汽车发动机怠速控制系统开发及仿真研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 5.82MB 77 页 15积分

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摘要

在电控范围所讨论的发动机怠速控制，是指对怠速时转速的控制，实质上是

通过控制怠速时气缸充气量来实现目标转速。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，燃烧的随机性和负载扭矩变化，

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，怠速控制成为汽车发动机电控系统中的重要内容和难点之一。

本文在对国内外汽车发动机电子控制方面怠速控制部分进行了研究，在分析

常规 PID 控制策略和模糊控制策略的基础上，提出了一种新的怠速控制思想，即

将PID 控制策略和模糊控制策略有机结合起来，构成一种 PID-Fuzzy 型怠速控制

策略。这种控制器可以利用具有积分控制作用的常规 PID 控制来弥补模糊控制在

准确性和稳定性方面的不足，即借助模糊控制消除大的转速偏差，在此基础上利

用PID 控制器进一步减小转速偏差。由于这种控制器同时具有比例、积分、微分

及模糊控制的特点，因此，比常规 PID 控制器和单纯模糊控制器具有更先进的结

构和性能，更适合与汽车发动机的怠速控制。

利用 MATLAB/ Simulink 对发动机的怠速控制系统进行仿真研究，比较了单

纯模糊控制和 PID-Fuzzy 型控制这两种怠速控制器的跟踪特性和抗干扰特性，结

果表明 PID-Fuzzy 型怠速控制系统具有较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。

自行设计了基于 80C196KC 的怠速控制系统硬件 ECU 和控制软件，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，通过发动机台架实

验，对原机控制系统和自行设计的 PID-Fuzzy 控制系统进行了控制效果对比研究，

实验结果表明，在采用 PID-Fuzzy 型怠速控制系统时，发动机具有更好的怠速稳

定性。

关键词：汽车发动机怠速控制 PID-Fuzzy 控制技术仿真

ABSTRACT

Idling control is one of the most important contents and difficulties of the

electronic control on gasoline engines used in automobiles. Idling control, in the range

of electronic control, is controlling the engine speed, actually is controlling the

cylinder inflating volume to achieve the target engine speed in idling state .The

characteristics of gasoline engine showed in idling, such as nonlinearity, frequent

variation with time and indetermination make idling condition to be a complex

controlled object.

In this paper, a new idling control method, based on a lot of idling control

developments, application experiences, PID control strategy and fuzzy control strategy,

has been proposed. This new PID-Fuzzy control strategy use integral control action to

make up the accuracy and stability defaults of the fuzzy control. The developed

strategy make use of the fuzzy control to eliminate the bigger speed deviations and

then use the PID strategy to reduce the further speed deviations. Because of having the

characteristics of proportional, integral, derivative and fuzzy, this new controller has

advanced structure and better performance than which the PID controller and the

fuzzy controller have, so it is suitable for gasoline engines idling control.

In this paper, engine idling control system simulations, based on MATLAB/

Simulink, have been researched. Tracking characteristics and anti-interference

characteristics of simple fuzzy controller and PID-Fuzzy controller have been

compared, the results indicate that the developed idling controller has stronger

anti-interference characteristics and better steady state characteristics than the earlier, it

could advance the idling state control precision and improve the quality of idling state.

Based on the developed control strategy, a control system including hardware by

use of single chip processor 80C196KC as the Central Processing Unit and software

has been developed, and the output parameters in the fuzzy deduction is PWM signal

on the bypass air valve. The experimental data obtained with the developed control

system are compared with those obtained with the original control system of the

SANTANA AFE engine, and the results indicate that the developed control has better

steady state characteristics and showed the developed control model is practical.

