畢業(yè)設(shè)計論文發(fā)動機怠速PID控制研究

1、 畢業(yè)論文發(fā)動機怠速pid控制的研究專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 班 級 b機制021 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 2006年6月15日 發(fā)動機怠速pid控制的研究摘要: 汽車發(fā)動機怠速是指發(fā)動機對外不作功，以較少的能量消耗來保證發(fā)動機能夠低速運轉(zhuǎn)。但由于受使用條件的影響，發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)變化，導(dǎo)致發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。發(fā)動機怠速控制的優(yōu)劣是影響發(fā)動機的排放性能和燃油經(jīng)濟性水平最重要的環(huán)節(jié)。因此，對汽車發(fā)動機怠速進行控制具有十分有意義的。論文首先介紹了國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及汽車發(fā)動機怠速工況的運行特點。根據(jù)對國內(nèi)外汽車發(fā)動機怠速模型的綜述分析，提出了本文發(fā)動機怠速模型。

2、經(jīng)過對pid控制的優(yōu)缺點的分析，提出了汽車發(fā)動機pid控制策略，討論了控制器參數(shù)的整定方式根據(jù)給定的參數(shù)和技術(shù)要求，利用matlab軟件及simulink工具強大的運算/繪圖功能可視化的操作界面，對汽車發(fā)動機怠速pid控制進行了仿真。分析了控制器的參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響。結(jié)果表明發(fā)動機怠速pid控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠調(diào)整方便等優(yōu)點。關(guān)鍵詞:發(fā)動機；怠速；pid控制； matlab/simulink； 汽車the engine idling to the pid control studiedabstract : engine idling engine work in a lo

3、w speed, with less energy consumption to ensure. but as the varing of the operation conditions, engine speed changes too, which leads to instability and even stopped. engine idling engine is the key to affect the level of emission performance and fuel economy. therefore, the control of engine idling

4、 is very important. the thesis presentes engine idling operational features. based on the analysis of model car engine idling at home and abroad, a idling model is proposed in this thesis. after analysis of the advantages and disadvantages of pid control, the engine pid control strategy is used in t

5、his paper, the controller parameters will be adjusted to the given parameters and technical requirements, using the matlab software and simulink tool for its powerful computation graphic. the pid control of a vehicle engine is simulated. the factors influencing the engine idling speed are discussed

6、in the thesis. the results showed that the engine idling pid control technology has the merits of simple structure, good stability, easy adjustment, etc.key words: engine; idling; pid control; matlab/simulink; motorcar目錄1緒論11.1汽車電子技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀21.2 怠速控制發(fā)展?fàn)顩r21.3 怠速控制的要求22 汽車發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)42.1 怠速工況分析32.2 怠速不良表現(xiàn)

7、42.3 怠速控制過程42.4 怠速控制策略53 汽車發(fā)動機怠速模型63.1 國外采用的發(fā)動機怠速模型53.2 國內(nèi)采用的發(fā)動機怠速模型93.3 本課題采用的發(fā)動機怠速模型104 pid控制器144.1 pid控制簡介144.2 pid控制器參數(shù)的整定155 matlab介紹165.1 matlanb簡介165.2 simulink簡介165.3 simulink建模方法165.4 simulink建模具體步驟176 基于simulink的怠速pid控制仿真186.1 仿真模型的建立186.2 仿真結(jié)果分析206.3 發(fā)動機怠速穩(wěn)定性分析217結(jié)論.23參考文獻.24致謝.26附錄.271 緒

8、 論 1.1 汽車電子技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 汽車工業(yè) 100 多年來一直占據(jù)發(fā)達國家支柱產(chǎn)業(yè)的地位。一方面，汽車工業(yè)的發(fā)展迫切需要新科學(xué)、新技術(shù)的支持；另一方面，新科學(xué)、新技術(shù)又需要找到用武之地，以擴大其產(chǎn)業(yè)發(fā)展。所以，從電子工業(yè)誕生開始，兩者就緊密地聯(lián)系在一起，成為世界工業(yè)的兩大支柱。70 年代，電子技術(shù)取得了一系列突破性進展。1973年，intel 4 位cpu i 4004和8位cpu i 8008相繼問世；1975年，8位單片集成的cpu i 8048 問世；1976年，16kb ram問世；1978年，64kb ram問世；1979年,16位cpu i 8086問世。電子工業(yè)的迅速發(fā)展為

9、汽車電子技術(shù)的發(fā)展提供了可能。而同時,汽車保有量的增加使大氣污染問題日益嚴(yán)重。1960年，美國加州制定了世界上第一個汽車排放污染限制法規(guī)。1968年,美國頒布了聯(lián)邦排放法規(guī)。這些法規(guī)一再修訂，限制越來越嚴(yán)格。繼美國之后，歐洲和日本也相繼制定出排放法規(guī)。在70年代,還發(fā)生了1973年和1979年的兩次石油危機。1978年，美國又頒布了聯(lián)邦燃油經(jīng)濟性法規(guī)。這些法規(guī)的頒布對汽車工業(yè)造成了巨大的壓力。而傳統(tǒng)的機械改良方式是無法逾越這些障礙的。在這樣的歷史背景下，形成了70年代汽車電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的局面。70年代發(fā)動機電子技術(shù)發(fā)展的一些情況。在80年代,微機技術(shù)有了更長足的發(fā)展。繼1983年intel

