發(fā)動(dòng)機(jī)怠速PID控制研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目錄1緒論11.1汽車電子技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀21.2 怠速控制發(fā)展?fàn)顩r21.3 怠速控制的要求22 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)42.1 怠速工況分析32.2 怠速不良表現(xiàn)42.3 怠速控制過程42.4 怠速控制策略53 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型63.1 國(guó)外采用的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型53.2 國(guó)內(nèi)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型93.3 本課題采用的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型104 pid控制器144.1 pid控制簡(jiǎn)介144.2 pid控制器參數(shù)的整定155 matlab介紹165.1 matlanb簡(jiǎn)介165.2 simulink簡(jiǎn)介165.3 simulink建模方法165.4 simulink建模具體步驟176 基于simul

2、ink的怠速pid控制仿真186.1 仿真模型的建立186.2 仿真結(jié)果分析206.3 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性分析217結(jié)論.23參考文獻(xiàn).24致謝.26附錄.271 緒 論 1.1 汽車電子技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 汽車工業(yè) 100 多年來一直占據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)的地位。一方面，汽車工業(yè)的發(fā)展迫切需要新科學(xué)、新技術(shù)的支持；另一方面，新科學(xué)、新技術(shù)又需要找到用武之地，以擴(kuò)大其產(chǎn)業(yè)發(fā)展。所以，從電子工業(yè)誕生開始，兩者就緊密地聯(lián)系在一起，成為世界工業(yè)的兩大支柱。70 年代，電子技術(shù)取得了一系列突破性進(jìn)展。1973年，intel 4 位cpu i 4004和8位cpu i 8008相繼問世；1975年，8位單片集

3、成的cpu i 8048 問世；1976年，16kb ram問世；1978年，64kb ram問世；1979年,16位cpu i 8086問世。電子工業(yè)的迅速發(fā)展為汽車電子技術(shù)的發(fā)展提供了可能。而同時(shí),汽車保有量的增加使大氣污染問題日益嚴(yán)重。1960年，美國(guó)加州制定了世界上第一個(gè)汽車排放污染限制法規(guī)。1968年,美國(guó)頒布了聯(lián)邦排放法規(guī)。這些法規(guī)一再修訂，限制越來越嚴(yán)格。繼美國(guó)之后，歐洲和日本也相繼制定出排放法規(guī)。在70年代,還發(fā)生了1973年和1979年的兩次石油危機(jī)。1978年，美國(guó)又頒布了聯(lián)邦燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)。這些法規(guī)的頒布對(duì)汽車工業(yè)造成了巨大的壓力。而傳統(tǒng)的機(jī)械改良方式是無法逾越這些障礙的

4、。在這樣的歷史背景下，形成了70年代汽車電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的局面。70年代發(fā)動(dòng)機(jī)電子技術(shù)發(fā)展的一些情況。在80年代,微機(jī)技術(shù)有了更長(zhǎng)足的發(fā)展。繼1983年intel 16位cpui 8096問世后，motorola 公司又于 1984 年和 1987 年分別推出 32位cpu mc68020 和 mc68030。與此同時(shí),內(nèi)存芯片也從 1983 年的 256kb、1985年的1mb增長(zhǎng)到1988年的4mb ram。微機(jī)速度、字長(zhǎng)和內(nèi)存容量的飛速增長(zhǎng)，為以微機(jī)為“大腦”的發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制系統(tǒng)提供了基石。在這期間，各種發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)功能日趨完善，且從單一的發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制，發(fā)展到包括自動(dòng)變速器的動(dòng)力總

5、成控制，再發(fā)展到整車集中控制。今天,美國(guó)幾乎100%的轎車都采用了電子控制;日本和歐洲緊隨其后,電子控制的轎車占其出廠轎車的比率也接近 100%。1.2 怠速控制發(fā)展?fàn)顩r汽車在城市中行駛時(shí),經(jīng)常會(huì)遇到交通擁擠的狀況，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)多處于怠速工況。發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速油耗約占整個(gè)工況油耗的 30% 。因此，過去人們一直以降低怠速轉(zhuǎn)速為目標(biāo)來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。但是，汽油機(jī)的怠速工況由于需要供給較濃的混合氣，燃燒不完全，所以怠速工況是產(chǎn)生co和hc有害排放物的主要工況。而且,怠速轉(zhuǎn)速越低，廢氣的稀釋作用越明顯，這會(huì)使co 和hc的排放濃度進(jìn)一步增加。提高怠速轉(zhuǎn)速對(duì)減少co 和hc的排放是有利的。怠速轉(zhuǎn)速?gòu)?0

6、0r/min提高到800r/min，co下降10%，hc排放量下降 15%。因此，汽油機(jī)怠速控制的目標(biāo)應(yīng)為在盡可能低的 co 和 hc 排放下，保持怠速工況在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。另外,還應(yīng)考慮冷車啟動(dòng)、空調(diào)及電氣負(fù)荷、自動(dòng)變速器、動(dòng)力轉(zhuǎn)向伺服機(jī)構(gòu)的接入等情況都會(huì)引起怠速轉(zhuǎn)速的變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定甚至熄火。當(dāng)前,對(duì)怠速控制策略的要求主要包括以下幾個(gè)方面：a在所有可能的工況條件下提供理想的怠速空氣量。b及時(shí)補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變化。 c防止發(fā)動(dòng)機(jī)的失速。d采用維持最低怠速與減速空氣量控制等方式,以取得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。e采用急減速時(shí)增加空氣量等方式改善排放.f對(duì)于零件老化及各車異性等所致的差異能

