【基于Matlab軟件的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制仿真13000字（論文）】

基于Matlab軟件的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制仿真目錄TOC\o"1-3"\h\u302681緒論 緒論1.1研究背景與意義目前，市場(chǎng)上的汽車（家用車）按能源大致可分為三類：傳統(tǒng)汽油汽車、混合動(dòng)力汽車和新能源電動(dòng)汽車。隨著資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)的加快，后兩種新能源汽車得到了大力發(fā)展。新能源電動(dòng)汽車是當(dāng)前汽車行業(yè)的目標(biāo)。它以電為驅(qū)動(dòng)能源，符合國(guó)家節(jié)能減排的美譽(yù)。然而，它的范圍有限，充電時(shí)間太長(zhǎng)，限制了它的受歡迎程度?；旌蟿?dòng)力汽車是指在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上增加發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)連接，使發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作來驅(qū)動(dòng)汽車。純電動(dòng)汽車的范圍不受電池容量的限制。當(dāng)車載電池耗盡時(shí)，它也可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作并向前行駛。車載蓄電池充滿電后，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作向前行駛，在一定程度上可以達(dá)到節(jié)能減排的效果。目前，在客車領(lǐng)域，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車已逐漸被人們所接受，充分顯示了其實(shí)用性和研究?jī)r(jià)值。對(duì)于傳統(tǒng)汽車來說，它在汽車市場(chǎng)上占據(jù)了全國(guó)一半以上的份額。提高這些車輛的性能一直是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。提高汽車的性能意味著提高其油耗、廢氣排放、性能、舒適性和駕駛性能。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的“心臟”，是汽車性能的源泉。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能直接影響車輛的駕駛性能，其燃燒過程和排放直接影響車輛的油耗和廢氣排放。因此，為了提高汽車的性能，我們需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)作為傳統(tǒng)汽車的核心部件，也是混合動(dòng)力汽車的重要組成部分。發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高也有助于混合動(dòng)力汽車的發(fā)展。因此，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能一直是控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能主要是改善其性能、燃燒過程和排放性能。發(fā)動(dòng)機(jī)功率是指發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸出功率。良好的性能可以給駕駛員帶來良好的駕駛感覺，在這方面，更重要的是控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩。燃燒性能的改善主要通過控制燃油噴射和保持恒定的空燃比來實(shí)現(xiàn)?？杖急仁侵笟怏w混合物中空氣和燃料之間的質(zhì)量比。如果空燃比保持在接近化學(xué)計(jì)量值（=14.7）的小范圍內(nèi)，燃油轉(zhuǎn)換效率最高。在排放性能方面，主要是提高三效催化劑的活性。在三效催化劑的作用下，污染物（一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸铮┌l(fā)生氧化還原反應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為對(duì)空氣無害的氣體，如水和氮。因此，提高三效催化劑的轉(zhuǎn)化效率對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能尤為重要。總之，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能與改善其控制密不可分。目前，國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家都致力于改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)，速度控制作為一個(gè)經(jīng)典的控制問題已經(jīng)得到了廣泛的研究，并取得了許多成果。然而，就目前的研究成果而言，發(fā)動(dòng)機(jī)暫態(tài)轉(zhuǎn)速跟蹤仍存在一些問題，需要改進(jìn)。1.2發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略的研究現(xiàn)狀就發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制而言，它大致可分為：起動(dòng)轉(zhuǎn)速控制、怠速控制、加速和減速以及怠速跟蹤。一般輸入變量包括節(jié)氣門開度、燃油噴射率、點(diǎn)火推進(jìn)角等。輸出變量包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、歧管壓力、空燃比、歧管中的空氣流量等。大多數(shù)這些輸出信號(hào)都可以通過放置在發(fā)動(dòng)機(jī)適當(dāng)位置的傳感器進(jìn)行測(cè)量。1.2.1啟動(dòng)時(shí)的速度控制對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，它必須經(jīng)歷從靜止到正常工作的起動(dòng)（冷起動(dòng)或熱起動(dòng)）、怠速等過程。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉一段時(shí)間后，其內(nèi)部溫度較低。在這種情況下，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)稱為冷起動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)距離最后一次停機(jī)不遠(yuǎn)，內(nèi)部仍有較高的殘余溫度。在這種情況下，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)稱為熱起動(dòng)。一般來說，冷起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度低，燃油蒸發(fā)不足，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油處于凝固或失效狀態(tài)，導(dǎo)致部件之間潤(rùn)滑不良。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后，讓發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，以提高其內(nèi)部溫度，促進(jìn)燃油蒸發(fā)。特別是在非常寒冷的天氣下，這一過程非常重要，因?yàn)榉駝t發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部零件很容易損壞。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，混合氣燃燒的穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和暫態(tài)轉(zhuǎn)速性能都會(huì)受到很大的影響。朱建良致力于改善燃燒穩(wěn)定性和保持恒定的空燃比。史富強(qiáng)致力于改善排放績(jī)效。楊勇、楊小弟更注重提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的暫態(tài)性能。