汽車發(fā)動機怠速穩(wěn)定性模糊控制系統(tǒng)試驗研究

劉鯊++張振東++尹叢博++程強

摘要： 怠速工況運行品質(zhì)是影響汽車發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性能的重要因素.在完成目標(biāo)發(fā)動機噴油、點火系統(tǒng)控制匹配的基礎(chǔ)上，以提高怠速運行穩(wěn)定性為目標(biāo)開發(fā)了怠速模糊控制器，編寫了輸入變量的模糊化、模糊推理過程以及模糊輸出量的精確化等控制軟件.采用模糊控制可以避免因汽車發(fā)動機怠速運行工況復(fù)雜造成難以建立精確數(shù)學(xué)模型，且可在發(fā)動機怠速工況時對轉(zhuǎn)速進行較好的控制.發(fā)動機臺架試驗結(jié)果表明，采用模糊控制能有效改善汽車發(fā)動機的怠速運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，怠速運行質(zhì)量顯著提高.

關(guān)鍵詞：

汽車發(fā)動機； 怠速轉(zhuǎn)速； 運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性； 模糊控制

中圖分類號： V 433文獻標(biāo)志碼： A

怠速工況是汽車發(fā)動機的重要工況之一，是指發(fā)動機在保持節(jié)氣門全關(guān)而維持平穩(wěn)運行的最低轉(zhuǎn)速.汽車在城市道路中行駛時會頻繁處于怠速工況.由于怠速工況下發(fā)動機不對外輸出功率，怠速轉(zhuǎn)速低有利于節(jié)省燃油消耗，但怠速轉(zhuǎn)速過低時由于缸內(nèi)殘余廢氣增加易造成燃燒不穩(wěn)定，導(dǎo)致有害排放物大幅增加.目前，為了使汽車發(fā)動機同時滿足燃油經(jīng)濟性和排放法規(guī)的要求，一般采用較高的怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速.另外，發(fā)動機處于怠速工況運行時，還會受到空調(diào)、動力轉(zhuǎn)向泵等突加載荷的影響，使怠速轉(zhuǎn)速發(fā)生較大變化，造成燃油經(jīng)濟性降低或排放性能惡化.因此，如何實現(xiàn)怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制是汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題之一[1].

汽車發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速的經(jīng)典控制方法是采用PID（比例積分導(dǎo)數(shù)）控制，但由于發(fā)動機具有顯著的非線性、時變性等特點，使得參數(shù)處理工作量巨大，而且在受到突加載荷作用時，易出現(xiàn)較大的控制超調(diào).為了對怠速轉(zhuǎn)速進行更理想的控制，國內(nèi)外很多學(xué)者研究了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及滑?？刂频确椒▽ζ嚢l(fā)動機怠速的控制效果[2]；結(jié)果顯示，上述控制方法相對于傳統(tǒng)PID控制具有更好的怠速穩(wěn)定性控制效果.但上述研究大都基于復(fù)雜的理論分析或計算仿真，尚需從實際控制系統(tǒng)的角度對其控制的可行性和有效性進行驗證.本文以桑塔納AFE電噴發(fā)動機為對象，借助80C196單片機開發(fā)了試驗用發(fā)動機控制系統(tǒng)，利用模糊控制方法對怠速旁通空氣量和點火提前角進行實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了怠速穩(wěn)定性的控制，并通過試驗驗證了模糊控制方法的有效性.

1試驗用發(fā)動機控制系統(tǒng)

自行開發(fā)的發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器及信號處理系統(tǒng)、控制單元、執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動電路等.該系統(tǒng)使用檢測凸輪軸位置、曲軸位置、冷卻液溫度、進氣溫度、進氣壓力、排氣含氧量的傳感器監(jiān)控發(fā)動機的工況信息.上述信號經(jīng)信號處理系統(tǒng)濾波、電平轉(zhuǎn)換處理后輸入控制單元；控制單元以80C196單片機為核心構(gòu)建，對輸入的各種工況信息進行運算處理，生成噴油時刻、點火以及怠速旁通閥控制信號；執(zhí)行機構(gòu)包括噴油器、點火線圈初級電路以及怠速旁通閥三種；驅(qū)動電路對控制單元的控制信號進行功率放大，實現(xiàn)噴油定時、點火定時以及怠速旁通閥開度的有效控制.

1.1噴油定時控制

圖2為噴油控制信號的產(chǎn)生時序，其中：Tp為噴油脈寬；數(shù)字1、2、3、4分別代表四缸發(fā)動機對應(yīng)的氣缸.在控制系統(tǒng)中，按照圖2中1—3—4—2的發(fā)火次序?qū)Ω鞲讎娪推鬟M行順序噴射控制.噴油基準(zhǔn)信號安排在各缸壓縮上止點前70°CA，各缸噴油器均從進氣行程開始前250°CA開始噴油.對不同工況下的空燃比采用不同的控制方式.在發(fā)動機起動過程中，對燃油混合氣進行加濃控制，并依據(jù)冷卻液溫度結(jié)合發(fā)動機試驗分別確定合適的冷起動和熱起動噴油量；在起動后暖機過程中，隨著冷卻液溫度的升高，將缸內(nèi)混合氣由較濃逐漸向理論混合比過渡；當(dāng)冷卻液溫度超過一定值時，利用氧傳感器對空燃比進行反饋控制，將空燃比控制在理論混合比附近.

