矿用车电控柴油发动机怠速控制方法.pdf

第5 卷 Z co7 年 中国水运 Ch i n aw a t e rT r a n s P o r t V o l . 5 M a r C h N o . 3 2 以】 7 矿用车电控柴油发动机怠速控制方法 易， J 、 兵 摘 要 从柴油矿用车的运行环境出发， 为提高其电 控发动机经济性， 降低有害排放物质， 提高安全性， 对于发动 机怠速控制方法， 深入分析了PID控制、模糊控制、 模糊一 PID 3 种控制方法， 并给出了 他们的 仿真对比 结果。最后 得出模糊一 PID控制方法优于其他怠速控制方法。 关键词怠速 中图分类号 P I D控制 下 K 4 2 1 模糊控制模糊一 PID控制 文献标识码 A文章编号1 0 0 6 一 7 9 7 3 2 0 0 7 0 3 一 0 1 8 8 一 0 2 一、引言 柴油矿用车的运行环境恶劣，路面状况较差， 工祝复 杂， 负荷变化频繁， 特别是在重载或轻载下坡时。据统计， 柴油矿用车约有 4 0 的燃油是消耗在息速工况中， 有2 / 5 的排放量来自 怠速工况。在怠速使用条件下，若怠速过低， 冷车运转与下坡路面阻力、空调装置、自动变速器、动力 转向伺服机构的接入都会引起怠速转速变化，使发动机运 转不稳定且燃烧不完全， 有害排放物增加， 甚至出现熄火 现象 矿用车吨位大， 下坡熄火容易造成事故 。 怠速过高， 燃油消耗高及噪音大。所以怠速控制的目的就是 发动机 怠速时平稳， 可靠， 不熄火且最低可能的转速以节省燃油 并减少排放。工程师们开发了许多的怠速控制方法。笔者 在综合分析了各种息速控制方案的基础上， 提出怠速模糊 一 PID复合控制方案 。 二、PIO 怠速闭环控制 PID控制是工业控制中 最基本的控制算法之一， 因 其简 单可靠的优点而得到了广泛的应用。一个标准的PID控制 器可用下式表示 作过程的非线性、时变性、复杂性使得很难同 时满足超调量 小、过渡过程时间 短、控制精度高等要求， 取得理想的 控制 效果。 PID怠速控制系统如图1 所示。 尸 今 司 下王 布 芍滋丽「一1 里. 健户 必月， 日 监鑫 万 ‘ 一 { 节 气门月阁” 冷认吮里补坟 实阵帐趁 魂口的 分仁 七 垂咬 电 吸五 垦 标岁 侍转拱 丝鱼一 伊 泛 电叭 . ‘-一‘ .--一--一 一一一 -- 交 月 乳 和卜 . 「J 交成发电砚负楷孙偿 食 益书 陌 一馒 一 ‘ 份 会 允 d ， 共 ， 该函数由比例项、积分项和微分项组成。 式中 e一转速极差; T ， 积分时间常数; 叭一微分时间 常数; T 厂比 例 常 数。 在实车工况下，系统的 各参数复杂多变， 并且由 于怠速 控制过程的非线性特性， 发动机附件的负荷如空调压缩机、 动力转向泵、电 动冷却风扇以及自 动变速器档位变化都是一 个ON / O F F 过程， 加载十分突然。 对于这种突加负荷， 很可 能导致发动机怠速转速波动甚至熄火。由 于进、排气的波动 性和燃烧过程的随机性，发动机的息速有随机的、天然的 转 速浮动。 ， 因此对怠速系 统无法建立精确数学模型， 且怠速工 三、模糊控制 模糊控制的对象往往是一个复杂的非线性系统，由 于大 量模糊信息的存在而难以 精确描述， 无法建立 适当的数学模 型加以控制。 模糊控制采用人类语言信息， 模拟人类思维; 易于接受，设计简单，抗千扰能力强。模糊控制器基于包含 模糊信息的控制规则， 在改善系统特性时， 模糊控制系统除 了 像常规控制系统那样能调节参数外， 还可以 通过改变控制 规则、隶属函 数、推理方法及决策方法来修正系统特性。因 此， 模糊控制 器设计、调整和维修变得简单。 矿用车柴油 机考虑到控制器最终需要实现的性能下误 差、误差变化 率、控制量应该出 现的范围， 兼顾可能出 现的 恶劣情况， 考虑适当的细化， 并注意误差死区的设置对论域 选择的影响。 应用模糊控制器的怠速控制系统的结构框图如图 2所 示。 模糊控制器以 转速偏差、 转速偏差的变化率作为输入量， 以 作用于步进电 机的脉宽调制信号作为输出 变量， 直接控制 了发动机的转 速。同时， 息速实际 转速通过反馈与怠速目 标 转速相比较， 以得出转速偏差及转速偏差的变化率。 模糊控 制器对两个输入量通过模糊化、 模糊推理以及去模糊化这个 处理过程， 可以输出步进电机的控制信号， 从而使实际转速 快速逼近目 标转速。将这种调节方式整理成一条条规则， 即 所谓模糊控制规则。 收稿日 期2 0 0 7 一 1 一 2 2 作者简介易小兵 男 武汉理工大学能源与动力工程学院 研究生43 0 0 6 3 研究方向 柴油发动机电 子控制系统 第 3 期 易小兵矿用车电控柴油发动机怠速控制方法 1 8 9 随着调节的进程变化的。 从图5 可以看出， 采用模糊一 PID复 合控制使得系统具有很快的阶跃响应特性，而且系统的超调 量很小。当系统受到干扰后能够很快恢复到目 标转速。当系 统稳定后， 系统具有很小的稳态误差， 转速波动很小 土5 r/m沉以内 . 目标转邀一 四、模糊一 p ID复合控制 在基本 模糊控制系统中， 通常采用 误差和误差变化作为 输入变量，因 此基本模糊控制器仅相当于 常规比例微分 PID 控制器的 作用。