《汽油机电控系统怠速稳定性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽油机电控系统怠速稳定性（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、小排量汽油机电控管理系统怠速稳定性研究2007-10-29 字体：大中 小 来源：车用发动机第3 期袁银南，朱磊，张彤，陈笃红（江苏大学汽车与交通工程学院）【摘要】开发了发动机电控管理系统，通过研究怠速工况下各个时段的不同特征，分析了怠速稳定性控制要素和怠速排放要求合专家控制系统、变参数PID 控制、预测控制、怠速自适应控制，研究了汽油机怠速控制的各种先进控制策略。采用不同的先进控法对怠速工况的控制进行试验调试，对各个控制参数进行精确整定。根据不同的外在负荷对怠速工况进行优化控制，同时采用调节提前角实现扭矩波动平衡控制，实现了发动机的怠速最佳稳定控制。怠速排放控制、燃油经济性和怠速稳定性是电控
2、单元性能的重要指标。怠速控制的宗旨是在满足排放要求的前提下，尽量提高经济性，并保证发动机能稳定运行。较低的怠速转速能获得良好的燃油经济性，但是稳定性将面临严峻的考验，尤其是对于小排量动机，扭矩储备有限，当遇到外界扰动或者突然的负载变化（如空调、助力转向泵等），都可能会导致转速波动甚至熄火，另一方车辆起步时会有一种顿挫的感觉；发动机各循环间燃烧过程也存在不稳定性，即循环变动，尤其是在低速运转稀薄混合气燃烧时更出，由此也会带来转速的不稳定。本研究通过对各种可能发生的情形进行归纳分析，将怠速过程分成3 个组成部分：稳定怠速、负载突变（包括突加负载、突然和怠速过渡（包括进入怠速、返回怠速）。专家系统根
3、据发动机的运行特点进行可靠控制：稳定怠速时采用PID 控制，负载突变时预测控制，怠速过渡时采用开环控制，同时通过自适应控制系统对各个参数进行优化分析，保证了发动机个体不会因差异或者发动化而影响控制。本试验通过研究怠速工况下的不同控制算法，综合怠速工况下的经济性和排放性，对怠速的稳定性进行了研究，通过对大量控数的整定，实现了怠速的稳定控制。1 怠速闭环控制怠速控制就是控制发动机稳定运行在某一特定转速下，实质上是对怠速时的进气量进行控制，进气量的控制是通过调节怠速旁的开度实现的（怠速时节气门全闭）。将转速作为反馈信号对怠速阀开度进行PID 控制调节，标准的PID控制可如下表示式中， u（t ）为控
4、制系统输出；kp为比例系数； e（t ）为时刻的偏差；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。在实际应用中PID 算法的增量式u（t ） u（t 1）+u（ t ），那么u（ t ） kp2e（ t ）e（t 1）+ki2e（ t ）+kd2e（ t ）+e（t 2）22e（ t 1） 。式中， ki为积分系数， kd为微数。由于发动机怠速运行过程的非线性和时变性，经典PID 控制参数使用预定值难以达到理想效果，所以可以根据不同的工况设置的 kp。ki和 kd参数值， 并存储于 ROM 中。在进行怠速闭环控制时，程序通过转速反馈和相应状态信息，查取相应的PID 控制参数进控制计算，然后根据外载
5、负荷将其输出进行必要的修正，即获得对怠速旁通阀的控制量。控制系统框见图1。2 怠速预测控制发动机运行中会受到很多电器负载工作状态的直接影响，如空调系统、动力转向、冷却风扇、前大灯等，这些设备一般都有相状态信号与发动机ECU链接，当 ECU接收到某个设备打开的信号后，ECU立即发出指令将怠速旁通阀加大一定步数（怠速旁通阀的以步进电机的旋转相位差来衡量，最大为255 步），以避免因瞬间的负荷增大而使转速下降；当ECU 接收某个设备关闭的信号，则指令将怠速旁通阀减小一定步数，以避免发动机因为突然卸载而导致转速迅速上升。怠速阀的调整根据各个设备的消耗功率以及发冷却水温而定，形成一个二维脉谱存储在ROM
6、 中。3 怠速开环控制发动机冷起动后进人怠速，需运行在较高的转速以尽快完成暖机过程。怠速目标转速根据水温线性变化，水温越低目标转速越当车载电器设备工作时需要相应提高目标转速，由此怠速目标转速（ngoal）计算公式为ngoal=n0+nECT+nload。式中， n0为基本目标转速；nECT为水温修正目标转速；nECT=k2（90tECT），tECT为发动机冷却水温度；nload为车载电器设备修正转速，当多个设备同时处于工作状态时，将nload累加对目标转速进行修正（见表1）。车载负荷空调冷却风扇助力转向前大灯Nload/r2min-1150 1000 80 50 发动机怠速转速越低，燃油经济性
