柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機模式切換的控制研究

李坤穎，張平安

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機學(xué)院，廣東 深圳 518172）

柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機模式切換的控制研究

李坤穎，張平安

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機學(xué)院，廣東 深圳 518172）

柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機在運行過程中，根據(jù)實際工況選擇工作在純柴油模式或雙燃料模式，由于燃料的供給方式不同，當兩種模式發(fā)生切換時會引起轉(zhuǎn)速的異常波動。本文分析了轉(zhuǎn)速異常波動的原因，并基于能量守恒方程，建立了模式切換控制模型，通過采用CMAC-PID復(fù)合控制策略，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常波動的快速抑制。通過與PID控制效果對比，結(jié)果表明：CMAC-PID復(fù)合控制策略能實時、快速實現(xiàn)切換過程的平穩(wěn)過渡，提高發(fā)動機性能。

雙燃料發(fā)動機；模式切換；CMAC-PID復(fù)合控制策略

引言

柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機是在柴油機基礎(chǔ)上加裝一套天然氣供氣設(shè)備改裝而來，可以工作在純柴油模式和雙燃料模式。根據(jù)運行工況，工作模式從純柴油模式切換到雙燃料模式時，由于柴油供油和天然氣供氣方式的不同，切換過程轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)異常波動，降低駕駛的舒適性，甚至出現(xiàn)駕駛危險。

目前有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、廣義預(yù)測控制算法等控制策略抑制轉(zhuǎn)速波動[1,2]的研究報道，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算量大，廣義預(yù)測控制算法需要預(yù)先確定期望軌跡，算法較為復(fù)雜，兩者都難以滿足實時性要求。小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Cerebellar Model Arithmetic Computer,CMAC)不要求精確的數(shù)學(xué)模型，具有較高的實時性，更適合于發(fā)動機復(fù)雜、多變的工況要求。因此，本文提出采用CMAC與工程使用廣泛的PID復(fù)合控制的策略，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動的快速抑制。

1 模式切換過程分析

發(fā)動機在穩(wěn)定工況下進行模式切換時，發(fā)動機輸出扭矩Teq與負荷Me相等：

發(fā)動機的有效功率Pe與轉(zhuǎn)速n關(guān)系為：

燃料消耗量與發(fā)動機有效功率Pe的關(guān)系，由發(fā)動機的實驗得到為：

由式（2）、（3）可得轉(zhuǎn)速和燃料消耗量的關(guān)系為：

在穩(wěn)定工況下，為確保發(fā)動機工作模式切換時轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過渡，切換前純柴油模式燃燒釋放的熱量與切換后雙燃料模式燃料釋放的熱量相等，即：

2 模式切換控制模型

2.1 模式切換控制模型的建立

模式切換控制模型的原理框圖如圖1所示。在控制模型中將外界負荷的變化作為擾動量來處理。

圖1 模式切換控制模型Fig.1 Model switching control model

圖1中，n0為發(fā)動機期望轉(zhuǎn)速，n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速；nd、ud、Pd為模式切換后柴油產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速、柴油量及有效功率；nn、un、Pn為天然氣產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速、天然氣量及有效功率；utd為總的柴油噴油量；Me為外界負荷；e為轉(zhuǎn)速波動量。

模式切換控制模型由CMAC-PID復(fù)合控制器、切換子模型和發(fā)動機模型組成。發(fā)動機模型由公式(4)所示，控制變量為切換前柴油總量 。

2.2 切換子模型

切換到雙燃料模式時，柴油量會減少，同時天然氣供氣電磁閥打開，減少的柴油由天然氣補充。雙燃料工作模式下燃燒復(fù)雜，不利于建立切換子模型。由公式（4）和公式（5）可知，模式切換后，轉(zhuǎn)速可分為兩部分，噴入柴油產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和噴入天然氣產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速為兩種燃料各自產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速之和。因此，分別建立兩種燃料以及各自引起的轉(zhuǎn)速變化模型。

切換后，柴油部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速對柴油噴油量的變化響應(yīng)，采用一階慣性環(huán)節(jié)表示[3]，如公式（6）所示；

