基于車輛驅(qū)動力模型的汽油發(fā)動機(jī)空燃比控制試驗研究

孫建民+++尹鳳鳳+++韋智元

摘 要：文章主要研究發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況下的空燃比控制。將發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型作為被控對象，建立空燃比控制的仿真模型并進(jìn)行仿真分析。采用PID控制算法進(jìn)行了半實(shí)物仿真試驗，并進(jìn)行了試驗分析。試驗結(jié)果表明，與未控情況相比，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門PID控制系統(tǒng)試驗，響應(yīng)速度適當(dāng)較快，能達(dá)到預(yù)期控制要求。通過聯(lián)動仿真試驗，驗證了車輛發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的可靠性，檢驗仿真試驗系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動力模型；發(fā)動機(jī)空燃比；部分負(fù)荷工況；響應(yīng)試驗

1 概述

全國大范圍霧霾天氣的加劇，促使我國最嚴(yán)環(huán)境保護(hù)法的出臺，其中，汽車排放法規(guī)尤為嚴(yán)格。發(fā)動機(jī)控制直接決定著汽車的整車性能和排放水平，空燃比控制是發(fā)動機(jī)最基本控制問題之一[1]。三元催化轉(zhuǎn)換器被廣泛地應(yīng)用在汽油發(fā)動機(jī)上，用于處理發(fā)動機(jī)中的廢氣，降低發(fā)動機(jī)有害氣體的排放。理論上，三元催化轉(zhuǎn)換器將發(fā)動機(jī)廢氣中的有害氣體CO、HC轉(zhuǎn)化成無害氣體CO2、H2O、NO、N2和O2等，然后排放至空氣中。采用空燃比閉環(huán)控制，可以有效地將發(fā)動機(jī)空燃比值維持在理想空燃比左右，使三元催化轉(zhuǎn)換器保持較高的轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到降低排放的目的。

車輛電子節(jié)氣門的廣泛使用，為發(fā)動機(jī)燃油供給的精確控制提供了較好的基礎(chǔ)。電子節(jié)氣門的實(shí)時響應(yīng)能力對發(fā)動機(jī)的運(yùn)行及排放影響重大，尤其在變工況的過程中更為明顯。車輛在城市道路行駛過程中，部分負(fù)荷工況是電控汽油發(fā)動機(jī)運(yùn)行最多的工況，為了使三元催化轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換率趨近理想狀態(tài)，結(jié)合電子節(jié)氣門的變工況控制，針對電控汽油發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷工況下，采用PID控制方法，以空燃比為控制目標(biāo)，進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗研究，重點(diǎn)探討部分負(fù)荷工況下節(jié)氣門響應(yīng)能力的提高方法，為發(fā)動機(jī)排放的精細(xì)控制奠定基礎(chǔ)。發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況主要包括起動工況、部分負(fù)荷工況、全負(fù)荷工況、加減速工況以及怠速工況，部分負(fù)荷工況是汽車行駛中最普遍的工況[2]。

2 基于車輛驅(qū)動力的電控發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型

由于車輛是復(fù)雜多變的非線性系統(tǒng)，存在子系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的耦合增加了分析難度，以及仿真系統(tǒng)計算量大等問題，所以建立適宜的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行必要的簡化是進(jìn)一步研究的重要保障[3]。文章首先把車輛系統(tǒng)看成是一個以節(jié)氣門開度θ為輸入，以車輛質(zhì)心速度u為輸出的系統(tǒng)，著重進(jìn)行部分負(fù)荷工況下的空燃比控制策略研究。根據(jù)車輛行駛方程式的推導(dǎo)，得出發(fā)動機(jī)的輸入節(jié)氣門開度θ和輸出轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式，建立基于車輛驅(qū)動力的發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型[4]。

車輛正常行駛中，車輛的驅(qū)動力為Ft，車輛行駛的總阻力主要包括滾動阻力Ff，空氣阻力Fw（車輛等速行駛時），坡度阻力Fi（車輛上坡行駛時）和加速阻力Fj（車輛加速行駛時）。即？撞F=Ff+Fw+Fi+Fj，所以？撞F=Ft。

式中，δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（？啄=1.0+？啄1+？啄2ig2，？啄1≈？啄2=0.3～0.5[5]），m為車輛質(zhì)量，du/dt為行駛加速度。

根據(jù)上述方程式分析，得出此模型的車輛行駛方程式：

考慮到車輛行駛的道路，一般坡度不會很大，幾乎接近于零，cos？茲≈1，sin？茲≈tan？茲≈i（i是傳動比，i=igi0），u=0.377nr/igi0等多方面的因素，故將式6改寫為：