所以 这种模糊控制量能够具有良 好的动态特 性， 鲁棒性好， 抗干扰能力强等特点; 但它缺少了 积分项， 积分控制作用能消除稳态误差， 这也正是基本模糊控制器稳 态误差大， 过渡时间比 较长， 难以 达到 较高控制精度的原因。 因此为改善基本模糊控制器的稳态性能， 笔者在模糊控制器 中引入PID控制策略， 构成模糊一 PID复合控制， 这种复合控 制策略是在大偏差范围内采用 模控制， 小偏差范围内 转换成 PI D控制， 二者的 转 换由 微机 根据事先 设定的 偏差范围自 动 实现。 图3 是用 模糊一 PID复合控制方法对怠速状态进行控制的 一个简单框图。 20 . 0 1 扭 的 1 ‘ . 0 1 4 0 0 班 2 0 0 1 0 加 留 0 也 ‘ 0 0 4 0 0一 、 戈 厂匕一 。 ， .上套之洲农 .4称1 之1 ‘2 0 时甸1. 卜 巨 回 ” 拱琳控制攀 误羞一 冲 卜 雀抽交枕 卜 本‘ 宙圈 倡 }倡 目标特旅 五、三种控制方法的仿真结果分析 根据3 种控制方法的原理， 我们用SIM u LIN K 7. O 建立 控制系统的动态模型， 通过仿真程序， 得到几种控制方案对 比结果， 如图3所示。我们可知，由于PID控制器的响应特 性对控制系统参数调整很敏感， 容易产生不稳定，而且由 于 控制器对发动机的负载干扰响应慢，所以 速度往往出现大的 波动现象， 控制效果不理想。 模糊控制的 波动可以控制在士 10 r/min 内， 但是模糊控制器是以 误差和误差变化率作为 输入变量。一般认为这种控制器具有模糊比例一 微分控制作 用， 缺少模糊积分控制作用。因 此模糊控 制的 效果要比 PID 好， 但其稳态性能还是不能令人满意。 模糊一 PID复合控制则 兼顾模糊控制与PID控制的优点， 它的比 例和微分调节量是 复合控制则比单纯的一种控制方法的稳定性更好，调节 次数有很大减少， 有利于改善排放，同时也提高速度的稳定 性， 且算法实现上也比 较容易， 它是一种较好的发动机怠速 控制方法。 六、结束语 通过对三种柴油机怠速控制的对比分析，结合矿山柴油 机的具体情况， 模糊一 PID复合控制用于怠速工况使其控制精 度大为提高， 控制形式也更加灵活， 从而可改善发动机怠速 时的经济 性能及排放指标。 模糊一 PID复合控制是在总结人的 控制行为或实际操作经验的 基础上完成的，避开了 建立过程 精确数学 模型的难题。 由 仿真结果可知， 本文设计的模糊一 PID 复合控制方式用于发动机怠速稳定性的控制是可行且有效 的， 具有较强的 鲁棒性， 为实际应用提供良 好理论基础。 参考文献 [lJ 叶 正 茂 . 电 控汽油 喷 射怠 速 控制的 研究 . [ 学 位论幻. 北 京 . 清华大学. 1 996. [21 张振东， 陈万忠. 汽油 机怠速转速闭 环控制系 统的研究。 田 . 农业机械报. 2 001 . 1 2125. [3] 飞思 科技产品 研发中 心 编著. 州 叭 T L A B 7基础与 提高 四1. 北京电子工业出版社. 2 阅5 . [4] 闻新， 周霉， M ATL A B 模糊逻辑工具箱的分析与应用. I M 」 . 北京科学出版社. 2 阅1 . A b s t r a c t E mbark s f r o mt h e d i e s e l o i 1 m i n e r a 1 P r o d u c t v e h i c 1 e m o v e m e n t e n v i r o nme n t ， f o re n h a n c e s i t se 1 e c t r i c a l l yc o n t r o l l e de n g i n ee f f i c i e n c y ，r e d u c e st h eh arm f u 1e m i s s i o n sm a t e r i a l ，e n h anc e s t h es e c u r i t y ， r e g ard i n g t h ee n g i n ei d l i n g r e g i 瞬 c o n t r o l m e t h o d ，a n a l y z e d t h e P I Dc o n t r o l ，t h ef u z z y c o n t r o l ， f u z z y一P I D 3t h o r o u ghl yh a sP l a n t e dt h ec o n t r o 1m e t h o d ，a n dh a sg i v e nt h e i rs i m u l a t i o n c o n t r a s tr e s u l t . F i n a l l yo b t a i n st h ef u z z y一P I Dc o n t r o lm e t h o dt os u r P a s so t h e ri d 1 i n gr 铭i ln e c o n t r o lm e t h o d . K e y w o r d 1 d l i n gr e g i m eP I Dc o n t r o lF u z z yc o n t r o 1F u z z y一P I Dc o n t r o l