一种提高电控汽油机瞬态空燃比控制精度的方法研究

摘要

随着环境问题的凸显，机动车排放法规变得越发严苛，汽油机空燃比直接影响到三元催化转换器的效率，所以对汽油机空燃比的控制显得十分重要。稳态工况下，目前利用PID控制能够较好的将空燃比控制在理论值附近;对于瞬态工况，工程上虽通过大量实验标定瞬态喷油量脉谱图来修正发动机的空燃比，取得了一些效果，但依然存在控制精度不高，一致性差的不足。针对上述难题，本文开展了以下研究:
　　首先，在发动机平均值模型理论基础上结合实验数据建立了汽油机仿真模型，并对仿真模型进行了调试和验证，仿真模型精度误差在±3％以内，满足瞬态工况控制策略开发的需求。然后，利用前馈控制建立了油膜模型补偿控制器;利用常规模糊推理建立了模糊推理控制器;将常规模糊推理与PID控制结合，构建了模糊PID控制器;将模糊推理与神经网络结合，构成了自适应神经模糊推理控制器。
　　对以上四种控制器分别进行了仿真分析，得出结论:
　　(1)油膜模型补偿策略的方案可以弥补油膜动态效应造成的空燃比波动，达到的效果最理想，但是在工程实际中前馈控制抗干扰能力差，单纯依靠油膜补偿难以完全消除空燃比偏差，且油膜补偿控制器的精度依靠油膜沉积比例系数和油膜蒸发时间常数二者精度的影响。
　　(2)常规模糊推理系统满足突变幅度不太大时候的控制要求，当幅度较大时，存在短时间部分超出控制设计要求的情况，此方案的精度有待进一步提高。
　　(3)在常规模糊推理系统基础上引入PID控制，当调整要求较大时采用模糊推理系统，当调整要求不大时采用PID进行局部微调整。从结果来看在节气门开度变化幅度较大的减速工况，空燃比偏差也仅有1.23％，完全满足±3％的控制要求。瞬态工况的空燃比得到明显改善，最差也达到742.65％的控制效果。
　　(4)在常规模糊推理系统基础上结合了神经网络的自学习功能，将依靠专家经验的模糊控制系统加入了自适应功能，构成基于网络的自适应模糊推理系统。重点讨论的加速工况，其空燃比偏差在2.5％左右，满足控制要求。
　　综上所述，采用油膜模型补偿策略精度最高，但高精度的油膜模型参数难以获取，且基于参数的前馈控制抗干扰性能比较差，方案不够理想。常规模糊控制精度稍差于模糊PID控制和自适应神经模糊控制，自适应神经模糊控制控制精度满足目前需求，但是其动态响应速度明显慢于模糊PID控制，如果瞬态空燃比响应慢，对驾驶感和排放均有负面效果;同时，其控制运算较繁琐，对硬件要求高，很难在一些成本控制严苛的产品中实施。模糊PID控制精度是几种反馈控制中最高的，同时其响应速度也是反馈控制中最好的。所以，在汽油机瞬态工况空燃比控制策略中，模糊PID控制为精度高、符合工程应用的控制方法。

目录

声明

摘要

1．1 机动车排放升级的紧迫性

1．2 空燃比与汽油机的关系

1．3 尾气后处理技术对空燃比的要求

1．4 汽油机瞬态空燃比研究的意义

1．5 瞬态空燃比控制的国内外研究现状

1．6 论文研究内容及要解决的问题

1．7 本章小结

2．1 引言

2．2 汽油机电喷系统的结构

2．2．1 传感器

2．2．2 电子控制单元

2．2．3 执行器

2．3 汽油机喷油量的计算

2．3．1 基本喷油脉宽的确定

2．3．2 汽油机目标空燃比的确定

2．4 汽油机空燃比的控制

2．4．1 稳态工况空燃比调整

2．4．2 瞬态工况空燃比要求

2．4．3 瞬态工况空燃比偏差的产生原因

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 汽油机平均值模型

3．2．1 进气歧管模型

3．2．2 燃油蒸发与油膜模型

3．2．3 动力输出模型

3．3 基于MATLAB／Simulink建立的汽油机平均值模型调试与验证

3．4 本章小结

4 瞬态工况空燃比控制策略的仿真与分析

4．1 引言

4．2 基于油膜模型补偿控制器的瞬态工况空燃比控制

4．2．1 油膜模型补偿控制器的建立

4．2．2 油膜模型补偿控制器的仿真与分析

4．2．3 油膜模型补偿控制器控制方法小结

4．3 基于模糊控制器的瞬态工况空燃比控制

4．3．1 模糊控制系统的结构与工作原理

4．3．2 基于模糊控制设计瞬态工况空燃比控制系统

4．3．3 模糊控制系统仿真及结果分析

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 基于PID的模糊控制器的瞬态工况空燃比的控制

5．2．1 PID控制器的工作原理

5．2．2 模糊PID控制器的设计

5．2．2 模糊PID控制器仿真及结果分析

5．3 基于网络的自适应模糊推理系统在瞬态工况空燃比的控制

5．3．1 基于网络的自适应模糊推理系统

5．3．2 基于网络的自适应模糊推理控制器的设计

5．3．3 基于网络的自适应模糊推理控制系统仿真及结果分析

5．4 本章小结

6．1 全文总结

6．2 未来展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