基于CompactRIO的內(nèi)燃蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門閉環(huán)控制研究*

王晏妮 李理光 康 哲 胡宗杰（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 上海 200092）

引言

在排放法規(guī)日益嚴(yán)格和要求二氧化碳排放逐步降低的雙重壓力下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒成為未來發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)[1]。悉尼大學(xué)的Bilger教授于1999年首次提出內(nèi)燃蘭金循環(huán)（internal combustion ranking cycle，ICRC）[2]，該循環(huán)采用純氧代替空氣作為進(jìn)氣介質(zhì)，避免了缸內(nèi)高溫燃燒產(chǎn)生的NOx排放[3]；同時(shí)使用缸內(nèi)噴水技術(shù)[4]，通過控制噴水量[5]、噴水溫度、噴水時(shí)刻等參數(shù)來控制燃燒速度，利用水汽化吸收熱量來降低缸內(nèi)燃燒溫度，保證燃燒可控的同時(shí)增加缸內(nèi)做功工質(zhì)，拓寬燃燒相位，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低燃油消耗率，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出；通過引入適當(dāng)比例的EGR可有效控制燃燒速度及缸內(nèi)最高壓力，進(jìn)一步提高循環(huán)熱效率。對內(nèi)燃蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要集中在火花塞點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)中[6]，由于其工作原理限制了其壓縮比的提高，制約了內(nèi)燃蘭金循環(huán)熱效率的進(jìn)一步提高，因此亟待開展更多關(guān)于新型燃燒方式的研究。

均質(zhì)壓燃著火（homogenous charge compression ignition,HCCI）發(fā)動(dòng)機(jī)[7]是近十余年來國際上研究的熱點(diǎn)，也是基礎(chǔ)研究在內(nèi)燃機(jī)中的集中體現(xiàn)[8]。HCCI通過制備均質(zhì)混合氣實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)低溫燃燒，有效避開了碳煙和氮氧化物的生成區(qū)間，實(shí)現(xiàn)超低排放和無煙燃燒，解決了柴油機(jī)高NOx排放和碳煙排放問題。如能在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中將均質(zhì)壓燃技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來，則對于發(fā)動(dòng)機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)有很大幫助。

為了進(jìn)一步提高內(nèi)燃蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率并降低排放，開展均質(zhì)壓燃技術(shù)與內(nèi)燃蘭金循環(huán)相結(jié)合的研究非常必要。在均質(zhì)壓燃的內(nèi)燃蘭金循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷和缸內(nèi)燃燒程度與進(jìn)氣量以及進(jìn)氣中氧氣的濃度息息相關(guān)。若想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的均質(zhì)壓燃，進(jìn)氣流量、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣中氧濃度的穩(wěn)定性對于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的邊界條件控制非常重要。目前，內(nèi)燃蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架使用進(jìn)氣道噴射并利用電子節(jié)氣門對進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，節(jié)氣門快速準(zhǔn)確地達(dá)到目標(biāo)開度對于發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的工作穩(wěn)定性尤為重要。因此，有必要開發(fā)穩(wěn)定高速的控制器對節(jié)氣門開度進(jìn)行控制。

1 控制模型建立

美國國家儀器公司（National Instrument）推出的CompactRIO平臺(tái)，擁有堅(jiān)固的硬件構(gòu)架，支持Lab－VIEW圖形化開發(fā)工具對其編程，基于CompactRIO的數(shù)據(jù)采集具有極高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性[9-10]，其完成單通道的切換采集最快只需7 μs，保證了系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性[11]，非常適合作為節(jié)氣門控制系統(tǒng)的控制單元。

本文使用NI 9205和NI 9478作為模擬輸入和數(shù)字輸出模塊，與節(jié)氣門體相連，連接方式如圖1和圖2所示，構(gòu)建了節(jié)氣門電子控制模型。

圖1 NI 9205模擬輸入

圖2 NI 9478數(shù)字輸出

節(jié)氣門體主要由節(jié)氣門閥、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪組、復(fù)位彈簧和節(jié)氣門位置傳感器等組成，節(jié)氣門基本參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)氣門基本參數(shù)

節(jié)氣門動(dòng)態(tài)參數(shù)如表2所示[12]。

表2 節(jié)氣門動(dòng)態(tài)參數(shù)

節(jié)氣門位置傳感器（throttle position sensor，TPS）用于實(shí)時(shí)采集節(jié)氣門開度，對閉環(huán)控制進(jìn)行位置反饋，是節(jié)氣門狀態(tài)的唯一檢測元件。電子節(jié)氣門要求具有高度的可靠性，因此節(jié)氣門位置傳感器采用冗余設(shè)計(jì)。圖3為輸出電壓與節(jié)氣門開度之間的對應(yīng)關(guān)系，可作為后續(xù)控制算法的基礎(chǔ)。

