基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

教傳艷

(1.沈陽工學(xué)院 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 撫順 113122；(2.遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 撫順 113122)

0 引言

為了減少柴油機(jī)工業(yè)生產(chǎn)中廢氣的排放，采用柴油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)對部分廢氣進(jìn)行再循環(huán)和調(diào)節(jié)，避免對環(huán)境造成污染。隨著內(nèi)燃機(jī)尾氣回收技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用，對其排放標(biāo)準(zhǔn)和排放法規(guī)的要求也越來越高[1]。目前，針對柴油機(jī)系統(tǒng)的排氣回流及冷卻程度的研究也在不斷地探索研究，例如在系統(tǒng)輸出功率較小的情況下，柴油微粒排放就會增加，燃油的動力性明顯降低，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性較低[2]；在系統(tǒng)輸出功率較大而柴油機(jī)的排氣循環(huán)控制系統(tǒng)控制較差，此時(shí) NO等廢氣的排放量就會增大，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境。因此，針對這一問題，相關(guān)學(xué)者對柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)做出了研究，并得出了一定的研究成果。

王曉[3]設(shè)計(jì)了一種防爆廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)?；诜辣那鹄锕茉?，對防爆柴油機(jī)水泵選型，計(jì)算整體散熱量作為冷卻系統(tǒng)約束條件，控制系統(tǒng)散熱量在計(jì)算值的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)防爆廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)；舒堅(jiān)等[4]提出根據(jù)動態(tài)矩陣算法的濕法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化策略，在使用漿液循環(huán)泵基礎(chǔ)上，將漿液向上運(yùn)送，采用粒子群優(yōu)化算法對脫硫系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)迭代優(yōu)化，建立DMC控制策略。該方法的SO2質(zhì)量濃度變化范圍更小，分布集中，控制品質(zhì)更好。

針對上述方法存在的問題，面對該情況，提出了基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對向量機(jī)系統(tǒng)線性方程解作為損失函數(shù)，避免控制誤差，降低計(jì)算復(fù)雜程度，縮短系統(tǒng)控制延遲時(shí)間，提高系統(tǒng)控制效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將柴油機(jī)廢氣燃燒于汽缸中，不僅降低了燃燒溫度，還破壞了高溫下一氧化氮和富氧的形成條件[5]。與此同時(shí)，柴油尾氣在尾氣回流時(shí)得到冷卻，減少內(nèi)燃機(jī)排放[6]。氣冷式和水冷式是柴油機(jī)排氣循環(huán)冷卻方式，空氣冷卻器易于實(shí)現(xiàn)，但冷卻效果差，不宜用于高溫柴油廢氣。水容大于熱容，冷卻效果較好，故以水為介質(zhì)冷卻，機(jī)組采用電控方式，能自動控制泵的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)來調(diào)控排煙溫度[7]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為簡單，以原有冷卻系統(tǒng)為基礎(chǔ)，包括伺服電動泵、冷卻器、散熱器、控制閥及電控單元等[8]。通過系統(tǒng)控制閥，冷卻器獨(dú)立地冷卻產(chǎn)生的廢氣，此時(shí)經(jīng)過散熱器流出的水溫度較低，保證了控制閥的冷卻效果[9]。將電動水泵安裝到控制閥冷卻器的進(jìn)水管中，最大程度避免冷卻液回流，提升控制閥的安全性。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該系統(tǒng)曲軸位置傳感器的傳感器輸出信號是由脈沖信號和模擬電壓傳感器提供的，微機(jī)控制系統(tǒng)通過其多路開關(guān)控制各傳感器的模擬信號，可編程放大器在單片機(jī)系統(tǒng)控制下進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，使不同的信號振幅在強(qiáng)度上達(dá)到/D/A轉(zhuǎn)換的要求，然后將模數(shù)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給微處理器系統(tǒng)[10]。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對單片機(jī)進(jìn)行光電隔離和信息處理，利用數(shù)字信號的輸入可完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。因?yàn)樽儞Q后的電壓信號不能直接驅(qū)動泵，所以要用電源來驅(qū)動，最后才能使泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 電控單元

電控單元采用AT89C5140單片機(jī)，通過曲軸位置傳感器測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖，傳遞給電子控制裝置。通過裝置中的輸入信號實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號形式的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行存儲，從而有效地控制輸出信號。