7、越好，但是低转速时输出扭矩很小，难以维持稳定运行，尤其是在负载突变时会容易熄火；低转速时燃烧状况差，CO和 HC排放急剧上升，图2 示出 372 发动机低转速时转速与排放的关系。经过试验将发动机运行在800r/满足经济性、稳定性和排放的要求，因此，本研究设定发动机基本怠速目标转速为800 r/min。4 怠速工况点火提前角控制点火提前角对汽油机的燃烧有显著的影响。怠速运行时，点火延迟，排气温度升高，有助于HC的氧化；但由于缺氧，CO排放大量减少。综合各方面因素，怠速稳定运行时点火提前角设定为9CA 。点火提前角加大，当前工作缸输出扭矩会立即增大，所以当监测到发动机转速低于目标转速时，可以立即加
8、大点火提前角来维矩平衡，达到稳定转速的目的。同时通过闭环控制调整怠速旁通阀将转速稳定在目标转速，此时点火提前角又回到9CA ；反之，速突然大于目标转速时，则立即减小提前角，闭环控制调整怠速阀使转速稳定在目标转速之后，点火角又回到9CA （见图3）。5 专家系统设计发动机运行过程中各种干扰因素瞬息万变，单一的PID 闭环控制和预测控制不能保证控制的可靠性。因此，根据发动机工作过干扰因素的特点，将怠速运行分成多个阶段，采用专家控制系统进行控制。怠速控制专家系统主要包括知识库、数据库、推理机、机等（见图4）。5.1 实时信息数据库实时信息数据库包含了传感器数据信息和执行器状态数据信息：曲轴转角、相位
9、信息；发动机转速和加速度；发动机负荷及负化；节气门开度、怠速阀开度；冷却水温、进气温度，冷却风扇工作状态；各个车载电器设备工作状态，如空调、助力转向、前大以上所有信息传送给推理机和学习机。5.2 知识库发动机怠速运行中实时信息将会有不同的表现，根据这些信息将怠速过程分为以下几个时段（见表2）。根据表2 可以得出控则集：2规则1：IF A THEN TO DO 起动成功后进人怠速过渡控制程序；2规则2：IF B THEN TO DO 暖机过程控制程序；2规则3：IF C THEN TO DO 稳速运行控制程序；2规则4：IF D THEN TO DO 电器设备开启过渡控制程序；2规则5：IF E
10、 THEN TO DO 电器设备关闭过渡控制程序；2规则6：IF F THEN TO DO 踩油门加速脱离怠速过渡控制程序；2规则7：IF G THEN TO DO 收油门减速返回怠速过渡控制程序。5.3 推理机推理是指依据一定的知识规则从当前的实时数据信息推出结论的过程。专家能够高效地求解复杂的问题，除了他们拥有大量的知识外，更重要的是他们能够合理选择并有效运用知识。基于知识的推理所要解决的问题是如何在问题求解过程中选择和运用知识成问题求解。推理机根据数据库提供的实时信息及知识库规则，采用正向推理的方法进行解答，并将解答中的相关参数送给执行器现预期控制。5.4 学习机发动机个体之间会存在着一
11、定的差异，同时随着运行时间的累计发动机性能也会老化，为了保证控制的效果，采用学习机来实适应调整：2记录每次输出的控制参数；2根据数据里的实时信息判定当前控制效果是否正常；2通过积累输出和输人数据，总结新的规则，并对控制模型进行在线修改。6 电控管理系统设计与试验匹配6.1 控制单元系统设计发动机电控单元采用Freescale的高性能单片机HCSl2作为主控芯片，最高总线时钟25 MHz，片内集成了12kB RAM ，4 kB E和 256kB Flash ，为程序系统设计提供了便捷方案和丰富的资源。其中的输入捕获、输出比较功能为曲轴凸轮信号的精确计量以及火喷油的精准定时提供了强有力工具。另外该
12、芯片还提供了16 路 10 位的 AD信号输入和8 路 PWM 信号等，满足 3 缸和 4 缸机电控单计功能需求。6.2 发动机标定匹配试验试验以 372 发动机为控制对象，进行了怠速稳定性验证试验。采用标定监控系统软件对发动机实时状态信息进行监控，标定相制参数。主要进行了以下试验：起动后到怠速过渡控制；暖机过程控制；车载电器设备开关瞬间过渡及设备工作中的控制；空挡时速脱离和返回怠速控制；车辆行驶中加减速脱离和返回怠速控制。通过标定匹配试验，发动机在800 r/min转速下实现了稳定怠速运行，在整车匹配中获得了良好的驾乘舒适性。图5 示出怠速下转速稳定波动曲线。图6 示出怠速工况下点火提前角波动曲线。当前转速为 （80030） r/rmin； 喷油脉宽值为3.62 ms； 过量空气系数。1.000.05； 冷却水温为91.4；进气压力为31.节气门开度为0，怠速阀步数为80 步。7 结论a）发动机怠速运行是一个多元非线性过程，通过分析各时段的状态信息，采用专家控制系统，应用PID 控制、预测控制等方法得了完美的稳定运行效果；b）小排量发动机怠速运行时输出扭矩小，当转速突然变化时，通过调节点火提前角实现扭矩平衡，提高了抗干扰能力，保证了性；c）发动机个体之间存在差异性，同时发动机性能也会逐渐老化，通过学习机的自适应控制保证了控制效果。
