桑塔纳AFE电控汽油机怠速工况控制研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.97MB 65 页 15积分
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摘 要
发动机怠速控制是指对怠速空气量进行控制，但是怠速工况是一个复杂的被
控对象，影响因素众多，由于发动机进、排气的波动性和燃烧的随机性，发动机
的怠速有天然的、随机的转速浮动，具有显著的非线性、时变性和不确定性特点，
很难建立适于控制用的精确数学模型，因此怠速控制成为汽车发动机电控系统中
的重要内容之一。
比例-积分-微分（PID）控制是一种在生产过程中经常采用的控制方法，该控
制器的结构和参数通常可以依靠经验和现场调试来确定。在怠速控制系统中，根
据发动机的工作环境和工作状况，对 PID 控制的各个控制参数进行调整，可以实
现怠速的控制。但是 PID 控制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，同时，要使系统确定最佳的工作参数，需要大量实验来得到精确的
数学模型。与此相反，模糊控制不依赖系统的精确数学模型，它模仿人在控制活
动中的模糊概念和控制策略，对系统的参数变化及外界干扰不敏感，具有很强的
鲁棒性，因此对非线性、时变性和不确定性的怠速控制可以取得良好的控制效果。
本文分别采用了 PID 控制算法和模糊控制算法对汽车发动机的怠速转速进行控制，
并对其控制效果进行了验证。发动机台架实验结果表明，在同等试验条件下，与
PID 控制方式相比，模糊控制可以很好地削弱暖机过程及稳定怠速时的转速波动。
主要内容有：
1. 以桑塔纳 AFE 发动机为对象构建了汽车发动机怠速控制系统试验台，借助
原机的传感器和执行器，自行设计了怠速控制系统 ECU，实现了怠速空气量、喷
油量、喷油定时及点火定时等参数的电子控制，为发动机怠速性能的研究提供了
试验平台。
2. 将数字 PID 技术应用于发动机的怠速控制过程，设计了数字积分分离式发
动机怠速 PID 控制算法，并对 PID 控制器的参数进行了整定。
3. 将模糊控制理论应用于发动机的怠速控制过程，设计了发动机怠速模糊控
制器和相应的控制算法。怠速模糊控制器包括输入变量的模糊化、模糊规则推理
和反模糊化三个部分。对输入变量进行模糊化时，采用了分段连续的三角形隶属
函数，在进行规则推理时，设计了一种编号组合的数据结构，节省了计算时间。
4. 从硬件和软件两个方面对控制系统进行了抗干扰设计，基本解决了控制系
统的干扰问题，控制系统在整个实验过程中呈现了良好的稳定性。
5. 通过发动机台架实验，对桑塔纳 AFE 发动机的怠速 PID 控制算法和模糊控
制算法进行了实验对比研究，实验结果表明，两种控制算法均能对发动机的怠速
转速进行有效控制，但采用模糊控制时发动机的怠速转速具有更好的稳定性。
关键词：汽车发动机 怠速控制 PID 控制技术 模糊控制技术
ABSTRACT
The control of the intake air amounts at idle mode is the key and idling control is
one of the most important contents of the electronic control on gasoline engines used in
automobiles, and also is a necessary step to reduce fuel consumption and exhaust
emission in automobiles. Meanwhile, the characteristics of gasoline engine showed at
idling, such as nonlinearity, frequent variation with time, and indetermination make it
difficult to deduce its exact mathematical model. Therefore, investigation on idling
control has been attached widespread importance to.
The PID control is the widespread control method adopted in practice, and the
structure and parameters of the system can be decided according to the experience and
by debugging. In idle control system, according to the work environment and conditions
of the engine, through the adjustment of control parameters for PID controller, the idle
mode can be controlled. But it is very difficult to satisfy the smaller overshoot, shorter
transition time, higher control precision commands for the PID control at the same time,
and to confirm best parameters of system, a great deal of experiments must be done to
get precision mathematical model.Contrarily, fuzzy control method has the advantage
of not requiring the knowledge of a mathematical model of the controlled object and is
also more robust and flexible than traditional control approaches. Idling control is to
control the flow rate of intake air to achieve the target engine speed in idling state.