Key Word ：Automotive Engines, Idle Speed Control, PID-Fuzzy

Control, Simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 引言 ......................................................... 1

§1.2 汽车发动机电控系统发展简介 ................................... 1

§1.3 国内外汽车发动机怠速控制的研究状况 ........................... 4

§1.4 怠速控制的立题依据 ........................................... 6

§1.5 本文主要工作内容 ............................................. 7

第二章怠速控制系统的总体设计 ........................................ 9

§2.1 系统总体设计 ................................................. 9

§2.2 进气系统 .................................................... 10

§2.3 汽油喷射系统 ................................................ 11

§2.3.1 概述 .................................................... 11

§2.3.2 汽油多点喷射系统的组成 .................................. 12

§2.3.3 汽油多点喷射系统的工作原理 .............................. 14

§2.3.4 怠速工况下的空燃比控制基本思想 .......................... 18

§2.4 点火控制系统 ................................................ 19

§2.4.1 点火系统的组成 .......................................... 19

§2.4.2 点火线圈的控制 .......................................... 20

§2.4.3 点火提前角控制 .......................................... 21

§2.4.4 点火能量的控制 .......................................... 22

§2.5 传感器及执行器特性标定 ...................................... 22

§2.5.1 信号采集系统 ............................................ 22

§2.5.2 执行机构 ................................................ 23

§2.5.3 传感器和执行器特性的标定 ................................ 23

§2.6 怠速控制方案 ................................................ 28

§2.7 本章小结 .................................................... 29

第三章发动机怠速控制策略研究 ....................................... 30

§3.1 PID 控制策略 ................................................ 31

§3.1.1 PID 控制简介 ............................................ 31

§3.1.2 单片机数字式 PID 控制器的设计 ............................ 32

§3.1.3 PID 控制器参数整定 ...................................... 34

§3.2 模糊控制系统 ................................................ 35

§3.2.1 模糊控制简介 ............................................ 35

§3.2.2 输入变量的模糊化 ........................................ 37

§3.2.3 输出隶属函数定义和输出变量非模糊化 ...................... 39

§3.2.4 模糊推理 ................................................ 40

§3.3 PID-Fuzzy 型控制策略 .........................................44

§3.4 本章小结 .................................................... 44

第四章怠速模糊控制系统的仿真实验 ................................... 46

§4.1 系统仿真的准备工作 .......................................... 46

§4.2 怠速模糊控制系统的仿真 ...................................... 48

§4.3 怠速模糊控制系统抗干扰特性仿真实验 .......................... 50

§4.4 PID-Fuzzy 型怠速控制系统的仿真 ...............................51

§4.5 本章小结 .................................................... 52

