制又依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，所以很難達到理想的控制效果。然而，模糊控制的優(yōu)點恰是不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，它模仿人在控制活的中的模糊概念和控制策略，對系統(tǒng)的參數(shù)變化和外部干擾具有很強的魯棒性。因此，模糊控制和怠速系統(tǒng)是很好的結合。本文根據(jù)電控發(fā)動機的怠速系統(tǒng)的工作特點，設計了怠速模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)模糊控制規(guī)則建立了怠速控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并進行了MATLAB/Simulink的仿真研究。

1 怠速模糊控制系統(tǒng)工作原理

怠速控制是指怠速時轉速的控制，實質上市對怠速時的氣缸充氣量進行控制。在發(fā)動機運行時，傳感器通過檢測到的轉速n，負荷P，冷卻水溫T和電瓶電壓E等信號后經(jīng)ECU計算后確定怠速電動機調節(jié)步數(shù)u及發(fā)動機的目標怠速轉速n0?？刂葡到y(tǒng)將檢測到的實際轉速n也目標轉速n0進行比較，當nn0時，關小旁通氣閥，減少混合氣，轉速下降。

當模糊論域為離散時，fuzzy量化后的輸入、輸出量是有限的，可以通過各種組合離線計算對應的控制量，大大減少了在線的計算量。圖1是怠速模糊控制系統(tǒng)結構框圖，其中k1，k2，k3為尺度變換的量化因子。怠速模糊控制系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以誤差和誤差的變化為輸入量，以控制量的變化作為控制器的輸出。

2 怠速控制系統(tǒng)數(shù)學模型

由于點火時刻，空燃比控制盒怠速控制都是相對獨立的過程，因此可以將怠速控制系統(tǒng)動態(tài)模型簡化成單輸入/單輸出的控制系統(tǒng)，輸入量為步進電動機的工作步數(shù)，輸出量為怠速轉速，如圖2所示。

由于很難建立一個復雜的動力學過程的怠速控制系統(tǒng)的精確模型，因此，通常將怠速控制系統(tǒng)的數(shù)學模型簡化為工作點附近線性化的降維模型，如圖3所示。

2.1 怠速旁通閥數(shù)學模型

由表1和得出，電動機工作步數(shù)是0～128步，與旁通閥開度0%～100%，近似可看成直線關系，故視為其數(shù)學模型為比例環(huán)節(jié)，即

在發(fā)動機怠速運行的狀態(tài)下，我們所討論的理論工作范圍為怠速從600r/min提高到800r/min，，旁通閥開度值為27%，即

2.2 發(fā)動機數(shù)學模型

在此工作過點附近，怠速旁通閥的開度與怠速關機可近似為一個二階系統(tǒng)模型，離散的狀態(tài)空間表達式可近似為公式1所示。

3 模糊規(guī)則的確定

模糊控制器的輸入是發(fā)動機轉速誤差e，和誤差變化率de，輸出量是旁通閥調節(jié)量的步進發(fā)電機步數(shù)u。取誤差，誤差變化率即輸出變量的模糊集整數(shù)論語均為[-6 +6]，劃分為13個等級。

發(fā)動機轉速的誤差e的實際變化范圍是，de的實際變化范圍是，，步進電動機的工作步數(shù)u的實際變化范圍是步，模糊論域均為，所以e，de，u的量化因子分別為：

本控制器當中轉速誤差e和步進電動機步數(shù)u取為7個模糊子集，分別是{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，把轉速誤差de的模糊自己取為8個，分別是{負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}。得到一組由56條模糊條件語句構成的控制規(guī)則，總結為模糊控制規(guī)則表2。表2表示的模糊規(guī)則為：

R1：如果e是NB and de是NB，則u是NB；R2：如果e是NB and de是NM，則u是NB；R56：如果e是PB and de是PB，則u是PB。

4 系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建怠速仿真模型如圖4，設置輸入為600rad/min～800rad/min的方波，查看仿真曲線如圖5所示。

5 結語

系統(tǒng)的設定值是600rad/min～800rad/min的方波，無負載空轉時設定為600rad/min，有負載怠速設定為800rad/min。通過怠速系統(tǒng)仿真曲線可以看出實際輸出值可以很快跟蹤到設定值，因此，采用模糊邏輯理論的方法可以有效對怠速系統(tǒng)進行控制，而且得到的實際輸出值波動很小，控制效果良好，確保了汽油機怠速運行的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]李國勇.智能控制及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]Tohru Takahashi ，Takashi Ueno，Aklto Yamamoto ect.A simple Engine Model for Idle Speed Control[R].SAE 850291，1985.2.769-2.776

[3]卓斌，劉啟華.車用汽油機燃料噴射與電子控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4]王順顯，舒迪前.智能控制系統(tǒng)及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[5]李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.