7、自動(dòng)地進(jìn)行補(bǔ)償，以減少周期性調(diào)整的要求.g改善車輛的可駕駛性.傳統(tǒng)的化油器采用單獨(dú)的怠速系，由怠速空氣量孔和怠速孔共同調(diào)節(jié)以供應(yīng)怠速時(shí)較濃的混合氣，保持怠速工況穩(wěn)定。但是這種機(jī)械式的調(diào)節(jié)方式無法滿足上述要求，很難滿足使發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜的外界條件下保持怠速穩(wěn)定、排放良好的目標(biāo)。電控汽油機(jī)在怠速工況時(shí)除了將怠速轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高以降低co和hc以外，還可以通過調(diào)整怠速空氣量與噴油的匹配將怠速轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平上,這樣控制的彈性很大,可以適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境。1.3怠速控制的要求“怠速控制”就是通過控制怠速工況的供氣量及相應(yīng)的供油量和點(diǎn)火提前角，使發(fā)動(dòng)機(jī)能以一個(gè)最佳的怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)能夠平穩(wěn)地實(shí)

8、現(xiàn)由怠速工況向負(fù)荷工況(或相反，由負(fù)荷工況向怠速工況)的過渡。怠速控制的好壞同發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能都密切相關(guān)。怠速控制是發(fā)動(dòng)機(jī)電子綜合控制技術(shù)的重要組成部分。在交通密集和擁擠的城市，汽車經(jīng)常停車而發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車耗油量的30%消耗在怠速工況,降低怠速油耗將有助于節(jié)能.怠速工況缸內(nèi)殘余廢氣比例增多,要用較濃的混合氣，故co和hc排放污染也增多.在怠速狀態(tài)下,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速周期性的變化，即所謂游車現(xiàn)象。從廣義角度理解，怠速運(yùn)行這一范疇，不僅是指發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣閥關(guān)閉(只有少許空氣通過節(jié)氣閥縫隙或經(jīng)過旁通空氣閥進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī))汽車處于空檔時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，它也包括了由

9、空轉(zhuǎn)向負(fù)載運(yùn)行過渡初期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低的工況。在發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于指示扭矩與機(jī)械損失扭矩的平衡。就機(jī)械損失來說，包括發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的摩擦損失、附件及所帶動(dòng)的一些外部設(shè)備(如空調(diào)壓縮機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等)的驅(qū)動(dòng)損失。前兩項(xiàng)可以說是基本機(jī)械損失，其大小隨發(fā)動(dòng)機(jī)溫度狀況(以冷卻水溫為標(biāo)志)和發(fā)動(dòng)機(jī)新舊程度而變化，后者則是隨機(jī)加入的.就發(fā)動(dòng)機(jī)的指示扭矩來說，在空燃比和點(diǎn)火正時(shí)相應(yīng)調(diào)整合適的情況下，它決定于進(jìn)氣空氣量。因此對(duì)于一定的基本機(jī)械損失狀況，改變怠速供氣量(旁通空氣閥通路)就可以改變基本怠速轉(zhuǎn)速。從燃料經(jīng)濟(jì)性來說，此怠速轉(zhuǎn)速宜取低，但從負(fù)載工況過渡的圓滑性和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放考慮，則宜適當(dāng)提高怠速轉(zhuǎn)速。

10、怠速供氣量越低，相應(yīng)的空燃比越小，co和hc的排放就增大。實(shí)際上基本目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速的設(shè)定是以co和hc不超過排放標(biāo)準(zhǔn)為限的。在實(shí)際運(yùn)行中，由于隨機(jī)地加入空調(diào)壓縮機(jī)或動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵，或者發(fā)電機(jī)負(fù)載 (電子冷卻風(fēng)扇和照明等)增大，以及發(fā)動(dòng)機(jī)本身工作循環(huán)的不均勻性、環(huán)境溫度和壓力的變化等等,都會(huì)使怠速轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)。怠速控制的基本任務(wù)就是通過調(diào)整供氣量(相應(yīng)改變空燃比和點(diǎn)火正時(shí))使怠速轉(zhuǎn)速在目標(biāo)值上下的波動(dòng)幅度不超過一定范圍(一般以維持在目標(biāo)值的1g%以內(nèi))。另一方面，汽車掛行車檔而開啟節(jié)氣閥時(shí)，由于進(jìn)氣滯后、供油及進(jìn)氣管路內(nèi)燃油蒸發(fā)滯后的影響，混合氣變稀，輸出扭矩可能低于帶動(dòng)負(fù)載所需的扭矩而發(fā)生轉(zhuǎn)速急劇下

11、降，嚴(yán)重時(shí)可能滅車。為了避免這種情況，除了加大供油量外，還要在掛檔和開節(jié)氣閥之前先提高發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)有較大的動(dòng)能。反之，在汽車由行車檔轉(zhuǎn)為空檔時(shí)，混合氣可能過濃而熄火，這時(shí)也需要在摘檔之前先提高發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)先得到較大的怠速空氣量，然后再逐漸降低目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速。這樣，保證在過渡過程中發(fā)動(dòng)機(jī)在較低轉(zhuǎn)速區(qū)的轉(zhuǎn)速變化較圓滑，這也是怠速控制的任務(wù)之一。2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)2.1怠速工況分析怠速控制是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的基本控制問題和面臨的難題之一。怠速是在節(jié)氣門近乎全關(guān)時(shí)，車速為零(汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在空檔)情況下的最低轉(zhuǎn)速。城市交通日益擁擠使得車輛在行車過程中經(jīng)常要處于怠速工況。發(fā)

12、動(dòng)機(jī)在怠速運(yùn)行時(shí)速度波動(dòng)大，點(diǎn)火提前角控制不好，燃燒不充分，排放嚴(yán)重，油耗也較大(城市運(yùn)行中，怠速油耗約占總油耗的30%)。過低的怠速還容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。這些問題將隨著城市的交通的發(fā)展而加劇上升。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制的重點(diǎn)，就是要把怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)值上。它主要由進(jìn)氣歧管(intake manifold)，節(jié)氣門(throttle valve)，永磁轉(zhuǎn)子步進(jìn)電機(jī)式怠速控制閥(iscv),電控單元(ecu),傳感器組(various sensors)等組成.在節(jié)氣門處于近乎全關(guān)狀態(tài)時(shí)，空氣由與節(jié)氣門并聯(lián)的旁通怠速空氣道，經(jīng)怠速控制閥口、進(jìn)氣腔(air intake chamber)進(jìn)入氣缸，汽車

