汽车发动机怠速模糊控制系统的仿真实验

【摘要】 仿真技术在车用发动机电子控制系统的开发中起到越来越大的作用，仿真技术缩短了控制新方法和新产品的开发周期，可在产品开发前期有效地对新颖的设计思想和控制方法进行验证和评价。本文利用当前最流行的仿真软件MATLAB中的动态仿真集成环境Simulink对发动机的怠速控制系统进行仿真。

【关键词】

作者单位：合肥工业大学机械与汽车工程学院 安徽 合肥 230009

一、系统仿真的准备工作

发动机建模与仿真已经成为发动机设计尤其是发动机控制系统设计的必要途径。在计算机仿真实验中，为了对发动机实现怠速控制，必须首先获得发动机怠速系统的数学模型，然后在此模型的基础上，采用模糊控制策略来实现发动机的怠速控制。所以说尽管设计模糊控制器时，不需要发动机怠速系统的数学模型，但模仿发动机的怠速控制系统时仍需其数学模型。

汽油机工作于怠速工况时，其转速主要受点火时间、空气量和燃油量的影响。因此，通常将汽油机的怠速控制系统看成是由三个输入量（点火时间、空气量和燃油量）和一个输出量（转速）组成的多变量系统。这种结构使得怠速控制必须在该多变量控制系统的框架中被考虑。然而，在怠速工况下，汽油机的工作转速范围变化很小，因此，点火时间可以假设为不变的，本文也是基于此思想来设计控制器的。此外，如果空燃比采用闭环控制时，就可以把燃油量当做一个干扰因素，它对于处于怠速的汽油机的动态性能影响相对很小。因此，点火时刻、空燃比控制和怠速控制都相对独立，所以汽油机怠速控制系统的动态模型可以简化为一个单输入单输出系统，即控制旁通气道的怠速阀开度大小（PWM信号的占空比大小）信号作为输入量，汽油机的怠速转速作为输出量。可根据台架实验获得。首先可认为各环节是一个黑盒子，然后利用从台架实验中所获得的所有可测量的输入/输出数据，根据系统辨识理论推导出系统模型。

1.怠速旁通阀执行器的数学模型：怠速旁通阀的开度（0%-100%）与怠速控制执行机构的PWM信号占空比输出（0%-100%）的关系近似为一条直线，故其数学模型可用比例环节近似表示，即：G01（s）=（100-0）/（100-0）=1

2.发动机的数学模型：电控汽油喷射发动机怠速工况时节气门全闭，空气经过怠速控制阀所控制的怠速旁通气道进入汽油机，有空气流量计（或进气歧管压力传感器）检测进气量并根据转速和进气管压力及其他修正信号控制喷油量，从而保证汽油机的怠速运转。由于节气门处于近乎关闭状态，进入气缸内的混合气很少，残余废气对气缸内可燃气体有明显的稀释作用，因而容易造成燃烧状况恶化，直接导致怠速运转的不稳定。

在汽油机怠速运转状态下，汽油机速度与旁通阀开度的数学模型，可以利用实验来获得，它表示了汽油机怠速（0～1200）与怠速旁通阀开度（0%～100%）之间的关系。

二、怠速模糊控制系统的仿真

本文在动态仿真集成环境Simulink下，利用MATLAB模糊逻辑工具箱的图形用户界面对发动机怠速模糊控制系统进行仿真。MATLAB中的模糊逻辑工具箱提供了一套用于构造模糊推理系统的图形用户界面（GUI），它可以根据模糊控制规则表进行推理运算。利用图形界面可以直接对模糊系统的输入/输出语言变量的个数和非模糊化方法等进行编辑和修改；可对输入/输出语言变量各语言值的隶属度函数类型、参数，进行编辑、修改；也可直接添加、修改和删除模糊规则。

当系统设定怠速的给定值在750r/min和850r/min之间根据有无负荷自动变化时，系统的怠速可以快速跟踪其变化。这里假设系统在怠速状态空转无负荷时，怠速的给定值设定在750r/min；有负荷时，怠速的给定值设定在850r/min。仿真结果表明，采用模糊控制方法对怠速进行控制不仅有效，而且可有效降低汽油机怠速转速的波动幅度，进一步提高了发动机怠速运行的稳定性，初步显示了模糊控制的良好效果。为下一步实际应用，改善发动机的排放性和提高燃油经济性打下了良好的基础。

三、PID-Fuzzy型怠速控制系统的仿真

理论分析和实验都表明只利用模糊控制器进行系统控制，往往不能满足控制对象的所有指标（尤其是在控制底层），所以一个完整的模糊控制系统最好还需要某种传统的控制器作为补充，本文采用的是PID控制方法。在常规控制中，PID控制是最简单实用的一种控制方法，它既可以依靠数学模型通过解析的方法进行设计，也可不依赖模型而凭借经验和试凑来确定。

在PID-Fuzzy型怠速控制系统中，当系统误差较大时采用常规模糊控制器进行宏观定性调节，当系统误差较小时采用PID控制器进行微观定量调节，从而使系统在大误差时追求速度，在小误差时强调精度。PID控制器的参数，可利用系统在工作点附件的线性方程进行选取。

仿真结果表明，PID-Fuzzy控制器的抗干扰特性与模糊控制器的抗干扰特性完全一样，甚至具有更强抗干扰能力。另外，它也实现了系统的快速、平稳、无误差跟踪的特性。使怠速工况的控制精度大为提高，怠速运行的品质大为改善。因此从一方面可以证明PID-Fuzzy控制器更加适合怠速控制的要求。

四、总结

本文利用MATLAB中的动态仿真集成环境Simulink，对发动机的怠速PID-Fuzzy控制系统以及单纯模糊控制系统进行仿真，从而主要完成了以下几方面的工作：

1. 根据汽油机怠速控制系统的特点，通过分析得到了汽油机在怠速工作点附件线性化了的降维模型，它为进行怠速控制系统的仿真研究提供了必需的系统数学模型。

2. 根据桑塔纳AFE汽油机的怠速模糊控制系统的模糊控制规则，并根据建立的怠速控制系统的数学模型，在MATLAB的Simulink动态仿真集成环境中对其进行了仿真研究。

3. 分别对PID-Fuzzy怠速控制和单纯模糊怠速控制进行了跟踪特性和抗干扰特性的仿真研究，结果表明PID-Fuzzy怠速控制系统怠速平稳，而且具有比单纯的模糊怠速控制系更很强的抗干扰能力和更好的稳态特性，可使怠速工况的控制精度大为提高，怠速运行的品质大为改善，更加适合汽油机怠速控制的要求，验证控制策略理论分析。

参考文献

[1] 李广弟等. 单片机基础（修订版）[M]. 北京：北京航天航空大学.2001.

[2] 胡乾斌、李光斌、李玲等. 单片微型计算机原理与应用[M]. 武汉：华中理工大学.1997.

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