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 4 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、

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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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