13、發(fā)動(dòng)機(jī)在這些空氣參與燃燒所做的功和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦損失功相互平衡的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。2.2怠速不良表現(xiàn)無負(fù)載變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速性能不良主要表現(xiàn)有如下三種現(xiàn)象。a.無怠速發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后油門轉(zhuǎn)把不能完全放手，否則熄火。產(chǎn)生的原因有:化油器故障，或化油器至氣缸之間有漏氣,氣缸壓力過低等b.怠速過高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)超過規(guī)定范圍而無法調(diào)低,一旦調(diào)低發(fā)動(dòng)機(jī)就熄火.產(chǎn)生原因:節(jié)氣門不能回位或怠速量扎過大。c.怠速不穩(wěn)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)，轉(zhuǎn)速忽高忽低。產(chǎn)生的原因:點(diǎn)火時(shí)間過早、混合氣過濃或過稀(怠速空燃比一般為12)，火花塞間隙過小等原因.有負(fù)載變化時(shí),怠速性能不良表現(xiàn)為:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)因負(fù)載變化而嚴(yán)重偏離

14、設(shè)定的怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速。2.3怠速控制過程怠速控制的主要任務(wù)是通過控制iscv的開度，從而控制旁路進(jìn)氣量。當(dāng)iscv的執(zhí)行器件采用比例電磁閥時(shí)，就是控制電壓的強(qiáng)度;當(dāng)采用步進(jìn)電機(jī)時(shí)就是控制電機(jī)的步數(shù)。圖21怠速控制閥的啟動(dòng)控制和暖機(jī)控制a.啟動(dòng)控制為改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)斷開時(shí)，怠速閥總是處于全開狀態(tài)(上圖為位置a)，這樣可使發(fā)動(dòng)機(jī)在下次啟動(dòng)時(shí)具有大進(jìn)氣量。啟動(dòng)之后，根據(jù)冷卻水溫度(上圖，70* c)來確定旁通進(jìn)氣量的大小。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定水溫下的目標(biāo)怠速時(shí)，怠速閥開度則從a減小到b。b.暖機(jī)控制隨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水溫升高，怠速閥開度減小，當(dāng)水溫達(dá)到700c時(shí)，暖機(jī)結(jié)束，怠速

15、閥開度保持在c位置不動(dòng)。c.運(yùn)行控制怠速閥開度取決于怠速負(fù)荷.負(fù)荷增大時(shí)，怠速閥度增大，實(shí)現(xiàn)快怠速(一般高于最佳怠速200r/min)，以防止汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)或熄火。負(fù)荷減小時(shí)反之。在怠速運(yùn)行中，如蓄電池電壓過低，怠速閥開度增大，提高怠速轉(zhuǎn)速，以提高電源電壓。怠速控制還有兩個(gè)任務(wù):一是修正噴油量,隨怠速轉(zhuǎn)速升高,增大噴油量,以保證怠速目標(biāo)空燃比一般為12。二是修正點(diǎn)火提前角，隨怠速轉(zhuǎn)速降低，減小點(diǎn)火提前角，以保證怠速平穩(wěn)，防止熄火。2.4怠速策略控制怠速過程的輸入與輸出不呈簡(jiǎn)單線性關(guān)系,存在傳感器及各種時(shí)滯非線性環(huán)節(jié),在干擾中有不少未知量和隨機(jī)量(如電器及動(dòng)力負(fù)荷的變化.元器件老化,燃油品質(zhì)

16、變化等),因此怠速是一個(gè)具有慢時(shí)變,參數(shù)不確定,時(shí)滯,復(fù)雜非線性的過程,見下圖 圖22怠速過程的輸入輸出及干擾這種特性使得除變結(jié)構(gòu)控制外,各種基于精確參數(shù)模型的經(jīng)典控制(包括變參數(shù)pid控制)和現(xiàn)代控制理論(包括log最優(yōu)控制)都難以實(shí)現(xiàn)越來越高的控制要求,而模糊控制(fuzzy control)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(neural network control)則獲得了它們的應(yīng)用新領(lǐng)域.本文采用的是pid控制策略。3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速動(dòng)力學(xué)模型3.1國(guó)外采用的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型國(guó)外用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的模型很多，常用的有滑動(dòng)模型（sliding model）,混和模型（hybrid model）,多項(xiàng)式

17、模型（polynomial model）,模態(tài)分析模型（modal analysis model）,以及傳遞函數(shù)模型（transfer function model）等。下面介紹幾個(gè)典型模型： 當(dāng)?shù)∷贂r(shí)，其狀態(tài)模型如下： (3-1)式（31）中，p為進(jìn)氣歧管壓力，m為控制怠速系統(tǒng)的進(jìn)氣量，為時(shí)間延遲，腳號(hào)0為初始狀態(tài)。f(n,p)和f(n,p)為計(jì)算進(jìn)氣岐管的空氣外流量的非線性函數(shù)。對(duì)上述狀態(tài)模型設(shè)計(jì)反饋控制器如下: =- (3-2)增益k,k 采用滑?？刂?以便在系統(tǒng)模型參數(shù)的某些不確定因素影響下,獲得良好的魯棒性.先設(shè)計(jì)被控汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可控伴隨模型(controllable compa

