基于dSPACE的自學習算法在汽油/CNG兩用燃料發動機空燃比控制中的應用研究

劉一鳴　薛　濤　曹　姜

（1-合肥工業大學機械與汽車工程學院安徽合肥2300092-安徽江淮汽車股份有限公司）

基于dSPACE的自學習算法在汽油/CNG兩用燃料發動機空燃比控制中的應用研究

劉一鳴1薛濤1曹姜2

（1-合肥工業大學機械與汽車工程學院安徽合肥2300092-安徽江淮汽車股份有限公司）

發動機的空燃比對整機的動力性、經濟性和排放性有很大影響，而空燃比本身具有非線性、多擾動的特點，空燃比的控制也存在延遲性。為精確快速穩定地控制汽油/CNG兩用燃料發動機空燃比，利用MATLAB/Simulink軟件建立基于開關氧閉環控制的燃氣ECU自學習模型，算法平臺為dSPACE公司的MicroAutoBox，在改裝的江淮4GA1發動機上進行了驗證試驗。試驗結果表明，該控制模型可較好地滿足發動機空燃比控制需求。

兩用燃料發動機自學習閉環控制dSPACE

引言

隨著能源危機和排放污染問題的日益嚴重，開發以清潔能源天然氣為動力源的發動機逐漸成為研究的熱點［1］。其中汽油/CNG兩用燃料發動機改裝難度和成本都較低，因此應用最為廣泛。

本文通過將dSPACE系統與MATLAB/Simulink軟件相結合，開發了針對汽油/CNG兩用燃料發動機燃氣時的“閉環修正+自學習”相結合的空燃比控制系統，并以dSPACE公司的MicroAutoBox作為算法平臺，在改裝后的4GA1發動機上進行了驗證試驗。

dSPACE實時仿真系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試工作平臺，能夠與MATLAB/Simulink實現完全無縫連接。該系統擁有一套具有高速計算能力的硬件單元，包括處理器、I/O等，再通過快速控制原型（RCP）功能就可以快速、方便地進行控制算法的開發和測試，最后通過代碼自動生成工具可將算法轉化成產品代碼，從而大大降低產品的開發周期和成本。

1　試驗裝置

試驗裝置結構簡圖如圖1所示，啟動時，原車ECU控制發動機的噴油點火。當水溫和轉速滿足切換條件時，dSPACE通過控制切換繼電器切斷原車噴油信號，并根據原車的噴油信號和轉速控制噴氣時刻和噴氣脈寬，發動機進入燃氣狀態。本試驗采用經過改裝的江淮4GA1發動機，原發動機主要技術參數如表1所示。通過監控系統和測功機對發動機轉速、扭矩等參數進行監控。在自行設計的Controldesk后臺中可進行油氣切換、停缸檢查、手動加減噴氣脈寬等。發動機在燃氣狀態下，通過在ControlDesk后臺中手動加減噴氣脈寬驗證空燃比控制算法的控制效果。

圖1　兩用燃料發動機試驗裝置示意圖

表14　GA1型發動機主要技術參數

2　空燃比控制

由于空燃比對發動機的性能影響非常大，而且為滿足排放的要求，需要將空燃比控制在理論空燃比附近，這樣三元催化劑對尾氣中排放物的處理效率才能達到最高［2］。本文采用開環前饋加閉環反饋控制相結合的方法來控制發動機的空燃比，借助閉環的反饋調節，還設計了自學習模塊來改善開環控制。此外，氧仿真模塊的開發可使發動機在高速、大負荷時實現稀燃，與自學習模塊相結合時可進行噴氣MAP的輔助標定。

由于兩用燃料發動機的進氣量只能由原車控制，因此在燃氣狀態下，燃氣ECU只能通過調節噴氣脈寬來控制空燃比。而天然氣是氣態，相對于液態汽油，相同摩爾體積所含的熱量較小，因此為保證發動機的動力性，與一定量的空氣混合時，需要更長的噴射時間。噴氣脈寬PW_Gas組成如圖2所示，由基本噴油脈寬和噴氣補償脈寬PW_Ad組成。噴氣補償脈寬包括查MAP表得到的基本噴氣脈寬BaseF、閉環修正量、自學習修正以及溫度、壓力修正等，控制模型如圖3所示?？刂颇K中計算的是噴氣補償脈寬。

圖2　噴氣脈寬PW_Gas組成

圖3　噴氣脈寬控制模型

2.1空燃比開環控制

當發動機的轉速和負荷突變時，通過空燃比開環控制，燃氣ECU可以快速響應。開環控制時空燃比只依賴于MAP表，但只通過標定就讓噴氣MAP表保證混合氣在所有工況處于理論空燃比附近十分困難，因此還需結合空燃比閉環控制。

