基于仿人預(yù)測(cè)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速仿真研究

李 鵬 李 銳 李 洋 鄭太雄

(重慶郵電大學(xué) 汽車電控研究所，中國(guó) 重慶400065)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況是指發(fā)動(dòng)機(jī)在不對(duì)外做功的情況下，以最低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在交通擁擠的城市里，車輛的怠速時(shí)間約占總運(yùn)行時(shí)間的1/3，約有30%的燃油消耗與此，怠速工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量和廢氣排放有著重要影響[1]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)最易受到大用電設(shè)備使用情況的影響，導(dǎo)致怠速的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，它一方面限制了低怠速值，增加燃料消耗，另一方面也會(huì)引起車身振動(dòng)，降低汽車的舒適性。因此怠速穩(wěn)定性控制是一個(gè)綜合協(xié)調(diào)的過(guò)程，是發(fā)動(dòng)機(jī)控制研究的重要內(nèi)容之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，怠速控制策略已經(jīng)從傳統(tǒng)的PID經(jīng)典控制理論發(fā)展到模糊控制、預(yù)測(cè)控制等現(xiàn)代智能理論。但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)具有非線性、時(shí)變性及大滯后等特點(diǎn)，很難獲得精確的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別和控制器參數(shù)的整定相當(dāng)困難，導(dǎo)致怠速控制問(wèn)題一直是發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域一個(gè)難點(diǎn)。為此，本文提出一種基于仿人邏輯預(yù)測(cè)控制的怠速控制策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法在多狀態(tài)切換及穩(wěn)定性控制方面有明顯的提高。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)因素分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)氣、供油、點(diǎn)火以及負(fù)荷變化等因素都會(huì)導(dǎo)致怠速轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。對(duì)這些因素進(jìn)行分析，進(jìn)氣量、噴油量和點(diǎn)火角是三個(gè)變量，噴油量包括基本噴油量和補(bǔ)償修正量?jī)刹糠?。進(jìn)氣量的多少?zèng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，點(diǎn)火角過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，造成怠速化學(xué)能釋放的穩(wěn)定性以及尾氣排放的特性。以進(jìn)氣量和點(diǎn)火角為例進(jìn)行兩個(gè)因素方差分析，考察節(jié)氣門開(kāi)度大小和點(diǎn)火提前角的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的影響。對(duì)六缸、四沖程、2.7升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行MATLAB建立汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速平均值模型[2]，模型能夠良好的運(yùn)行。通過(guò)MATLAB模型得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將節(jié)氣門開(kāi)度值（A因素）分成A1～A41=10：0.05:12共41個(gè)水平，同時(shí)將點(diǎn)火提前角大?。˙因素）分成 B1～B41=2：0.2：10共 41個(gè)水平，進(jìn)行交叉分組試驗(yàn)，即不同節(jié)氣門與不同點(diǎn)火提前角的配比下測(cè)定一次發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，測(cè)定結(jié)果做數(shù)據(jù)表，試做方差分析。按兩個(gè)因素單獨(dú)觀測(cè)值試驗(yàn)的方差分析公式如下：

總平方和：

A因素平方和：

B因素平方和：

式中C為校正數(shù)，誤差平方和SSe=SST-SSA-SSB，總自由度dfT=ab-1，A因素自由度dfA=a-1，B因素自由度dfB=b-1，誤差自由度dfe=dfT-dfA-dfB，計(jì)算結(jié)果形成方差分析表1。

根據(jù) df1=dfA=40，df2=dfe=1600，查臨界 F 值，F(xiàn)=1.401684；根據(jù) df1=dfB=40，df2=dfe=1600，查臨界值F=1.401684。因?yàn)锳因素（節(jié)氣門開(kāi)度）的F值10847.58＞1.401684，故差異極顯著；因素B（點(diǎn)火提前角）的F值4560.75＞1.401684，故差異極其顯著。

表1 方差分析表

通過(guò)以上兩個(gè)因素方差分析得出以下兩點(diǎn)：一是進(jìn)氣量和點(diǎn)火角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的影響都是極顯著的；二是進(jìn)氣量的影響比點(diǎn)火角的影響大些，所以通過(guò)對(duì)進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)能提供比點(diǎn)火提前角控制更大的轉(zhuǎn)矩，因此調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍更大。雖然點(diǎn)火提前角控制產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩更小，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)任何參數(shù)的改變到發(fā)動(dòng)機(jī)性能的體現(xiàn)都會(huì)存在延時(shí)現(xiàn)象，通常改變進(jìn)氣量來(lái)調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，這種時(shí)延為500ms，而改變點(diǎn)火提前角來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的時(shí)延短的多，只有90ms左右[3]。因此，通過(guò)對(duì)點(diǎn)火提前角的控制方法來(lái)控制怠速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果要快得多。最后，將怠速的控制量選為進(jìn)氣量和點(diǎn)火提前角。

2 怠速控制策略的研究

通過(guò)多因素分析確定改變怠速空氣量和點(diǎn)火提前角對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速實(shí)施控制。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速工況是一個(gè)非線性、時(shí)變和不確定的過(guò)程，需要找一個(gè)合適的控制方法。仿人智能控制在解決復(fù)雜問(wèn)題多狀態(tài)上有明顯的優(yōu)勢(shì)，仿人智能控制器的原型算法于1979年由重慶大學(xué)周其鑒教授等人提出，1983年在國(guó)際上正式發(fā)表[4]。仿人智能控制器的原型算法為：

