汽油機(jī)空燃比控制和時(shí)間延遲的研究

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1、汽油機(jī)空燃比控制和時(shí)間延遲的研究劉曉亮1,2,王生昌1,李茂月1(1.長安大學(xué)汽車學(xué)院,陜西西安710064;2.交通部公路科學(xué)研究院,北京100088)摘要:總結(jié)了近年來國內(nèi)外學(xué)者在汽油機(jī)空燃比精確控制方面的研究概況;分析了影響汽油機(jī)空燃比控制精度的因素;著重研究了空燃比閉環(huán)控制中的時(shí)間反饋延遲,并建立了時(shí)間延遲數(shù)學(xué)模型。關(guān)鍵詞:汽車;汽油機(jī);空燃比;時(shí)間延遲中圖分類號(hào):U464.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-2668(2008)02-0011-04發(fā)動(dòng)機(jī)控制是控制系統(tǒng)工程師和研究者們面對(duì)的最復(fù)雜的問題之一。隨著政府和消費(fèi)者對(duì)汽

2、車性能要求的提高,汽車制造商在希望使汽車的綜合性能達(dá)到最好的同時(shí),努力使汽車的排放性能和燃油消耗水平降到最低。為了滿足上述要求,需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種變量進(jìn)行控制,如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、點(diǎn)火時(shí)間、噴油時(shí)間、進(jìn)氣量、空燃比(AFR)等。而這些變量間存在著復(fù)雜的關(guān)系,使發(fā)動(dòng)機(jī)具有高度的非線性動(dòng)態(tài)特性。在為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能而進(jìn)行的汽油機(jī)控制參數(shù)的調(diào)整過程中,其他參數(shù)的調(diào)整也都不同程度地以空燃比的調(diào)整為基礎(chǔ)和依據(jù)。因此,對(duì)空燃比的控制方法和時(shí)間延遲的理論研究能為下一步的試驗(yàn)研究積累理論基礎(chǔ),并對(duì)設(shè)計(jì)有效的空燃比控制策略提供一定幫助。圖1空燃比

3、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成快速發(fā)展,空燃比控制方法越來越多。當(dāng)前經(jīng)常使用的空燃比控制方法一般有基于經(jīng)典控制理論的PID控制、基于模型的空燃比控制及人工智能控制方法。目前的電噴汽油機(jī)中,絕大多數(shù)采用的是以穩(wěn)態(tài)工況下制取MAP圖為基礎(chǔ)的空燃比控制策略。穩(wěn)態(tài)時(shí),通過開關(guān)型氧傳感器進(jìn)行PID閉環(huán)反饋控制,并采用查表方式獲取控制參數(shù);瞬態(tài)時(shí),由于采用基于查表的開環(huán)控制策略,并沒有考慮進(jìn)氣真空度波動(dòng)、燃油的濕壁效應(yīng)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程所固有的時(shí)間延遲和進(jìn)氣管壓力傳感器的響應(yīng)時(shí)間延遲的影響,所以控制精度低、響應(yīng)特性差。2.1基于經(jīng)典控制理論的PID控制PID控制(比

4、例、積分、微分)是控制系統(tǒng)控制中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制方法,其原理如圖2所示。影響空燃比控制精度的因素1在所有發(fā)動(dòng)機(jī)控制變量中,AFR與燃油經(jīng)濟(jì)性、污染物排放量有著密切的關(guān)系。三效催化轉(zhuǎn)化器(TWC)的應(yīng)用,極大地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下的排放性能,但是空燃比偏離理論空燃比(14.7)超過1%,將會(huì)導(dǎo)致TWC轉(zhuǎn)化效率降低,嚴(yán)重時(shí)甚至降低50%。為了將實(shí)際空燃比控制在理論空燃比附近,在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中普遍采用氧傳感器組成的空燃比控制方式,即閉環(huán)控制方式?？杖急乳]環(huán)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。影響空燃比精確性的動(dòng)態(tài)特性主要包括燃油油膜濕壁

5、效應(yīng)、進(jìn)氣歧管動(dòng)態(tài)特性、空氣流量測(cè)量后的節(jié)氣門移動(dòng)、傳感器延遲和燃燒延遲。圖2PID控制系統(tǒng)原理空燃比控制方法2PID控制器是一種線性控制器,根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差,e(t)計(jì)算控隨著現(xiàn)代控制理論的不斷完善及微電子技術(shù)的公路與汽運(yùn)第2期2008年3月Highways&AutomotiveApplications12制量。常規(guī)PID控制算法如下:壓力測(cè)量;另一種方法是基于節(jié)氣門位置傳感器。按照觀測(cè)器的形式,又分為線性觀測(cè)器和非線性觀測(cè)器。雖然方法不同,但目標(biāo)一致,即估計(jì)進(jìn)氣歧管壓力、沉積在進(jìn)氣管壁上的油膜質(zhì)量等不

6、可監(jiān)測(cè)量。但該控制方法缺乏對(duì)環(huán)境變化、發(fā)動(dòng)機(jī)老化和個(gè)體特性的自學(xué)習(xí)能力。tkp[e(t)+k∫i0e(t)dt+kdde(t)/dt]u(t)=(1)式中:u(t)為控制量;kp、ki和kd分別為PID控制器的比例、積分和微分項(xiàng)參數(shù)。PID控制的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需了解被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,只需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù),便可得到比較滿意的控制效果。其缺點(diǎn)是對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化比較敏感,在某一條件下設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制參數(shù)在其他條件下不一定能取得理想的效果。傳統(tǒng)的解決方法是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率特性將其運(yùn)行狀態(tài)劃分成幾個(gè)不同的區(qū)域,對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)

7、行PID參數(shù)優(yōu)化,實(shí)際運(yùn)行時(shí)查表取值。如將發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程劃分為若干工作模式,包括起動(dòng)模式、暖機(jī)模式、怠速模式、加速模式和減速模式等。根據(jù)循序漸進(jìn)的方法,利用PID控制設(shè)計(jì)的汽車空燃比控制系統(tǒng)如圖3所示。圖4基于模型的空燃比控制結(jié)構(gòu)基于現(xiàn)代控制理論的算法雖然可以較好地解決傳感器和傳輸造成的延時(shí)問題、可以分析控制系統(tǒng)的零極點(diǎn),但是其控制算法的計(jì)算量太大,要求采用高速的微處理器。同時(shí)其系統(tǒng)模型的辨識(shí)也要求采用快速收斂的算法,若進(jìn)行在線參數(shù)辨識(shí),則對(duì)微處理器的要求更高,而且模型參數(shù)辨識(shí)的準(zhǔn)確性也對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度有很大影響。因此,需開發(fā)能夠計(jì)算

8、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制方法或辨識(shí)方法。2.3人工智能控制智能控制主要是在上述控制方法的基礎(chǔ)上,采用基于模糊規(guī)則或基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)器或控制器,融入自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)、預(yù)報(bào)、魯棒控制等先進(jìn)控制方法,實(shí)際上是