18、nion model):=+ (3-3)式中（33）,n為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,為點(diǎn)火提前角,i為系統(tǒng)常數(shù)(非常小).假定m和空燃比為常數(shù),任何出現(xiàn)的變化或者被模擬為不確定性因素,或者組合成如下的多輸入模型:=+() (3-4)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí),其混和模型由一系列離散模塊,連續(xù)變量和符號(hào)常量組成.系統(tǒng)控制輸入為節(jié)氣門開度,點(diǎn)火提前角,擾動(dòng)輸入為負(fù)載扭矩t和離合器位置b.因此,系統(tǒng)存在兩類輸入.一是連續(xù)變量輸入和t,兩者影響連續(xù)變量動(dòng)力學(xué);二是離散變量輸入和b,兩者決定離散模型轉(zhuǎn)換,連續(xù)變量復(fù)位和符號(hào)常量設(shè)置.式中連續(xù)變量由進(jìn)氣岐管壓力p,曲軸轉(zhuǎn)速n和活塞位置組成,其動(dòng)力學(xué)模型如下:=ap(t)+b(t

19、) (3-5) =an(t)+b(t-t(t) (3-6) (t)=kn(t) (3-7)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的混和模型是一個(gè)多元組:h=(q,x,u,m,m,d,m,m,f,) (3-8)式（3-8）中,有限狀態(tài)模型集 q=s,s,s,s,s,s連續(xù)時(shí)間動(dòng)力學(xué)變量: x=(p,n,)|(p,n,)ir 有限狀態(tài)機(jī)構(gòu)變量 : 連續(xù)輸入變量 :u 連續(xù)干擾變量 d 離散控制事件集 : 離散干擾事件集: m與m分別表示離散干擾移動(dòng)函數(shù)(discrete disturbance move function)與連續(xù)控制器可行性移動(dòng)函數(shù)(continuous controller feasible move fu

20、nction).f,表示過渡函(transition function).首先考慮二狀態(tài)動(dòng)力學(xué)模型:,=f(e,e,d,q,t) (3-9)式(3-9)中,e ,e為系統(tǒng)狀態(tài)誤差;f,f為非線性映射;d為點(diǎn)火提前角,q為節(jié)氣門開度;t為外部干擾,二者為控制輸入。在分析二階汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模型:=k(-),=k(t-t) (3-10) =(1+0.907q+0.0998q)g(p) (3-11)=-0.0005968n-0.13336p+0.0005431np+0.000001757np (3-12)t=-39.22+32.5014m-0.0112d+0.000675dn()+0.635d+0.021

21、6n()-0.000102n() (3-13) t=()+t (3-14) g(p)= (3-15)(3.10-3.15)式中,p為進(jìn)氣歧管壓力,n為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;k為進(jìn)氣歧管動(dòng)力學(xué)常數(shù),k為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)常數(shù);m為進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣質(zhì)量流量,m進(jìn)氣歧管外的空氣質(zhì)量流量;t為第i個(gè)氣缸轉(zhuǎn)矩,t為負(fù)載扭矩. 文獻(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模型由進(jìn)氣歧管動(dòng)力學(xué),燃油噴射動(dòng)力學(xué),曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)三部分組成,分別如下:=max1-cos(1.14459a-1.0600)-c (3-16) (3-17) (3-18)i(3.15-3.18)式中,m為進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣質(zhì)量流量,m為燃油噴射質(zhì)量流量.為燃油系統(tǒng)遷移延遲,和

22、分別為產(chǎn)生于扭矩的進(jìn)氣延遲和點(diǎn)火延遲.t為時(shí)間變量,其他為系統(tǒng)常數(shù).系統(tǒng)輸入為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度,空然比和點(diǎn)火提前角sa,輸出為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。3.2國(guó)內(nèi)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型 國(guó)內(nèi)采用的怠速模型很少,常采用的有傳遞函數(shù)模型(transfer function model),非線性自回歸模型(nrax),簡(jiǎn)化模型(simplified model).下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)典型模型。文獻(xiàn)給出了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型參數(shù),如下圖:圖31汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)框圖圖中為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速,t為負(fù)載變化量及其他擾動(dòng),u為控制器輸出,n為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速,k,k,. 文獻(xiàn)采用非線性自回歸模型(narx),目的是在簡(jiǎn)化模

23、型結(jié)構(gòu)的同時(shí)提供一個(gè)能滿足工程控制的使用模型.模型只考慮怠速閥開度和點(diǎn)火提前角兩個(gè)輸入變量以及曲軸轉(zhuǎn)速n一個(gè)輸出變量,如下:n(k)=,s= (3-19)上式中,x為,a(k-j),乘積組成的單項(xiàng)式,n,n為最大預(yù)測(cè)步數(shù),s為模型輸出方差和。 確定上述模型的主要困難在于擬和多項(xiàng)式的階數(shù)m和預(yù)測(cè)步數(shù)n,為了簡(jiǎn)化,根據(jù)相關(guān)分析取步數(shù)n為4.同時(shí)由于m=2和m=3時(shí),nrax模型輸出方差和s已充分接近,又本系統(tǒng)是穩(wěn)定的,nrax模型收斂,高階次可以忽略,意味著此時(shí)的模型是模型空間中的一個(gè)布局最優(yōu)點(diǎn). 作為本課題的前期研究,文獻(xiàn)根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)原理,提出描述怠速變化過程的動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型,該模型闡述

24、了作為控制輸入及輸出的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和怠速閥開度的關(guān)系,如下:n= (3-20)上式中,i為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,k ,k為模型常數(shù),為采樣周期,n為ts時(shí)刻的轉(zhuǎn)速。3.3本課題現(xiàn)采用的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型怠速是一個(gè)非線性過程，原則上應(yīng)采用非線性模型。從上述國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型分析可知，國(guó)內(nèi)獨(dú)自提出的模型很少，大部分都是借用或簡(jiǎn)化國(guó)外的模型。本課題還不具備獨(dú)自建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速非線性模型的條件，故仍借用國(guó)外可靠的線性模型，但利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化(generalizatio)能力和自適應(yīng)能力來實(shí)現(xiàn)非線性過程控制，在這一特定條件下，怠速可以用線性化模型來描述。本文仿真采用康明斯(camless)汽車

