基于模糊邏輯理論的發動機怠速控制研究

李佳怡++錢同云

摘要：針對電控發動機中怠速控制（Idle Speed Control， ISC）系統工作過程的特點和規律，把模糊邏輯理論應用于發動機的怠速控制，提出了相應的模糊控制規律及模糊控制表，根據模糊控制規則建立了怠速控制系統的數學模型，在MATLAB/Simulink動態仿真集成環境中進行了怠速跟蹤性和抗干擾性的仿真研究，結果表明系統怠速平穩，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學模型。而傳統的PID控制又依賴于系統精確的數學模型，所以很難達到理想的控制效果。然而，模糊控制的優點恰是不依賴系統精確的數學模型，它模仿人在控制活的中的模糊概念和控制策略，對系統的參數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是很好的結合。本文根據電控發動機的怠速系統的工作特點，設計了怠速模糊控制系統，根據模糊控制規則建立了怠速控制系統數學模型，并進行了MATLAB/Simulink的仿真研究。

1 怠速模糊控制系統工作原理

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ECU計算后確定怠速電動機調節步數u及發動機的目標怠速轉速n0。控制系統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 怠速控制系統數學模型

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動態模型簡化成單輸入/單輸出的控制系統，輸入量為步進電動機的工作步數，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的精確模型，因此，通常將怠速控制系統的數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 怠速旁通閥數學模型

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

在發動機怠速運行的狀態下，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 發動機數學模型

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模型，離散的狀態空間表達式可近似為公式1所示。

3 模糊規則的確定

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

發動機轉速的誤差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則，總結為模糊控制規則表2。表2表示的模糊規則為：

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 系統仿真

在Matlab/Simulink環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定性。

參考文獻

[1]李國勇.智能控制及其MATLAB實現[M].北京：電子工業出版社，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：機械工業出版社，1999.

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

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

摘要：針對電控發動機中怠速控制（Idle Speed Control， ISC）系統工作過程的特點和規律，把模糊邏輯理論應用于發動機的怠速控制，提出了相應的模糊控制規律及模糊控制表，根據模糊控制規則建立了怠速控制系統的數學模型，在MATLAB/Simulink動態仿真集成環境中進行了怠速跟蹤性和抗干擾性的仿真研究，結果表明系統怠速平穩，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學模型。而傳統的PID控制又依賴于系統精確的數學模型，所以很難達到理想的控制效果。然而，模糊控制的優點恰是不依賴系統精確的數學模型，它模仿人在控制活的中的模糊概念和控制策略，對系統的參數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是很好的結合。本文根據電控發動機的怠速系統的工作特點，設計了怠速模糊控制系統，根據模糊控制規則建立了怠速控制系統數學模型，并進行了MATLAB/Simulink的仿真研究。

1 怠速模糊控制系統工作原理

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ECU計算后確定怠速電動機調節步數u及發動機的目標怠速轉速n0。控制系統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 怠速控制系統數學模型

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動態模型簡化成單輸入/單輸出的控制系統，輸入量為步進電動機的工作步數，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的精確模型，因此，通常將怠速控制系統的數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 怠速旁通閥數學模型

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

在發動機怠速運行的狀態下，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 發動機數學模型

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模型，離散的狀態空間表達式可近似為公式1所示。

3 模糊規則的確定

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

發動機轉速的誤差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則，總結為模糊控制規則表2。表2表示的模糊規則為：

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 系統仿真

在Matlab/Simulink環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定性。

參考文獻

[1]李國勇.智能控制及其MATLAB實現[M].北京：電子工業出版社，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：機械工業出版社，1999.

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

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

摘要：針對電控發動機中怠速控制（Idle Speed Control， ISC）系統工作過程的特點和規律，把模糊邏輯理論應用于發動機的怠速控制，提出了相應的模糊控制規律及模糊控制表，根據模糊控制規則建立了怠速控制系統的數學模型，在MATLAB/Simulink動態仿真集成環境中進行了怠速跟蹤性和抗干擾性的仿真研究，結果表明系統怠速平穩，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學模型。而傳統的PID控制又依賴于系統精確的數學模型，所以很難達到理想的控制效果。然而，模糊控制的優點恰是不依賴系統精確的數學模型，它模仿人在控制活的中的模糊概念和控制策略，對系統的參數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是很好的結合。本文根據電控發動機的怠速系統的工作特點，設計了怠速模糊控制系統，根據模糊控制規則建立了怠速控制系統數學模型，并進行了MATLAB/Simulink的仿真研究。

1 怠速模糊控制系統工作原理

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ECU計算后確定怠速電動機調節步數u及發動機的目標怠速轉速n0。控制系統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 怠速控制系統數學模型

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動態模型簡化成單輸入/單輸出的控制系統，輸入量為步進電動機的工作步數，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的精確模型，因此，通常將怠速控制系統的數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 怠速旁通閥數學模型

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

在發動機怠速運行的狀態下，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 發動機數學模型

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模型，離散的狀態空間表達式可近似為公式1所示。

3 模糊規則的確定

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

發動機轉速的誤差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則，總結為模糊控制規則表2。表2表示的模糊規則為：

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 系統仿真

在Matlab/Simulink環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定性。

參考文獻

[1]李國勇.智能控制及其MATLAB實現[M].北京：電子工業出版社，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：機械工業出版社，1999.

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

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