2.2 傳感器

柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)主要用到了供油齒條位置傳感器、發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳感器、油門位置傳感器及柴油機(jī)廢氣再循環(huán)溫度傳感器。

供油齒條位置的傳感器選用E3S-CS3C1D光電式位置傳感器，其每一轉(zhuǎn)能達(dá)到50～5000脈沖(cpr)輸出，負(fù)責(zé)采集發(fā)動機(jī)提供負(fù)荷信號，若負(fù)荷值較小時(shí)，電控單元輸出控制信號，發(fā)動機(jī)排氣冷卻泵的轉(zhuǎn)速減小，若負(fù)荷值達(dá)到較大值時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速增大[11]。發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳感器選用LM60CIM3 型溫度傳感器，負(fù)責(zé)采集并傳輸內(nèi)燃機(jī)溫度信號，溫度在50 ℃以下時(shí)，柴油機(jī)排氣再循環(huán)冷卻泵停止工作。油門位置傳感器選用M8M12M18型電容式位移傳感器，負(fù)責(zé)采集發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)信號，發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)不利于尾氣回收，此時(shí)電控裝置輸出控制信號，泵停止轉(zhuǎn)動。柴油機(jī)廢氣再循環(huán)溫度傳感器向電控單元發(fā)出反饋信號，控制電控泵調(diào)節(jié)冷卻水。

2.3 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)電路中廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的仿真，必須在電子控制單元與廢氣再循環(huán)系統(tǒng)閥門之間建立通信，使電子控制單元能夠根據(jù)來自發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)的信號來判斷發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)閥門的開啟和關(guān)閉[13]。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

由圖3可知，傳感器信號發(fā)生器與電控單元的連接方式主要有兩種：1)從發(fā)動機(jī)信號發(fā)生器發(fā)出的信號通過線束和相應(yīng)的模擬或數(shù)字信號接口與電控裝置相連；2)通過 CAN總線將凸輪軸相位輸入到主控核[14]。脈寬調(diào)制的驅(qū)動信號由電控裝置發(fā)出，其電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)與脈寬調(diào)制開啟的排氣回流閥通過線束連接[15]，控制廢氣再循環(huán)閥的開啟。

2.4 冷卻系統(tǒng)伺服水泵

冷卻系統(tǒng)的伺服水泵是通過控制液壓泵[16]，直接向液壓缸提供動力的，由此構(gòu)成了冷卻系統(tǒng)伺服泵。液壓缸是伺服泵的動力來源，其主要控制原理是根據(jù)不同的工作條件，安排不同的液壓流量的供給量，從而提高能源利用率。通過伺服電機(jī)的供水量可知，液壓水循環(huán)次數(shù)將降低，水溫也會降低。而且，選用伺服電機(jī)和水泵還能有效降低噪音，有利于維護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 基于自適應(yīng)LS-SVM應(yīng)用原理

應(yīng)用自適應(yīng)LS-SVM原理控制柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻過程[17]。自適應(yīng)LS-SVM原理能夠?qū)VM優(yōu)化問題的非等式約束用等式約束替換。設(shè)置柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的控制目標(biāo)：正常運(yùn)行、排氣門漏氣多或少、進(jìn)排氣縫隙大或小，計(jì)算訓(xùn)練樣本集的控制邊界值，利用最小二乘支持向量機(jī)決策函數(shù)得到最佳控制值，并輸出至硬件控制模塊，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(1)

式(1)中，φ(·)表示權(quán)向量和空間映射函數(shù)；ω表示權(quán)向量；ei表示控制誤差；b表示偏移項(xiàng)；γ表示容錯(cuò)懲罰函數(shù)。

定義拉格朗日函數(shù)為：

L(ω,b,e,α)=

J(ω,e)-∑αi(y[φ(xi)×ω+b]-1+ei)

(2)

公式(2)中，αi表示拉格朗日乘子。當(dāng)訓(xùn)練集合中存在輸入樣本滿足0<αi<γ條件時(shí)，可將這些輸入樣本視為支持向量。

為了將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程問題，需要消除權(quán)向量和控制誤差[18]，得到如下所示線性方程：

(3)

公式(3)中，I、Ω均表示核函數(shù)。依據(jù)該公式，可得到偏移項(xiàng)，并得到任意一項(xiàng)測試樣本的分類最小二乘支持向量機(jī)決策函數(shù)為：

