汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性模糊控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究

劉鯊++張振東++尹叢博++程強(qiáng)

摘要： 怠速工況運(yùn)行品質(zhì)是影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能的重要因素.在完成目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、點(diǎn)火系統(tǒng)控制匹配的基礎(chǔ)上，以提高怠速運(yùn)行穩(wěn)定性為目標(biāo)開(kāi)發(fā)了怠速模糊控制器，編寫(xiě)了輸入變量的模糊化、模糊推理過(guò)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)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(dòng)機(jī)怠速工況時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行較好的控制.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊控制能有效改善汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，怠速運(yùn)行質(zhì)量顯著提高.

關(guān)鍵詞：

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)； 怠速轉(zhuǎn)速； 運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性； 模糊控制

中圖分類(lèi)號(hào)： V 433文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

怠速工況是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要工況之一，是指發(fā)動(dòng)機(jī)在保持節(jié)氣門(mén)全關(guān)而維持平穩(wěn)運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速.汽車(chē)在城市道路中行駛時(shí)會(huì)頻繁處于怠速工況.由于怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)不對(duì)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(guò)低時(shí)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)滿(mǎn)足燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)處于怠速工況運(yùn)行時(shí)，還會(huì)受到空調(diào)、動(dòng)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(jì)性降低或排放性能惡化.因此，如何實(shí)現(xiàn)怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1].

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有顯著的非線(xiàn)性、時(shí)變性等特點(diǎn)，使得參數(shù)處理工作量巨大，而且在受到突加載荷作用時(shí)，易出現(xiàn)較大的控制超調(diào).為了對(duì)怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行更理想的控制，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及滑模控制等方法對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的控制效果[2]；結(jié)果顯示，上述控制方法相對(duì)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(jì)算仿真，尚需從實(shí)際控制系統(tǒng)的角度對(duì)其控制的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證.本文以桑塔納AFE電噴發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，借助80C196單片機(jī)開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，利用模糊控制方法對(duì)怠速旁通空氣量和點(diǎn)火提前角進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了怠速穩(wěn)定性的控制，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模糊控制方法的有效性.

1試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

自行開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)處理系統(tǒng)、控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路等.該系統(tǒng)使用檢測(cè)凸輪軸位置、曲軸位置、冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、排氣含氧量的傳感器監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的工況信息.上述信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(jī)為核心構(gòu)建，對(duì)輸入的各種工況信息進(jìn)行運(yùn)算處理，生成噴油時(shí)刻、點(diǎn)火以及怠速旁通閥控制信號(hào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括噴油器、點(diǎn)火線(xiàn)圈初級(jí)電路以及怠速旁通閥三種；驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制單元的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，實(shí)現(xiàn)噴油定時(shí)、點(diǎn)火定時(shí)以及怠速旁通閥開(kāi)度的有效控制.

1.1噴油定時(shí)控制

圖2為噴油控制信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)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(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的氣缸.在控制系統(tǒng)中，按照?qǐng)D2中1—3—4—2的發(fā)火次序?qū)Ω鞲讎娪推鬟M(jìn)行順序噴射控制.噴油基準(zhǔn)信號(hào)安排在各缸壓縮上止點(diǎn)前70°CA，各缸噴油器均從進(jìn)氣行程開(kāi)始前250°CA開(kāi)始噴油.對(duì)不同工況下的空燃比采用不同的控制方式.在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，對(duì)燃油混合氣進(jìn)行加濃控制，并依據(jù)冷卻液溫度結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)分別確定合適的冷起動(dòng)和熱起動(dòng)噴油量；在起動(dòng)后暖機(jī)過(guò)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(guò)渡；當(dāng)冷卻液溫度超過(guò)一定值時(shí)，利用氧傳感器對(duì)空燃比進(jìn)行反饋控制，將空燃比控制在理論混合比附近.

1.2 點(diǎn)火定時(shí)控制

點(diǎn)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(hào)；

點(diǎn)火線(xiàn)圈控制信號(hào)的定時(shí)關(guān)系及產(chǎn)生原理如圖4所示，圖中：Td為基準(zhǔn)信號(hào)與點(diǎn)火脈沖起始點(diǎn)時(shí)間間隔；Ts為點(diǎn)火時(shí)間間隔；Tc為點(diǎn)火蓄能時(shí)

間；θ為點(diǎn)火提前角.發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)某一基準(zhǔn)信號(hào)到來(lái)時(shí)，首先依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫和轉(zhuǎn)速得到基本點(diǎn)火提前角θ0.本次怠速轉(zhuǎn)速的控制中，同時(shí)調(diào)節(jié)怠速旁通閥開(kāi)度和點(diǎn)火提前角減小怠速轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的點(diǎn)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(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的n并結(jié)合當(dāng)時(shí)的n0計(jì)算Δn及n·；模糊推理器以Δn和n·作為輸入變量，經(jīng)過(guò)模糊推理操作，得到旁通空氣閥占空比（PWM）和點(diǎn)火提前角（AST）的控制輸出量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)怠速工況的排放性及燃油經(jīng)濟(jì)性.為便于與原機(jī)進(jìn)行對(duì)比，本文采用與原機(jī)相同的怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速.因此，首先借助診斷儀通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同冷卻液溫度T下的原機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(jìn)行模糊推理之前，需要輸入變量進(jìn)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）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）共7個(gè)模糊子集.依據(jù)原機(jī)試驗(yàn)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(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)控制在最小范圍，利用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)并借鑒前人的研究成果，對(duì)模糊推理規(guī)則進(jìn)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(duì)于推理規(guī)則來(lái)說(shuō)，將第1前提與第2前提隸屬度中的較小值作為對(duì)應(yīng)輸出模糊子集的隸屬度；若不同規(guī)則對(duì)于同一個(gè)輸出模糊子集有貢獻(xiàn)，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(gè)輸出變量PWM和AST相互獨(dú)立，且隸屬函數(shù)皆采用單點(diǎn)形式，采用加權(quán)平均判決方法求取精確控制值.其計(jì)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(gè)模糊輸出變量的隸屬度；yj為第j個(gè)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(yàn)研究

本文搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖8所示.通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度恒定在80 ℃，分別采用原機(jī)控制系統(tǒng)和所開(kāi)發(fā)的怠速模糊控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，并利用測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬加載和卸載，對(duì)比測(cè)試兩種控制方式下的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況.

圖9為加載情況下兩種控制方式的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性對(duì)比.原機(jī)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(shí)的對(duì)比情況.原機(jī)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(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度進(jìn)一步下降，怠速運(yùn)行質(zhì)量獲得了較大的改善.

4結(jié)論

針對(duì)由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行工況復(fù)雜而造成難以建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，在完成噴油、點(diǎn)火控制系統(tǒng)匹配的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了怠速模糊控制器.該控制器以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及偏差變化率為輸入量，通過(guò)模糊推理對(duì)怠速閥開(kāi)度和點(diǎn)火提前角進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊控制后，怠速轉(zhuǎn)速對(duì)于載荷突變具有更好的適應(yīng)能力，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速運(yùn)行穩(wěn)定性獲得較大改善.

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