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，超速過大，調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)。1.2.2怠速工況下的速度控制怠速控制（ISC）指發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模式下的工作狀態(tài)。當(dāng)油門踏板完全松開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。怠速控制是指發(fā)動(dòng)機(jī)空載時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速控制。其主要目的是使汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在期望轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，滿足怠速排放指標(biāo)。因此，不難認(rèn)識(shí)到怠速控制是一個(gè)多用途控制問題，其控制目標(biāo)可概括如下：快速平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換功率（在怠速狀態(tài)和工作條件之間轉(zhuǎn)換期間），減少怠速消耗和有害氣體排放。對(duì)于前兩點(diǎn)，它無疑是指在不影響穩(wěn)態(tài)性能的情況下改善速度控制的暫態(tài)性能。后兩點(diǎn)是對(duì)節(jié)能減排和建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)要求的回應(yīng)。但實(shí)際上，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速設(shè)置得很高，汽車的油耗會(huì)相對(duì)增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速設(shè)置為低以節(jié)省能源時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)容易受到內(nèi)部摩擦阻力和外部負(fù)載變化的影響，這些變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)或直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低也會(huì)導(dǎo)致污染物排放增加。因此，怠速控制是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化控制問題?？紤]到難以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，近年來國(guó)內(nèi)外的怠速控制更傾向于采用先進(jìn)的控制算法，如滑模變結(jié)構(gòu)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、自動(dòng)干擾抑制等?？紤]到多目標(biāo)控制的特點(diǎn)，通常采用模型預(yù)測(cè)控制等優(yōu)化控制算法來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速性能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃油清潔過程的變化和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)怠速的穩(wěn)定性有一定的影響。為了克服干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，韓本忠和張麗華滑模采用了變結(jié)構(gòu)算法、結(jié)合延遲補(bǔ)償?shù)姆蔷€性自適應(yīng)算法和帶先進(jìn)狀態(tài)觀測(cè)器的故障自動(dòng)偏差控制算法，在怠速模式下保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定并取得了一定的效果。綜上所述，迄今為止的怠速控制研究結(jié)果表明，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，怠速可以降低到600°。另一方面，為了優(yōu)化怠速時(shí)的油耗和排放性能，邵晨提出了一種自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在不影響速度穩(wěn)定性的前提下，更好地優(yōu)化燃油性能和排放；TuSafety和HongJie使用模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)怠速性能。1.2.3怠速以上的加減速和轉(zhuǎn)速跟蹤控制介紹了起動(dòng)和怠速的控制目標(biāo)和研究現(xiàn)狀，以及怠速以上的加減速控制和跟蹤控制。在此工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于怠速，低于最大輸出轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的加速和減速過程是電動(dòng)機(jī)從一種運(yùn)行狀態(tài)過渡到另一種運(yùn)行狀態(tài)的過程。在這一過程中，為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的速度控制，必須保證發(fā)動(dòng)機(jī)過渡的速度和穩(wěn)定性。速度跟蹤控制要求發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出速度在控制器的作用下快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地跟蹤期望速度。確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能并提高駕駛性能。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的前提是建立發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？紤]到燃燒的非線性、時(shí)變性和隨機(jī)性，均值意義上的數(shù)學(xué)模型在發(fā)動(dòng)機(jī)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，但均值模型中的物理特性并不完全已知或可測(cè)量。因此，很難獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型。為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)模型中的參數(shù)不確定性問題，李玉柱采用靜態(tài)方程擬合技術(shù)和動(dòng)態(tài)辨識(shí)算法相結(jié)合的方法，對(duì)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行辨識(shí)；劉世亮根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法表示發(fā)動(dòng)機(jī)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；JianHui使用遞歸最小平方和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模型，并以平均誤差為參考點(diǎn)來比較兩種識(shí)別結(jié)果。在獲得確定的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型后，可以使用一些經(jīng)典的控制方法來設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)速度跟蹤控制器，如傳統(tǒng)的PID控制、基于Lyapunov的反饋控制和模型預(yù)測(cè)控制。趙志古、范家齊等PID控制算法用于自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)模型的不確定性，除了識(shí)別系統(tǒng)的精確模型和隨后的控制器設(shè)計(jì)外，還可以使用其他智能算法在線估計(jì)系統(tǒng)的未知參數(shù)。趙志古、范家齊等人使用了一個(gè)健壯的滑塊來應(yīng)對(duì)參數(shù)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。黃玲提出了一種具有雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的PI變?cè)鲆婵刂葡到y(tǒng)，以克服時(shí)變延遲的影響。