汽油發動機空燃比PID控制及其實驗研究

韓旭東，張連生，張江燕，楊大偉

(大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連 116605)

汽油發動機空燃比PID控制及其實驗研究

韓旭東，張連生，張江燕，楊大偉

(大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連 116605)

針對汽油發動機氣缸進氣量變化引起空燃比變化的問題，設計一種基于PID的反饋控制器保證空燃比能夠快速恢復到理想值。首先給出一種基于模型的進氣量估計算法，在此基礎上設計了空燃比前饋控制器；然后將前饋控制與PID反饋控制相結合實現發動機噴油量的調節，利用基于實際實驗數據構建的仿真器對提出的算法進行數值仿真研究與分析；最后通過發動機實時控制實驗平臺驗證了控制算法的有效性。

汽油發動機；空燃比；進氣量估計；PID控制

汽油發動機的空燃比表示進氣量與燃料的混合比。空燃比的控制精度一定程度上決定了發動機的效率和廢氣排放量[1]。當前，發動機控制研究以提高發動機效率和減少發動機廢氣排放為主要方向。作為判斷發動機性能的重要指標和發動機控制的基本變量[2]，空燃比控制在發動機控制研究中是一個重要的問題。

近年來，國內外學者對發動機空燃比控制算法進行了很多研究。比例積分微分(PID)控制方便實現，不需要精確的發動機控制模型，只需要對比例、積分、微分參數進行調節，在工程控制問題中得到了廣泛的研究和應用[3]。模型預測控制(Model Predictive Control, MPC)以預測模型為基礎，采用二次在線滾動優化性能指標和反饋校正策略來克服受控對象建模誤差和結構、參數與環境等不確定性因素的影響[4]。神經網絡控制具有自主學習、自動調整參數的功能，但是計算量大，對計算機運算能力要求較高[5]。

本文首先基于發動機運行機理與實驗數據，建立發動機進氣流量模型，獲得了氣缸進氣量估計算法[6]，由此設計了噴油量前饋控制器。在此基礎上提出了結合前饋控制的PID反饋控制器。通過數值仿真測試發現，該算法反饋控制參數易于調整并能獲得理想空燃比響應性能。利用位于日本東京上智大學聯合日本豐田汽車公司建立的發動機實時控制實驗室(以下稱為“申研究室”)對算法進行了進一步的測試，結果表明在發動機運行工況變化時，控制算法可對空燃比進行有效控制。

1 問題描述

一個四沖程發動機的工作方式可簡單描述如下：節氣門開度的變化控制空氣進入量，然后空氣將進入燃燒室與適當燃料混合，該過程稱為吸氣沖程；通過壓縮沖程，氣缸的空氣燃料混合物被壓縮，并在一個適當時間(點火提前角)被點燃；點燃后的燃料發生爆炸，產生的能量會轉化為作用于發動機曲軸的扭矩輸出，形成做功沖程；最后，在排氣沖程將燃燒后的氣體排除燃燒室。內燃機是一個涉及許多控制回路的復雜系統，而空燃比作為發動機系統的一個重要參數，其控制是一個重要的回路[7]。通常，利用安裝在排氣管的氧傳感器測量實時空燃比，再將空燃比信號反饋回發動機電子控制單元(Electrical Control Unit, ECU)用于構建空燃比控制算法來修正下一周期的燃油噴射量，如圖1。

圖1 內燃機控制系統示意圖

2 控制器設計

本文提出的空燃比控制系統結構如圖2，包括一個前饋控制回路和一個反饋控制回路。

圖2 控制系統結構

2.1 前饋控制回路

前饋控制是依據發動機轉速ω、節氣門開度φ與噴油量計算理論噴油量uff。基于實驗數據，通過模型辨識技術獲得進氣流量的估計[9]

(2)

然后，基于式(1)可得到理論噴油量

（2）齊波夫定律雖然在使用上方便、簡單，但在數學推導上存在空白區，致使難以對誤差大小進行判斷［10］。

(3)

2.2 反饋控制回路

反饋控制回路用于提高控制器瞬態控制性能，通過比較實際空燃比與理想空燃比AFRs得到補償量Δuf，最終得到噴油指令uf為

uf=uff+Δuf。

(4)