10、16位cpui 8096問世后，motorola 公司又于 1984 年和 1987 年分別推出 32位cpu mc68020 和 mc68030。與此同時,內(nèi)存芯片也從 1983 年的 256kb、1985年的1mb增長到1988年的4mb ram。微機速度、字長和內(nèi)存容量的飛速增長，為以微機為“大腦”的發(fā)動機集中控制系統(tǒng)提供了基石。在這期間，各種發(fā)動機的控制系統(tǒng)功能日趨完善，且從單一的發(fā)動機集中控制，發(fā)展到包括自動變速器的動力總成控制，再發(fā)展到整車集中控制。今天,美國幾乎100%的轎車都采用了電子控制;日本和歐洲緊隨其后,電子控制的轎車占其出廠轎車的比率也接近 100%。1.2 怠速控制發(fā)

11、展?fàn)顩r汽車在城市中行駛時,經(jīng)常會遇到交通擁擠的狀況，此時發(fā)動機多處于怠速工況。發(fā)動機的怠速油耗約占整個工況油耗的 30% 。因此，過去人們一直以降低怠速轉(zhuǎn)速為目標(biāo)來改善發(fā)動機的經(jīng)濟性。但是，汽油機的怠速工況由于需要供給較濃的混合氣，燃燒不完全，所以怠速工況是產(chǎn)生co和hc有害排放物的主要工況。而且,怠速轉(zhuǎn)速越低，廢氣的稀釋作用越明顯，這會使co 和hc的排放濃度進一步增加。提高怠速轉(zhuǎn)速對減少co 和hc的排放是有利的。怠速轉(zhuǎn)速從700r/min提高到800r/min，co下降10%，hc排放量下降 15%。因此，汽油機怠速控制的目標(biāo)應(yīng)為在盡可能低的 co 和 hc 排放下，保持怠速工況在較低的

12、轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。另外,還應(yīng)考慮冷車啟動、空調(diào)及電氣負(fù)荷、自動變速器、動力轉(zhuǎn)向伺服機構(gòu)的接入等情況都會引起怠速轉(zhuǎn)速的變化，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定甚至熄火。當(dāng)前,對怠速控制策略的要求主要包括以下幾個方面：a在所有可能的工況條件下提供理想的怠速空氣量。b及時補償發(fā)動機的負(fù)荷變化。 c防止發(fā)動機的失速。d采用維持最低怠速與減速空氣量控制等方式,以取得良好的燃油經(jīng)濟性。e采用急減速時增加空氣量等方式改善排放.f對于零件老化及各車異性等所致的差異能自動地進行補償，以減少周期性調(diào)整的要求.g改善車輛的可駕駛性.傳統(tǒng)的化油器采用單獨的怠速系，由怠速空氣量孔和怠速孔共同調(diào)節(jié)以供應(yīng)怠速時較濃的混合氣，保持怠速工況穩(wěn)定

13、。但是這種機械式的調(diào)節(jié)方式無法滿足上述要求，很難滿足使發(fā)動機在復(fù)雜的外界條件下保持怠速穩(wěn)定、排放良好的目標(biāo)。電控汽油機在怠速工況時除了將怠速轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高以降低co和hc以外，還可以通過調(diào)整怠速空氣量與噴油的匹配將怠速轉(zhuǎn)速控制在一個比較穩(wěn)定的水平上,這樣控制的彈性很大,可以適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境。1.3怠速控制的要求“怠速控制”就是通過控制怠速工況的供氣量及相應(yīng)的供油量和點火提前角，使發(fā)動機能以一個最佳的怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，同時能夠平穩(wěn)地實現(xiàn)由怠速工況向負(fù)荷工況(或相反，由負(fù)荷工況向怠速工況)的過渡。怠速控制的好壞同發(fā)動機的怠速穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟性和排放性能都密切相關(guān)。怠速控制是發(fā)動機電子綜合控制技術(shù)的

14、重要組成部分。在交通密集和擁擠的城市，汽車經(jīng)常停車而發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)。據(jù)統(tǒng)計,汽車耗油量的30%消耗在怠速工況,降低怠速油耗將有助于節(jié)能.怠速工況缸內(nèi)殘余廢氣比例增多,要用較濃的混合氣，故co和hc排放污染也增多.在怠速狀態(tài)下,有時還會出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速周期性的變化，即所謂游車現(xiàn)象。從廣義角度理解，怠速運行這一范疇，不僅是指發(fā)動機節(jié)氣閥關(guān)閉(只有少許空氣通過節(jié)氣閥縫隙或經(jīng)過旁通空氣閥進入發(fā)動機)汽車處于空檔時的發(fā)動機空轉(zhuǎn)狀態(tài)，它也包括了由空轉(zhuǎn)向負(fù)載運行過渡初期發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低的工況。在發(fā)動機空轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)速決定于指示扭矩與機械損失扭矩的平衡。就機械損失來說，包括發(fā)動機內(nèi)的摩擦損失、附件及所帶動的一些外部

15、設(shè)備(如空調(diào)壓縮機、動力轉(zhuǎn)向泵等)的驅(qū)動損失。前兩項可以說是基本機械損失，其大小隨發(fā)動機溫度狀況(以冷卻水溫為標(biāo)志)和發(fā)動機新舊程度而變化，后者則是隨機加入的.就發(fā)動機的指示扭矩來說，在空燃比和點火正時相應(yīng)調(diào)整合適的情況下，它決定于進氣空氣量。因此對于一定的基本機械損失狀況，改變怠速供氣量(旁通空氣閥通路)就可以改變基本怠速轉(zhuǎn)速。從燃料經(jīng)濟性來說，此怠速轉(zhuǎn)速宜取低，但從負(fù)載工況過渡的圓滑性和發(fā)動機尾氣排放考慮，則宜適當(dāng)提高怠速轉(zhuǎn)速。怠速供氣量越低，相應(yīng)的空燃比越小，co和hc的排放就增大。實際上基本目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速的設(shè)定是以co和hc不超過排放標(biāo)準(zhǔn)為限的。在實際運行中，由于隨機地加入空調(diào)壓縮機或動