25、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型，該模型是傳遞函數(shù)模型，模型物理概念清楚，這對(duì)控制方法和參數(shù)確定帶來方便，具體模型結(jié)構(gòu)下圖所示: 圖31康明斯汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模型圖中,r為期望的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)速度變化量;為干擾負(fù)載扭矩:為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)速度變化量:c(s)為控制器傳遞函數(shù);g(s)和g(s) 是描述發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特性的傳遞函數(shù)g (3-21)g(s)=k(開環(huán)增益常數(shù)) (3-22)設(shè) n和 n分別為氣缸數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速額定轉(zhuǎn)速，時(shí)間間隔t為 (3-23)則汽車發(fā)動(dòng)機(jī)感應(yīng)動(dòng)力延遲時(shí)間，和發(fā)動(dòng)機(jī)傳感和計(jì)算延遲時(shí)間分別為: =2,=4 (3-24)g(s )的極點(diǎn)p和零點(diǎn)z可由下式表達(dá)p，z (3-25)圖中g(shù)是表征發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特

26、性的傳遞函數(shù)：g(s)= (3-26)上式中，j為發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;a和b是表征發(fā)動(dòng)機(jī)阻尼和固有頻率的系數(shù)?？梢姡瑹o控制的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速系統(tǒng)因g(s)是一個(gè)2階非最小相位系統(tǒng)(non-minimum phase)，因g(s)的特征多項(xiàng)式:s+as-b出現(xiàn)負(fù)號(hào)(系數(shù)不全部大于0)，至少有一個(gè)正極點(diǎn)(參數(shù)a和b的取值無關(guān))，故無控制下的怠速系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定系統(tǒng)，不是參數(shù)不穩(wěn)定系統(tǒng)。g（s）的極點(diǎn)p和p與參數(shù)a和存在如下關(guān)系:a=-( p+ p),b= pp (3-27)g（s）和g（s）的零點(diǎn)z和z與延遲時(shí)間和有關(guān)：z，z (3-28)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (3-29)可見,如果出現(xiàn)干擾負(fù)載

27、,則造成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，從而導(dǎo)致氣缸空氣流量的增減,燃燒情況變差,輸出轉(zhuǎn)矩隨之波動(dòng)。如果不校正即c(s)1,轉(zhuǎn)速就不能恢復(fù)，依此下去勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的大范圍瞬態(tài)波動(dòng)。怠速控制就是怠速轉(zhuǎn)速的校正，使出現(xiàn)干擾負(fù)載時(shí),能以最小的控制來使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持于期望怠速轉(zhuǎn)速。設(shè)開環(huán)傳遞函數(shù)：l(s)= c(s)g(s)g(s)g(s) (3-30)特征函數(shù):s(s)=1/(1+l(s) (3-31)輸入作用下的傳遞函數(shù)：t（s）=s(s)l(s) (3-32)擾動(dòng)作用下的傳遞函數(shù)：ts（s）g(s) (3-33)于是，式（2.30）可簡(jiǎn)化為 （s）=t(s)(s)+t (3-34)控制器輸出的脈沖寬度變化量

28、為： (3-35)良好的怠速控制應(yīng)使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在干擾負(fù)載扭矩作用下實(shí)際轉(zhuǎn)速相對(duì)于期望轉(zhuǎn)速?zèng)]有誤差，即，故式（2.312.36）簡(jiǎn)化為： (3-36) (3-37)根據(jù)分析可知：干擾扭矩增加時(shí)k增加而a,b也單調(diào)增加；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j增加時(shí)k不變而a,b單調(diào)下降。當(dāng)負(fù)載干擾扭矩t0和j0.37kg.m時(shí)得到：k7.93，a=27.01,b=8.66當(dāng)負(fù)載扭矩t50nm,j=0.25kg.m時(shí)得到：k7.52，a=27.39,b=18.55不失一般性,文獻(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的范圍取為:t,j此時(shí)得到參數(shù)范圍:k,a,b本文在仿真中,?。簀,k,a=27.20,b(角碼0表示怠速仿真中使用的參數(shù))

29、;,;z,z,于是得到: g,g=7.72,g (3-38)該系統(tǒng)的g(s)存在政極點(diǎn)0.4915和負(fù)極點(diǎn)-27.6915.4 pid控制器4.1 pid 控制簡(jiǎn)介 pid控制器是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，pid控制表示比例，積分，微分(proportion,integral,differential)控制。其工作原理是：由于來自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象保持恒定的目的，控制作用就必須不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值，即被調(diào)參數(shù)發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件就會(huì)將這種變化記錄并傳送給pid控制器，改變過程變化量，經(jīng)變送器送至pid控制器的輸入端，并與其給定值 簡(jiǎn)

30、sp值進(jìn)行比較得到偏差值 簡(jiǎn)稱e值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使被調(diào)參數(shù)發(fā)生改變，并趨向于給定 sp值），以達(dá)到控制目的。其系統(tǒng)原理框圖如下:圖41pid控制原理圖它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下： u(t)=k (4-1)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： g(s)=k (4-2)式中，e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏差； u(t)：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)； k：比例系數(shù)； t：積分時(shí)間常數(shù)； t：微分時(shí)間常數(shù)。 將式（4-1）展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是：a. 比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)

