汽油机空燃比控制和时间延迟的研究

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1、汽油机空燃比控制和时间延迟的研究刘晓亮*’2,王生昌1，李茂月摘要：总结了近年来国内外学者在汽油机空燃比精确控制方面的硏究概况;分析了影响汽汕机空燃比控制精度的因索:着重研究了空燃比闭环控制中的时间反馈延返，并建立了时间延迟数学模型。关键词：汽车；汽油机；空燃比；时间延£中图分类号：U464.丨1文献标识码：A文章编号：1671-2668(2008)02-0011-04发动机控制是控制系统工程师和研究者们面对的最复杂的问题之一。随着政府和消费者对汽车性能要求的提高，汽车制造商在希望使汽车的综合性能迖到最好的同时，努力使汽车的排放性能和燃油消耗水平降到最低。

2、为了满足上述要求，需要对发动机的各种变量进行控制，如发动机转速发动机负荷点火时间喷油时间进气量空燃比(AFR)等。而这些变量问存在着复杂的关系，使发动机具有高度的非线性动态特性。在为优化发动机的各项性能而进行的汽油机控制参数的调整过程中，其他参数的调整也都不同程度地以空燃比的调整为基础和依据。因此，对空燃比的控制方法和时间延迟的理论硏究能为下一步的试验硏究积累理论基础，并对设计有效的空燃比控制策略提供一定帮助。1影响空燃比控制精度的因素在所有发动机控制变量中，AFR与燃油经济性污染物排放量有着密切的关系。三效催化转仆器(TWC)的应用，极大地改善了发动机稳

3、态工况下的排放性能，但是空燃比偏离理论空燃比(14.7)1过1%，将会导致TWC转化效率降低，严重时甚至降低50%。为了将实际空燃比控制在理论空燃tt附近，在发动机控制系统中普遍采用氧传感器组成的空燃比控制方式，即闭环控制方式。空燃比闭环控制系统组成如图1所示。影响空燃比精确性的态特性主要包括燃汕汕膜湿壁效应进气歧管动态特性空气流量测量后的节气门移动传感器延迟和燃烧延迟。2空燃比控制方法随着现代控制理论的不断完善及微电子技术的图1空燃比闭环控制系统组成快速发展，空燃比控制方法越来越多。当前经常使用的空燃比控制方法一般有基于经典控制理论的PID控制基于模型的

4、空燃比控制及人工智能控制方法。目前的电喷汽油机中，绝大多数采用的是以稳态工况下制取MAP图为基础的空燃比控制策略。稳态时，通过幵关型氧传感器进行P1D闭环反馈控制，并采用查表方式获取控制参数;瞬态时，由于采用基于查表的开环控制策略，并没有考虑进气真空度波动燃油的湿壁效应发动机工作过程所固有的时间延迟和进气管压力传感器的响应时间延迟的影响，所以控制精度低响应特性差。2.1基于经典控制理论的PID控制PID控制(比例积分微分)是控制系统控制中技术最成熟应用最广泛的一种控制方法，其原理如图2所示。一一比例技丽象車图2PID控制系统原理P1D控制器是一种线性控制器

5、，根据给定值r(t)与实际输出值构成控制偏差，e⑺计算控制量。常规PID控制算法如下.•(u(t)=kP[e(t)+k,t)dz+t)/dt]()式中为控制量,*和h分别为PID控制器的比例积分和微分项参数。PID控制的最大优点在于不需了解被控対象的精确数学模型，只需根据经验调整调节器的参数，便可得到比较满意的控制效果。其缺点是对被控对象的参数变化比较敏感，在某一条件下设计的最优控制参数在其他条件下不一定能取得理想的效果。传统的解决方法是根据发动机的转速和输出功率特性将其运行状态划分成几个不同的区域，对每个区域进行P1D参数优化，实际运行时查表取值。如将

6、发动机工作过程划分为若干工作模式，包括起动模式、暖机模式怠速模式加速模式和减速模式等。根据循序渐进的方法，利用PID控制设计的汽车空燃比控制系统如图3所示。ii图3P1D空燃比控制系统在发动机空燃比控制中，当汽车在稳态运行时，P1D控制能使空燃比保持在理论空燃比附近，但在汽车瞬态运行(节气门幵度或外负荷变化)时，由于它不能及时提供油膜瞬态补偿，因而即使采用Smith预估器和固定参数的PID控制器相结合的方法，也不能提供精确的瞬态空燃比。另外，该方法的难点还在于有滤波延时传感器响应延时和传感器信号提取延时，且需要大量时间来制作MAP图。2.2基于模型的现代控

7、制在空燃比控制过程中，现代控制主要考虑发S机的进气流量油膜动力学等内部状态信息，采用排线性状态观测器(估计算法)和自适应控制来提高空燃比的控制性能。图4为基于模型的空燃比控制结构。根据使用的传感器不同，采用观测器的空燃比控制方法可以分为2种:一种方法是基于空气流量或进气歧管的压力测量;另一种方法是基于节气门位置传感器。按照观测器的形式，乂分为线性观测器和非线性观测器。虽然方法不同，但目标一致，即估计进气歧管压力沉积在进气管壁上的油膜质量等不可监测量。但该控制方法缺乏对环境变化发动机老化和个体特性的自学习能力。图4基于模型的空燃比控制结构基于现代控制理论的算

8、法虽然可以较好地解决传感器和传输造成的延时问题可以分析控制系统的零