基于Simulink模糊邏輯理論的發動機怠速工況下故障診斷

摘要：通過對模糊控制系統的基本原理進行分析，建立怠速旁通閥執行器部分的數學模型、發動機部分的數學模型;利用Matlab模糊邏輯工具箱的圖形用戶界面進行仿真，得到怠速跟蹤曲線。通過改變怠速時發動機旁通閥開度與怠速關系二階系統模型的輸入，得到發動機空轉時的故障跟蹤曲線。結果表明：采用模糊控制方法對發動機怠速進行控制可以有效降低發動機空轉的波動幅度，進一步提高了發動機怠速運行的穩定性，顯示了模糊控制的良好效果。

關鍵詞：故障診斷;怠速控制

0 ?引言

故障診斷是通過使用各種檢查和測試方法來發現系統和設備是否有故障的過程。它主要基于信號處理和知識處理，從傳統的傅立葉變換到小波分析，為故障診斷的預處理提供了有效的技術捷徑。

隨著汽車工業的迅速發展，汽車保有量和生產量在不斷增長，發動機的故障診斷技術變得愈加重要，當發動機出現故障且沒有及時注意和修復時，是非常危險的，輕則導致發動機出現更大問題，重則導致車毀人亡的悲劇。因此研究發動機的智能故障診斷技術具有實際意義。

1 ?建立怠速控制模型

1.1 建立怠速旁通閥執行器模型

研究發現，怠速旁通閥和怠速執行器的步進電機有密切關系，前者的開度直接影響著后者的輸出，且它們呈線性關系，即：

1.2 建立發動機模型

當發動機空轉時，可以通過實驗獲得發動機轉速和旁通閥開度的模型。它代表了發動機空轉時，轉速和旁通閥開度的關系。轉速達到工作點時，旁通閥開度和發動機轉速兩者間的關系可由二階模型表示，模型的公式為：

1.3 故障下的數學模型

怠速控制的本質是發動機空轉時對通氣量的控制。在發動機空轉時，對燃料噴射量進行控制，使之與怠速期間的充氣量相匹配，并且到達怠速空燃比的要求。當節氣門完全關閉時，電子控制單元會依據節氣門信號、轉向信號、空調信號、溫度信號、空檔信號和發動機轉速信號來調節旁通氣道中的空氣量，保證發動機怠速運行。

因此，本文通過改變旁通閥開度，根據怠速與旁通閥開度之間的系統模型，改變其輸入信號的比例，來對發動機怠速工況下的故障進行診斷分析。其狀態空間表達式為：

2 ?空轉工況下仿真

Simulink中有一套用于構建模糊推理系統的圖形用戶界面（GIU）。使用該圖形界面，可以直接執行模糊系統的輸入和輸出語言變量的數量和去模糊的方法?？梢跃庉嬢斎牒洼敵稣Z言變量中函數類型和參數;還可以直接添加、修改和刪除模糊規則。首先在Simulink環境中建立發動機怠速仿真模型。怠速仿真模型窗口如圖1所示。

將信號發生器（Signal Generator）中的波形（Wave form）設置為方波（Square），幅值（Amplitude）設置為50，頻率設置為0.05。分別設置示波器（Scope）的參數，飽和非線性（Saturation）的參數。

啟動Simulink仿真系統，設置正確的仿真參數后，離散傳遞函數模型（Discrete Transfer Fcn）中填入正常工況下的離散傳遞函數，啟動仿真。得到的系統輸出變化跟蹤曲線如圖2所示。

改變離散傳遞函數模型（Discrete Transfer Fcn）中離散傳遞函數為故障狀態下的傳遞函數，啟動仿真。得到的系統輸出變化跟蹤曲線如圖3所示。

由兩個不同的怠速跟蹤曲線可知：故障下的怠速較高，且較正常工況下更快達到峰值，平均怠速大于800r·min-1，在這種怠速狀態下，會引起點火正時紊亂、發動機怠速控制閥始終打開、節氣門故障和進氣管真空泄漏等故障。

3 ?結語

①把發動機怠速限制在650r·min-1到750r·min-1之間時，可以實現對發動機轉速變化的實時監控。本文設定怠速下發動機無負載時，發動機轉速為650r·min-1;發動機有負載時，發動機轉速為750r·min-1。根據仿真結果，可以看出采用模糊控制方法對怠速進行控制時，發動機轉速相對穩定。②在怠速情況下，怠速實際輸出值偏離設定值幅度較大，由此可知，當旁通閥開度較大時容易引起發動機怠速不穩的故障。利用模糊控制方法對發動機怠速進行控制，對減輕發動機怠速時轉速的波動有顯著效果，從而保證發動機怠速運行時的穩定性，顯示了模糊控制的優勢。

參考文獻：

[1]陳世棟.淺析汽車的故障規律及診斷分析方法[J].2009，12（08）：34-36.

[2]劉銀瑞.電噴發動機怠速故障分析[J].2001，6（3）.

[3]尹志剛.振動狀態監測及故障診斷系統在大功率風機上的應用[J].遼寧科技學院學報，2009，11（1）：40-55.

[4]陳進.機械設備故障診斷技術的現狀與發展趨勢[J].振動工程學報，1998.

[5]夏希樓.機械設備故障檢測診斷技術的現狀與發展[J].煤礦機械，2007，28（3）：180-191.

作者簡介：溫永杰（1994-），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論。