此外，智能模糊控制算法、自適應(yīng)控制方法和自動(dòng)抗干擾控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。曾文杰提出了模糊邏輯PID，它利用模糊邏輯規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整PID的增益。黃健奇、吳長(zhǎng)水等人提出了基于模糊算法的內(nèi)?？刂坪突谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制，通過自適應(yīng)節(jié)氣門開度來控制重型車輛的速度。唐崇宇提出了一種魯棒模糊控制器來克服模型參數(shù)的不確定性，并對(duì)混合動(dòng)力汽車的速度進(jìn)行自適應(yīng)。郭偉、王書涵等人采用魯棒自適應(yīng)PID控制策略來處理系統(tǒng)中的不確定性和非線性。朱龍龍、傅竹木等人采用魯棒自適應(yīng)算法，克服了道路坡度變化對(duì)速度的影響。閆榮彬提出了采用自適應(yīng)先進(jìn)狀態(tài)觀測(cè)器的自動(dòng)干擾抑制技術(shù)，以改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。1.2.4基于現(xiàn)代控制理論的轉(zhuǎn)速控制方法現(xiàn)代控制理論是一種基于狀態(tài)變量的時(shí)域控制方法，與經(jīng)典控制理論相比，它可以處理更廣泛的控制問題，并且更適合：在速度控制中，最常用的方法是滑模控制、模型預(yù)測(cè)控制和主動(dòng)抗干擾技術(shù)?；？刂评碚摚⊿M）：作為控制不安全系統(tǒng)的一種有效魯棒技術(shù)，其原理是根據(jù)規(guī)則律將系統(tǒng)移動(dòng)到指定的滑動(dòng)面，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性完全由預(yù)先設(shè)計(jì)的滑動(dòng)面方程決定。研究表明，滑?？刂品椒梢杂行У靥岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)的速度控制性能。孫浩等人建立了精確的執(zhí)行器模型，設(shè)計(jì)了先進(jìn)的狀態(tài)觀測(cè)器來補(bǔ)償系統(tǒng)的外部干擾和不確定性，并設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)觀測(cè)器的滑?？刂坡?。MohammadKhalidKhan等人提出了一種基于超螺旋算法的速度控制器。該算法的特點(diǎn)是不需要使用差分估計(jì)器來估計(jì)高階滑動(dòng)變量的導(dǎo)數(shù)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，二階滑動(dòng)模態(tài)理論可以有效地降低系統(tǒng)的“滑動(dòng)模態(tài)動(dòng)力學(xué)”抖振問題，大大提高速度控制的精度。對(duì)于系統(tǒng)延遲，Stephenyurkovich等人提出了兩種提高實(shí)際控制精度的方法。第一種方法是連續(xù)滑模控制，它只需要保證系統(tǒng)在調(diào)諧故障下逐漸收斂。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于暫態(tài)時(shí)，整機(jī)控制策略增加了非線性延遲補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度；第二種方法是離散自適應(yīng)滑翔模式控制器，使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)系統(tǒng)延遲并優(yōu)化滑翔面設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)控制器的適應(yīng)性。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）：理論是通過在每個(gè)采樣周期內(nèi)解決一個(gè)開放規(guī)則問題而獲得的規(guī)則。模型的滾動(dòng)優(yōu)化在計(jì)算過程中進(jìn)行。控制理論特別適用于復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)。近年來，許多科學(xué)家研究了這種方法在速度控制中的應(yīng)用。R.Sharma等人通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立了實(shí)時(shí)離散非線性發(fā)動(dòng)機(jī)模型，結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制理論，分析了不同控制參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，設(shè)計(jì)了速度控制器，并在四沖程六缸氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證了控制器的性能。Y.Sakai等人將發(fā)動(dòng)機(jī)視為一個(gè)MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩、轉(zhuǎn)速和燃油量之間建立了一個(gè)精確的模型。首先，分析了系統(tǒng)時(shí)滯與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，利用非線性模型預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)了控制器。在平衡所需轉(zhuǎn)矩和后續(xù)轉(zhuǎn)速時(shí)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的暫態(tài)響應(yīng)速度，并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制器的效果。雖然上述基于模型預(yù)測(cè)的控制器設(shè)計(jì)可以有效地補(bǔ)償系統(tǒng)延遲和非線性因素對(duì)控制性能的影響。然而，優(yōu)化算法必須用于實(shí)時(shí)修改模型，其控制效果取決于硬件運(yùn)行速度和采樣頻率。自抗擾技術(shù)：自抗擾技術(shù)是研究人員韓景清于1998年正式提出的一種控制理論。其基本思想是采用“觀測(cè)與補(bǔ)償法”來處理控制系統(tǒng)中的非線性和不確定性，并配合非線性反饋法來改善控制的動(dòng)態(tài)性能。它的優(yōu)點(diǎn)是控制器的設(shè)計(jì)過程不依賴于被控對(duì)象模型，因此在很大程度上受技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜业挠绊憽榱颂岣咚俣瓤刂频男阅?，許多當(dāng)?shù)乜茖W(xué)家致力于將這種方法應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制。針對(duì)船用柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的問題，將涂環(huán)等線性自動(dòng)干擾抑制技術(shù)應(yīng)用于速度控制。為了深入分析轉(zhuǎn)速控制中的不確定性因素，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的平均值模型。考慮到這些因素，設(shè)計(jì)了二階自抗擾控制器。仿真結(jié)果表明，該控制器比傳統(tǒng)的PI控制器具有更好的降噪能力和魯棒性。王元慶等人利用反雙正弦函數(shù)建立微分器和觀測(cè)器，提出了一種新的自動(dòng)干擾抑制速度控制器。為了進(jìn)一步提高控制性能，設(shè)計(jì)了具有齊次有限時(shí)間收斂性的反饋規(guī)則律，并分析了控制器的有限時(shí)間收斂性。最后，建立了船用柴油機(jī)的模型，并通過仿真驗(yàn)證了控制器的調(diào)速性能。雖然自抗擾控制技術(shù)不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，但它具有很強(qiáng)的魯棒性和很高的控制精度。然而，控制器設(shè)計(jì)中常用的非線性函數(shù)是分段函數(shù)，且存在許多不利于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用推廣的設(shè)定參數(shù)。