防爆柴油機(jī)EGR閥瞬態(tài)工況控制算法研究＊

劉曉紅，王曉，趙美榮

（1.中北大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

前言

以柴油機(jī)為動(dòng)力源的防爆車輛以其高效靈活、安全性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為井下無軌輔助運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，但其嚴(yán)重的尾氣污染逐漸引起相關(guān)部門的重視[1-2]。無軌輔助運(yùn)輸防爆車輛屬于非道路用移動(dòng)機(jī)械，隨著生態(tài)環(huán)境部辦公廳對(duì)外發(fā)出關(guān)于征求《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段）（GB 20891-2014）修改單（征求意見稿）》的出臺(tái)，防爆柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的提高迫在眉睫。國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)相比于國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)，CO、HC幾乎無變化，NOX以及PM都有大幅下降。作為降低NOX排放最主要的技術(shù)手段之一，EGR技術(shù)以其轉(zhuǎn)化效率高、體積小、不需要添加尿素等特點(diǎn)優(yōu)于SCR技術(shù)，在防爆柴油機(jī)上大量應(yīng)用也成為一種必然趨勢(shì)。

目前，EGR系統(tǒng)控制的核心是通過不同的EGR閥開度來實(shí)現(xiàn)各種工況下EGR率的精確控制，特別是在瞬態(tài)工況下EGR率的控制以減少燃燒過程中的NOX排放[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況時(shí)負(fù)荷大幅度變化，不同負(fù)荷條件下最優(yōu)EGR率相差較大，且因?yàn)楣?jié)氣門的迅速變化而帶來的進(jìn)氣量的急劇變化使得傳統(tǒng)基于負(fù)荷或穩(wěn)態(tài)MAP的EGR閥開度控制很難滿足要求[4-5]。要實(shí)現(xiàn)全工況下EGR的精確控制，這就要求EGR閥開度能夠根據(jù)負(fù)荷和進(jìn)氣量的變化迅速調(diào)整。文獻(xiàn)中論述較多的是通過氧傳感器測(cè)量進(jìn)排氣氧濃度或過量空氣系數(shù)來實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)過程EGR率的控制。由于氧傳感器一般安裝在柴油機(jī)排氣歧管之后，因此其測(cè)得的氧濃度以及據(jù)此計(jì)算的空燃比與實(shí)際進(jìn)氣之間存在一定的傳輸延遲[6]，再加上EGR閥的動(dòng)作存在一定的機(jī)械延遲，使得EGR率的實(shí)現(xiàn)存在嚴(yán)重的滯后。本文針對(duì)防爆柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)，進(jìn)行了基于TI公司高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335的EGR閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)過程EGR率的控制。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室搭建的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。方案中的執(zhí)行器為直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)式EGR閥，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用集成驅(qū)動(dòng)器。上位機(jī)與排氣分析儀相連可獲得實(shí)時(shí)EGR率，同時(shí)通過CAN總線可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。以TMS320 F28335為主控芯片的EGR控制單元，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置以及冷卻水溫度等信號(hào)，通過查找存儲(chǔ)在ROM中的MAP來確定實(shí)現(xiàn)最優(yōu)EGR率的EGR閥基礎(chǔ)開度值，同時(shí)采集空氣流量計(jì)及進(jìn)氣溫度信號(hào)來計(jì)算瞬態(tài)空氣流量，并根據(jù)空氣流量信號(hào)修正EGR閥開度，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM信號(hào)輸出至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至一定的角度，再通過蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)EGR閥使其到達(dá)預(yù)定的開度，實(shí)際開度通過EGR閥位置傳感器反饋至EGR控制單元，通過增量式PID調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)現(xiàn)EGR率的閉環(huán)控制。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 控制算法設(shè)計(jì)