第五章控制系统的硬件及软件设计 ..................................... 53

§5.1 硬件系统设计 ................................................ 53

§5.1.1 单片机系统 .............................................. 54

§5.1.2 信号采集系统电路设计 .................................... 54

§5.1.3 功率驱动电路设计 ........................................ 56

§5.2 软件系统设计 ................................................ 58

§5.2.1 主程序 .................................................. 59

§5.2.2 怠速模块结构示意图 ...................................... 59

§5.2.3 喷油、点火及转速计算中断子程序 .......................... 59

§5.2.4 电磁阀中断子程序框图 .................................... 59

§5.2.5 输入变量模糊化程序框图 .................................. 60

§5.2.6 规则推理程序框图 ........................................ 61

§5.3 控制系统的抗干扰设计 ........................................ 62

§5.3.1 干扰分析 ................................................ 63

§5.3.2 系统的抗干扰设计 ........................................ 63

§5.4 本章小结 .................................................... 64

第六章实验结果及分析 ............................................... 66

§6.1 实验用主要仪器设备 .......................................... 66

§6.1.1 桑塔纳 AFE 发动机的主要参数指标 .......................... 66

§6.1.2 所用测试仪器和设备 ...................................... 66

§6.2 实验结果及分析 .............................................. 66

§6.3 本章小结 .................................................... 68

第七章全文总结 ..................................................... 69

参考文献 ............................................................ 70

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 73

致谢 .............................................................. 74

第一章绪论

§1.1 引言

在汽车诞生近120年的今天，汽车成为平民生活工具已是不争的事实。同时汽

车产业与机械、能源、交通、电子、信息、钢铁、化工等行业相互促进发展，已

经成为我国经济的支柱产业。

近年来，随着世界石油资源的逐渐枯竭以及国际原油价格的大范围波动，尤

其是2008年国际原油期货价格曾高达150美元/桶，给我国经济发展带来巨大压力；

2009年实施的燃油附加税将直接影响到人们的用车成本，人们越来越渴望燃油经

济性高的汽车。与此同时，全球环境污染日益加剧，人们环保意识的不断增强，

以及环保形势的日益严峻，国家相继出台了一系列有关汽车尾气排放的政策法规，

目的是解决汽车尾气污染问题，不久的将来实施的国4排放标准，也给汽车行业的

发展提出了更高的要求。

实践证明，电控燃油喷射空燃比闭环控制加三元催化转化器尾气后处理技术，

可使汽油发动机排气中三种有害气体CO、HC、NOx的排放量大幅度降低，目前是

降低汽油发动机排放污染最有效的措施[1, 2]。同时电控燃油喷射技术还可以有效地

降低发动机的燃油消耗，改善汽车的动力性能。

汽油机电子控制单元ECU中的核心技术是系统的控制软件，电子控制单元的

硬件电路是保证软件可靠运行的必要条件。我国从1986年开始进行汽油机燃油喷

射系统的开发研究工作，对国外一些有代表性的控制系统进行了分析、消化。发

动机电控单元的研发，需要投入大量的人力、物力和财力，目前国内还没有哪个

企业掌握了其核心技术。现在国内所使用的发动机管理系统的主流厂商基本为国

外厂商，且大部分是随汽车主机引入国内的，主要为德国博世(BOSCH)、西门子

(SIMENS)、美国德尔福(DELPHI)、日本电装(DENSO)和京滨(KEIHIN)等。同时由

于发动机电控单元技术含量高，其部件的附加值高，因此各公司对其核心技术都

实施严密的技术封锁，基本上都以系统集成供货。因此为摆脱国外企业的技术垄

断，国内生产企业只有走自主开发的道路，联合国内有关大学、研究机构和汽车

厂家共同攻关，最终掌握发动机电控单元的核心技术，实现国内电控发动机的产

业化。

§1.2 汽车发动机电控系统发展简介

汽车电控系统的发展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、

汽车发动机怠速控制系统开发及仿真研究

油耗多、尾气污染严重，使发动机振动大，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[3]。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。

