汽油發(fā)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(xué) 機電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

汽油發(fā)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(xué) 機電工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

針對汽油發(fā)動機氣缸進(jìn)氣量變化引起空燃比變化的問題，設(shè)計一種基于PID的反饋控制器保證空燃比能夠快速恢復(fù)到理想值。首先給出一種基于模型的進(jìn)氣量估計算法，在此基礎(chǔ)上設(shè)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(jié)合實現(xiàn)發(fā)動機噴油量的調(diào)節(jié)，利用基于實際實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建的仿真器對提出的算法進(jìn)行數(shù)值仿真研究與分析；最后通過發(fā)動機實時控制實驗平臺驗證了控制算法的有效性。

汽油發(fā)動機；空燃比；進(jìn)氣量估計；PID控制

汽油發(fā)動機的空燃比表示進(jìn)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(fā)動機的效率和廢氣排放量[1]。當(dāng)前，發(fā)動機控制研究以提高發(fā)動機效率和減少發(fā)動機廢氣排放為主要方向。作為判斷發(fā)動機性能的重要指標(biāo)和發(fā)動機控制的基本變量[2]，空燃比控制在發(fā)動機控制研究中是一個重要的問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)動機空燃比控制算法進(jìn)行了很多研究。比例積分微分(PID)控制方便實現(xiàn)，不需要精確的發(fā)動機控制模型，只需要對比例、積分、微分參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在工程控制問題中得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3]。模型預(yù)測控制(Model Predictive Control, MPC)以預(yù)測模型為基礎(chǔ)，采用二次在線滾動優(yōu)化性能指標(biāo)和反饋校正策略來克服受控對象建模誤差和結(jié)構(gòu)、參數(shù)與環(huán)境等不確定性因素的影響[4]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有自主學(xué)習(xí)、自動調(diào)整參數(shù)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(fā)動機運行機理與實驗數(shù)據(jù)，建立發(fā)動機進(jìn)氣流量模型，獲得了氣缸進(jìn)氣量估計算法[6]，由此設(shè)計了噴油量前饋控制器。在此基礎(chǔ)上提出了結(jié)合前饋控制的PID反饋控制器。通過數(shù)值仿真測試發(fā)現(xiàn)，該算法反饋控制參數(shù)易于調(diào)整并能獲得理想空燃比響應(yīng)性能。利用位于日本東京上智大學(xué)聯(lián)合日本豐田汽車公司建立的發(fā)動機實時控制實驗室(以下稱為“申研究室”)對算法進(jìn)行了進(jìn)一步的測試，結(jié)果表明在發(fā)動機運行工況變化時，控制算法可對空燃比進(jìn)行有效控制。

1 問題描述

一個四沖程發(fā)動機的工作方式可簡單描述如下：節(jié)氣門開度的變化控制空氣進(jìn)入量，然后空氣將進(jìn)入燃燒室與適當(dāng)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(dāng)時間(點火提前角)被點燃；點燃后的燃料發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的能量會轉(zhuǎn)化為作用于發(fā)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(nèi)燃機是一個涉及許多控制回路的復(fù)雜系統(tǒng)，而空燃比作為發(fā)動機系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，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(fā)動機電子控制單元(Electrical Control Unit, ECU)用于構(gòu)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(nèi)燃機控制系統(tǒng)示意圖

2 控制器設(shè)計

本文提出的空燃比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 前饋控制回路

前饋控制是依據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速ω、節(jié)氣門開度φ與噴油量計算理論噴油量uff?；趯嶒灁?shù)據(jù)，通過模型辨識技術(shù)獲得進(jìn)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(shù)學(xué)推導(dǎo)上存在空白區(qū)，致使難以對誤差大小進(jìn)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(tài)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(jìn)行設(shè)計，利用PID控制原理，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，完成控制器設(shè)計。PID控制是一個在工業(yè)控制應(yīng)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(chǔ)是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)量；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度，減弱超調(diào)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(guān)系為

(5)

式中，kp代表比例系數(shù)，ki代表積分系數(shù)，kd代表微分系數(shù)。

3 仿真與結(jié)果

首先基于日本上智大學(xué)申研究室提供的發(fā)動機系統(tǒng)仿真器對所設(shè)計的控制器進(jìn)行仿真研究。實驗條件為：發(fā)動機輸出扭矩恒定，調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度從而引起進(jìn)氣量發(fā)生變化，噴油量隨著進(jìn)氣量改變而變化，使得空燃比能夠迅速恢復(fù)到理想狀態(tài)。在此運行工況下，對于發(fā)動機系統(tǒng)有三個輸入，分別是節(jié)氣門開度、發(fā)動機負(fù)載以及空燃比控制輸入量即噴油量。同時，檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速及發(fā)動機空燃比，實現(xiàn)如式(4)的噴油控制 。然后，通過調(diào)節(jié)PID的三個參數(shù)，使得空燃比響應(yīng)性能達(dá)到理想效果。本文PID參數(shù)調(diào)節(jié)的具體方法如下：

(1)加入比例作用。將積分參數(shù)和微分參數(shù)設(shè)置為0，取消積分和微分作用，由小至大調(diào)節(jié)比例參數(shù)，直到系統(tǒng)響應(yīng)速度變快且有一定超調(diào)為止。

(2)加入積分作用。由小到大逐漸增加積分系數(shù)，可以看到系統(tǒng)靜態(tài)誤差逐漸減小直到消除。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，確定合適的控制參數(shù)kp和ki，使得調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量較小。