1.2.5人工智能理論在轉(zhuǎn)速控制中的運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用分布式信息處理方法。近年來，隨著智能算法研究的興起，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法逐漸成為發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。施勇等人利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)，設(shè)計(jì)了BP-PID柴油機(jī)調(diào)速器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器具有良好的控制效果，能夠很好地處理實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的非線性和時(shí)變性。然而，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢，對(duì)初始權(quán)值依賴性大，嚴(yán)重影響了其在實(shí)時(shí)技術(shù)控制中的效果。為了解決上述問題，研究人員宋恩哲提出了一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID速度控制器。研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制性能的影響，并在D6114柴油發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)組上驗(yàn)證了rbf-pid控制器的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，rbf-pid控制器不僅能有效改善柴油機(jī)的暫態(tài)轉(zhuǎn)速控制性能，而且對(duì)初始重量的標(biāo)定也不太依賴。模糊控制：模糊控制理論是一種基于模糊數(shù)學(xué)理論設(shè)計(jì)的非線性控制方法。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要精確的數(shù)學(xué)模型，可以利用模糊規(guī)則自適應(yīng)地優(yōu)化控制參數(shù)，提高控制性能。Joanwill等人研究了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制，提出了一種基于模糊理論的魯棒怠速控制器。針對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)速度控制影響較大的問題，設(shè)計(jì)了模糊規(guī)則。McGowanD.A.等人根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況，提出了一種新的模糊PID控制器。仿真結(jié)果表明，該控制器能有效改善柴油機(jī)的暫態(tài)響應(yīng)。雖然應(yīng)用模糊控制理論可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和魯棒性，但模糊規(guī)則是控制器設(shè)計(jì)的核心，規(guī)則的設(shè)計(jì)需要豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。遺傳算法：遺傳算法是J.Holland教授在1975年提出的一種優(yōu)化算法。該算法模擬生物進(jìn)化過程，通過迭代找到系統(tǒng)的最優(yōu)解。它的特點(diǎn)是不依賴于問題的具體形式，因此可以廣泛應(yīng)用于許多不同的主題。因此，許多科學(xué)家將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域。MohamedF.A.提出了一種基于遺傳算法的PID控制算法，該算法可根據(jù)柴油機(jī)的工作條件自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)，以提高系統(tǒng)性能。陳宇光等人針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)過渡過程中空燃比難以精確控制的問題。將遺傳算法與模糊控制相結(jié)合，提出了一種基于遺傳算法的模糊控制器，利用遺傳算法自動(dòng)優(yōu)化模糊控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，該控制方法能有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。從現(xiàn)有研究成果看，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，已經(jīng)提出了許多先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制算法，取得了良好的控制效果。然而，如果發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速以上的大范圍工況下運(yùn)行，系統(tǒng)模型的非線性和未知參數(shù)的時(shí)間變化會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤的暫態(tài)過程產(chǎn)生一定的影響。在這方面，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的暫態(tài)性能需要進(jìn)一步提高。1.3主要研究?jī)?nèi)容本文研究了汽油點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)在暫態(tài)條件下的速度控制，特別是在大范圍速度變化時(shí)。其中，由于燃燒效率、進(jìn)排氣動(dòng)力學(xué)和測(cè)量噪聲的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)未知且存在時(shí)間波動(dòng)，是控制的難點(diǎn)。除此數(shù)學(xué)模型外，發(fā)動(dòng)機(jī)還具有非線性特性。這些特性影響速度輸出的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤的暫態(tài)性能，提出了一種自適應(yīng)控制算法，并在日本公司和豐田研究部聯(lián)合開發(fā)的V6發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器上進(jìn)行了驗(yàn)證。論文的具體安排如下：在第一章中，本文首先介紹了研究的背景和重要性，然后從三個(gè)方面介紹了汽車速度控制策略的研究現(xiàn)狀：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的速度控制、怠速時(shí)的速度控制、怠速時(shí)的速度控制、怠速時(shí)的速度控制和怠速時(shí)的速度控制，最后，系統(tǒng)闡述了本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章首先介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的工作原理，給出了轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型（均值模型）。該模型主要由曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程和進(jìn)氣軸動(dòng)力學(xué)方程組成。為了便于第三章的控制設(shè)計(jì)，提出了一種面向控制的故障系統(tǒng)模型。此外，本章還介紹了V6發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器；第三章在第二章誤差系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙閉環(huán)自適應(yīng)控制策略。從理論上分析了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性。最后，為了驗(yàn)證所提出的控制器的有效性，利用Matlab和Simulink平臺(tái)在V6發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了自適應(yīng)雙環(huán)控制器作用下的閉環(huán)系統(tǒng)；第四章總結(jié)了本文的研究工作。