16、力轉(zhuǎn)向泵，或者發(fā)電機負(fù)載 (電子冷卻風(fēng)扇和照明等)增大，以及發(fā)動機本身工作循環(huán)的不均勻性、環(huán)境溫度和壓力的變化等等,都會使怠速轉(zhuǎn)速發(fā)生波動。怠速控制的基本任務(wù)就是通過調(diào)整供氣量(相應(yīng)改變空燃比和點火正時)使怠速轉(zhuǎn)速在目標(biāo)值上下的波動幅度不超過一定范圍(一般以維持在目標(biāo)值的1g%以內(nèi))。另一方面，汽車掛行車檔而開啟節(jié)氣閥時，由于進氣滯后、供油及進氣管路內(nèi)燃油蒸發(fā)滯后的影響，混合氣變稀，輸出扭矩可能低于帶動負(fù)載所需的扭矩而發(fā)生轉(zhuǎn)速急劇下降，嚴(yán)重時可能滅車。為了避免這種情況，除了加大供油量外，還要在掛檔和開節(jié)氣閥之前先提高發(fā)動機的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機有較大的動能。反之，在汽車由行車檔轉(zhuǎn)為空檔時，混

17、合氣可能過濃而熄火，這時也需要在摘檔之前先提高發(fā)動機的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機先得到較大的怠速空氣量，然后再逐漸降低目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速。這樣，保證在過渡過程中發(fā)動機在較低轉(zhuǎn)速區(qū)的轉(zhuǎn)速變化較圓滑，這也是怠速控制的任務(wù)之一。2汽車發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)2.1怠速工況分析怠速控制是汽車發(fā)動機的基本控制問題和面臨的難題之一。怠速是在節(jié)氣門近乎全關(guān)時，車速為零(汽車發(fā)動機在空檔)情況下的最低轉(zhuǎn)速。城市交通日益擁擠使得車輛在行車過程中經(jīng)常要處于怠速工況。發(fā)動機在怠速運行時速度波動大，點火提前角控制不好，燃燒不充分，排放嚴(yán)重，油耗也較大(城市運行中，怠速油耗約占總油耗的30%)。過低的怠速還容易導(dǎo)致發(fā)動機熄火。這些問題

18、將隨著城市的交通的發(fā)展而加劇上升。汽車發(fā)動機怠速控制的重點，就是要把怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)值上。它主要由進氣歧管(intake manifold)，節(jié)氣門(throttle valve)，永磁轉(zhuǎn)子步進電機式怠速控制閥(iscv),電控單元(ecu),傳感器組(various sensors)等組成.在節(jié)氣門處于近乎全關(guān)狀態(tài)時，空氣由與節(jié)氣門并聯(lián)的旁通怠速空氣道，經(jīng)怠速控制閥口、進氣腔(air intake chamber)進入氣缸，汽車發(fā)動機在這些空氣參與燃燒所做的功和發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失功相互平衡的狀態(tài)下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。2.2怠速不良表現(xiàn)無負(fù)載變化時，發(fā)動機怠速性能不良主要表現(xiàn)有如下三種現(xiàn)象。a.無怠速

19、發(fā)動機起動后油門轉(zhuǎn)把不能完全放手，否則熄火。產(chǎn)生的原因有:化油器故障，或化油器至氣缸之間有漏氣,氣缸壓力過低等b.怠速過高發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)超過規(guī)定范圍而無法調(diào)低,一旦調(diào)低發(fā)動機就熄火.產(chǎn)生原因:節(jié)氣門不能回位或怠速量扎過大。c.怠速不穩(wěn)發(fā)動機在怠速運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機抖動，轉(zhuǎn)速忽高忽低。產(chǎn)生的原因:點火時間過早、混合氣過濃或過稀(怠速空燃比一般為12)，火花塞間隙過小等原因.有負(fù)載變化時,怠速性能不良表現(xiàn)為:發(fā)動機轉(zhuǎn)速會因負(fù)載變化而嚴(yán)重偏離設(shè)定的怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速。2.3怠速控制過程怠速控制的主要任務(wù)是通過控制iscv的開度，從而控制旁路進氣量。當(dāng)iscv的執(zhí)行器件采用比例電磁閥時，就是控制電壓的強度;當(dāng)采

20、用步進電機時就是控制電機的步數(shù)。圖21怠速控制閥的啟動控制和暖機控制a.啟動控制為改善汽車發(fā)動機的啟動性能，當(dāng)點火開關(guān)斷開時，怠速閥總是處于全開狀態(tài)(上圖為位置a)，這樣可使發(fā)動機在下次啟動時具有大進氣量。啟動之后，根據(jù)冷卻水溫度(上圖，70* c)來確定旁通進氣量的大小。在汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到設(shè)定水溫下的目標(biāo)怠速時，怠速閥開度則從a減小到b。b.暖機控制隨汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速和水溫升高，怠速閥開度減小，當(dāng)水溫達到700c時，暖機結(jié)束，怠速閥開度保持在c位置不動。c.運行控制怠速閥開度取決于怠速負(fù)荷.負(fù)荷增大時，怠速閥度增大，實現(xiàn)快怠速(一般高于最佳怠速200r/min)，以防止汽車發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)或熄

