汽油機怠速模糊-PID控制系統研究與分析

王建 張振東

摘要：為了進一步控制汽油機怠速轉速波動，改善怠速控制品質，提出了怠速模糊_PlD控制方法，并在Matlab/Simlllink軟件平臺上，搭建了PID控制、模糊控制、模糊-PID三種怠速控制仿真模型，對比分析了各種怠速控制系統的控制響應特性。通過臺架試驗，對原機控制算法和所設計控制算法下發動機怠速轉速進行了對比，驗證了該算法的正確性。結果表明：模糊_PID控制系統可以顯著縮小轉速波動范圍，且系統響應更快，載荷切換階段的轉速波動最大幅值小于30r·min^-1，穩態波動幅值在±15r·min^-1。范圍內;與PlD控制、模糊控制兩種控制方式相比，模糊_PlD控制可顯著提高怠速控制品質。

關鍵詞：汽油機;模糊-PID;怠速轉速

中圖分類號：TK411文獻標志碼：A

怠速控制方式的選擇與燃油消耗、燃燒穩定性和排放有關。據調查，大約30%的城市車輛燃油消耗在汽油機怠速模式，因為在怠速下，為了確保燃燒的穩定性，通常采取較濃的混合模式。影響怠速轉速主要有三個因素：①當發動機暖機開始后，潤滑油的熱效應影響內部負載的變化;②外部負載，如空調加載、動力轉向液壓泵等;③汽油機環境條件的變化。汽油機怠速控制系統應該使發動機轉速在小范圍內波動。對于怠速而言，轉速低，汽油機不穩定性增加，但是轉速高，燃油消耗高。

為了在怠速工況下使發動機在低排放下以最低的穩定轉速（目標怠速）運行，本文提出了一種新型的模糊-PID（fuzzy proportional-integral-derivative）汽油機怠速控制系統。發動機模型選取平均值模型（mean value engine model，MWM），該模型是一種基于時間的控制模型。根據調查，無論在穩態工況還是動態工況下，模型與給定發動機之間仿真綜合性能偏差約為5%。由于怠速過程具有明顯的非線性、時變性和不確定性，因此很難建立精確的數學模型和設計有效的控制算法，但是模糊PID控制結合了傳統PID和模糊控制的優點，具有魯棒性、系統響應更快的特點。

1汽油機模型

本文采用的汽油機仿真模型略不同曲軸轉角對應的缸內變化，對各缸狀態進行平均化處理，是一種基于時間的控制模型。MVEM模型主要有三個核心模塊：油膜、曲軸和進氣歧管模塊。本文在MVEM模型的基礎上，增加了一個控制器模塊，從而可對發動機怠速轉速進行控制。發動機建模參數如表1所示，表中：A為燃燒消耗的空氣質量;F為燃燒消耗的燃油質量;EGR表示廢氣再循環系統氣體。

2.3.2建立模糊控制規則表

模糊控制規則確定，實質上是總結有經驗的操作者或專家的控制知識和經驗得出的模糊條件語句的集合。在不同的轉速偏差△n和轉速偏差變化率dn/dt下，輸出變量u具有如下規律：

（1）E、EC均為NB，表示實際轉速過小，而且轉速偏差有進一步增大趨勢，怠速閥應開正大，即u取PB;

（2）E為NB，EC為PM，表示實際轉速過小，但是轉速偏差誤差有減小的趨勢，因此怠速閥開度取PS即可;

（3）E為NB，EC為PB，表示實際轉速過小，但是系統本身有減小誤差的趨勢，因此輸出控制變量取ZO，此時汽油機轉速平穩增加。

U的模糊控制規則如表2所示。

2.3.3模糊推理和去模糊化

模糊推理由條件聚合、推斷和累加三部分組成。模糊推理首先計算每一條規則的滿足程度，然后根據條件的滿足程度推斷單一規則輸出的大小，最后將所有規則的輸出累加，得到總的模糊輸出。本文選用較為常見的推理方法Mamdani型，采用重心法求取精確控制值。圖3為輸出變量U的模糊推理輸入輸出特性曲面。

2.3.4模糊-PID參數

在模糊-PID控制仿真系統中，通過添加一個智能開關來判斷轉速誤差絕對值。當轉速誤差小于70r·min^-1，控制系統采用模糊控制算法;當轉速誤差大于70r·min^-1，控制系統采用PID控制算法。在仿真實驗時，根據工程經驗，反復調整PID控制算法的比例、積分、微分參數，使系統的性能達到最優，此時KP、Ki、Kd分別為0.4、0.005、0.2。