2.1 自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器（AEKF）估算空氣流量

發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量信號(hào)可以通過位于節(jié)氣門后的熱式空氣流量傳感器直接測(cè)量得到，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)、排氣門周期性的開閉，氣體是周期性流動(dòng)的，同時(shí)產(chǎn)生速度波和壓力波，再加上傳感器的響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)的測(cè)量精度影響較大，特別是對(duì)于瞬態(tài)過程，很難得到比較精確的空氣流量信號(hào)，使得EGR率的實(shí)時(shí)控制很難實(shí)現(xiàn)。

AEFK針對(duì)非線性模型，通過將系統(tǒng)的非線性函數(shù)進(jìn)行泰勒展開，二階及以上的導(dǎo)數(shù)全部舍去，得到線性化的系統(tǒng)方程，然后再利用卡爾曼濾波算法完成濾波跟蹤，進(jìn)而完成對(duì)目標(biāo)參數(shù)的濾波估計(jì)。AEKF可以在實(shí)現(xiàn)過程中適時(shí)調(diào)整模型的方差，即使在系統(tǒng)噪聲不斷變化的條件下也能夠保持很好的精度，對(duì)初始值的誤差有很強(qiáng)的修正作用，且對(duì)噪聲也有很強(qiáng)的抑制作用[7]。通過AEKF來對(duì)每180°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)的平均流量進(jìn)行估算，這種方法得到的空氣流量值相對(duì)穩(wěn)定，且能夠迅速地反映空氣流量的實(shí)時(shí)變化，并對(duì)下一循環(huán)的空氣流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此為依據(jù)修正EGR閥開度并使EGR閥提前動(dòng)作。

本系統(tǒng)模型中，AEKF濾波器的輸入為節(jié)氣門位置P，輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量Q?；贏EKF的狀態(tài)轉(zhuǎn)換方程和觀測(cè)方程形式分別為：

式中：xk為系統(tǒng)狀態(tài)量；yk為系統(tǒng)觀測(cè)量；ωk為過程噪聲；vk為測(cè)量噪聲；ωk、vk為均值為零的高斯噪聲。

狀態(tài)向量為：

雅克比矩陣F和G分別為：

2.2 EGR閥增量式PID控制算法

控制單元輸出的經(jīng)進(jìn)氣流量修正后的EGR閥開度為目標(biāo)開度，與實(shí)際開度值的偏差通過增量式PID算法調(diào)整。PID算法的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 PID算法結(jié)構(gòu)框圖

增量PID算法的方程為：

式中：Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)，KI=KpT/KI；KD為微分系數(shù)，KD=KpT/KD；T為采樣周期；e（k）為本次偏差；e（k-1）為上次偏差。

PID參數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)整定。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證EGR閥控制算法的控制效果，在TMS320F28335中通過編程實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器及增量式PID控制算法，并進(jìn)行了恒轉(zhuǎn)速增扭矩（10%-90%負(fù)荷）瞬態(tài)控制實(shí)驗(yàn)。3s和5s典型瞬變工況實(shí)驗(yàn)下測(cè)得EGR率誤差如圖3所示。由圖3可知，整個(gè)瞬態(tài)過程EGR率誤差不超過2%。EGR率誤差在瞬態(tài)工況開始時(shí)迅速增大，原因是此時(shí)進(jìn)氣流量迅速增加，需要EGR閥開度迅速增大，但控制器中為防止EGR閥開度瞬間大幅變化帶來的抖動(dòng)，PID算法每50ms輸出一次控制值，且EGR閥每次變化的步長(zhǎng)不超過5%開度。

圖3 EGR率誤差曲線

4 結(jié)論

針對(duì)非道路用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)四排放的需求，設(shè)計(jì)了一種基于基礎(chǔ)MAP和實(shí)時(shí)進(jìn)氣流量的步進(jìn)電機(jī)式EGR率閉環(huán)控制算法，其中瞬態(tài)進(jìn)氣流量由自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估計(jì)，EGR閥的控制采用增量式PID控制算法。并對(duì)本研究所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EGR率的瞬態(tài)誤差能控制在2%以內(nèi)。