(3)加入微分作用。由小到大調(diào)節(jié)微分參數(shù)，觀察系統(tǒng)超調(diào)量和穩(wěn)定性，同時適當(dāng)調(diào)節(jié)比例和積分系數(shù)，使得系統(tǒng)超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到滿意程度。

在對PID控制器系數(shù)進(jìn)行整定時，節(jié)氣門開度輸入信號如圖3，節(jié)氣門在第5，15，25，35 s時發(fā)生變化。其中在第5 s和第35 s時節(jié)氣門開度變大，此時發(fā)動機進(jìn)氣量增加；在第15 s和第25 s時節(jié)氣門開度變小，發(fā)動機進(jìn)氣量減少。

圖3 節(jié)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(jié)果如圖4，從中可以看出當(dāng)節(jié)氣門開度變化時，僅采用理論噴油量，空燃比不能迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，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(tài)。加入反饋控制后的仿真結(jié)果如圖5-7。圖5中曲線為僅采用比例控制時的結(jié)果，其中比例系數(shù)kp=30。仿真過程顯示，隨著比例系數(shù)不斷增加，系統(tǒng)響應(yīng)時間變短，同時空燃比輸出出現(xiàn)超調(diào)量。但由該結(jié)果可以看出，僅用比例控制時，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差，因而考慮停止增加比例系數(shù)并引入積分控制環(huán)節(jié)。采用PI控制的結(jié)果如圖6，其中kp=25,ki=35。由該結(jié)果可以看出加入積分作用以后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除。進(jìn)一步引入微分控制環(huán)節(jié)，其仿真結(jié)果如圖7所示，其中控制器參數(shù)選定為kp=21,ki=30,kd=3，此時系統(tǒng)超調(diào)量為7.48 %，峰值時間為1.30s，調(diào)整時間為1.48s，性能指標(biāo)滿足發(fā)動機空燃比控制要求。

圖4 前饋控制仿真結(jié)果

圖5 比例反饋控制仿真結(jié)果

圖6 比例積分反饋控制仿真結(jié)果

圖7 PID反饋控制仿真結(jié)果

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

圖8 發(fā)動機實時控制實驗臺架

該實驗平臺包含了由dSPACE構(gòu)建的快速原型控制器，該控制器與發(fā)動機ECU通過Bypass相結(jié)合用于實現(xiàn)發(fā)動機的實時控制。dSPACE實時控制系統(tǒng)融合了MATLAB/Simulink/Real-TimeWorkshop, 并且擁有實時性強、可靠性高、擴(kuò)充性好等優(yōu)點。它的硬件系統(tǒng)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(huán)境包含實現(xiàn)代碼自動生成、下載和試驗與調(diào)試的整套工具。此外，該實驗臺架還包含了與發(fā)動機相連的低慣性電力測功機用于模擬發(fā)動機負(fù)載。對仿真測試進(jìn)行驗證，得到實驗結(jié)果如圖9。

圖9 實驗驗證結(jié)果

圖中給出了節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、噴油控制輸入量以及空燃比的曲線。為了實現(xiàn)實際系統(tǒng)的噴油控制，噴油量換算為以mmL為單位。由實驗結(jié)果可以看出當(dāng)節(jié)氣門開度變大時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，進(jìn)氣量增加導(dǎo)致空燃比減??；而當(dāng)節(jié)氣門開度變小時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)氣量減少導(dǎo)致空燃比增大。實驗結(jié)果表明提出的控制器能快速調(diào)節(jié)噴油量，從而使空燃比迅速恢復(fù)到理想狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文針對汽油發(fā)動機在進(jìn)氣量變化時空燃比控制的問題，結(jié)合基于模型的前饋控制器設(shè)計了PID反饋控制器?？刂葡到y(tǒng)前饋控制算法的實現(xiàn)采用了基于機理及實驗結(jié)合的方法構(gòu)建系統(tǒng)模型。該模型能夠反映發(fā)動機主要運行工況的主要特征，

通過發(fā)動機系統(tǒng)仿真器進(jìn)行仿真實驗，獲得了在節(jié)氣門發(fā)生約14 %的變化量時，空燃比輸出滿足超調(diào)量為7.48 %且調(diào)整時間為1.48s的控制器。與前期相關(guān)研究[5-6]相比，本文提出的控制算法結(jié)構(gòu)簡單且計算量小，在實際應(yīng)用中易于實現(xiàn)，是提高發(fā)動機運行狀態(tài)性能的一種有效手段。

5 致 謝

本文研究內(nèi)容是在日本科學(xué)振興機構(gòu)(JST)發(fā)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(xué)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(dǎo)及實驗環(huán)節(jié)中的輔助工作。

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

[2] 劉一鳴，劉偉，花志遠(yuǎn)，等.基于模糊PID的電噴天然氣發(fā)動機空燃比控制策略研究[J].內(nèi)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制對策分析[J]. 電子技術(shù)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(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報,2001,22(3):1-5.

[8] 康銘鑫. 復(fù)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(xué), 2012.

[9]LIF,SHENT,JIAOX.Model-baseddesignapproachforgasolineenginecontrolPartI:modelingandvalidation[C]//Proceedingsofthe32thChineseControlConference.Xi’an, 2013:7774-7779.

(責(zé)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(yè)務(wù)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(xué)機電工程學(xué)院碩士研究生，主要從事控制理論及其在汽車動力系統(tǒng)控制中的應(yīng)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(tǒng)控制中的應(yīng)用研究，E-mail:zhang-jiangyan@dlnu.edu.cn。

2096-1383(2017)01-0040-04

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