2.2空燃比PID閉環控制

PID控制由于結構簡單，易于實現，對模型的依賴程度小，且有較強的魯棒性，被廣泛應用于控制過程中［3］。PID控制是一種線性控制，其根據目標值與實際值的偏差：error（t）=rin（t）-yout（t），算出修正量，增量式PID控制規律數學表達式為：

error（k）、error（k-1）、error（k-2）分別是k、k-1、k-2時刻實際值與目標值的差值，kp為比例系數，ki為積分系數，kd為微分系數。最終，k時刻控制器輸出的結果為：u（k）=u（k-1）+△u（k）。

本文針對原車開關氧傳感器信號設計了增量式閉環PID控制，閉環控制程序模塊如圖4所示。

圖4　空燃比閉環控制模型

為保證發動機的穩定性和動力性，空燃比閉環修正的啟動條件包括：發動機在燃氣狀態下正常運行，氧傳感器工作正常，發動機轉速小于3 500 r/min。上述條件都滿足時，開始閉環修正。PID控制器根據當前的開關氧傳感器實際電壓EGO_V與理論空燃比時的電壓差值e計算出噴氣修正量，從下個工作循環開始，閉環修正量開始作用于噴氣脈寬。

2.3自學習控制

2.3.1自學習的意義

考慮到各地區天然氣的組分差異較大，各個發動機的制造誤差、老化磨損以及在不同海拔和氣候地區使用等問題對發動機空燃比的影響［4］，試驗標定的MAP并不能滿足每臺發動機運行時實際空燃比和理論空燃比都保持一致，而且為保證發動機運行穩定，必須對PID閉環修正限幅，當閉環修正達到限幅但混合氣還是偏濃或偏稀時，只能通過自學習來調節噴氣量使實際空燃比接近理論空燃比。

自學習模塊另一個主要作用是輔助標定燃氣ECU的噴氣MAP，由于在標定燃氣ECU的噴氣MAP過程中，原車ECU會根據當前發動機工況變化對噴油脈寬進行調節和閉環修正，使得噴油脈寬不穩定。而且兩用燃料ECU一般針對的是天然氣改裝車，車型較多，針對每種特定型號發動機都標定好噴氣MAP是不現實的。所以在實際應用中可以先粗略地標定好一個噴氣MAP，保證發動機可以正常工作，在發動機實際運行過程中，燃氣ECU再根據自學習模塊來優化噴氣MAP。

2.3.2自學習修正

自學習實質是通過閉環控制的結果來改善開環控制，從而減少閉環修正的時間。

自學習修正的公式為：PW_Ad=BaseF×SL/128［5］

BaseF是根據轉速和噴油脈寬查噴氣MAP表得到的基本噴氣脈寬，SL是根據當前工況查自學習表得到的對應自學習值。自學習表如圖5所示，橫坐標是轉速，縱坐標是噴油脈寬，表中的初始值都為128，即不修正。發動機運行一段時間后，如果SL＞128，說明該自學習值所對應工況的噴氣修正量偏小，需要增加噴氣脈寬。如果SL＜128，說明該自學習值所對應工況的噴氣修正量偏大，需要減小噴氣脈寬。程序中將自學習值SL限幅在±30%的變化范圍內，即90≤SL≤166。

圖5　自學習表

由于自學習實質反映的是發動機固有屬性（老化、磨損、一致性等）的變化，其不隨發動機工況的改變而變化，所以只要滿足以上條件，自學習修正在發動機所有工況中都參與噴氣計算［5］。

2.3.3自學習控制算法

自學習程序模塊如圖6所示，A/F_Self_Learn程序中包含兩個部分：一個是根據當前工況的轉速和噴油脈寬查自學習表得到對應的自學習值SL，然后除以128得到自學習修正系數L；另一個是判斷當前工況是否滿足進入自學習的條件，如果滿足，則進行自學習，并且在自學習之后更新自學習表中的值。

啟動工況時，為使發動機快速暖機，混合氣須較濃；急加速工況時，為保證發動機的加速性能，采取加濃混合氣的方式；高速大負荷時，為保證發動機的動力性，混合氣也偏濃；急減速工況時，考慮到經濟性，發動機一般采用低于理論空燃比的稀混合氣，所以以上工況都不會進入自學習［6］。此外，為保證自學習的可靠性，還需滿足以下具體條件：

圖6　自學習模塊模型

1）發動機工作正常，并且相關傳感器如水溫、進氣壓力傳感器等未發生故障。

2）發動機冷卻水溫度大于自學習啟動設定溫度。

3）打開自學習使能learn_enable，該項在Controldesk后臺中控制。

4）發動機工況穩定，即發動機的轉速、噴嘴壓力、噴油脈寬都在限定的范圍內波動。

5）發動機空燃比處于閉環控制狀態，并且PID控制達到修正限幅，但混合氣還是持續偏濃或偏稀。

上述條件都滿足，則進入自學習程序，程序框圖如圖7所示。工況延遲計數器t是為了保證自學習期間發動機工況穩定，后臺設置為2 s，即當發動機穩定2 s后再進入下一程序判斷。自學習延遲計數器td是為了保證自學習的可靠性，后臺設置為1s，即在工況穩定的前提條件下，發動機已經達到閉環修正限幅時間超過1 s。