式中，Td為柴油機慣性的時間量度；nd(t)為柴油部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速；ud(t)為柴油噴油量；nd(t)、ud(t)是時間t的函數(shù)。

天然氣部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速對天然氣耗氣量的變化響應(yīng)，采用二階系統(tǒng)近似表示，如公式（7）所示。

式中，a1、a0、b1、b0為二階系統(tǒng)參數(shù)；nn(t)為天然氣部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速；ud(t)為天然氣供氣量；nn(t)、ud(t)是時間 的函數(shù)。

切換子模型中公式(6)和公式(7)中的參數(shù)Td、a1、a0、b1、b0通過最小二乘法辨識得出，以公式(7)為例辨識參數(shù)a1、a0、b1、b0：

（1）微分方程離散化

當t=kT時，

簡記為：

同理可得：

由公式（7）、（8）、（9）、（10）得到第步轉(zhuǎn)速的離散輸出表達式：

式中，T為采樣時間，為測量誤差。

采集切換過程L組轉(zhuǎn)速和天然氣噴射量數(shù)據(jù)nnk、unk，k=1，2，…L，得到如下方程組：

通過最小二乘法可辨識出參數(shù)a1、a0、b1、b0，采用相同的方法可辨識出Td。

（2）轉(zhuǎn)速與柴油量、天然氣量數(shù)據(jù)采集方法

為便于描述以及跟上文保持一致，采用utd表示發(fā)動機工作在純柴油模式時總的柴油量，ud、un分別為純柴油模式切換到雙燃料模式時柴油量與天然氣量。

數(shù)據(jù)采集分兩步：1）發(fā)動機工作在純柴油模式，柴油的噴油量從utd減少至目標噴油量ud，同時記錄發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化，采樣頻率為0.01秒。通過柴油量和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集，辨識出Td。2）恢復(fù)柴油噴油量至utd，ECU發(fā)出模式切換命令，柴油噴油量減少為ud，同時增加天然氣供應(yīng)量為un，以相同的采樣頻率采樣速度數(shù)據(jù)。柴油噴油量與的轉(zhuǎn)速變化關(guān)系由步驟1)可知，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可以直接測量，因此天然氣噴氣量與其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速也就可知。得到辨識出參數(shù)a1、a0、b1、b0的值。針對WD615柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機，經(jīng)過試驗得到Td=0.5，a1=6，a0=100，b0=89，b1=0.02。

2.3 CMAC-PID復(fù)合控制器

CMAC-PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，實際轉(zhuǎn)速n與期望轉(zhuǎn)速n0之差e為PID控制器輸入，up為PID控制器輸出；期望轉(zhuǎn)速n0與up為CMAC控制器輸入，uc為CMAC控制器輸出；u為復(fù)合控制器總輸出，控制柴油總的噴油量。

圖2 CMAC-PID復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 CMAC-PID controller structure diagram

CMAC算法學(xué)習(xí)[4]為：

（1）量化，即對發(fā)動機期望轉(zhuǎn)速進行量化，把轉(zhuǎn)速的最大值nmax與最小值nmin在區(qū)間上分成N+2c個量化區(qū)間。

（2）CMAC實際映射方法如公式（14）所示：

式中，c為表征網(wǎng)絡(luò)的泛化能力的泛化參數(shù)。

（3）CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整規(guī)則為：

（4）CMAC系統(tǒng)輸出為：

CMAC-PID控制器輸出為：

CMAC-PID復(fù)合控制器工作原理為：純柴油模式切換到雙燃料模式初始時，PID控制器控制起主導(dǎo)作用，CMAC控制器權(quán)值w=0，CMAC的輸出uc=0，控制對象的輸入u=up；隨著w權(quán)值的在線學(xué)習(xí)，PID控制器輸出up逐漸減為0，控制對象的輸入u逐漸等于uc；當學(xué)習(xí)完成時u=uc，up=0。