In this paper, a control system including hardware and software has been
developed. The composition of the system, the fuel injection and ignition signal
generation, and the gasoline quantity injected and ignition advance angle are also
discussed in detail and the output parameter is PWM signal supplied on the bypass air
valve. The system uses a 80C196KC single chip microprocessor as the Central
Processing Unit to process sensor signals and to control fuel injection, spark timing and
the open angle of the bypass air valve, etc.
In the PID control algorithm, through the separation value setted, which makes the
control effects have the bigger improvement, on one hand, the integral function still
work, on the other hand, the overshoot was reduced. The fuzzy control algorithm has
been designed according to the steps of Fuzzification, Rule Reference, and
Defuzzification. In the Fuzzy model, continuous triangular functions are used for input
membership functions to enlarge input information, and a number-combination data
structure is used for Rule reference to save running time.
The experimental data obtained by PID control are compared with those obtained
by fuzzy control. The results show that, compared with the PID control algorithm, the
fuzzy control has better control effects.
Key Words：
Engines, Idle Speed Control, PID Control, Fuzzy Control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 汽车发动机电子控制技术发展简介 .............................. 1
§1.2 汽油机电控系统的发展趋势 .................................... 2
§1.3 国内外汽车发动机怠速控制的研究状况 .......................... 3
§1.4 怠速控制的立题依据 .......................................... 5
§1.5 本文主要工作内容 ............................................ 6
第二章 怠速控制系统的总体设计 ........................................ 8
§2.1 汽油多点喷射系统 ............................................ 8
§2.1.1 概述 ..................................................... 8
§2.1.2 汽油多点喷射系统的组成和工作原理 ........................ 10
§2.1.3 怠速空气流量控制方案 .................................... 15
§2.2 点火控制系统 ............................................... 16
§2.2.1 点火系统的组成 .......................................... 16
§2.2.2 点火线圈的控制 .......................................... 16
§2.2.3 点火提前角的控制策略 .................................... 17
§2.2.4 点火闭合角的控制策略 ..................................... 19
§2.3 信号采集和控制器 ........................................... 20
§2.3.1 信号采集 ................................................ 20
§2.3.2 执行机构 ................................................ 21
§2.3.3 控制器 .................................................. 21
§2.4 怠速控制方案 ............................................... 21
§2.5 小结 ....................................................... 22
第三章 发动机怠速 PID 控制算法研究 ................................... 23
§3.1 PID 控制简介 ................................................ 23
§3.2 数字式 PID 控制器的设计 ..................................... 24
§3.3 数字式 PID 控制算法的改进 ................................... 26
§3.4 PID 控制器的参数整定 ........................................ 27
§3.5 小结 ....................................................... 28
第四章 发动机怠速模糊控制算法研究 ................................... 30
§4.1 系统配置 ................................................... 30
§4.2 输入变量的模糊化 ........................................... 31
§4.2.1 输入隶属函数的定义 ...................................... 31
§4.2.2 输入变量实时值的计算 .................................... 32
§4.2.3 模糊子集隶属函数的计算 .................................. 33
§4.2.4 输出隶属函数的定义 ...................................... 33
§4.3 模糊推理 ................................................... 34
§4.3.1 控制规则总结 ............................................ 34
§4.3.2 模糊推理合成算法 ........................................ 34
§4.4 反模糊化 ................................................... 37