21、火。負(fù)荷減小時反之。在怠速運行中，如蓄電池電壓過低，怠速閥開度增大，提高怠速轉(zhuǎn)速，以提高電源電壓。怠速控制還有兩個任務(wù):一是修正噴油量,隨怠速轉(zhuǎn)速升高,增大噴油量,以保證怠速目標(biāo)空燃比一般為12。二是修正點火提前角，隨怠速轉(zhuǎn)速降低，減小點火提前角，以保證怠速平穩(wěn)，防止熄火。2.4怠速策略控制怠速過程的輸入與輸出不呈簡單線性關(guān)系,存在傳感器及各種時滯非線性環(huán)節(jié),在干擾中有不少未知量和隨機量(如電器及動力負(fù)荷的變化.元器件老化,燃油品質(zhì)變化等),因此怠速是一個具有慢時變,參數(shù)不確定,時滯,復(fù)雜非線性的過程,見下圖 圖22怠速過程的輸入輸出及干擾這種特性使得除變結(jié)構(gòu)控制外,各種基于精確參數(shù)模型的經(jīng)典

22、控制(包括變參數(shù)pid控制)和現(xiàn)代控制理論(包括log最優(yōu)控制)都難以實現(xiàn)越來越高的控制要求,而模糊控制(fuzzy control)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(neural network control)則獲得了它們的應(yīng)用新領(lǐng)域.本文采用的是pid控制策略。3汽車發(fā)動機怠速動力學(xué)模型3.1國外采用的汽車發(fā)動機怠速模型國外用于汽車發(fā)動機怠速的模型很多，常用的有滑動模型（sliding model）,混和模型（hybrid model）,多項式模型（polynomial model）,模態(tài)分析模型（modal analysis model）,以及傳遞函數(shù)模型（transfer function model

23、）等。下面介紹幾個典型模型： 當(dāng)?shù)∷贂r，其狀態(tài)模型如下： (3-1)式（31）中，p為進氣歧管壓力，m為控制怠速系統(tǒng)的進氣量，為時間延遲，腳號0為初始狀態(tài)。f(n,p)和f(n,p)為計算進氣岐管的空氣外流量的非線性函數(shù)。對上述狀態(tài)模型設(shè)計反饋控制器如下: =- (3-2)增益k,k 采用滑?？刂?以便在系統(tǒng)模型參數(shù)的某些不確定因素影響下,獲得良好的魯棒性.先設(shè)計被控汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的可控伴隨模型(controllable companion model):=+ (3-3)式中（33）,n為汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速,為點火提前角,i為系統(tǒng)常數(shù)(非常小).假定m和空燃比為常數(shù),任何出現(xiàn)的變化或者被模擬為不確

24、定性因素,或者組合成如下的多輸入模型:=+() (3-4)發(fā)動機在怠速時,其混和模型由一系列離散模塊,連續(xù)變量和符號常量組成.系統(tǒng)控制輸入為節(jié)氣門開度,點火提前角,擾動輸入為負(fù)載扭矩t和離合器位置b.因此,系統(tǒng)存在兩類輸入.一是連續(xù)變量輸入和t,兩者影響連續(xù)變量動力學(xué);二是離散變量輸入和b,兩者決定離散模型轉(zhuǎn)換,連續(xù)變量復(fù)位和符號常量設(shè)置.式中連續(xù)變量由進氣岐管壓力p,曲軸轉(zhuǎn)速n和活塞位置組成,其動力學(xué)模型如下:=ap(t)+b(t) (3-5) =an(t)+b(t-t(t) (3-6) (t)=kn(t) (3-7)整個發(fā)動機的混和模型是一個多元組:h=(q,x,u,m,m,d,m,m,f

25、,) (3-8)式（3-8）中,有限狀態(tài)模型集 q=s,s,s,s,s,s連續(xù)時間動力學(xué)變量: x=(p,n,)|(p,n,)ir 有限狀態(tài)機構(gòu)變量 : 連續(xù)輸入變量 :u 連續(xù)干擾變量 d 離散控制事件集 : 離散干擾事件集: m與m分別表示離散干擾移動函數(shù)(discrete disturbance move function)與連續(xù)控制器可行性移動函數(shù)(continuous controller feasible move function).f,表示過渡函(transition function).首先考慮二狀態(tài)動力學(xué)模型:,=f(e,e,d,q,t) (3-9)式(3-9)中,e ,e

26、為系統(tǒng)狀態(tài)誤差;f,f為非線性映射;d為點火提前角,q為節(jié)氣門開度;t為外部干擾,二者為控制輸入。在分析二階汽車發(fā)動機模型:=k(-),=k(t-t) (3-10) =(1+0.907q+0.0998q)g(p) (3-11)=-0.0005968n-0.13336p+0.0005431np+0.000001757np (3-12)t=-39.22+32.5014m-0.0112d+0.000675dn()+0.635d+0.0216n()-0.000102n() (3-13) t=()+t (3-14) g(p)= (3-15)(3.10-3.15)式中,p為進氣歧管壓力,n為汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速