2發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)及控制問題形成2.1汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理目前，市場(chǎng)上的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)分為不同的型號(hào)，如V6和W8，根據(jù)氣缸的排列和數(shù)量進(jìn)行劃分?？梢钥闯?，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用多個(gè)氣缸，而能量的連續(xù)產(chǎn)生主要取決于每個(gè)氣缸中四個(gè)循環(huán)（進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、功率沖程和排氣沖程）的循環(huán)效應(yīng)。因此，為了簡(jiǎn)單起見，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電原理可以用單個(gè)氣缸的工作原理來說明。圖2-1點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)是常用的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之一，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。如圖所示，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、扭矩產(chǎn)生系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。新鮮空氣通過進(jìn)氣歧管與燃油混合，進(jìn)入氣缸（進(jìn)氣沖程），將活塞推至下止點(diǎn)；曲軸在慣性作用下向上壓活塞，壓縮混合氣體（壓縮行程）；火花塞在設(shè)定時(shí)間發(fā)出電點(diǎn)火，燃燒混合氣體（動(dòng)力沖程）并向下推動(dòng)活塞；最后，活塞向上移動(dòng)，通過排氣歧管釋放氣缸中的燃燒氣體（排氣沖程）。其中，有三個(gè)關(guān)鍵控制變量決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油消耗，而這三個(gè)控制量分別是：控制新鮮空氣進(jìn)入量的節(jié)氣門開度udth，控制燃油噴射的噴油量ufi，控制火花塞工作的點(diǎn)火提前角usa。2.2發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型描述在發(fā)動(dòng)機(jī)的暫態(tài)工作條件下，速度的產(chǎn)生直接由節(jié)氣門開度決定。當(dāng)空燃比和點(diǎn)火推進(jìn)角設(shè)定為理想值，燃油噴射量根據(jù)空燃比和進(jìn)氣量確定時(shí)，然后，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的產(chǎn)生，只需要曲軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和進(jìn)氣子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。2.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)氣動(dòng)態(tài)方程依據(jù)動(dòng)力學(xué)方程，在均值模型中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通常被描述為（2-1）其中：J——轉(zhuǎn)運(yùn)慣量(kg/m2)；D——阻尼系數(shù)(Nm/rad/s)；w——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s)；Tl——負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)。Te表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，其表達(dá)式為（2-2）式中：pa——大氣密度(kg/m3)；cf——熱能轉(zhuǎn)化效率(-)；n——體積效率(-)；Q——單位氣體完全燃燒釋放的能量(J)；Vc——?dú)飧左w積(m3)；pm——歧管壓力(pa)；pa——大氣壓力(pa)。依據(jù)熱力學(xué)方程，在均值模型中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)[49]通常被描述為（2-3）其中，和分別代表空氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管的流速和混合氣體進(jìn)入氣缸的流速，它們可以被表示為（2-4）式中：R——理想氣體常數(shù)(J/kg·K)；Tm——進(jìn)氣歧管溫度(K)；Vm——進(jìn)氣歧管體積(m3)；S0——進(jìn)氣閥截面積(m2)；——節(jié)氣門開度(deg)。代表一個(gè)流體方程，即：（2-5）其中，k代表比熱比，通常取值為k=1.27。為簡(jiǎn)化模型，可將上述動(dòng)態(tài)模型式(2-1)至式(2-5)整理為為簡(jiǎn)化模型，可將上述動(dòng)態(tài)模型式整理為（2-6）其中u是與節(jié)氣門開度相關(guān)的控制輸入量，即及代表系統(tǒng)參數(shù)，分別被定義為如下表達(dá)式：2.2.2面向控制的動(dòng)態(tài)模型建立通常為了方便控制器設(shè)計(jì)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為閉環(huán)誤差系統(tǒng)表示。定義轉(zhuǎn)速誤差和歧管壓力誤差分別為。其中wd表示期望轉(zhuǎn)速，pmd表示期望歧管壓力。依據(jù)公式（2-6），發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)誤差系統(tǒng)可表式為（2-7）當(dāng)比較歧管壓力環(huán)和電流環(huán)時(shí)，方程式（2-7）與模型結(jié)構(gòu)中直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型相似。考慮到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程、保證一定干擾能力、不實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靜態(tài)誤差的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)速度系統(tǒng)的控制器可以設(shè)計(jì)成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：速度回路作為外回路，由預(yù)期的歧管壓力自適應(yīng)；作為內(nèi)環(huán)，歧管壓力環(huán)通過節(jié)氣門開度進(jìn)行自適應(yīng)。如果在控制連接中選擇方程式（2-7）的誤差狀態(tài)反饋，則可以形成雙p型控制器。為了更好地保證轉(zhuǎn)速輸出的平穩(wěn)性，可以設(shè)計(jì)一種閉環(huán)控制的雙PI控制器。為了便于控制器的設(shè)計(jì)，可以擴(kuò)展公式（2-7）的狀態(tài)。取，，則閉環(huán)誤差系統(tǒng)可描述為（2-8）如果系統(tǒng)參數(shù)c1、c2、c3、c4及是完全已知或可測(cè)量的，可通過Backstepping遞歸思想設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器。期望的歧管壓力作為虛擬控制量，從而得到的控制器可表示為（2-9）其中，虛擬控制器pmd代表外環(huán)控制環(huán)節(jié)；實(shí)際控制器u表示內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。Kp1、kj1、kp2、及kj2為可調(diào)參數(shù)，通過選擇合適的比例積分參數(shù)，可以保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)往往受到測(cè)量噪聲和不安全干擾的影響，其實(shí)際值難以確定。即使故障參數(shù)假定在某一工況下的識(shí)別值，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在大范圍工況下運(yùn)行時(shí)，等式（2-9）中規(guī)定的控制器仍然難以確保系統(tǒng)輸出的暫態(tài)性能。