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1、安徽农业大学工学院毕 业 论 文（设计）论文题目 基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究 姓 名 _ 学 号 _ 院 系 工学院 专 业 车辆工程 指导教师 职 称 副教授 中国合肥二 o 一五年五月基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究 II目 录1 绪论 11.1 课题背景及意义 11.2 发动机怠速控制的国内外研究现状和发展21.3 模糊控制在发动机怠速控制中的作用31.4 本文的主要研究内容 3 2 汽油机对怠速的要求42.1 怠速控制的目的和汽油机怠速控制发展的状况42.2 怠速的定义及怠速控制的任务52.3 怠速控制的基本要求62.4 怠速控制系统的组成73 模糊控制理论 83.1 模
2、糊逻辑理论的基本内容及发展 83.2 模糊控制系统的基本原理 94 怠速模糊控制系统104.1 怠速模糊控制系统基本原理104.2 汽油机怠速控制系统数学模型 114.3 怠速模糊控制器的设计134.4 怠速模糊控制系统的仿真15结论17致谢17参考文献18 基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究 第 1 页 共 22 页基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究（安徽农业大学工学院 11 级车辆工程 合肥）摘要 由于国家制订了更加严格的排放法规和要求降低燃油消耗。进入 21 世纪后，科学技术的不断进步，社会发展迅速，能源问题凸显出来，环境情况显得不容乐观。为了解决日益严峻的能源衰竭和环境污染，使发动
3、机在怠速的工况下稳定运转就显得尤为重要。随着汽车工业的发展，传统的怠速控制方法已经不能满足要求，我们所面临的环境和控制的对象具有高度的复杂性和不确定性，所以对于传统的控制方法就难以达到理想的控制目标。模糊控制研究的重点不是被控过程或对象，它是以人工经验为基础，避免了建立复杂数学模型，在考察区域划分模糊子集后，对获得的信息进行构造隶属度函数，然后按照一定的规则和推理作出模糊决策，进而可以对被控制的对象能够进行有效的控制。依据模糊控制的方法，再利用仿真软件 MATLAB 中动态仿真集成环境 Simulink可以对汽油机怠速模糊的控制系统进行仿真。关键词 汽油机 怠速控制 模糊 仿真1 绪论1.1
4、课题背景及意义随着我国经济的发展和科学技术的进步，汽车工业正在迅速发展，每一年中国汽车的保有量都在不断的上升。人们对汽车过度的使用，使汽油、柴油等不可再生能源越来越少，环境污染越来越严重。中国的经济正处于稳步的增长时期，我们应该坚持自己的发展，实行可持续发展战略。每年在公路上行驶的汽车逐渐增多，汽车尾气会造成严重的大气污染，由于全国许多经济发展较好的城市汽车保有量的增长，造成了所在地区空气受到严重污染。大城市中居住的人非常多，环境的好坏影响到人们的生活质量，由于许多汽车尾气的排放不基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究 第 2 页 共 22 页达标导致空气质量的下降，这不仅仅严重威胁着人们的身心
5、健康，还阻碍着城市的建设步伐。 1研究表明，汽车在道路状况复杂的城市道路上行驶，经常在十字路口等待红绿灯，在早中晚及节假日车流量较大的高峰时段，车辆拥挤的情况尤为严重，汽车等待的时间更长。此时汽车的发动机处于怠速的工况状态，汽车怠速的时间大约占总运行时间的 30%2，汽车怠速的时候由于外界干扰、负荷变化等因素使发动机的转速出现一定的波动，这样一来，不仅会使油耗增大，而且导致排放污染物增多，怠速工况下的耗油量占总耗油的 30%3，因怠速排放的一氧化碳和碳氢化合物占总排放的 70%4。因此为了满足越来越严格的排放法规要求，最大可能的降低汽车怠速时的转速并保持怠速的转速稳定显得非常重要。这也是国内外
6、许多研究者所面临的难题。1.2 发动机怠速控制的国内外研究现状和发展汽油发动机怠速的控制是发动机电子控制的重要内容之一，怠速是否能够得到有效的控制，不仅仅关系到汽车发动机的性能，而且从驾驶的角度来看也有一定的影响。发动机的控制方式与怠速的控制的研究与发展是相互联系的。怠速控制的目的很明显，就是在无法确定干扰的情形下，确保发动机的转速具有良好的动态性能和稳态性能，这是一个典型的发动机闭环反馈的控制问题。我们可以将发动机的怠速控制看作一个基准的控制问题，对其进行研究并且用来评估一些先进的控制算法。 5汽油机的怠速控制是发动机的控制研究的重要内容之一，有很多的国外研究者基于基本的控制方法，加入汽油机
7、点火时刻控制。因为参数的改变到汽油机性能的变化会有一个滞后的过程，但是滞后的程度会有一些差异。因此，若采用改变汽油机点火提前角的方法来控制怠速反应较快，能够达到更高的精度。但是通过改变点火提前角来控制怠速的转速，怠速转速变化的范围较小。国内已经有一些研究者着眼于这方面。到目前为止，大多数的汽车采用的依然是通过改变电子节气门的开度或改变怠速旁通阀的方式来调节怠速的转速。总结国内外的汽油机的怠速控制主要有 PID 控制、滑膜控制、预测控制和神经网控制。基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究 第 3 页 共 22 页1.3 模糊控制在发动机怠速控制中的应用自从模糊数学在 1965 年被美国的控制专家