27、;k為進氣歧管動力學(xué)常數(shù),k為汽車發(fā)動機動力學(xué)常數(shù);m為進氣歧管內(nèi)的空氣質(zhì)量流量,m進氣歧管外的空氣質(zhì)量流量;t為第i個氣缸轉(zhuǎn)矩,t為負(fù)載扭矩. 文獻汽車發(fā)動機模型由進氣歧管動力學(xué),燃油噴射動力學(xué),曲軸轉(zhuǎn)動動力學(xué)三部分組成,分別如下:=max1-cos(1.14459a-1.0600)-c (3-16) (3-17) (3-18)i(3.15-3.18)式中,m為進氣歧管內(nèi)的空氣質(zhì)量流量,m為燃油噴射質(zhì)量流量.為燃油系統(tǒng)遷移延遲,和分別為產(chǎn)生于扭矩的進氣延遲和點火延遲.t為時間變量,其他為系統(tǒng)常數(shù).系統(tǒng)輸入為汽車發(fā)動機節(jié)氣門開度,空然比和點火提前角sa,輸出為汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速。3.2國內(nèi)汽車發(fā)動

28、機怠速模型 國內(nèi)采用的怠速模型很少,常采用的有傳遞函數(shù)模型(transfer function model),非線性自回歸模型(nrax),簡化模型(simplified model).下面簡要介紹幾個典型模型。文獻給出了汽車發(fā)動機怠速模型參數(shù),如下圖:圖31汽車發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)框圖圖中為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速,t為負(fù)載變化量及其他擾動,u為控制器輸出,n為汽車發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速,k,k,. 文獻采用非線性自回歸模型(narx),目的是在簡化模型結(jié)構(gòu)的同時提供一個能滿足工程控制的使用模型.模型只考慮怠速閥開度和點火提前角兩個輸入變量以及曲軸轉(zhuǎn)速n一個輸出變量,如下:n(k)=,s= (3-19)上式中,x

29、為,a(k-j),乘積組成的單項式,n,n為最大預(yù)測步數(shù),s為模型輸出方差和。 確定上述模型的主要困難在于擬和多項式的階數(shù)m和預(yù)測步數(shù)n,為了簡化,根據(jù)相關(guān)分析取步數(shù)n為4.同時由于m=2和m=3時,nrax模型輸出方差和s已充分接近,又本系統(tǒng)是穩(wěn)定的,nrax模型收斂,高階次可以忽略,意味著此時的模型是模型空間中的一個布局最優(yōu)點. 作為本課題的前期研究,文獻根據(jù)汽車發(fā)動機動力學(xué)原理,提出描述怠速變化過程的動力學(xué)簡化模型,該模型闡述了作為控制輸入及輸出的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速和怠速閥開度的關(guān)系,如下:n= (3-20)上式中,i為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量,k ,k為模型常數(shù),為采樣周期,n為ts時刻的轉(zhuǎn)速。3.

30、3本課題現(xiàn)采用的汽車發(fā)動機怠速模型怠速是一個非線性過程，原則上應(yīng)采用非線性模型。從上述國內(nèi)外汽車發(fā)動機怠速模型分析可知，國內(nèi)獨自提出的模型很少，大部分都是借用或簡化國外的模型。本課題還不具備獨自建立汽車發(fā)動機怠速非線性模型的條件，故仍借用國外可靠的線性模型，但利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化(generalizatio)能力和自適應(yīng)能力來實現(xiàn)非線性過程控制，在這一特定條件下，怠速可以用線性化模型來描述。本文仿真采用康明斯(camless)汽車發(fā)動機怠速模型，該模型是傳遞函數(shù)模型，模型物理概念清楚，這對控制方法和參數(shù)確定帶來方便，具體模型結(jié)構(gòu)下圖所示: 圖31康明斯汽車發(fā)動機怠速模型圖中,r為期望的汽車發(fā)

31、動機速度變化量;為干擾負(fù)載扭矩:為汽車發(fā)動機速度變化量:c(s)為控制器傳遞函數(shù);g(s)和g(s) 是描述發(fā)動機結(jié)構(gòu)特性的傳遞函數(shù)g (3-21)g(s)=k(開環(huán)增益常數(shù)) (3-22)設(shè) n和 n分別為氣缸數(shù)和發(fā)動機怠速額定轉(zhuǎn)速，時間間隔t為 (3-23)則汽車發(fā)動機感應(yīng)動力延遲時間，和發(fā)動機傳感和計算延遲時間分別為: =2,=4 (3-24)g(s )的極點p和零點z可由下式表達p，z (3-25)圖中g(shù)是表征發(fā)動機動力學(xué)特性的傳遞函數(shù)：g(s)= (3-26)上式中，j為發(fā)動機等效轉(zhuǎn)動慣量;a和b是表征發(fā)動機阻尼和固有頻率的系數(shù)。可見，無控制的汽車發(fā)動機怠速系統(tǒng)因g(s)是一個2階非

32、最小相位系統(tǒng)(non-minimum phase)，因g(s)的特征多項式:s+as-b出現(xiàn)負(fù)號(系數(shù)不全部大于0)，至少有一個正極點(參數(shù)a和b的取值無關(guān))，故無控制下的怠速系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定系統(tǒng)，不是參數(shù)不穩(wěn)定系統(tǒng)。g（s）的極點p和p與參數(shù)a和存在如下關(guān)系:a=-( p+ p),b= pp (3-27)g（s）和g（s）的零點z和z與延遲時間和有關(guān)：z，z (3-28)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (3-29)可見,如果出現(xiàn)干擾負(fù)載,則造成汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動，從而導(dǎo)致氣缸空氣流量的增減,燃燒情況變差,輸出轉(zhuǎn)矩隨之波動。如果不校正即c(s)1,轉(zhuǎn)速就不能恢復(fù)，依此下去勢必會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的大范圍瞬態(tài)波