3 切換過程控制結(jié)果分析

CMAC-PID復(fù)合控制器的控制效果與PID控制器參數(shù)Ki，Kp，Kd和CMAC控制器的參數(shù)N、c、、有關(guān)。PID控制器參數(shù)根據(jù)工程上使用的實驗湊試法來確定。CMAC控制器參數(shù)的選擇兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制器學(xué)習(xí)時間。CMAC控制器參數(shù)選擇為：N=60，c=5，=0.08，=0.01；PID控制器參數(shù)為：Kp=10，Ki=0，Kd= 0。

圖3（a）-（c）分別為發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1430r/min、1810r/min、轉(zhuǎn)速從850r/min 加速到1500r/min三種工況下，模式切換時轉(zhuǎn)速的變化情況，仿真采樣時間ts=0.01s。

圖3 不同工況的模式切換轉(zhuǎn)速波動變化情況Fig.3 The speed change of engine work mode switching

圖3為三種不同工況工作模式切換時，發(fā)動機在沒有控制器、PID控制器和CMAC-PID控制器時，轉(zhuǎn)速的變化情況。從圖可知，三種工況下，轉(zhuǎn)速變化趨勢相同。未加控制器時，轉(zhuǎn)速波動較大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間較長。加上控制器后轉(zhuǎn)速波動大幅減小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間大幅縮短。表1為PID控制器與CMAC-PID控制效果對比。由表可知CMAC-PID控制器在快速抑制轉(zhuǎn)速波動比PID控制器更具優(yōu)勢。同時，CMAC權(quán)值在線習(xí)得，能自動適應(yīng)發(fā)動機不同的工況而不需要修改控制參數(shù)。

表1 兩種控制器控制結(jié)果Tab.1 the result of two controller

4 結(jié)論

本文提出的CMAC-PID復(fù)合控制器能快速抑制雙燃料發(fā)動機模式切換時的轉(zhuǎn)速波動。與PID控制器相比，轉(zhuǎn)速波動小且達到穩(wěn)定狀態(tài)時間短。

[1]劉震濤,費少梅.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機油氣切換過程的優(yōu)化控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2004,38(7):868-871.LIU Zhentao,FEI Shaomei.Optimal control of oil-gas switch process of CNG/diesel dual fuel engine[J].Journal of Zhejiang University ( Engineering Science),2004,38(7):868-871(in Chinese)

[2]肖貽鵬,姚加飛.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機油氣切換的優(yōu)化控制模型[J].汽車工程,2007,29(7):574-577.XIAO Yipeng,Yao Jiafei.Optimal Conrol Model for Fuel Switching in CNG/diesel Dual Fuel Engine[J].Automotive Engineering 2007,29(7):574-577.(in Chinese)

[3]趙光宙,高軍,楊志家.柴油機模型參考自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的研究[J].內(nèi)燃機工程,1995,16(4):26-33.Zhao Guangzhou,GA Zhijia..Research on Model-Reference Adaptive Speed Control for Dies el Engine[J].Internalcombustion Engine Engineering,1995,16(4):26-33.(in Chinese)

[4]侯世英,時文飛,萬江.基于CM AC-PID控制的柴油發(fā)電機組的建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(13):3052-3055.HOU Shiying,SHI We nfei,WAN Ji ang .Modeling and Evaluating of Diesel Generators Based on CMAC-PID[J].Journal of System Simulation.2007,19(13):3052-3055.(in Chinese)

【責(zé)任編輯：高潮】

Research on Model Switching Control for CNG/diesel Dual Fuel Engine

LI Kunying,ZHANG Pingan
（School of Computer Science,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

The compressed natural gas/diesel dual fuel engine can work on pure diesel model and dual fuel model.When the work m odel switches the engine s peed appears fluctuation.Based on the ener gy conversation formula,the control model of the work model switch process is built.And the control strategy PID compound with cerebellar model articulation controller is adopted to eliminate the fluctuation of speed and realize the fast and steady speed.The simulation results show that a smooth transition in the period of work model switch is realized and the engine performance is improved.

dual fuel engine; work model switch; CMAC-PID control strategy

TM314

A

1672-6332（2017）03-0068-04

2017-10-15

國家自然科學(xué)基金重點項目（61174135）。

李坤穎（1981-），女（土家），助教，博士，主要研究方向：電子控制技術(shù)研究。E-mail:liky@sziit.edu.cn