本文重點對反饋控制回路進行設計，利用PID控制原理，通過調節PID參數，完成控制器設計。PID控制是一個在工業控制應用中常見的反饋控制回路，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。理論上，PID控制的基礎是比例控制；積分控制可消除穩態誤差，但可能增加超調量；微分控制可加快大慣性系統響應速度，減弱超調趨勢。定義空燃比誤差信號：e(t)=AFRs-AFR。則控制器的輸入信號e(t)與輸出Δuf(t)的關系為

(5)

式中，kp代表比例系數，ki代表積分系數，kd代表微分系數。

3 仿真與結果

首先基于日本上智大學申研究室提供的發動機系統仿真器對所設計的控制器進行仿真研究。實驗條件為：發動機輸出扭矩恒定，調節節氣門開度從而引起進氣量發生變化，噴油量隨著進氣量改變而變化，使得空燃比能夠迅速恢復到理想狀態。在此運行工況下，對于發動機系統有三個輸入，分別是節氣門開度、發動機負載以及空燃比控制輸入量即噴油量。同時，檢測發動機轉速及發動機空燃比，實現如式(4)的噴油控制 。然后，通過調節PID的三個參數，使得空燃比響應性能達到理想效果。本文PID參數調節的具體方法如下：

(1)加入比例作用。將積分參數和微分參數設置為0，取消積分和微分作用，由小至大調節比例參數，直到系統響應速度變快且有一定超調為止。

(2)加入積分作用。由小到大逐漸增加積分系數，可以看到系統靜態誤差逐漸減小直到消除。經過反復調試，確定合適的控制參數kp和ki，使得調節時間短且超調量較小。

(3)加入微分作用。由小到大調節微分參數，觀察系統超調量和穩定性，同時適當調節比例和積分系數，使得系統超調量和穩態誤差達到滿意程度。

在對PID控制器系數進行整定時，節氣門開度輸入信號如圖3，節氣門在第5，15，25，35 s時發生變化。其中在第5 s和第35 s時節氣門開度變大，此時發動機進氣量增加；在第15 s和第25 s時節氣門開度變小，發動機進氣量減少。

圖3 節氣門開度輸入信號

為了對比，首先采用只有式(3)表示的前饋噴油輸入量。前饋控制仿真結果如圖4，從中可以看出當節氣門開度變化時，僅采用理論噴油量，空燃比不能迅速恢復到穩定狀態，且由于式(2)中估計值存在的誤差，空燃比不能收斂于理想狀態。加入反饋控制后的仿真結果如圖5-7。圖5中曲線為僅采用比例控制時的結果，其中比例系數kp=30。仿真過程顯示，隨著比例系數不斷增加，系統響應時間變短，同時空燃比輸出出現超調量。但由該結果可以看出，僅用比例控制時，系統輸出存在穩態誤差，因而考慮停止增加比例系數并引入積分控制環節。采用PI控制的結果如圖6，其中kp=25,ki=35。由該結果可以看出加入積分作用以后，系統穩態誤差消除。進一步引入微分控制環節，其仿真結果如圖7所示，其中控制器參數選定為kp=21,ki=30,kd=3，此時系統超調量為7.48 %，峰值時間為1.30s，調整時間為1.48s，性能指標滿足發動機空燃比控制要求。

圖4 前饋控制仿真結果

圖5 比例反饋控制仿真結果

圖6 比例積分反饋控制仿真結果

圖7 PID反饋控制仿真結果

仿真驗證后，利用申研究室的發動機控制實驗平臺對所提出的控制器進行測試，如圖8。該實驗平臺所用發動機為豐田汽車公司的2GR-FSEV型 6 缸汽油發動機，排量3.5L，最大功率227kW/6 400rpm，最大扭矩377Nm/4 800rpm。這臺發動機應用了進、排氣門雙可變氣門正時系統以及可變進氣歧管，采用D4-S直噴系統，即每缸兩個噴油嘴的設計(一個安置于氣缸內，另一個位于進氣歧管處)。

圖8 發動機實時控制實驗臺架

該實驗平臺包含了由dSPACE構建的快速原型控制器，該控制器與發動機ECU通過Bypass相結合用于實現發動機的實時控制。dSPACE實時控制系統融合了MATLAB/Simulink/Real-TimeWorkshop, 并且擁有實時性強、可靠性高、擴充性好等優點。它的硬件系統的處理器具有高速的計算能力，并配備了豐富的I/O支持，同時其軟件環境包含實現代碼自動生成、下載和試驗與調試的整套工具。此外，該實驗臺架還包含了與發動機相連的低慣性電力測功機用于模擬發動機負載。對仿真測試進行驗證，得到實驗結果如圖9。