31、表達(dá)式是:ke(t)在比例部分中，k是比例系數(shù)，k越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但 k 過大，易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達(dá)到使系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間短而穩(wěn)定的效果。b. 積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：從它的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會(huì)不斷增加或減少，只有 e(t)=0 時(shí)，它的積分才是一個(gè)不變的常數(shù)，控制作用也就不會(huì)改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時(shí)間常數(shù)t 的選擇對(duì)積分部分的作用影響很大。t較大，積分作用較小，積分較弱，這時(shí)，系統(tǒng)消除誤差所需的時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，調(diào)節(jié)過程慢；t較小，積分作用增強(qiáng)，這時(shí)可能使系統(tǒng)

32、過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。c.微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：微分部分的作用主要是抵消誤差的變化，作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間常數(shù)t確定.t越大，則抑制誤差e(t)變化的作用越強(qiáng)，但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；t越小,抵消誤差的作用越弱。因而，微分時(shí)間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。42 pid控制器參數(shù)的整定用好pid控制器的關(guān)鍵在于整定好pid控制器的參數(shù)。pid控制的主要整定方法有兩類：一類是基于自動(dòng)控制原理的理論計(jì)算方法，但該類方法需要有一定的理論基礎(chǔ)，計(jì)算比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用較少；另一類是工程整定方法，依據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及pid參數(shù)在系統(tǒng)中的作用按一定的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，由于方法簡(jiǎn)單在實(shí)際中應(yīng)用

33、較多。本文采用的是第二種方法。需要指出的是：pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響通常并不十分敏感，因而參數(shù)整定的結(jié)果可以不唯一。在實(shí)際應(yīng)用中，只要被控過程的主要指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么就可以選定相應(yīng)的控制器參數(shù)作為有效的控制參數(shù)。5 matlab介紹5.1 matlab簡(jiǎn)介matlab語言是由美國(guó)new mexico大學(xué)的cleve moler博士于1980年開始開發(fā)的，原意是matrix laboratory. 1983年他與john little等用c語言合作開發(fā)具備圖形功能的matlab專業(yè)版。1984年成立mathworks公司，專門從事matlab的開發(fā)與研究，并正式把matlab推

34、向市場(chǎng)。1990年推出以ms-windows為運(yùn)行環(huán)境的pc機(jī)版，提供了與其它高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言如 c, fortran等的接口，同時(shí)推出了能進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的simulink。特別是1993年開發(fā)了在matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)符號(hào)計(jì)算的工具包symbolic toolbox后，又不斷吸收個(gè)領(lǐng)域權(quán)威人士編寫應(yīng)用程序，形成了規(guī)模龐大、開放式的、覆蓋面廣、簡(jiǎn)單易用的近40個(gè)應(yīng)用工具箱。當(dāng)前的matlab 6.5及以上的版本，提供了更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和更完善的應(yīng)用工具箱，使matlab不僅成為國(guó)際控制界應(yīng)用最廣的首選工具，也成為國(guó)際上最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。5.2 simulink簡(jiǎn)介mathwor

35、ks公司于1992年推出的simulink是matlab在控制系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的新突破，具有matlab與simulink的交互式模型輸入與仿真功能，成為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的集成環(huán)境，支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性、非線性系統(tǒng)，現(xiàn)在的simulink 5.0使matlab的功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，主要表現(xiàn)在:a.實(shí)現(xiàn)了可視化建模。在windows視窗里，用戶通過簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作就可建立起直觀的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真。b.實(shí)現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換，如simulink與matlab; simulink與c. fortran; simulink與dsp; simulink與實(shí)時(shí)硬件工作環(huán)

36、境等的信息交換都可以方便的實(shí)現(xiàn)。c.把理論研究和工程實(shí)際有機(jī)的結(jié)合在一起。53 simulink建模方法simulink這一名字的含義是相當(dāng)直觀時(shí) 因?yàn)樗^明顯地表明此軟件的兩個(gè)顯著功能:simu(仿真)與link(連接).simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形窗口，可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上 “畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，就象用筆和紙來畫一樣容易，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。然后利用simulink提供的功能來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真或分析。simulink 5.0包含有continuous(連續(xù)模塊)，discontinuities(不連續(xù)

37、模塊)、discrete(離散環(huán)節(jié))、look-up tables(查表平臺(tái))、math operation(數(shù)學(xué)運(yùn)算)，model verification(模型驗(yàn)證)、model-wide utilities(模型擴(kuò)展使用)、port& subsystems(端口與子系統(tǒng))、signal attributes(信號(hào)屬性)、signal routing(信號(hào)通路), sinks(輸出源)、source(信號(hào)源). user-defined functions(用戶自定義函數(shù))等子模型庫，每個(gè)子模型庫中都包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。用simulink創(chuàng)建的模型可以

38、具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從下到上或從上到下的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型以后，用戶可以通過simulink的菜單或matlab的命令窗口鍵入命令來對(duì)它進(jìn)行仿真。采用scope模塊和其它的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到matlab工作空間里做事后處理。54 simulink建模的具體步驟如下a.開始準(zhǔn)備。要按simuli

39、nk格式輸入一個(gè)系統(tǒng)模型，則應(yīng)該首先啟動(dòng)simulink程序。我們可以在matlab命令窗口的提示符下鍵入simulink命令來啟動(dòng)simulink程序，這時(shí)就會(huì)將 simulink模型的模塊庫窗口顯示出來，(若simulink已經(jīng)啟動(dòng)，會(huì)自動(dòng)將之調(diào)到前臺(tái))，同時(shí)還將自動(dòng)打開一個(gè)空白的模型編輯窗口來建立新的系統(tǒng)模型。b.畫出系統(tǒng)的各個(gè)模塊。打開相應(yīng)的子模塊庫，選擇所需要的模塊，拖動(dòng)到模型編輯窗口的合適位置。c.給出各個(gè)模塊的參數(shù)。各個(gè)模塊中己給出默認(rèn)的模型參數(shù)，要修改模塊默認(rèn)的參數(shù)，則需用鼠標(biāo)雙擊該模塊圖標(biāo)，這樣就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的對(duì)話框進(jìn)一步提示用戶如何修改模塊參數(shù)。d.畫出連接線。當(dāng)所有的模塊都