33、動。怠速控制就是怠速轉(zhuǎn)速的校正，使出現(xiàn)干擾負(fù)載時,能以最小的控制來使發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持于期望怠速轉(zhuǎn)速。設(shè)開環(huán)傳遞函數(shù)：l(s)= c(s)g(s)g(s)g(s) (3-30)特征函數(shù):s(s)=1/(1+l(s) (3-31)輸入作用下的傳遞函數(shù)：t（s）=s(s)l(s) (3-32)擾動作用下的傳遞函數(shù)：ts（s）g(s) (3-33)于是，式（2.30）可簡化為 （s）=t(s)(s)+t (3-34)控制器輸出的脈沖寬度變化量為： (3-35)良好的怠速控制應(yīng)使汽車發(fā)動機在干擾負(fù)載扭矩作用下實際轉(zhuǎn)速相對于期望轉(zhuǎn)速沒有誤差，即，故式（2.312.36）簡化為： (3-36) (3-37)根

34、據(jù)分析可知：干擾扭矩增加時k增加而a,b也單調(diào)增加；轉(zhuǎn)動慣量j增加時k不變而a,b單調(diào)下降。當(dāng)負(fù)載干擾扭矩t0和j0.37kg.m時得到：k7.93，a=27.01,b=8.66當(dāng)負(fù)載扭矩t50nm,j=0.25kg.m時得到：k7.52，a=27.39,b=18.55不失一般性,文獻將發(fā)動機負(fù)載扭矩和轉(zhuǎn)動慣量的范圍取為:t,j此時得到參數(shù)范圍:k,a,b本文在仿真中,?。簀,k,a=27.20,b(角碼0表示怠速仿真中使用的參數(shù));,;z,z,于是得到: g,g=7.72,g (3-38)該系統(tǒng)的g(s)存在政極點0.4915和負(fù)極點-27.6915.4 pid控制器4.1 pid 控制簡介

35、 pid控制器是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，pid控制表示比例，積分，微分(proportion,integral,differential)控制。其工作原理是：由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達到現(xiàn)場控制對象保持恒定的目的，控制作用就必須不斷產(chǎn)生，要想達到出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值，即被調(diào)參數(shù)發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化記錄并傳送給pid控制器，改變過程變化量，經(jīng)變送器送至pid控制器的輸入端，并與其給定值 簡sp值進行比較得到偏差值 簡稱e值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使被調(diào)參數(shù)發(fā)生改變，

36、并趨向于給定 sp值），以達到控制目的。其系統(tǒng)原理框圖如下:圖41pid控制原理圖它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下： u(t)=k (4-1)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： g(s)=k (4-2)式中，e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏差； u(t)：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)； k：比例系數(shù)； t：積分時間常數(shù)； t：微分時間常數(shù)。 將式（4-1）展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是：a. 比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)表達式是:ke(t)在比例部分中，k是比例系數(shù)，k越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但 k 過大，易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)

37、應(yīng)選擇合適，才能達到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。b. 積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達式是：從它的數(shù)學(xué)表達式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有 e(t)=0 時，它的積分才是一個不變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時間常數(shù)t 的選擇對積分部分的作用影響很大。t較大，積分作用較小，積分較弱，這時，系統(tǒng)消除誤差所需的時間會加長，調(diào)節(jié)過程慢；t較小，積分作用增強，這時可能使系統(tǒng)過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。c.微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達式是：微分部分的作用主要是抵消誤差的變化，作用強弱由微分時間常數(shù)t確定.t越大，則抑制誤差e

38、(t)變化的作用越強，但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；t越小,抵消誤差的作用越弱。因而，微分時間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。42 pid控制器參數(shù)的整定用好pid控制器的關(guān)鍵在于整定好pid控制器的參數(shù)。pid控制的主要整定方法有兩類：一類是基于自動控制原理的理論計算方法，但該類方法需要有一定的理論基礎(chǔ)，計算比較復(fù)雜，實際應(yīng)用較少；另一類是工程整定方法，依據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及pid參數(shù)在系統(tǒng)中的作用按一定的經(jīng)驗進行，由于方法簡單在實際中應(yīng)用較多。本文采用的是第二種方法。需要指出的是：pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響通常并不十分敏感，因而參數(shù)整定的結(jié)果可以不唯一。在實際應(yīng)用中，只要被控過程的主要指

39、標(biāo)達到設(shè)計要求，那么就可以選定相應(yīng)的控制器參數(shù)作為有效的控制參數(shù)。5 matlab介紹5.1 matlab簡介matlab語言是由美國new mexico大學(xué)的cleve moler博士于1980年開始開發(fā)的，原意是matrix laboratory. 1983年他與john little等用c語言合作開發(fā)具備圖形功能的matlab專業(yè)版。1984年成立mathworks公司，專門從事matlab的開發(fā)與研究，并正式把matlab推向市場。1990年推出以ms-windows為運行環(huán)境的pc機版，提供了與其它高級程序設(shè)計語言如 c, fortran等的接口，同時推出了能進行可視化動態(tài)系統(tǒng)仿真的