8、Zadeh 提出以来，他的方法和理论渐渐的得到完善，并且被广泛的应用在社会科学和自然科学各领域。直到1972 年，模糊逻辑被应用于控制。以模糊数学为基础的模糊控制技术，它是针对数学模型不明确的被控对象，或非线性模型的实用简单的控制方法。 6相对于传统的控制，模糊控制有以下的优点：（1）模糊控制是基于规则的一种控制，采用的是语言型的控制规则，它依据操作人员的经验和专家的知识。在设计模糊控制器时，不需要建立精确的数学模型，并且有很强的自适应性和鲁棒性。（2）模糊控制相对容易建立语言的控制规则，所以模糊控制比较适用于那些数学模型难以建立，以及非线性对象非常适用。（3）查找模糊控制表所需要的时间非常少
9、，所以我们可以用较高的采样率，以此来填补实际经验的偏差和模糊控制的规则。（4）由于模糊控制的鲁棒性强，外界的干扰或系统参数的变化对控制的影响被大为的削弱，对非线性及纯滞后系统的控制特别适用。 71.4 本文的主要研究内容近年来，智能控制作为模糊控制的一个分支得到了很大的发展，模糊控制的重点不是研究被控对象或过程，它是建立在人工经验基础上，模仿人在控制活动中的模糊概念和控制策略，绕过建模的困难，通过在考察区域划分模糊子集对获得的信息构造隶属度函数，再按照控制规则和推理法则做出模糊决策，从而对被控对象进行有效的控制。所以模糊控制的方法适于汽油机的怠速控制。本文所做的主要研究内容如下：（1）对汽油机
10、在怠速工况下的要求及研究，（2）模糊控制理论与怠速控制的相结合，发挥模糊控制的优点，基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究 第 4 页 共 22 页（3）怠速模糊控制器的设计与怠速模糊控制系统在仿真软件 MATLAB 中的动态仿真集成环境 Simulink 下的仿真。2 汽油机对怠速的要求2.1 怠速控制的目的和汽油机怠速控制发展的状况汽车的运行比较复杂，工况的变化十分频繁。汽车怠速时的转速越低，则废弃的稀释作用就会更加明显，所以必须要提供较浓的混合气，这样就会增加CO 和 HC 的排放浓度，所以怠速转速的提高将会降低排放尾气的浓度。因此，汽油机的怠速控制应该是在尽量降低尾气排放浓度的情况下保持
11、怠速工况可以在较低的转速下平稳运转。电控的汽油机在怠速情形时，除了适当提高怠速的转速来降低 CO 和 HC 的排放浓度外，还能通过怠速旁通空气量孔和喷油的配合把转速良好的控制在稳定的水平，这样就会使控制有很大的弹性，能够适应复杂多变的外界环境。一般情况下，若降低汽油机的转速，则单位时间内的燃油耗就会降低。而如果转速太低会使发电机的充电能力降低，当蓄电池的电压降到某一值后，就会影响到整个电控系统的正常工作，波动性越来越明显，此自适应系统相互矛盾。只有在不影响排放的水平和怠速的质量的基础上，使怠速转速的工作点设置在汽油机可能的最大范围来达到目标。由 Nissan 公司所研制出的怠速控制系统具有比较
12、高的响应性，此系统采用了线性规划的原理建立了动态数学模型，可以通过调节空气调节阀来控制旁通空气量。这个系统，怠速的转速设置在节约燃油的前提下，同时满足外界环境的变化对汽油机的要求。Bosch 公司研制的 Motronic- 喷射系统怠速控制是目前怠速控制的方法中典型的方法之一。用一个旋转滑式的怠速调节器来打开通往节流阀的旁通截面，可以依据此调整器控制位置的不同，以产生相应的开启截面。因为空气流量计所测量的空气量包括了此附加空气量，喷油量也会作出相应变化，怠速空气调节装置很大程度上有效的稳定了怠速转速，它还能够降低怠速转速，以减少燃料的消耗。在 20 世纪 80 年代的中期，由美国 Purdue
13、大学 WRMhlle 等人研制出的怠速自适应控制系统，通过控制波动性指数，使汽油机处在稳定工作的极限状态，此系统仍然以转速为控制对象，能够不断识别基于模糊控制的汽油机怠速系统仿真研究 第 5 页 共 22 页最佳转速工作点，而这些工作点是由汽油机的转速波动性和曲轴的转速来决定的。近些年来，国内外的许多学者对怠速的控制也进行了一些的研究工作，并且取得了可喜的成果。 82.2 怠速的定义及怠速控制的任务汽油机怠速是指在油门踏板处于完全松开的状态，转速能够保持在最低的可能的水平状态。现在的汽油机通常都会有节气门，在汽油机怠速工况时节气门的回位弹簧有促使节气门全闭的趋势。我们要知道，怠速和空转是两个不
14、同的概念。空转是空负荷，指的是汽油机在没有其他外加负载的情形下工作。过去汽油机所做的功全部用来驱动汽车，当离合器脱开，此时的汽油机就没有其他的负载，这样就是空转。而且在这样的情况下油门踏板也是处于完全松开的状态，所以也是怠速，这样就会使人认为怠速就是空转。但是对于现代汽车情况就大为不同，大部分轿车都装上了空调设备，即使在怠速时把离合器脱开，汽油机还可能要带动空调的压缩机运转。所以此时怠速就不一定没有负荷，它指的是汽油机与离合器分离的状态，并且不输出轴功。怠速控制是为了使汽油机能够获得较好的运行，即排放减少、油耗降低和驾驶舒适，而且会出现良好的过渡反应，即只要节气门打开就能立即作出反应，使汽油机能够平稳、迅速的过渡到任何工况，例如节气门全开的加速和部分节气门开启加速等工况。怠速时如果汽油机转速稳定，则汽油机的输出转矩正好与阻力矩平衡。当汽油机的输出动力全部用于驱动汽车的情况下，怠速的目的只是为了使汽油机不熄火，并不要求它对外做功，怠速工况下消耗的燃油全部用来克服