(4)

公式(4)中，K表示核函數(shù)。

3.2 控制過程

(5)

使用基于自適應(yīng)LS-SVM輸出編碼的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)控制過程，如下所示：

1)采用開環(huán)控制和自適應(yīng)LS-SVM主從式控制方法，對在不同工況下發(fā)動機(jī)的排氣溫度，通過MAP前饋進(jìn)行控制確定[20]。

2)分析各傳感器的信號，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、供油齒條的位置等，利用電子控制單元推斷發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。

3)在測量工況參數(shù)的基礎(chǔ)上，由電控單元輸出信號，控制柴油機(jī)尾氣循環(huán)冷卻伺服泵的轉(zhuǎn)速，從而控制冷卻水的流量，實(shí)現(xiàn)對水溫的控制。它的功能是判斷發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，決定工作水溫，并控制發(fā)動機(jī)。基于電控裝置設(shè)定的溫度控制，作為輔助控制的自適應(yīng)LS-SVM控制系統(tǒng)，為達(dá)到所要求的柴油機(jī)排氣溫度，實(shí)現(xiàn)對伺服控制泵的高低速旋轉(zhuǎn)或停止比的實(shí)時(shí)控制。

以電動水泵為控制對象，利用自適應(yīng)LS-SVM對電動水泵平均轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在控制目標(biāo)較遠(yuǎn)的情況下，還可以高速運(yùn)行，并在預(yù)報(bào)的溫度附近向泵輸送低電壓，控制執(zhí)行部門可以根據(jù)控制差來調(diào)整速度。

綜上，基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制流程如圖4所示。

圖4 柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，使柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有合理性和有效性。

4.1 試驗(yàn)對象確定

以某汽車廠商生產(chǎn)的柴油機(jī)為試驗(yàn)對象，參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)性能參數(shù)

原始的柴油機(jī)NO排放量超過了國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，本文所選柴油機(jī)采用進(jìn)氣節(jié)流式結(jié)構(gòu)，通過增壓器渦輪提供進(jìn)氣量，發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)過再循環(huán)冷卻系統(tǒng)，引入到進(jìn)氣管中，避免廢氣對環(huán)境污染。

4.2 系統(tǒng)控制效果測試

在此基礎(chǔ)上，以文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法作為實(shí)驗(yàn)對比方法，分別測試3種方法對柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制的效果，如圖5所示。

圖5 3種系統(tǒng)控制效果對比分析

由圖5可知，使用基于非參數(shù)模型的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢與設(shè)定開度走勢相差較大，曲線高峰值為90；基于動態(tài)控制算法的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢與設(shè)定開度走勢不一致，曲線高峰值為75；基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢與設(shè)定開度走勢一致，曲線高峰值為75。

當(dāng)柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)閥設(shè)置開度較小時(shí)，電磁驅(qū)動裝置產(chǎn)生的驅(qū)動力較小。由于復(fù)位彈簧影響，基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢與設(shè)定的開度稍有偏差。隨著設(shè)定開度增大，該系統(tǒng)開度隨著設(shè)定開度變化趨勢而發(fā)生改變，且偏差較小為1開度。說明使用基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)，具有良好穩(wěn)態(tài)特性，有效克服了系統(tǒng)中時(shí)滯問題，能夠有效控制柴油機(jī)廢氣的再循環(huán)冷卻。

5 結(jié)束語

柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)采用自適應(yīng) LS-SVM的技術(shù)，采用組態(tài)法對柴油機(jī)排氣循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲取柴油發(fā)動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)不同工況下的最佳控制。內(nèi)燃機(jī)排氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定，能有效降低氮氧化物排放，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。通過設(shè)計(jì)的再循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可知，控制時(shí)阻塞較小，能夠有效降低NO等廢氣的排放，使一氧化氮在各種工作條件下均處于最佳狀態(tài)。

雖然現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)，但仍有大量的創(chuàng)新研究工作要做。該控制系統(tǒng)可用于今后研制的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，通過對控制系統(tǒng)各部件參數(shù)的優(yōu)化控制，使得它在運(yùn)行中不影響發(fā)動機(jī)性能，降低使用成本，最終達(dá)到廢氣低排放的目的。