40、simulink。特別是1993年開發(fā)了在matlab環(huán)境下實現(xiàn)符號計算的工具包symbolic toolbox后，又不斷吸收個領(lǐng)域權(quán)威人士編寫應(yīng)用程序，形成了規(guī)模龐大、開放式的、覆蓋面廣、簡單易用的近40個應(yīng)用工具箱。當(dāng)前的matlab 6.5及以上的版本，提供了更強大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和更完善的應(yīng)用工具箱，使matlab不僅成為國際控制界應(yīng)用最廣的首選工具，也成為國際上最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。5.2 simulink簡介mathworks公司于1992年推出的simulink是matlab在控制系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的新突破，具有matlab與simulink的交互式模型輸入與仿真功能，成為動態(tài)系統(tǒng)進行建

41、模、仿真和分析的集成環(huán)境，支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性、非線性系統(tǒng)，現(xiàn)在的simulink 5.0使matlab的功能得到進一步的擴展，主要表現(xiàn)在:a.實現(xiàn)了可視化建模。在windows視窗里，用戶通過簡單的鼠標(biāo)操作就可建立起直觀的系統(tǒng)模型，并進行仿真。b.實現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換，如simulink與matlab; simulink與c. fortran; simulink與dsp; simulink與實時硬件工作環(huán)境等的信息交換都可以方便的實現(xiàn)。c.把理論研究和工程實際有機的結(jié)合在一起。53 simulink建模方法simulink這一名字的含義是相當(dāng)直觀時 因為它較明顯地表

42、明此軟件的兩個顯著功能:simu(仿真)與link(連接).simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形窗口，可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上 “畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，就象用筆和紙來畫一樣容易，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。然后利用simulink提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真或分析。simulink 5.0包含有continuous(連續(xù)模塊)，discontinuities(不連續(xù)模塊)、discrete(離散環(huán)節(jié))、look-up tables(查表平臺)、math operation(數(shù)學(xué)運算)，model verification(模型

43、驗證)、model-wide utilities(模型擴展使用)、port& subsystems(端口與子系統(tǒng))、signal attributes(信號屬性)、signal routing(信號通路), sinks(輸出源)、source(信號源). user-defined functions(用戶自定義函數(shù))等子模型庫，每個子模型庫中都包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。用simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從下到上或從上到下的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推

44、，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個模型以后，用戶可以通過simulink的菜單或matlab的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。采用scope模塊和其它的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到matlab工作空間里做事后處理。54 simulink建模的具體步驟如下a.開始準(zhǔn)備。要按simulink格式輸入一個系統(tǒng)模型，則應(yīng)該首先啟動simulink程序。我們可以在matlab命令窗口的提示符下鍵入simulink命令來啟動simulink程序，這

45、時就會將 simulink模型的模塊庫窗口顯示出來，(若simulink已經(jīng)啟動，會自動將之調(diào)到前臺)，同時還將自動打開一個空白的模型編輯窗口來建立新的系統(tǒng)模型。b.畫出系統(tǒng)的各個模塊。打開相應(yīng)的子模塊庫，選擇所需要的模塊，拖動到模型編輯窗口的合適位置。c.給出各個模塊的參數(shù)。各個模塊中己給出默認(rèn)的模型參數(shù)，要修改模塊默認(rèn)的參數(shù)，則需用鼠標(biāo)雙擊該模塊圖標(biāo)，這樣就會出現(xiàn)相應(yīng)的對話框進一步提示用戶如何修改模塊參數(shù)。d.畫出連接線。當(dāng)所有的模塊都畫出來之后，則可以接著畫模塊間必要的連線，構(gòu)成完整的系統(tǒng)。模塊間的連線很簡單，只需用鼠標(biāo)點按開始模塊的輸出端(三角符號)再拖動鼠標(biāo)，到終止模塊的輸入端釋放鼠

46、標(biāo)鍵，則會自動地在兩個模塊間畫出帶箭頭的連線。e.指定輸入和輸出端子。在simulink下允許兩類輸入輸出的信號，若用戶提取系統(tǒng)的線性模型，則需要打開 simulink模塊庫中的"continuous"(連續(xù)模塊)圖標(biāo)，從中選取相應(yīng)的輸入輸出端子，若只想對系統(tǒng)進行仿真分析，則需從“source”信號源)圖標(biāo)中取輸入信號端子，從“sinks"(輸出源)圖標(biāo)中取輸出端子即可。6基于simulink的怠速pid控制仿真6.1仿真模型的建立本文基于simulink的汽車發(fā)動機怠速pid控制仿真系統(tǒng)下圖所示?？刂茖ο蟮哪Ｐ蛥?shù)采用第3章第3.3節(jié)的式(3-8)。系統(tǒng)是在ma

47、tlab 6.5/simulink 5.0環(huán)境下，利用simulink各子模型庫來實現(xiàn)的，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用自頂向下(top-down)的模塊化設(shè)計方法，將系統(tǒng)分幾個小模塊，既方便設(shè)計，也使一些界面更美觀、更實用，功能更全。系統(tǒng)主要由如下模塊組成:輸入模塊(desired input, step, speed set point， clock和pivot point for pendulum)、控韋喘模塊(pic)、被控對象模塊(g(s),g(s)和g(s)、接受模塊(scope和to workspace)。上述各模塊由simulink中 continuous, math operatio