汽油发动机电子控制系统的首要任务是根据各种性能指标来确定发动机系统

的最佳性能，使发动机可以相应于各种工况、环境和状态，自动做出相应调整和

补偿，令发动机始终保持在最优状况运行。发动机微机控制技术发展到今天在各

方面都已经取得了很大的发展。对于发动机电控技术的现状和发展趋势可分述如

下：

1.发动机控制单元

计算机数字控制比模拟控制具有很多优点，因而在当今所存在的发动机电控

系统中，计算机控制系统占主流。

发动机控制系统中控制变量在增加，控制算法在复杂化，这就要求发动机控

制系统应具有高性能的控制单元。发动机的控制内容己从最初的空燃比控制，发

展到空燃比、点火正时、怠速和EGR等控制功能在内的发动机综合管理系统，同

时也包括故障诊断和保证发动机可靠运行的后备保障系统。

目前在发动机电子控制系统中使用的微控制器架构主要有16位和32位，其中

性价比高的16位ECU占据市场主流。最近全球知名的半导体供应商如飞思卡尔、

德州仪器(TI)、英飞凌、瑞萨等相继推出了多种16位和32位的ECU。同时飞思卡

尔的16位ECU一般都基于高性能的Flash存储器工艺。Flash是一种非易失性存储介

质，读取它的内容同RAM的读取一样方便，而对它的写操作却比EPROM还要快。

同时，在系统掉电后，Flash中的内容仍能可靠保持不变。Flash的主要优点是结构

简单、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数

万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。德州仪器的汽车半导体

产品则包括具有微控制器(AICU)和数字信号处理器(DSP)的高级嵌入式控制芯

片。为了使发动机控制单元具有更快的数据处理速度，瑞萨正着手研发更快的

160MHz-200MHz的MCU来适应市场。

由于汽车电控技术的发展已不单单局限于发动机本身的控制，同时兼有传动

控制、车辆无级变速、主动悬架等的汽车综合管理系统。另外，为达到越来越高

的环保要求，必须采用运算处理能力更强的ECU，同时，为真正达到欧III以上排

放标准，要求传输的发动机参数的信息量越来越大，诊断软件的重要性也越来越

第一章绪论

突出，已成为发动机管理系统的核心部分，这就要求发动机管理系统需带有车载

诊断系统(OBD)以实施对汽车排放状况的实时监控。

2.传感器

将计算机控制技术引入发动机的目的是实现发动机的最佳控制，这就需要利

用各式传感器采集大量的表征发动机运行工况的信息，控制单元据此信息做出决

策，执行机构按此决策进行工作，从而实现发动机的最佳控制。未来汽车用传感

器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。

多功能化是指利用一种材料或在同一个芯片上制作出能检测2个或3个以上的

不同物理特性参数的传感器，从而减少汽车车载传感器的总数量，以达到整车的

系统可靠性；集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC传感器；智能化

是指传感器与大规模集成电路相结合并带有微处理器、自检、自校、信号传输和

放大电路等智能作用。

由于发动机工作在高温、振动、冲击、潮湿以及蒸汽、烟雾的恶劣环境中，

因此发动机电子控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器

高1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。目前正在研制的发动机用传

感器主要有：火花塞离子电流传感器、光纤膜片反射传感器、压阻式碳化硅绝缘

体压力传感器等。随着微电子技术的发展和电子控制系统在汽车上的应用迅速增

加，以MEMS（微电子机械系统）技术为基础制作的传感器必将成为世界各国汽

车用传感器的主流。

3.综合控制的发展

随着发动机电控技术和相关技术的不断发展，目前发动机各单项控制功能已

经发展的比较完善，除了各单项控制功能性能的进一步提高以及新的控制功能的

引入外，发动机控制系统的控制功能已经由原先的单项控制发展为多项控制，系

统控制的项目不断增多，正向着综合控制方向发展。它的发展方向最终将是实现

整车的综合控制，以提高车辆的性能。

4.先进控制方法的研究和现代控制理论的应用

发动机控制系统已由最初的开环控制发展为闭环控制，从一般最优控制发展

到自适应控制、模糊控制以及神经网络等现代控制理论的应用。同时伴随着世界

各国对汽车尾气排放法规的要求不断严格，发动机控制理论也将随之发生根本性

变革。满足欧II、欧III标准的发动机在应用的传感器、执行器方面差不多，但对

几个零件要求精度更高，如氧传感器、喷油嘴等。欧III标准要求喷油嘴喷出来的

油雾颗粒更小，此外还有ECU软件逻辑的不同。而在比欧III排放标准要求更高的

欧IV、欧V标准则涉及到ECU软件结构的变革。要达到欧IV、欧V标准的发动机

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摘要：

摘要在电控范围所讨论的发动机怠速控制，是指对怠速时转速的控制，实质上是通过控制怠速时气缸充气量来实现目标转速。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，燃烧的随机性和负载扭矩变化，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，怠速控制成为汽车发动机电控系统中的重要内容和难点之一。本文在对国内外汽车发动机电子控制方面怠速控制部分进行了研究，在分析常规PID控制策略和模糊控制策略的基础上，提出了一种新的怠速控制思想，即将PID控制策略和模糊控制策略有机结合起来，构成一种PID-Fuzzy型怠速控制策略。这种控制器可以利用具有积分控制作用...

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