1.2 點火定時控制

點火控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中：VCC、D1、N1分別代表直流電源、二極管、脈沖信號；

點火線圈控制信號的定時關(guān)系及產(chǎn)生原理如圖4所示，圖中：Td為基準(zhǔn)信號與點火脈沖起始點時間間隔；Ts為點火時間間隔；Tc為點火蓄能時

間；θ為點火提前角.發(fā)動機怠速運行過程中，當(dāng)某一基準(zhǔn)信號到來時，首先依據(jù)發(fā)動機的冷卻水溫和轉(zhuǎn)速得到基本點火提前角θ0.本次怠速轉(zhuǎn)速的控制中，同時調(diào)節(jié)怠速旁通閥開度和點火提前角減小怠速轉(zhuǎn)速的波動，所以發(fā)動機實際運行中的點火提前角θ為θ0與模糊輸出量

SymbolDA@ θ之和.

2怠速模糊控制系統(tǒng)

本文怠速轉(zhuǎn)速模糊控制原理如圖5所示，圖中：n為轉(zhuǎn)速；n0為目標(biāo)轉(zhuǎn)速；Δn為轉(zhuǎn)速偏差；n·為偏差變化率.控制系統(tǒng)實時檢測發(fā)動機的n并結(jié)合當(dāng)時的n0計算Δn及n·；模糊推理器以Δn和n·作為輸入變量，經(jīng)過模糊推理操作，得到旁通空氣閥占空比（PWM）和點火提前角（AST）的控制輸出量，對發(fā)動機的運行狀態(tài)進行反饋調(diào)節(jié)，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近.

2.1怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速

怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速n0的高低直接影響發(fā)動機怠速工況的排放性及燃油經(jīng)濟性.為便于與原機進行對比，本文采用與原機相同的怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速.因此，首先借助診斷儀通過試驗對不同冷卻液溫度T下的原機怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速進行了測試，測試結(jié)果如圖6所示.

2.2模糊控制器

怠速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊推理器.模糊控制器完成輸入變量的模糊化、模糊推理和模糊輸出量的精確化等操作.

2.2.1輸入變量的模糊化

在進行模糊推理之前，需要輸入變量進行模糊化處理.本文將輸入變量Δn和n·分別劃分為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（O）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）共7個模糊子集.依據(jù)原機試驗確定了Δn和n·的變化范圍（論域），為了便于表示，將Δn和n·的論域統(tǒng)一量化為[-6，6]

區(qū)間.模糊子集隸屬函數(shù)采用梯形輸入隸屬函數(shù)形式，如圖7所示.

2.2.2模糊推理

模糊推理規(guī)則是專家經(jīng)驗的總結(jié).本文采用的推理形式為

ifXiandXj，thenYk

其中：Xi為第1前提；Xj為第2前提；Yk為結(jié)論；i、j、k分別代表第i、j、k個模糊子集.

所有這樣的控制規(guī)則組成模糊控制規(guī)則集.為將發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速波動控制在最小范圍，利用發(fā)動機試驗并借鑒前人的研究成果，對模糊推理規(guī)則進行了總結(jié).匯總后的控制規(guī)則集如表1所示.

本文采用MAXMIN模糊推理方法.其核心思想是：對于推理規(guī)則來說，將第1前提與第2前提隸屬度中的較小值作為對應(yīng)輸出模糊子集的隸屬度；若不同規(guī)則對于同一個輸出模糊子集有貢獻，取其中的最大輸出隸屬度作為該輸出模糊子集的最終隸屬度.

2.2.3模糊輸出量的精確化

本文中兩個輸出變量PWM和AST相互獨立，且隸屬函數(shù)皆采用單點形式，采用加權(quán)平均判決方法求取精確控制值.其計算公式為

U=∑mj=1（μj×yj）∑mj=1μj

（1）

式中：U為精確輸出量；μj為第j個模糊輸出變量的隸屬度；yj為第j個模糊子集的支持值；m為輸出模糊子集的數(shù)目.

3怠速控制系統(tǒng)的試驗研究

本文搭建的發(fā)動機試驗臺架如圖8所示.通過發(fā)動機水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)使發(fā)動機冷卻液溫度恒定在80 ℃，分別采用原機控制系統(tǒng)和所開發(fā)的怠速模糊控制系統(tǒng)對發(fā)動機進行控制，并利用測功機對發(fā)動機進行模擬加載和卸載，對比測試兩種控制方式下的發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速波動情況.

圖9為加載情況下兩種控制方式的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性對比.原機怠速轉(zhuǎn)速最高為830 r·min-1，最低為740 r·min-1，轉(zhuǎn)速變化最大幅度為90 r·min-1；采用模糊控制，怠速轉(zhuǎn)速最高為815 r·min-1，最低為765 r·min-1，轉(zhuǎn)速變化最大幅度為50 r·min-1.

圖10為兩種控制方式在卸載時的對比情況.原機怠速轉(zhuǎn)速最高為840 r·min-1，最低為780 r·min-1，轉(zhuǎn)速變化最大幅度為60 r·min-1；采用模糊控制方式，怠速轉(zhuǎn)速最高為825 r·min-1，最低為785 r·min-1，轉(zhuǎn)速變化最大幅度為40 r·min-1.

上述結(jié)果表明，采用模糊控制后發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速波動幅度進一步下降，怠速運行質(zhì)量獲得了較大的改善.

4結(jié)論

針對由于汽車發(fā)動機怠速運行工況復(fù)雜而造成難以建立精確數(shù)學(xué)模型的特點，在完成噴油、點火控制系統(tǒng)匹配的基礎(chǔ)上，開發(fā)了怠速模糊控制器.該控制器以發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏差以及偏差變化率為輸入量，通過模糊推理對怠速閥開度和點火提前角進行實時控制.試驗結(jié)果表明，采用模糊控制后，怠速轉(zhuǎn)速對于載荷突變具有更好的適應(yīng)能力，發(fā)動機的怠速運行穩(wěn)定性獲得較大改善.

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