式中，u為控制輸出，Kp為比例系數(shù)，k為抑制系數(shù)，e為誤差，e˙為誤差的變化率，em,i為誤差的第i次峰值。

預(yù)測(cè)控制是一類用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)控制算法，建模方便，不需要深入了解過(guò)程內(nèi)部機(jī)理，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性，簡(jiǎn)單實(shí)用的模型校正方法，較強(qiáng)的魯棒性[5]。一個(gè)典型的預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)組成大致包括原始模型、預(yù)測(cè)控制、參考軌跡和在線優(yōu)化等四個(gè)部分。預(yù)測(cè)控制的實(shí)質(zhì)就是使實(shí)際輸出和設(shè)定的控制輸入之間均方誤差最小。預(yù)測(cè)控制的功能是根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸出來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)輸出[6]。

仿人邏輯控制器是對(duì)人主動(dòng)開(kāi)環(huán)控制及強(qiáng)時(shí)變控制的模擬，預(yù)測(cè)控制是對(duì)師傅經(jīng)驗(yàn)的模擬，其共同特征是主動(dòng)時(shí)變控制[7]。兩者的結(jié)合將是對(duì)人的控制思維特點(diǎn)的較全面模擬。仿人邏輯控制器系統(tǒng)在正常區(qū)間運(yùn)行平穩(wěn)，突發(fā)事件瞬間切換，能夠確保系統(tǒng)安全，模型失配時(shí)也能保證滿意運(yùn)行。雖然這樣的處理也許不是全局最優(yōu)的，但卻是在確保強(qiáng)魯棒性基礎(chǔ)上的局部最優(yōu)，這樣一種策略對(duì)于某些工業(yè)控制至關(guān)重要。因此，本文針對(duì)怠速控制設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)仿人邏輯控制器，如結(jié)構(gòu)圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿人邏輯預(yù)測(cè)控制器結(jié)構(gòu)框圖

控制器的工作原理如下：在系統(tǒng)工作時(shí)邏輯控制器和預(yù)測(cè)控制器同時(shí)工作，其控制輸出量分別為K(t)和U(t)。邏輯控制設(shè)置較寬的誤差控制帶e0，其作用是用最短的時(shí)間將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變到目標(biāo)怠速狀態(tài)，暫且不管小的波動(dòng)。預(yù)測(cè)控制的作用是利用預(yù)測(cè)模型將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在正常狀態(tài)，并使控制曲線最優(yōu)?？刂屏壳袚Q要選擇合適的時(shí)機(jī)對(duì)這兩種控制信號(hào)進(jìn)行切換。具體而言，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離正常狀態(tài)，即通過(guò)仿人邏輯狀態(tài)判斷其運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)控制量切換到預(yù)測(cè)控制器，此時(shí)相當(dāng)于師傅的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)始起作用。這樣一種控制結(jié)構(gòu)充分利用了邏輯控制對(duì)模型匹配要求極低的特點(diǎn)，在模型失配的情況下仍然能取得滿意效果。此控制器的本質(zhì)是時(shí)變開(kāi)環(huán)控制加閉環(huán)校正控制，是將人的思維控方式融合到模型中的結(jié)果。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真條件及過(guò)程

汽車在啟動(dòng)的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速是從低轉(zhuǎn)速迅速到達(dá)目標(biāo)怠速的過(guò)程，然而汽車在正常運(yùn)行中，從運(yùn)行狀態(tài)到怠速是一種非常普遍的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速是從高轉(zhuǎn)速迅速降到目標(biāo)怠速的過(guò)程，所以分析這種狀態(tài)也是很有必要的。所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本文分了兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，即發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速?gòu)牡娃D(zhuǎn)速到目標(biāo)怠速的情況和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min速降到怠速的情況。將發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)怠速設(shè)定在850r/min，對(duì)PID、模糊和仿人邏輯預(yù)測(cè)控制（HLPC）三種控制方法進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證本文提出的控制方法的優(yōu)越性。最后在達(dá)到穩(wěn)定怠速的時(shí)間段內(nèi)加入10N的外加力矩，仿真對(duì)比哪種控制方法好。

3.2 仿真結(jié)果

圖2 啟動(dòng)過(guò)程仿真效果圖

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速?gòu)牡娃D(zhuǎn)速到目標(biāo)怠速的情況如圖2所示，藍(lán)色虛線的是仿人邏輯預(yù)測(cè)控制的結(jié)果。在模型完全匹配的情況下，本文提出的仿人邏輯預(yù)測(cè)控制器的結(jié)果是最優(yōu)的，在仿真效果圖中可以看出在此控制下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠迅速的達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，明顯比PID控制和模糊控制的效果好。整個(gè)怠速系統(tǒng)在10s時(shí)加入10N外加力矩，放大10s處外加力矩時(shí)的狀態(tài)，可以看出仿人邏輯預(yù)測(cè)控制也能很好的達(dá)到要求，在受到波動(dòng)的情況下能很快的恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)，效果也比PID控制和模糊控制的效果好。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min速降到怠速的情況如圖3所示，本文提出的仿人邏輯預(yù)測(cè)控制器的曲線在下降的過(guò)程中能夠比較平緩并且迅速的過(guò)度到怠速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定性明顯比PID控制和模糊控制的好。整個(gè)怠速系統(tǒng)在20s時(shí)加入10N外加力矩，仿人邏輯預(yù)測(cè)控制的控制效果也是比較好的。

圖3 正常運(yùn)行到停車怠速的仿真效果圖

4 結(jié)論

對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制仿真的研究表明，基于仿人邏輯預(yù)測(cè)控制策略的怠速控制器與單一的PID，以及模糊控制相比有更好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，且運(yùn)行穩(wěn)定，并在一定程度上解決了預(yù)測(cè)控制的魯棒性問(wèn)題，仿真結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)價(jià)值。

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