摘要：針對電控發(fā)動機中怠速控制（Idle Speed Control， ISC）系統(tǒng)工作過程的特點和規(guī)律，把模糊邏輯理論應用于發(fā)動機的怠速控制，提出了相應的模糊控制規(guī)律及模糊控制表，根據(jù)模糊控制規(guī)則建立了怠速控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，在MATLAB/Simulink動態(tài)仿真集成環(huán)境中進行了怠速跟蹤性和抗干擾性的仿真研究，結果表明系統(tǒng)怠速平穩(wěn)，而且具有很好的抗干擾特性。

關鍵詞：模糊邏輯理論 怠速控制 ISC MATLAB Simulink 仿真

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0013-02

從控制理論上來說，怠速工況具有明顯的非線性，時變性和不確定性，因此很難得到其精確的數(shù)學模型。而傳統(tǒng)的PID控制又依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，所以很難達到理想的控制效果。然而，模糊控制的優(yōu)點恰是不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，它模仿人在控制活的中的模糊概念和控制策略，對系統(tǒng)的參數(shù)變化和外部干擾具有很強的魯棒性。因此，模糊控制和怠速系統(tǒng)是很好的結合。本文根據(jù)電控發(fā)動機的怠速系統(tǒng)的工作特點，設計了怠速模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)模糊控制規(guī)則建立了怠速控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并進行了MATLAB/Simulink的仿真研究。

1 怠速模糊控制系統(tǒng)工作原理

怠速控制是指怠速時轉速的控制，實質上市對怠速時的氣缸充氣量進行控制。在發(fā)動機運行時，傳感器通過檢測到的轉速n，負荷P，冷卻水溫T和電瓶電壓E等信號后經(jīng)ECU計算后確定怠速電動機調節(jié)步數(shù)u及發(fā)動機的目標怠速轉速n0?？刂葡到y(tǒng)將檢測到的實際轉速n也目標轉速n0進行比較，當nn0時，關小旁通氣閥，減少混合氣，轉速下降。

當模糊論域為離散時，fuzzy量化后的輸入、輸出量是有限的，可以通過各種組合離線計算對應的控制量，大大減少了在線的計算量。圖1是怠速模糊控制系統(tǒng)結構框圖，其中k1，k2，k3為尺度變換的量化因子。怠速模糊控制系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以誤差和誤差的變化為輸入量，以控制量的變化作為控制器的輸出。

2 怠速控制系統(tǒng)數(shù)學模型

由于點火時刻，空燃比控制盒怠速控制都是相對獨立的過程，因此可以將怠速控制系統(tǒng)動態(tài)模型簡化成單輸入/單輸出的控制系統(tǒng)，輸入量為步進電動機的工作步數(shù)，輸出量為怠速轉速，如圖2所示。

由于很難建立一個復雜的動力學過程的怠速控制系統(tǒng)的精確模型，因此，通常將怠速控制系統(tǒng)的數(shù)學模型簡化為工作點附近線性化的降維模型，如圖3所示。

2.1 怠速旁通閥數(shù)學模型

由表1和得出，電動機工作步數(shù)是0～128步，與旁通閥開度0%～100%，近似可看成直線關系，故視為其數(shù)學模型為比例環(huán)節(jié)，即

在發(fā)動機怠速運行的狀態(tài)下，我們所討論的理論工作范圍為怠速從600r/min提高到800r/min，，旁通閥開度值為27%，即

2.2 發(fā)動機數(shù)學模型

在此工作過點附近，怠速旁通閥的開度與怠速關機可近似為一個二階系統(tǒng)模型，離散的狀態(tài)空間表達式可近似為公式1所示。

3 模糊規(guī)則的確定

模糊控制器的輸入是發(fā)動機轉速誤差e，和誤差變化率de，輸出量是旁通閥調節(jié)量的步進發(fā)電機步數(shù)u。取誤差，誤差變化率即輸出變量的模糊集整數(shù)論語均為[-6 +6]，劃分為13個等級。

發(fā)動機轉速的誤差e的實際變化范圍是，de的實際變化范圍是，，步進電動機的工作步數(shù)u的實際變化范圍是步，模糊論域均為，所以e，de，u的量化因子分別為：

本控制器當中轉速誤差e和步進電動機步數(shù)u取為7個模糊子集，分別是{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，把轉速誤差de的模糊自己取為8個，分別是{負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}。得到一組由56條模糊條件語句構成的控制規(guī)則，總結為模糊控制規(guī)則表2。表2表示的模糊規(guī)則為：

R1：如果e是NB and de是NB，則u是NB；R2：如果e是NB and de是NM，則u是NB；R56：如果e是PB and de是PB，則u是PB。

4 系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建怠速仿真模型如圖4，設置輸入為600rad/min～800rad/min的方波，查看仿真曲線如圖5所示。

5 結語

系統(tǒng)的設定值是600rad/min～800rad/min的方波，無負載空轉時設定為600rad/min，有負載怠速設定為800rad/min。通過怠速系統(tǒng)仿真曲線可以看出實際輸出值可以很快跟蹤到設定值，因此，采用模糊邏輯理論的方法可以有效對怠速系統(tǒng)進行控制，而且得到的實際輸出值波動很小，控制效果良好，確保了汽油機怠速運行的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]李國勇.智能控制及其MATLAB實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]Tohru Takahashi ，Takashi Ueno，Aklto Yamamoto ect.A simple Engine Model for Idle Speed Control[R].SAE 850291，1985.2.769-2.776

[3]卓斌，劉啟華.車用汽油機燃料噴射與電子控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4]王順顯，舒迪前.智能控制系統(tǒng)及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[5]李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.