40、畫出來之后，則可以接著畫模塊間必要的連線，構(gòu)成完整的系統(tǒng)。模塊間的連線很簡(jiǎn)單，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)按開始模塊的輸出端(三角符號(hào))再拖動(dòng)鼠標(biāo)，到終止模塊的輸入端釋放鼠標(biāo)鍵，則會(huì)自動(dòng)地在兩個(gè)模塊間畫出帶箭頭的連線。e.指定輸入和輸出端子。在simulink下允許兩類輸入輸出的信號(hào)，若用戶提取系統(tǒng)的線性模型，則需要打開 simulink模塊庫中的continuous(連續(xù)模塊)圖標(biāo)，從中選取相應(yīng)的輸入輸出端子，若只想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，則需從“source”信號(hào)源)圖標(biāo)中取輸入信號(hào)端子，從“sinks(輸出源)圖標(biāo)中取輸出端子即可。6基于simulink的怠速pid控制仿真6.1仿真模型的建立本文基于sim

41、ulink的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速pid控制仿真系統(tǒng)下圖所示?？刂茖?duì)象的模型參數(shù)采用第3章第3.3節(jié)的式(3-8)。系統(tǒng)是在matlab 6.5/simulink 5.0環(huán)境下，利用simulink各子模型庫來實(shí)現(xiàn)的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用自頂向下(top-down)的模塊化設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)分幾個(gè)小模塊，既方便設(shè)計(jì)，也使一些界面更美觀、更實(shí)用，功能更全。系統(tǒng)主要由如下模塊組成:輸入模塊(desired input, step, speed set point， clock和pivot point for pendulum)、控韋喘模塊(pic)、被控對(duì)象模塊(g(s),g(s)和g(s)、接受模塊(s

42、cope和to workspace)。上述各模塊由simulink中 continuous, math operation, ports & subsystems, signal routing, source, sinks以及user-defined functions等標(biāo)準(zhǔn)模塊組中元件組成。圖中的step的作用是加上對(duì)象的擾動(dòng)量。時(shí)間變量(clock)送到工作空間（workspace）中，設(shè)置仿真時(shí)間為10秒，仿真步長(zhǎng)為可變步長(zhǎng)（variable-step）。仿真結(jié)果自動(dòng)化送到（workspace2）和示波器（scope）中。圖61發(fā)動(dòng)機(jī)怠速pid仿真系統(tǒng)simulink框圖圖62傳遞函數(shù)

43、模型圖63pid控制器的設(shè)計(jì)6.2仿真結(jié)果分析仿真時(shí)忽略內(nèi)部擾動(dòng)（元器件，燃油品質(zhì),傳感器,噴油量及點(diǎn)火角等的變化）以及氣壓,氣溫等環(huán)境變化條件,僅考慮系統(tǒng)外部干擾扭矩。仍設(shè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為n=750,在t=1秒時(shí)施加典型階躍擾動(dòng)扭矩t15n.m(典型怠速階躍擾動(dòng)扭矩范圍為1020n.m),在p4臺(tái)式微機(jī)上運(yùn)行.為了保證在慣性和扭矩變化下系統(tǒng)穩(wěn)定,并獲得最快的閉環(huán)響應(yīng)和較小的衰減,需要對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行多次仿真.本文pid參數(shù)的確定是通過上述仿真模型的調(diào)試來確定的, 首先運(yùn)行仿真模型，kp ki kd的值預(yù)先設(shè)置為kp=0.1,ki=0;kd=0,然后在點(diǎn)擊simulink仿真模型中的output c

44、onstraint 模塊，點(diǎn)擊運(yùn)行，整定開始。最后kp ki kd 的值將顯示在仿真模型中。圖64未加pid控制器時(shí)速度階躍相應(yīng)圖圖65加pid控制器后的階躍響應(yīng)圖圖66根據(jù)整定的pid參數(shù)出的bode圖6.3發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性分析 怠速控制通常包括啟動(dòng)后的怠速控制，暖機(jī)狀態(tài)的怠速控制，負(fù)荷變化時(shí)的怠速控制以及減速時(shí)的怠速控制。對(duì)于大多數(shù)電控汽油機(jī)來說，怠速控制是以怠速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旁通空氣閥的方式實(shí)現(xiàn)的。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，怠速閥預(yù)先設(shè)定在全開位置，起動(dòng)期間旁通空氣流量最大，使發(fā)動(dòng)機(jī)易于起動(dòng)。起動(dòng)后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，電控單元（ecu）控制步進(jìn)電機(jī)將旁通閥門關(guān)小；暖機(jī)過程中，隨著冷卻夜溫度的提

45、高，怠速控制閥開度將逐步減小；當(dāng)冷卻液溫度超過70時(shí)，暖機(jī)過程結(jié)束，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際怠速轉(zhuǎn)速已接近根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況而確定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速的確定依賴于冷卻液的溫度，其值可由發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)的，并以表格形式保存于發(fā)動(dòng)機(jī)的ecu和ram中。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)ecu依據(jù)檢測(cè)到的水溫等參數(shù)查出對(duì)應(yīng)的狀態(tài)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，利用實(shí)際轉(zhuǎn)速做反饋，對(duì)怠速進(jìn)行閉環(huán)控制,依據(jù)轉(zhuǎn)速偏差的變化方向確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)。由于步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旁通氣通道中的空氣調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門的流通面積，使氣缸內(nèi)的混合氣量發(fā)生相應(yīng)的變化。增加混合氣量，轉(zhuǎn)速上升；減小混合氣量