為了克服未知參數(shù)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的暫態(tài)性能，本文提出了兩種能夠控制不安全系統(tǒng)的控制器，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制器的有效性。2.3V6發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器介紹為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的控制器在技術(shù)應(yīng)用中的有效性，本文在日本sice協(xié)會(huì)和豐田研究部聯(lián)合開發(fā)的V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器基于MATLAB/Simulink平臺(tái)，描述了一個(gè)端口噴射的汽油點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，仿真器上層結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。圖2-2發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器上層結(jié)構(gòu)框圖從圖2-2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器的上部結(jié)構(gòu)主要由啟動(dòng)模塊、控制模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊和顯示模塊組成。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，仿真器啟動(dòng)，起動(dòng)機(jī)模塊向發(fā)動(dòng)機(jī)模塊發(fā)送拖拉機(jī)扭矩信號(hào)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的牽引下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增加到250轉(zhuǎn)/分以上。起動(dòng)模塊僅在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，起動(dòng)模塊不再向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送信號(hào)。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，控制模塊分析當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)輸出信號(hào)（轉(zhuǎn)速、歧管壓力、曲軸角度等），將控制信號(hào)傳輸至發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊為反饋控制。在最初的V6發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器中，標(biāo)準(zhǔn)速度控制器位于模擬模塊中。本文設(shè)計(jì)的控制器必須內(nèi)置在控制模塊中，以取代原有的速度控制器，向發(fā)動(dòng)機(jī)模塊發(fā)送控制信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)器（燃油噴射自適應(yīng)器、點(diǎn)火自適應(yīng)器等）其他仿真器將不會(huì)更改。發(fā)動(dòng)機(jī)模塊是整個(gè)仿真器的核心部分。它模擬了一個(gè)完整的V6發(fā)動(dòng)機(jī)，包括其在不同工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化。內(nèi)部模擬框圖如圖2-3所示。圖2-3發(fā)動(dòng)機(jī)模塊內(nèi)部仿真框圖如圖2-3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊由三部分組成：吸氣動(dòng)力學(xué)、氣缸動(dòng)力學(xué)（包括燃油噴射和壓縮燃燒）和曲軸動(dòng)力學(xué)。這三個(gè)部分的模擬框圖如圖2-4、圖2-5和圖2-6所示。圖2-4吸氣過程仿真框圖圖2-5六個(gè)氣缸內(nèi)部的壓縮燃燒仿真框圖為了更清晰的顯示發(fā)動(dòng)機(jī)模塊內(nèi)部的動(dòng)態(tài)關(guān)系，圖2-7給出了發(fā)動(dòng)機(jī)模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖。圖2-7發(fā)動(dòng)機(jī)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3基于自適應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制器設(shè)計(jì)3.1雙閉環(huán)自適應(yīng)控制器為了克服未知系統(tǒng)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率的影響，實(shí)現(xiàn)一定工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)速度跟蹤，本部分提出了一種閉環(huán)自適應(yīng)雙控制器。自適應(yīng)器采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外回路控制所需的歧管壓力，內(nèi)回路自適應(yīng)節(jié)氣門開度。控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1雙閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3-1顯示，每個(gè)閉環(huán)自適應(yīng)雙環(huán)控制系統(tǒng)控制回路由PI規(guī)則項(xiàng)、前饋補(bǔ)償項(xiàng)和非線性補(bǔ)償項(xiàng)組成，每個(gè)項(xiàng)的參數(shù)由相應(yīng)的自適應(yīng)規(guī)則律更新?？丶慕Y(jié)構(gòu)如下所示：（3-1）式中，upjl、ufcl代表外環(huán)控制器中的PI環(huán)節(jié)和非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，p1k和i1k為比例積分增益，可選取為分別代表內(nèi)環(huán)控制器中的PI環(huán)節(jié)、非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)及前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可選取如下：（3-1）式中：（3-2）易知：k1、k2、k3、k4、kT是可調(diào)的正的常值增益，是受自適應(yīng)估計(jì)值自適應(yīng)的控制器增益。控制系統(tǒng)的自適應(yīng)律設(shè)計(jì)如下（3-3）其中：為正定的可調(diào)增益矩陣：為已知函數(shù)矩陣，即：考慮誤差系統(tǒng)式(2-8)，對(duì)任意給定的，由上述控制器式(3-1)~式(3-3)及系統(tǒng)式(2-8)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是Lyapunov穩(wěn)定的，且當(dāng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤誤差。3.2閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析在上述控制器式(3-1)~式(3-3)的作用下，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性將由Lyapunov穩(wěn)定性定理及LaSalle不變集原理給出證明。首先，構(gòu)造Lyapunov函數(shù)如下：（3-4）考慮系統(tǒng)式(2-8)，式(3-4)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)為（3-5）考慮到，上式(3-5)可表述成（3-6）考慮到以及外環(huán)控制器可以轉(zhuǎn)化為，所以pmd延時(shí)間的導(dǎo)數(shù)可整理為（3-7）將式(3-7)代入式(3-6)可得（3-8）結(jié)合式(3-1)~(3-2)，內(nèi)環(huán)控制器u可表述為（3-9）將式(3-9)代入式(3-8)可得（3-10）其次，考慮整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，構(gòu)造候選的Lyapunov函數(shù)（3-11）則W沿著整個(gè)系統(tǒng)軌跡的時(shí)間導(dǎo)數(shù)為（3-12）將自適應(yīng)律表達(dá)式(3-3)代入式(3-12)，可得??