以某輕型乘用車為例主要參數(shù)見表1[6]。

根據(jù)表1，式（7）并經(jīng)過拉氏變換得到發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度與轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)：

3 發(fā)動機(jī)空燃比PID控制仿真與分析

發(fā)動機(jī)空燃比閉環(huán)控制的目的是有效地將空燃比值維持在理想空燃比附近，此時能保持較高的轉(zhuǎn)換效率，起到降低排放的作用。選取針對電控汽油發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷工況下的目標(biāo)空然比，采用PID控制算法對理想空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制。

在部分負(fù)荷工況下，通過構(gòu)建適于發(fā)動機(jī)節(jié)氣門的PID控制策略，以燃油利用率作為發(fā)動機(jī)的主要控制目標(biāo)，設(shè)計汽油發(fā)動機(jī)空燃比控制器，部分負(fù)荷工況下空燃比PID控制系統(tǒng)如圖1所示。

在控制系統(tǒng)執(zhí)行過程中，將目標(biāo)空燃比與實(shí)際空燃比的偏差值作為輸入量，氧含量作為輸出量。為了維持空燃比的恒定，PID控制需要調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使氣缸內(nèi)的混合氣充分燃燒，增大輸出功率，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷工況下，提高發(fā)動機(jī)的燃油利用率，改善排放性能。

在發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況下，研究和設(shè)計用于發(fā)動機(jī)節(jié)氣門的PID控制器。在控制器中設(shè)計中，調(diào)節(jié)參數(shù)是控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要對控制對象進(jìn)行深入的分析研究，從而確定PID控制器中的調(diào)節(jié)參數(shù)[8]。在仿真試驗過程中，選取PID控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)為：kp=17.377，ki=2.875，kd=0.031。建立發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況下空燃比PID控制系統(tǒng)仿真試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

對于發(fā)動機(jī)空燃比PID控制仿真系統(tǒng)，初始節(jié)氣門開度設(shè)置為10°，由于節(jié)氣門開度的取值范圍在0°～90°之間，所以需要對PID控制器的輸出加以限幅保護(hù)，在此工況下將上限值設(shè)置為節(jié)氣門開度的2/3左右，在仿真過程中，取節(jié)氣門開度為60°。以發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷下的瞬態(tài)加速信號作為模型的輸入信號，針對發(fā)動機(jī)節(jié)氣門未控及PID控制情況下，其響應(yīng)曲線如圖3所示。

可見，對于發(fā)動機(jī)的部分負(fù)荷工況，節(jié)氣門未控時，其動態(tài)響應(yīng)效果不是很理想，系統(tǒng)的最大超調(diào)已經(jīng)超過了30%，最大超調(diào)量超過了50%，且調(diào)節(jié)時間較長，這種響應(yīng)效果勢必會影響空燃比的有效控制。而PID控制可以調(diào)節(jié)積分參數(shù)降低超調(diào)量，由圖3可以看出，在10s的時候，空燃比由30將到了25，使調(diào)節(jié)時間縮短，二者相比而言，PID控制的動態(tài)性能，無論是超調(diào)量還是調(diào)節(jié)時間上，都得到了相應(yīng)地改善。

4 電控發(fā)動機(jī)節(jié)氣門控制系統(tǒng)試驗研究

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)是電控發(fā)動機(jī)空燃比控制中的重要一環(huán)，節(jié)氣門是發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)中的重要部件，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)電子控制的基礎(chǔ)。節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)主要包括節(jié)氣門體、節(jié)氣門、節(jié)氣門驅(qū)動裝置（電機(jī)）、角度傳感器等。在電子節(jié)氣門的開度控制過程中，并不是完全由駕駛員踩踏油門踏板來決定的， ECU還要根據(jù)檢測到的當(dāng)前車輛行駛的狀況信號，即當(dāng)前車輛對發(fā)動機(jī)輸出扭矩的需求，來計算節(jié)氣門的最佳開度，進(jìn)而控制電機(jī)驅(qū)動節(jié)氣門到達(dá)相應(yīng)的開度，使發(fā)動機(jī)空燃比處于理想狀態(tài)。從而達(dá)到加強(qiáng)車輛的動力性、安全性和舒適性，并且在很大程度上節(jié)省燃油、降低排放的目的[7]。因此，本文通過節(jié)氣門控制試驗平臺研究為進(jìn)一步發(fā)動機(jī)空燃比控制試驗系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

4.1 節(jié)氣門控制試驗系統(tǒng)