46、轉(zhuǎn)速下降。經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)，最終發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近。 另外在怠速過程中，進(jìn)氣,點(diǎn)火,供油,點(diǎn)火,燃燒以及負(fù)荷變化等因素,都會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的穩(wěn)定性，引起波動(dòng)的主要原因是怠速混合氣空燃比值的漂移，因此,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的控制，實(shí)質(zhì)上主要是對(duì)怠速階段混合氣空燃比的控制。進(jìn)行空燃比控制時(shí)，控制器依據(jù)檢測(cè)出的進(jìn)氣歧管的空氣流量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及設(shè)定的空燃比值，由ecu計(jì)算出每循環(huán)的供油量，再依據(jù)噴油器的流量特性，計(jì)算出施加在噴油器上的控制脈寬，從而控制怠速空燃比保持在理論空燃比附近。對(duì)空燃比的控制依賴于精確計(jì)算每一循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣量。由于進(jìn)氣管內(nèi)氣體的動(dòng)態(tài)效應(yīng)

47、，造成預(yù)期進(jìn)氣量與實(shí)際進(jìn)氣量存在誤差，同時(shí)由于壁面油膜效應(yīng)，造成噴油量與實(shí)際進(jìn)入氣缸的燃油量不完全相等，最終使預(yù)期空燃比存在誤差，使怠速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生明顯波動(dòng)。因此整體考慮進(jìn)氣及油膜效應(yīng)的影響，是怠速控制的重要環(huán)節(jié)。怠速空燃比控制程序圖如下：圖67發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空燃比控制圖 通常在pid控制中，根據(jù)過程模型，預(yù)先對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行離線整定。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速過程，由于其特有的非線性，時(shí)變性，pid控制中的參數(shù)完全采用預(yù)定值難以達(dá)到理想的控制效果，為了保證不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性，pid控制器的三個(gè)參數(shù)設(shè)為動(dòng)態(tài)在線可調(diào)的控制策略是一種較好的控制模式。最簡(jiǎn)單的一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式是將不同工況狀態(tài)下的控制參數(shù)值

48、以表格的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，在進(jìn)行怠速控制時(shí)，通過轉(zhuǎn)速反饋，查取相應(yīng)的控制參數(shù)，將pid控制器的輸出，經(jīng)過必要的修正，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，控制怠速旁路的進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)對(duì)空燃比的實(shí)時(shí)調(diào)整。7 結(jié)論 通過本課題對(duì)目前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)怠速發(fā)展?fàn)顩r的研究，怠速模型的對(duì)比分析研究，以及對(duì)康明斯怠速模型的simulink怠速仿真，pid控制器參數(shù)的整定，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性的分析，得出如下結(jié)論： 1.采用pid控制策略的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，工作可靠，參數(shù)調(diào)整方便，具有良好的跟蹤性能，調(diào)整時(shí)間短，超調(diào)量小，提高了系統(tǒng)控制精度，達(dá)到了預(yù)期設(shè)定轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)，且穩(wěn)態(tài)誤差控制

49、在5以內(nèi)，動(dòng)態(tài)誤差控制在10以內(nèi)，具有良好的頻率特性，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。 2怠速過程的排放性和燃油經(jīng)濟(jì)性一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重要內(nèi)容之一。對(duì)怠速空燃比的精確控制是保持怠速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。怠速過程的空燃比的隨進(jìn)氣壓力，溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及油膜濕壁效應(yīng)因素不斷發(fā)生漂移，因此在進(jìn)行空燃比控制時(shí)，必須考慮相應(yīng)的燃油補(bǔ)償。 參考文獻(xiàn) 1 歐陽黎明. matlab控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)m. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，20012 黃文梅，楊勇，熊桂林，成曉明. 系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)m. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，20013 王望予. 汽車設(shè)計(jì)m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.4 張弓. 基于simulink

50、的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制j.5 danijel pavkovic, josko deur, martin jansz, nedjeljko peric. adaptive control of automotive electronic throttlej. control engineering practice 14 (2006) 1211366 錢人一.現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制m. 上海：上海交通大學(xué)出版社，19997 王韶光.發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)m. 北京：清華大學(xué)出版社，19928 張振東，周萍，張昊. 電控發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制模糊算法研究n. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2000，11：7577.9

51、劉利，卓斌. pid控制在電控汽油機(jī)閉環(huán)控制中的應(yīng)用及相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定n. 車用發(fā)動(dòng)機(jī) 2000，2:17-2010 姜平，湯敏 自整定pid控制的研究和實(shí)現(xiàn)n. 南通工學(xué)院學(xué)報(bào) 2000，12：15-1611 余志生. 汽車?yán)碚搈. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200012 陳家瑞. 汽車構(gòu)造(上冊(cè))m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200513 陳家瑞. 汽車構(gòu)造(下冊(cè))m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200514 胡壽松. 自動(dòng)控制原理m. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，199415 邵家翼. 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制m. 北京：人民交通出版社，199016 patrick cunningham.lmi control

52、ler synthesis for idle speed control of an si engineeb/ol,http:,20 01,11,14.17 趙光宙等.應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制j.內(nèi)燃機(jī)工程，2001.5962.18 yan wang,anna stefanopoulou and roy smith.inherent limitations and control design for camless engine idle speed dynamicsj.international journal of robust and nonlinear control.2001,(1):1023-1042.19 邢建國(guó)等.發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控控制制nrax模型及辨識(shí)j.內(nèi)燃機(jī)工程2002,1(23)20 陳萬忠，張振東等汽油機(jī)怠速模糊控制的研究j.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1998,26(2).21 莊繼得.汽車電子控制系統(tǒng)工程m.北京:北京理工大學(xué)版,1998.5:221-242.22 張金龍，趙芙生汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的預(yù)測(cè)控制j.南京林業(yè)大學(xué)報(bào).2002,1(26).23 舒華等.汽車電子控制技術(shù)