對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為（3-13）3.3仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析為了驗(yàn)證3.1節(jié)所提出的雙閉環(huán)自適應(yīng)控制器的有效性，在本節(jié)將該控制器應(yīng)用在Matlab軟件上進(jìn)行仿真驗(yàn)證。將所設(shè)計(jì)的雙環(huán)自適應(yīng)控制器放在Matlab軟件的控制模塊中，實(shí)現(xiàn)物理連接。為了檢驗(yàn)在該控制器作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的加減速性能和跟蹤性能，仿真工況選取如下：工況1：模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作在1500rpm~3000rpm轉(zhuǎn)速范圍下的加速情況，期望轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3-3所示。圖3-3工況1的期望轉(zhuǎn)速變化曲線工況2：模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作在1500rpm~3000rpm轉(zhuǎn)速范圍下的減速情況，期望轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3-4所示。圖3-4工況2的期望轉(zhuǎn)速變化曲線工況3：模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在1500rpm~2500rpm范圍轉(zhuǎn)速變化下的跟蹤過程。期望轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3-5所示。圖3-5工況3下的期望轉(zhuǎn)速變化曲線在上述仿真工況下，控制器的增益設(shè)計(jì)為：自適應(yīng)律的增益設(shè)計(jì)為：自適應(yīng)估計(jì)值的初始值選取為：A)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤曲線b)發(fā)動(dòng)機(jī)歧管壓力變化曲線c)節(jié)氣門開度變化曲線圖3-6自適應(yīng)控制器作用下工況1的仿真結(jié)果曲線圖3-7自適應(yīng)控制器作用下工況1的自適應(yīng)估計(jì)值變化曲線在閉環(huán)自適應(yīng)雙控制器的作用下，工況1下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤如圖3-6a所示；可變歧管壓力的響應(yīng)曲線如圖3-6（b）所示；系統(tǒng)控制設(shè)定節(jié)氣門開度的變化曲線如圖3-6C）所示；自適應(yīng)估計(jì)的變化曲線如圖3-7所示。圖3-6a）顯示，在雙環(huán)自適應(yīng)控制器的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速可以更好地跟蹤期望轉(zhuǎn)速。為了更清楚地顯示加速過程中速度跟蹤的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，對(duì)每次速度變化的調(diào)整時(shí)間、超額和穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行了分類和總結(jié)。圖3-6顯示，在第3.1節(jié)中提出的控制器的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)在加速過程中具有理想的過渡和連續(xù)狀態(tài)響應(yīng)：每次速度階躍變化的剩余量在5%以內(nèi)，調(diào)整時(shí)間在0.4s以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)誤差也在1%以內(nèi)。從圖3-6和圖3-7可以明顯看出，在雙環(huán)自適應(yīng)控制器的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的狀態(tài)輸出、控制輸入和自適應(yīng)估計(jì)持續(xù)受限，控制器在其可行范圍內(nèi)自適應(yīng)節(jié)氣門。在具有閉環(huán)的自適應(yīng)雙控制器的作用下，狀態(tài)2的仿真結(jié)果如圖3-8和圖3-9所示。圖3-8a）和圖3-8b）是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線。歧管壓力；圖3-8C）是節(jié)氣門開度的變化曲線；圖3-9顯示了自適應(yīng)估計(jì)的響應(yīng)曲線。a)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤曲線b)發(fā)動(dòng)機(jī)歧管壓力變化曲線c)節(jié)氣門開度變化曲線圖3-8自適應(yīng)控制器作用下工況2的仿真結(jié)果曲線圖3-8a）表明，在雙環(huán)自適應(yīng)控制器的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的減速能力。為了更清晰地顯示減速條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)功率，對(duì)每次變速的調(diào)整時(shí)間、超額、穩(wěn)態(tài)靜態(tài)誤差等參數(shù)進(jìn)行了分類和總結(jié)。從圖3-8和圖3-9可以看出，在雙環(huán)調(diào)整的影響下，系統(tǒng)的控制輸入、狀態(tài)輸出和自適應(yīng)估計(jì)是連續(xù)受限的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000轉(zhuǎn)速降至2500轉(zhuǎn)速，從2500轉(zhuǎn)速降至2000轉(zhuǎn)速時(shí)，閉路系統(tǒng)的側(cè)翻小，調(diào)整時(shí)間短。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000轉(zhuǎn)/分降至1500轉(zhuǎn)/分時(shí)，轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的過量達(dá)到8%，但不超過10%，仍在可接受范圍內(nèi)?？紤]到在當(dāng)前模擬試驗(yàn)條件下，減速過程僅由變速器控制，而在實(shí)際車輛減速過程中，制動(dòng)系統(tǒng)起主要作用。因此，總體而言，在自適應(yīng)雙環(huán)控制器的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)減速的暫態(tài)響應(yīng)是理想的。平穩(wěn)功率主要由平穩(wěn)誤差反映，所有平穩(wěn)誤差控制在1%以內(nèi)，表明減速過程中的平穩(wěn)響應(yīng)也是理想的。圖3-9自適應(yīng)控制器作用下工況2的自適應(yīng)估計(jì)值變化曲線工況3主要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速變化時(shí)的跟蹤過程。在閉環(huán)自適應(yīng)雙控制器作用下，工況3的仿真結(jié)果如圖3-10和圖3-11所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、歧管壓力和節(jié)氣門開度的波動(dòng)曲線如圖3-10a）、3-10b）和3-10C）所示。自適應(yīng)估計(jì)的變化曲線如圖3-11所示。a)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤曲線b)發(fā)動(dòng)機(jī)歧管壓力變化曲線c)節(jié)氣門開度變化曲線圖3-10自適應(yīng)控制器作用下工況3的仿真結(jié)果曲線圖3-11自適應(yīng)控制器作用下工況3的自適應(yīng)估計(jì)值變化曲線從圖3-10和圖3-11可以明顯看出，在雙環(huán)調(diào)整控制器的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出速度基本上完全遵循所需速度（最大連續(xù)狀態(tài)誤差不超過1%），并且具有良好的跟蹤性能。