圖3 節(jié)氣門位置傳感器標(biāo)定

2 控制策略選取

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門進(jìn)氣控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜且變化速度快，此外，節(jié)氣門還受到由復(fù)位彈簧造成的非線性力矩及不穩(wěn)定因素的影響。因此，要做到對節(jié)氣門預(yù)期位置的精確控制，一是要了解節(jié)氣門的動(dòng)態(tài)特性，二是要運(yùn)用恰當(dāng)?shù)目刂评碚摵头椒?。已有的對于?jié)氣門的控制主要有PID控制[13]、增量PID控制[14]、模糊控制[15]（簡單的模糊控制不具有積分環(huán)節(jié)，很難完全消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，難以實(shí)現(xiàn)電子節(jié)氣門閥片開度的精確控制[16]）、反推控制[17-18]、變結(jié)構(gòu)控制[19-20]、自適應(yīng)控制[21]等多種控制策略。

由于電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是足夠高的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)頻響，所以要求控制算法結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行時(shí)間短。PID控制作為現(xiàn)代控制技術(shù)中最常用且最為經(jīng)典的控制方法之一，具有無需建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)物理意義明確、動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，能滿足電子節(jié)氣門的控制要求。

3 控制結(jié)果分析

基于CompactRIO平臺(tái)，利用LabVIEW編程，采用3種控制算法對節(jié)氣門體進(jìn)行控制，利用仿真實(shí)驗(yàn)得到了節(jié)氣門開度分別為10%～50%及50%～90%時(shí)，頻率為0.1 Hz的方波信號(hào)的響應(yīng)，用以表征節(jié)氣門對于靜態(tài)信號(hào)的響應(yīng)。并得到了節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)，頻率為0.2 Hz的方波信號(hào)及鋸齒波信號(hào)的響應(yīng)，作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)的評(píng)價(jià)依據(jù)。

3.1 插值算法

插值算法將節(jié)氣門開度分為0%～10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%等 10個(gè)區(qū)間，分別標(biāo)定每個(gè)節(jié)氣門開度區(qū)間所對應(yīng)的維持占空比，見表3。標(biāo)定完成后，判斷節(jié)氣門目標(biāo)開度所處的區(qū)間，采用線性插值法，獲取此開度下節(jié)氣門的起動(dòng)占空比信號(hào)、維持占空比信號(hào)和減速占空比信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門開度從0%～100%的控制，在保證穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門體對目標(biāo)信號(hào)的快速響應(yīng)。

表3 插值算法各插值區(qū)間節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)占空比數(shù)值分布

圖4為插值算法下節(jié)氣門開度為10%～50%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果，圖5為插值算法下節(jié)氣門開度為50%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果。從圖4和圖5可以看出，在對靜態(tài)信號(hào)的跟蹤過程中，上升時(shí)間在0.6 s左右，總體調(diào)整過程平穩(wěn)，無抖動(dòng)，存在略微超調(diào)及一定量的穩(wěn)態(tài)誤差。

圖4 插值算法-節(jié)氣門開度為10%～50%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖5 插值算法-節(jié)氣門開度為50%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖6 為插值算法下節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果，圖7為插值算法下節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)鋸齒波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果。從圖6和圖7可以看出，在對2種動(dòng)態(tài)信號(hào)的跟蹤過程中，均存在0.2s左右的時(shí)間遲滯，這是由于程序結(jié)構(gòu)造成的。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門位置的精確控制，并且有很好的穩(wěn)定性，插值算法犧牲了快速性，由此導(dǎo)致方波信號(hào)失真嚴(yán)重（無法給節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供瞬態(tài)較大的占空比）。

圖6 插值算法-節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖7 插值算法-節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)鋸齒波信號(hào)響應(yīng)

3.2 PID算法

在完成插值算法的設(shè)計(jì)之后，通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在隨動(dòng)信號(hào)的跟隨中存在明顯的時(shí)間遲滯，上升時(shí)間大。為了改善控制效果，設(shè)計(jì)了PID算法，通過調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd1來實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門快速準(zhǔn)確的控制。

在考慮均衡快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等3個(gè)因素后，最終的PID控制器參數(shù)設(shè)置為：比例系數(shù)Kp=3，積分系數(shù)Ki=0.003，微分系數(shù)Kd1=0。

圖8 PID算法-節(jié)氣門開度為10%～50%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖9 PID算法-節(jié)氣門開度為50%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖8 為PID算法下節(jié)氣門開度為10%～50%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果，圖9為PID算法下節(jié)氣門開度為50%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果。從圖8和圖9可知，使用PID控制算法可明顯縮短上升時(shí)間，使節(jié)氣門迅速達(dá)到目標(biāo)開度。但此算法也存在一定量超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差。

圖10為PID算法下節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果，圖11為PID算法下節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)鋸齒波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果。

圖10 PID算法-節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖11 PID算法-節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)鋸齒波信號(hào)響應(yīng)

從圖10和圖11可以看出，PID算法對動(dòng)態(tài)信號(hào)的跟蹤效果顯著優(yōu)于插值算法，這是由于增加了控制器的比例系數(shù)Kp，減小了上升時(shí)間。方波信號(hào)的波形保持較好，通過控制算法的優(yōu)化（當(dāng)節(jié)氣門開度減小，位置誤差大于10%時(shí)，直接將占空比調(diào)整到0。在節(jié)氣門開度達(dá)到目標(biāo)開度的3%范圍內(nèi)，再調(diào)整占空比進(jìn)行控制），使得下降沿的響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于上升沿。