節(jié)氣門控制平臺的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括ECU仿真模塊、電源模塊、節(jié)氣門控制模塊等。在codewarrior、MATLAB/simulink和simulink MBD開發(fā)環(huán)境下，由上位機(jī)和節(jié)氣門控制平臺構(gòu)成發(fā)動機(jī)節(jié)氣門控制試驗系統(tǒng)。

本文采用硬件在環(huán)的快速原型設(shè)計方法進(jìn)行節(jié)氣門系統(tǒng)控制試驗。采用穩(wěn)定工況PID控制模型作為研究對象，通過在主機(jī)上調(diào)試控制器，研究節(jié)氣門試驗系統(tǒng)的控制效果。

4.2 部分負(fù)荷工況節(jié)氣門控制系統(tǒng)試驗及分析

針對節(jié)氣門控制模型，將輸入端接A/D轉(zhuǎn)換器，輸出端接PWM方式驅(qū)動的電機(jī)，通過調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)，構(gòu)成節(jié)氣門控制試驗?zāi)Ｐ?。用信號線將主機(jī)的串口和ECU仿真模塊的接受端相連，將被控對象的輸入信號傳給ECU仿真模塊的控制器，構(gòu)成試驗系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié)。同時，用信號線將ECU仿真模塊和節(jié)氣門控制模塊相連，構(gòu)成試驗系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)。

本文將模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AtoD Converter）和PWM波形驅(qū)動的電機(jī)連接到前面所建立的發(fā)動機(jī)模型中，AtoD Converter作為模型的輸入端，PWM波形驅(qū)動的電機(jī)作為模型的輸出端。部分負(fù)荷工況節(jié)氣門系統(tǒng)的控制框圖，如圖6所示。

在試驗過程中，調(diào)節(jié)“加速踏板模擬”旋鈕，使節(jié)氣門處于部分負(fù)荷工況。由方波作為輸入信號的時候， 如圖7所示，輸入信號為方波。

觀察節(jié)氣門的時域響應(yīng)過程并記錄，主要就是觀察節(jié)氣門的運(yùn)動是否柔和，是否有卡滯，然后逐步調(diào)節(jié)PID值， 直到運(yùn)行柔和、無卡滯。經(jīng)兩次結(jié)果對比分析得到在這個調(diào)節(jié)過程中，周期激勵處于上升階段，PID控制節(jié)氣門系統(tǒng)的響應(yīng)速度適當(dāng)較慢且超調(diào)量較小，當(dāng)周期激勵處于下降階段，PID控制節(jié)氣門系統(tǒng)的響應(yīng)速度適當(dāng)較快，說明此時的PID值，對系統(tǒng)的控制效果是最優(yōu)的，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是最佳的。

對于部分負(fù)荷工況節(jié)氣門控制系統(tǒng)，由輸入的方波信號確定節(jié)氣門位置（部分負(fù)荷工況節(jié)氣門開度），對比節(jié)氣門未控與PID控制情況的響應(yīng)結(jié)果，從圖7可以看出，在此工況下， 在周期激勵處于上升階段，PID控制節(jié)氣門系統(tǒng)的響應(yīng)速度適當(dāng)較慢且超調(diào)量較小，當(dāng)周期激勵處于下降階段，PID控制節(jié)氣門系統(tǒng)的響應(yīng)速度適當(dāng)較快且輸出電壓為2.73V，對于上一節(jié)節(jié)氣門控制系統(tǒng)性能測試，得到了很好的驗證，結(jié)果表明，部分工況節(jié)氣門PID控制系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期控制要求，驗證了發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的可靠性。

5 結(jié)束語

本文主要研究發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況下的空燃比控制。將發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型作為被控對象，建立空燃比控制的仿真模型并進(jìn)行仿真分析。

（1）部分負(fù)荷工況是發(fā)動機(jī)運(yùn)行最多的工況，該工況下電控發(fā)動機(jī)空燃比控制系統(tǒng)的研究對降低排放提高燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

（2）根據(jù)車輛行駛方程式，簡化發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，建立了發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度為輸入、轉(zhuǎn)速為輸出的數(shù)學(xué)模型，得到了發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)。

（3）通過聯(lián)動仿真試驗，驗證車輛發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的可靠性，檢驗仿真試驗系統(tǒng)的可行性。電子節(jié)氣門PID控制系統(tǒng)試驗平臺的測試，表明電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的精度和可靠性，并驗證了前一節(jié)的結(jié)論，節(jié)氣門開度與電壓間的關(guān)系。

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