3怠速控制仿真建模

利用仿真軟件Matlab中Simufink模塊對汽油機怠速系統進行控制仿真。本文采用發動機平均值模型，并在此基礎上增加了發動機怠速目標基本轉速確定模塊和怠速控制模塊，對比分析3種不同的控制方式（PID控制、模糊控制、模糊PID控制）對怠速轉速的影響。發動機怠速仿真模型如圖4所示。

3.1冷卻水溫度與怠速轉速的關系

怠速目標轉速是經過各種負荷干擾因素的修正后得到的實際目標轉速值，然而由于實驗數據有限，本文只考慮冷卻水溫度和空調突加負載兩個因素。通過對實驗數據進行插值擬合，得到冷卻水溫度x與基本目標怠速轉速Py（x）的關系，即

P2（x）=0.0299x²-5.0758x+1029.4（17）式中，x為冷卻水溫度，x∈[-30，100]℃。

3.2目標轉速修正

當開啟空調時，發動機的目標轉速將有一定的提升。一般怠速工況下，空調加載，目標怠速轉速相應增加50～100r·min^-1。本文設置空調加載時，目標轉速增加60r·min^-1。當空調關閉時，怠速目標轉速恢復至800r·min^-1。

4怠速控制結果仿真及分析

根據以上怠速控制仿真模型進行仿真試驗，當冷卻水溫度達到80℃時，發動機暖機結束，轉入正常的怠速控制。設置冷卻水溫度恒定在85℃，點火提前角為15°，在不同條件下采用三種控制算法（PID控制、模糊控制、模糊-PID控制）控制汽油機怠速，從而得到三種不同怠速工況下的響應曲線，對其進行分析對比。

4.1怠速穩態工況

當冷卻水溫度恒定在85℃，怠速目標轉速穩定在800r·min^-1，且無負載突變工況時，三種控制算法的轉速仿真曲線如圖5所示。由圖中可知：模糊PID怠速控制調節時間最短，約為15s，穩態誤差為10r·min^-1左右，且無超調現象;而PID控制與模糊控制算法存在超調量大或穩態誤差大的問題，發動機轉速波動大。

4.2怠速動態工況

在22s時突然開啟空調，怠速目標轉速從800r·min^-1升至860r·min^-1，然后在37s時關閉空調，怠速目標轉速又回到800r·min^-1。圖6為怠速動態工況下三種控制算法的轉速仿真曲線，結果表明：怠速穩定22s后開啟空調，模糊PID怠速與目標轉速（860r·min^-1）最大偏差10r·min^-1左右，無超調現象，調節時間在5s以內;而傳統PID控制算法與模糊控制算法，在系統有干擾時，有明顯的超調現象。這表明模糊PID控制系統具有很強的魯棒性。

5臺架怠速試驗

試驗采用1275CC型汽油機，冷卻水溫度設置為85℃，通過安裝在曲軸飛輪上的轉速傳感器采集轉速信號。采用北京意昂公司ECM048-0701控制器，將模糊-PID控制算法應用在發動機臺架上。臺架中所用主要試驗儀器及設備如表3所示。

由試驗測得的發動機怠速穩定性曲線與傳統PID（原機）控制系統的怠速曲線對比，如-圖7所示。兩個控制系統的怠速試驗結果表明：在穩定工況下，模糊PID怠速與目標轉速（800r·min^-1）最大偏差為15r·min^-1左右，且無超調現象;而傳統PID轉速最大偏差達到±25r·min^-1。在發動機動態工況下，在怠速穩定20s后，測功機突加負載。由于負載的影響，轉速波動加大，傳統PID怠速與目標轉速（860r·min^-1）最大偏差±30r·min^-1，且存在超調現象;采用模糊PID控制算法后，轉速偏差控制在±15r·min^-1，且系統響應更快，調節時間短，無超調現象。

6結論

（1）本文設計的模糊PID控制器結合了傳統PID控制器與模糊控制器的優點，使怠速控制系統在穩態工況下具有系統響應快、穩態誤差小的特點，且無超調現象。

（2）在發動機怠速動態工況下，模糊-PID控制器抗干擾能力強，瞬態轉速最大波動幅值低于±15r·min^-1，有效地降低了怠速的波動，提高了發動機怠速的穩定性。