§4.5 小结 ....................................................... 37
第五章 控制系统的硬件设计 ........................................... 38
§5.1 单片机系统 ................................................. 38
§5.2 信号采集系统电路设计 ....................................... 39
§5.3 功率驱动电路的设计 ......................................... 41
§5.4 小结 ....................................................... 44
第六章 控制软件设计 ................................................. 45
§6.1 上位机软件介绍 .............................................. 45
§6.2 下位机软件介绍 .............................................. 45
§6.2.1 主控程序 ............................................... 45
§6.2.2 喷油、点火中断子程序 ................................... 46
§6.2.3 电磁阀控制中断子程序 .................................... 46
§6.2.4 数据处理模块程序 ......................................... 47
§6.2.5 怠速处理模块 ............................................ 47
§6.3 模糊处理程序 ................................................ 48
§6.3.1 输入变量模糊化 .......................................... 49
§6.3.2 规则推理程序 ............................................ 49
§6.4 小结 ....................................................... 50
第七章 控制系统的抗干扰设计 ......................................... 51
§7.1 干扰分析 ................................................... 51
§7.2 系统的抗干扰设计 ........................................... 51
§7.2.1 系统硬件抗干扰设计 ....................................... 51
§7.2.2 控制系统的软件抗干扰 .................................... 52
§7.3 小结 ....................................................... 52
第八章 实验结果及分析 ............................................... 53
§8.1 实验用主要仪器设备 ......................................... 53
§8.1.1 桑塔纳 AFE 发动机的主要参数指标 .......................... 53
§8.1.2 所用测试仪器和设备 ...................................... 53
§8.2 实验结果及分析 ............................................. 54
§8.3 小结 ....................................................... 56
第九章 全文总结 ..................................................... 57
参考文献 ............................................................ 58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 60
致 谢 ............................................................... 61
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 汽车发动机电子控制技术发展简介
发动机电子控制技术的发展起因是人们对发动机性能的要求。人们对发动机
动力性能的期望，促使汽车工程师把发动机燃油喷射技术移植到车用发动机上。
人们对降低发动机燃油消耗和有害物排放量的要求，促使发动机走上了电子控制
的发展历程。汽车电子是从电子控制燃油喷射技术开始的，传统的汽油机都使用
化油器。化油器是发动机混合气生成系统，具有对燃油进行雾化、气化、混合、
配剂和定量控制等功能。但是化油器具有一些致命的弱点，比如混合气浓度过大、
油耗多、尾气污染严重，使发动机震动大，易于熄火。汽油喷射最初在航空发动
机上研制使用，二战汽油喷射转向车用。 50 年代世界上大批量生产汽油喷射轿车
投入市场，但这一阶段的汽油喷射为机械喷射，即利用杆系传递负荷信息，利用
离心块探测转速信息，通过空间凸轮控制循环喷油量。1957 年美国公司推出了电
子控制汽油喷射系统，这就是所谓电子喷射，简称电喷[1]。电喷技术为发动机，乃
至整个运输事业的发展开创了一个新纪元。
从机械控制汽油喷射到现在的发动机集中管理系统，汽油机控制技术用近 50
年的时间，经历了三个技术发展阶段[2]。
1952-1957 年为第一阶段。这一阶段的主要特征是：以提高发动机动力性为主
要目的，把飞机发动机燃油喷射技术成功的移植到汽车发动机上。1952 年，德国
Bosch 公司研制成功第一台机械控制缸内喷射汽油机，并成功地安装在戴姆勒-奔
驰（Daimler-Benz）300L 型赛车上。机械控制汽油喷射系统的研制成功，不仅提
高了汽车的动力性，而且为以后电子控制技术的开发提供了宝贵的经验。
1957-1979 年为第二阶段，这一阶段的主要特征是：以减少排污及降低能耗为
主要目的，以空燃比精确控制为基本措施的各种电子控制汽油喷射系统相继开发
成功，汽油机运行控制进入了电子控制的新阶段。在这一阶段汽油喷射电子控制
技术经历了从模拟控制到数字控制发展过程，为单一控制向集中控制过渡奠定了
基础。
电控技术应用于汽车发动机始于 1967 年[3]，当时 Bosch 公司在 Bendix 公司专
利基础上，推出了 D-Jetronic 汽油喷射系统，该系统是一种投入使用的电子式喷油
系统，仅能满足 1979-1980 欧洲和美国的废气排放法规，且存在加速响应差等问题。
该公司继而又推出了 L-Jetronic 汽油喷射系统和机械控制的 K-Jetronic 系统，
L-Jetronic 的一大特点是采用叶片式空气流量计来直接测量空气流量，以传统的模
拟电子技术为主；K-Jetronic 为机械式、连续喷射系统。进入 70 年代，虽有许多
摘要：

摘要发动机怠速控制是指对怠速空气量进行控制，但是怠速工况是一个复杂的被控对象，影响因素众多，由于发动机进、排气的波动性和燃烧的随机性，发动机的怠速有天然的、随机的转速浮动，具有显著的非线性、时变性和不确定性特点，很难建立适于控制用的精确数学模型，因此怠速控制成为汽车发动机电控系统中的重要内容之一。比例-积分-微分（PID）控制是一种在生产过程中经常采用的控制方法，该控制器的结构和参数通常可以依靠经验和现场调试来确定。在怠速控制系统中，根据发动机的工作环境和工作状况，对PID控制的各个控制参数进行调整，可以实现怠速的控制。但是PID控制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，同时...

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