根據(jù)工況1和工況2的仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論，在第3.1節(jié)設(shè)計(jì)的控制器的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更好的加減速性能和跟蹤性能。雙閉環(huán)PI控制器在工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在直流調(diào)速系統(tǒng)中。為了更充分地驗(yàn)證本章提出的控制器的有效性，應(yīng)在相同工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的閉環(huán)PI雙控制器和本章提出的雙閉環(huán)自適應(yīng)控制器進(jìn)行仿真和比較，如圖3-13所示。雙環(huán)PI控制器的設(shè)計(jì)如式（3-14）所示；比例積分增益的設(shè)計(jì)如下：圖3-13相同工況下與雙環(huán)PI的仿真對(duì)比（3-14）圖3-13顯示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速加速時(shí)，雙環(huán)PI控制器作用下的系統(tǒng)輸出暫態(tài)性能優(yōu)于雙環(huán)自適應(yīng)控制器作用下的系統(tǒng)輸出暫態(tài)性能，而對(duì)于穩(wěn)態(tài)而言，自適應(yīng)控制器在作用下的性能是理想的；如果PI控制器的輸出較長(zhǎng)，則PI控制器的輸出較長(zhǎng)。具體比較參數(shù)見表3-1。表3-1輸出響應(yīng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能對(duì)比表3-2和圖3-13顯示，從改善發(fā)動(dòng)機(jī)暫態(tài)性能的角度來看，本章提出的自適應(yīng)雙環(huán)控制策略與雙環(huán)控制控制器相比沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在速度變化強(qiáng)烈且迅速的情況下。一方面，這一結(jié)果受到自適應(yīng)算法局限性的影響：在設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器之前，我們假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的未知參數(shù)在特定工況下是緩慢且時(shí)變的。然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，其物理參數(shù)會(huì)因內(nèi)部溫度和運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化。另一方面，在設(shè)計(jì)雙環(huán)自適應(yīng)器的控制參數(shù)時(shí)，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)在1500速和3000速下運(yùn)行時(shí)，保證系統(tǒng)在整個(gè)工況下的穩(wěn)定性和收斂性。在開發(fā)PI控制器放大功能時(shí)，僅考慮在1500至2500的速度下運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。4結(jié)論本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制問題，分析了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及轉(zhuǎn)速控制問題的形成。為方便轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)，建立了面向控制的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型（進(jìn)氣動(dòng)態(tài)和曲軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)）。為實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器有效性的驗(yàn)證，介紹了SICE學(xué)會(huì)和豐田汽車公司共同開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真器。然后設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)自適應(yīng)控制策略，并在理論上證明了該控制器作用下的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況以一定幅度變化、物理參數(shù)攝動(dòng)幅度不大時(shí)，采用雙閉環(huán)自適應(yīng)控制策略可以得到較好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。參考文獻(xiàn)[1]李志堅(jiān),Li,Zhijian,等.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2017,25(8):4.[2]朱建良,金寧治,趙鵬舒,等.電控機(jī)械式自動(dòng)變速車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的研究[J].2022(8).[3]史富強(qiáng),孫悅.內(nèi)燃機(jī)車交流發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2019,27(9):4.[4]楊勇,楊小弟.一種汽車起重機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2019,32(10):4.[5]邵晨.電動(dòng)汽車增程器用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].北京交通大學(xué),2018.[6]涂安全,洪潔,張金超,等.P2混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程變速箱控制策略研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2021.[7]韓本忠,張力華,傅園松,等.CVVL發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)工況優(yōu)化控制[J].汽車工程,2018,40(9):12.[8]李玉柱.混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)PID控制探究[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(22):2.[9]劉世亮,楊慶海,王宏宇.工程機(jī)械先導(dǎo)手柄與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)協(xié)同控制[J].汽車零部件,2018(11):4.[10]簡(jiǎn)輝,張錦國(guó),張弘.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速異常波動(dòng)的原因排查及解決措施[J].汽車與新動(dòng)力,2020,3(2):3.[11]趙治國(guó),范佳琦,蔣藍(lán)星,等.復(fù)合功率分流系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)H∞魯棒優(yōu)化控制[J].汽車工程,2020,42(4):8.[12]黃玲.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)速度自適應(yīng)跟蹤控制策略研究[J].科技視界,2020(22):2.[13]曾文杰.基于FXLMS算法的車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制技術(shù)研究[D].江蘇大學(xué),2017.[14]黃劍其,吳長(zhǎng)水,孫戀敏,等.大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制策略研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2017,25(11):4.[15]唐崇玉.汽車發(fā)動(dòng)機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