48、n, ports & subsystems, signal routing, source, sinks以及user-defined functions等標(biāo)準(zhǔn)模塊組中元件組成。圖中的step的作用是加上對象的擾動量。時間變量(clock)送到工作空間（workspace）中，設(shè)置仿真時間為10秒，仿真步長為可變步長（variable-step）。仿真結(jié)果自動化送到（workspace2）和示波器（scope）中。圖61發(fā)動機怠速pid仿真系統(tǒng)simulink框圖圖62傳遞函數(shù)模型圖63pid控制器的設(shè)計6.2仿真結(jié)果分析仿真時忽略內(nèi)部擾動（元器件，燃油品質(zhì),傳感器,噴油量及點火角等的變

49、化）以及氣壓,氣溫等環(huán)境變化條件,僅考慮系統(tǒng)外部干擾扭矩。仍設(shè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為n=750,在t=1秒時施加典型階躍擾動扭矩t15n.m(典型怠速階躍擾動扭矩范圍為1020n.m),在p4臺式微機上運行.為了保證在慣性和扭矩變化下系統(tǒng)穩(wěn)定,并獲得最快的閉環(huán)響應(yīng)和較小的衰減,需要對pid參數(shù)進行多次仿真.本文pid參數(shù)的確定是通過上述仿真模型的調(diào)試來確定的, 首先運行仿真模型，kp ki kd的值預(yù)先設(shè)置為kp=0.1,ki=0;kd=0,然后在點擊simulink仿真模型中的output constraint 模塊，點擊運行，整定開始。最后kp ki kd 的值將顯示在仿真模型中。圖64未加pid控制

50、器時速度階躍相應(yīng)圖圖65加pid控制器后的階躍響應(yīng)圖圖66根據(jù)整定的pid參數(shù)出的bode圖6.3發(fā)動機怠速穩(wěn)定性分析 怠速控制通常包括啟動后的怠速控制，暖機狀態(tài)的怠速控制，負(fù)荷變化時的怠速控制以及減速時的怠速控制。對于大多數(shù)電控汽油機來說，怠速控制是以怠速步進電機驅(qū)動旁通空氣閥的方式實現(xiàn)的。發(fā)動機啟動時，怠速閥預(yù)先設(shè)定在全開位置，起動期間旁通空氣流量最大，使發(fā)動機易于起動。起動后，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到一定值時，電控單元（ecu）控制步進電機將旁通閥門關(guān)小；暖機過程中，隨著冷卻夜溫度的提高，怠速控制閥開度將逐步減小；當(dāng)冷卻液溫度超過70時，暖機過程結(jié)束，發(fā)動機的實際怠速轉(zhuǎn)速已接近根據(jù)發(fā)動機工況而確

51、定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，發(fā)動機進入相對穩(wěn)定怠速運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 發(fā)動機怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速的確定依賴于冷卻液的溫度，其值可由發(fā)動機試驗測的，并以表格形式保存于發(fā)動機的ecu和ram中。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時ecu依據(jù)檢測到的水溫等參數(shù)查出對應(yīng)的狀態(tài)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并與發(fā)動機運行的實際轉(zhuǎn)速進行比較，利用實際轉(zhuǎn)速做反饋，對怠速進行閉環(huán)控制,依據(jù)轉(zhuǎn)速偏差的變化方向確定電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)。由于步進電機帶動旁通氣通道中的空氣調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)，從而可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門的流通面積，使氣缸內(nèi)的混合氣量發(fā)生相應(yīng)的變化。增加混合氣量，轉(zhuǎn)速上升；減小混合氣量轉(zhuǎn)速下降。經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)，最終發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近。 另外在怠速過程中，進氣,點火,供油,點火,燃燒以

52、及負(fù)荷變化等因素,都會使發(fā)動機的平均轉(zhuǎn)速發(fā)生波動，影響發(fā)動機怠速的穩(wěn)定性，引起波動的主要原因是怠速混合氣空燃比值的漂移，因此,對發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的控制，實質(zhì)上主要是對怠速階段混合氣空燃比的控制。進行空燃比控制時，控制器依據(jù)檢測出的進氣歧管的空氣流量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速及設(shè)定的空燃比值，由ecu計算出每循環(huán)的供油量，再依據(jù)噴油器的流量特性，計算出施加在噴油器上的控制脈寬，從而控制怠速空燃比保持在理論空燃比附近。對空燃比的控制依賴于精確計算每一循環(huán)進入氣缸的空氣量。由于進氣管內(nèi)氣體的動態(tài)效應(yīng)，造成預(yù)期進氣量與實際進氣量存在誤差，同時由于壁面油膜效應(yīng)，造成噴油量與實際進入氣缸的燃油量不完全相等，最終使預(yù)

53、期空燃比存在誤差，使怠速運轉(zhuǎn)發(fā)生明顯波動。因此整體考慮進氣及油膜效應(yīng)的影響，是怠速控制的重要環(huán)節(jié)。怠速空燃比控制程序圖如下：圖67發(fā)動機怠速空燃比控制圖 通常在pid控制中，根據(jù)過程模型，預(yù)先對控制器參數(shù)進行離線整定。對于發(fā)動機怠速過程，由于其特有的非線性，時變性，pid控制中的參數(shù)完全采用預(yù)定值難以達到理想的控制效果，為了保證不同工況下的發(fā)動機動態(tài)特性，pid控制器的三個參數(shù)設(shè)為動態(tài)在線可調(diào)的控制策略是一種較好的控制模式。最簡單的一種實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整的方式是將不同工況狀態(tài)下的控制參數(shù)值以表格的形式存儲在計算機中，在進行怠速控制時，通過轉(zhuǎn)速反饋，查取相應(yīng)的控制參數(shù)，將pid控制器的輸出，經(jīng)過必要的修正，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動