3.3 分段PID算法

上述PID算法存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差（見圖9及圖10），為了進(jìn)一步優(yōu)化控制效果，設(shè)計(jì)了分段PID算法，它將插值算法與PID算法的思想相結(jié)合，通過誤差來跟蹤目標(biāo)信號(hào)，采用絕對位置使節(jié)氣門穩(wěn)定到目標(biāo)開度。

分段PID算法的思想是以誤差信號(hào)進(jìn)行跟蹤，以絕對位置進(jìn)行穩(wěn)定。即在上升過程中提供大的占空比、大的比例系數(shù)Kp、小的積分系數(shù)Ki，保證節(jié)氣門開度可以迅速變化到目標(biāo)開度附近。當(dāng)誤差減小到一定范圍內(nèi)時(shí)，通過節(jié)氣門絕對開度來提供合適的維持占空比、小的比例系數(shù)Kp、大的積分系數(shù)Ki，減小穩(wěn)態(tài)誤差，保證節(jié)氣門開度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。由此可實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門控制的快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定，控制效果很好。

圖12為分段PID算法下節(jié)氣門開度為10%～50%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果，圖13為分段PID算法下節(jié)氣門開度為50%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果。從圖12和圖13可知，采用分段PID算法，節(jié)氣門體能夠?qū)δ繕?biāo)信號(hào)快速準(zhǔn)確地響應(yīng)，上升時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差非常小。

圖12 分段PID算法-節(jié)氣門開度為10%～50%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖13 分段PID算法-節(jié)氣門開度為50%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖14 為分段PID算法下節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果，圖15為分段PID算法下節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)鋸齒波信號(hào)響應(yīng)仿真結(jié)果。從圖14和圖15可以看出，對3種動(dòng)態(tài)信號(hào)跟蹤效果較好，無明顯的時(shí)間遲滯現(xiàn)象，通過控制器的比例系數(shù)Kp減小了上升時(shí)間。方波信號(hào)的波形保持較好，上升時(shí)間小，超調(diào)量也較小，無穩(wěn)態(tài)誤差。

圖14 分段PID算法-節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)方波信號(hào)響應(yīng)

圖15 分段PID算法-節(jié)氣門開度為10%～90%時(shí)鋸齒波信號(hào)響應(yīng)

3.4 算法控制效果對比

表4為控制算法上升時(shí)間對比，表5為控制算法最大超調(diào)量對比，表6為控制算法穩(wěn)態(tài)誤差對比。

表4 控制算法上升時(shí)間對比 s

表5 控制算法最大超調(diào)量對比 s

表6 控制算法穩(wěn)態(tài)誤差對比 s

綜合表4、表5和表6，從瞬態(tài)響應(yīng)的上升時(shí)間、最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差出發(fā)，可以看出，分段PID算法的控制效果最優(yōu)，上升時(shí)間短，最大超調(diào)量可控，穩(wěn)態(tài)誤差很小，能實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制，與吉林大學(xué)馮巍等人[23]采用智能PID算法階躍信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為0.5 s相比，本文采用的算法上升時(shí)間為0.28 s,對于控制效果有明顯的改善；與合肥工業(yè)大學(xué)李宏超設(shè)計(jì)的控制算法[22]相比，上升時(shí)間較長，但在最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差方面具有顯著優(yōu)勢，對于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)更具優(yōu)勢；PID算法上升時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小，但在不同節(jié)氣門開度區(qū)間內(nèi)的波動(dòng)量較大。在10%開度處的最大超調(diào)量很大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，通用性差。但由于設(shè)計(jì)簡單，調(diào)試方便，可用于節(jié)氣門小開度區(qū)間內(nèi)的控制；插值算法上升時(shí)間長，存在一定量無法消除的穩(wěn)態(tài)誤差。但由于不存在PID算法的積分環(huán)節(jié)，可快速穩(wěn)定，抖動(dòng)很小，穩(wěn)定性優(yōu)良，對于臺(tái)架試驗(yàn)中要求恒定的進(jìn)氣量有一定意義。

在下一步開展的內(nèi)燃蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，可利用本文所取得的節(jié)氣門閉環(huán)控制優(yōu)化結(jié)果就采用電子節(jié)氣門對進(jìn)氣量進(jìn)行精準(zhǔn)控制和調(diào)節(jié)做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

基于NI公司的CompactRIO嵌入式平臺(tái)，建立了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，針對CompactRIO中的2個(gè)C系列模塊：NI 9205和NI 9478，編寫了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的PWM信號(hào)輸出程序、節(jié)氣門位置信號(hào)采集程序和3種閉環(huán)控制程序。對電子節(jié)氣門控制策略進(jìn)行了研究，逐步建立了插值算法、PID算法和分段PID算法，對節(jié)氣門進(jìn)行控制。通過對比3種控制算法對電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的控制效果，論證了在存在明顯非線性因素的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，分段PID算法是3種控制算法中最優(yōu)的控制策略，上升時(shí)間短，最大超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小，可實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門體快速準(zhǔn)確穩(wěn)定控制。