圖9 實驗驗證結果

圖中給出了節氣門開度、發動機轉速、噴油控制輸入量以及空燃比的曲線。為了實現實際系統的噴油控制，噴油量換算為以mmL為單位。由實驗結果可以看出當節氣門開度變大時，發動機轉速上升，進氣量增加導致空燃比減小；而當節氣門開度變小時，發動機轉速下降，進氣量減少導致空燃比增大。實驗結果表明提出的控制器能快速調節噴油量，從而使空燃比迅速恢復到理想狀態。

4 結 論

本文針對汽油發動機在進氣量變化時空燃比控制的問題，結合基于模型的前饋控制器設計了PID反饋控制器。控制系統前饋控制算法的實現采用了基于機理及實驗結合的方法構建系統模型。該模型能夠反映發動機主要運行工況的主要特征，

通過發動機系統仿真器進行仿真實驗，獲得了在節氣門發生約14 %的變化量時，空燃比輸出滿足超調量為7.48 %且調整時間為1.48s的控制器。與前期相關研究[5-6]相比，本文提出的控制算法結構簡單且計算量小，在實際應用中易于實現，是提高發動機運行狀態性能的一種有效手段。

5 致 謝

本文研究內容是在日本科學振興機構(JST)發起的“櫻花科技計劃”項目的資助下實施的。同時，感謝日本上智大學申研究室提供實驗平臺并感謝申研究室康銘鑫、于開江博士后以及博士研究生張亞輝在研究過程中給予的指導及實驗環節中的輔助工作。

[1] 曲玲. 汽車發動機空燃比控制方法的分析與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2009.

[2] 劉一鳴，劉偉，花志遠，等.基于模糊PID的電噴天然氣發動機空燃比控制策略研究[J].內燃機工程，2012，3(33): 14-19.

[3]POSTMAM,NAGAMUNER.Air-fuelratiocontrolofsparkignitionenginesusingaswitchingLPVcontroller[J].IEEETrans.onControlSystemsTechnology, 2012, 20(5): 1171-1187.

[4]POSTMAMJ，NAGAMUNER.LPV-basedAir-fuelratiocontrolofsparkignitionenginesusingtwogainschedulingparameters[C]//ProceedingsoftheASME2010DynamicSystemsandControlConference,Massachusetts:Cambridge, 2010: 665-672.

[5] 孫強,吳黎輝,姚峰,等. 基于神經網絡自適應PID的發動機轉速控制對策分析[J]. 電子技術與軟件工程, 2015, 3:167-168.

[6]JIAOX,SHENT.Lyapunov-Designofadaptiveair-fuelratiocontrolforgasolineenginesbasedonmean-valuemodel[C]//Proceedingsofthe30thChineseControlConference.Yantai, 2011: 6146-6150.

[7] 蔣文科,呂玉江,鄺樸生. 汽油發動機空燃比控制系統[J]. 河北科技大學學報,2001,22(3):1-5.

[8] 康銘鑫. 復雜路面條件下汽車牽引力控制算法研究[D].秦皇島：燕山大學, 2012.

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(責任編輯 鄒永紅)

PID Control of Air-fuel Ratio for Gasoline Engine and Its Experimental Validation

HAN Xu-dong, ZHANG Lian-sheng, ZHANG Jiang-yan, YANG Da-wei

(School of Electromechanical Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

For the problem of air-fuel ratio (AFR) variation caused by the air charge changing in the gasoline engine, a PID-based feedback controller is designed to guarantee that the AFR can converge to the ideal value quickly. First, a model-based air-charge estimation algorithm is proposed. With this estimation, a feedforward controller is designed. Then, the fuel injection regulation is realized by combining the feedforward controller and the PID feedback controller. The performance of the control system is evaluated with a simulator constructed with experimental data. Finally, the control scheme is validated on a real-time engine control test bench.

gasoline Engine; air-fuel ratio; air-charge estimation; PID control

2016-10-11；最后

2016-11-29

櫻花科技計劃項目(S2016F0322006)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DC201502010303)。

韓旭東(1993-)，男，河北張家口人，大連民族大學機電工程學院碩士研究生，主要從事控制理論及其在汽車動力系統控制中的應用研究。

張江燕(1982-)，女，河北石家莊人，講師，博士，主要從事控制理論及其在汽車動力系統控制中的應用研究，E-mail:zhang-jiangyan@dlnu.edu.cn。

2096-1383(2017)01-0040-04

U

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