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《汽油机空燃比控制和时间延迟的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、汽油机空燃比控制和时间延迟的研究刘晓亮1,2,王生昌1,李茂月1(1.长安大学汽车学院,陕西西安710064;2.交通部公路科学研究院,北京100088)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研究概况;分析了影响汽油机空燃比控制精度的因素;着重研究了空燃比闭环控制中的时间反馈延迟,并建立了时间延迟数学模型。关键词:汽车;汽油机;空燃比;时间延迟中图分类号:U464.11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
2、车性能要求的提高,汽车制造商在希望使汽车的综合性能达到最好的同时,努力使汽车的排放性能和燃油消耗水平降到最低。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。而这些变量间存在着复杂的关系,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研究能为下一步的试验研究积累理论基础,并对设计有效的空燃比控制策略提供一定帮助。图1空燃比
3、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,通过开关型氧传感器进行PID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
4、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。影响空燃比控制精度的因素1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。三效催化转化器(TWC)的应用,极大地改善了发动机稳态工况下的排放性能,但是空燃比偏离理论空燃比(14.7)超过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比附近,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动态特性主要包括燃油油膜湿壁
5、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。图2PID控制系统原理空燃比控制方法2PID控制器是一种线性控制器,根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差,e(t)计算控随着现代控制理论的不断完善及微电子技术的公路与汽运第2期2008年3月Highways&AutomotiveApplications12制量。常规PID控制算法如下: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,又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
6、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。tkp[e(t)+k∫i0e(t)dt+kdde(t)/dt]u(t)=(1)式中:u(t)为控制量;kp、ki和kd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对象的精确数学模型,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
7、行PID参数优化,实际运行时查表取值。如将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。图4基于模型的空燃比控制结构基于现代控制理论的算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极点,但是其控制算法的计算量太大,要求采用高速的微处理器。同时其系统模型的辨识也要求采用快速收敛的算法,若进行在线参数辨识,则对微处理器的要求更高,而且模型参数辨识的准确性也对控制系统的控制精度有很大影响。因此,需开发能够计算
8、动态系统的控制方法或辨识方法。2.3人工智能控制智能控制主要是在上述控制方法的基础上,采用基于模糊规则或基于神经网络的观测器或控制器,融入自适应、变结构、预报、鲁棒控制等先进控制方法,实际上是