當計數器t和td同時滿足條件時，如果混合氣偏濃，則該工況對應的自學習值減一個自學習步長；如果混合氣偏稀，則該工況對應的自學習值加一個自學習步長。程序中將自學習前3 s內出現最多的工況點作為當前自學習點。

圖7　自學習程序框圖

自學習結束后，對當前工況的自學習值進行限幅后再更新自學習表中對應的自學習值

2.3.4氧仿真功能

燃氣狀態下混合氣偏稀或偏濃時，原車ECU也會根據氧傳感器信號對噴油脈寬作出相應的調整，嚴重偏離理論空燃比時，甚至會改變噴油MAP從而影響到發動機燃油時的性能。

因此，在燃氣ECU模型中添加了氧仿真功能模塊，燃氣狀態下開啟氧仿真功能時，通過信號處理電路中的切換繼電器截斷進入原車ECU的氧傳感器信號，接入程序中模擬產生的理論空燃比時氧傳感器電壓信號。這樣原車ECU對噴油脈寬不進行調整，只有燃氣ECU根據氧傳感器信號對噴氣脈寬進行調整。

正常行駛時關閉氧仿真功能，可以利用原車ECU和燃氣ECU實現雙閉環控制，這樣可以更快地調節空燃比。標定噴氣MAP時需打開氧仿真功能。另外，城市改裝車輛在高速大負荷工況下，利用氧仿真功能可以實現稀燃以提高燃油經濟性。

3　實驗驗證

將設計好的空燃比控制程序下載到MicroAuto－Box中后，ControlDesk后臺軟件通過與MicroAuto－Box實時通訊來觀測和修改發動機各項參數。為單獨驗證燃氣ECU空燃比程序模塊的控制效果，并避免原車ECU由于混合氣偏稀或偏濃對噴油MAP產生影響，以下試驗中通過ControlDesk后臺打開氧仿真功能并關閉所有工況修正。圖8為ControlDesk后臺界面。

圖8　ControlDesk后臺界面

3.1混合氣偏濃時自學習試驗

試驗開始前發動機先暖機，當轉速和水溫達到切換條件時進入燃氣狀態。將發動機穩定在轉速為1 500 r/min、噴油脈寬為4 ms工況點附件，保持油門位置不變，通過標定使發動機混合氣在理論空燃比附近，即氧傳感器電壓在0～1 V之內均勻跳變，在ControlDesk后臺中啟動閉環修正使能和自學習使能，手動增加噴氣脈寬3 ms。

試驗結果分別如圖9、圖10和圖11所示。從圖9、圖10中可以看出，前9 s內由于標定使混合氣處于理論空燃比附近，氧傳感器電壓均勻跳變，手動增加噴氣脈寬后，氧傳感器電壓在1 V左右波動，噴氣脈寬和自學習值開始減小，5 s后噴氣脈寬恢復正常，氧傳感器電壓在0～1 V之間均勻跳變，說明混合氣又恢復到理論空燃比附近。期間由于氧仿真的功能，噴油脈寬幾乎未發生變化。

圖9　混合氣偏濃時噴氣量、噴油量、氧信號的變化

圖10　混合氣偏濃時自學習值、噴氣修正量的變化

圖11　混合氣偏濃時自學習后的自學習表

3.2混合氣偏稀時自學習試驗

將發動機穩定在轉速為2 000 r/min、噴油脈寬為7 ms工況點附近，保持油門位置不變，通過標定使發動機混合氣在理論空燃比附近，手動減少噴氣脈寬3 ms。

試驗結果分別如圖12、圖13和圖14所示。從圖12、圖13可以看出，前5 s內通過標定使混合氣處于理論空燃比附近，氧傳感器電壓在0～1 V之間均勻跳變。手動減少噴氣脈寬后，氧傳感器電壓在0 V左右波動，噴氣脈寬和自學習值開始增大，經過6 s后噴氣脈寬恢復正常，傳感器電壓在0～1 V之間均勻跳變，說明混合氣又恢復到理論空燃比附近。期間噴油脈寬幾乎未發生變化。

圖13　混合氣偏稀時自學習值、噴氣修正量的變化

圖14　混合氣偏稀時自學習后的自學習表

4　結論

與傳統ECU程序設計相比，通過dSPACE設計開發軟件不僅大大降低了設計的周期和成本，而且在開發過程中，可以通過ControDesk后臺方便地進行試驗仿真和驗證。從上述試驗結果可以看出，基于dSPACE設計的自學習模塊和閉環控制相結合，對兩用燃料發動機燃氣時空燃比控制具有較好的控制效果。當改裝一輛兩用燃料汽車時，開啟時只需為發動機配上粗略標定過的噴氣MAP表，發動機運行一段時間后，通過自學習機制，就可以得到一個與之匹配且較為精確的噴氣MAP表，這樣就可以大大減少由于標定所需的時間和成本，而且當發動機運行一段時間后，通過自學習可以彌補由于老化、磨損等原因對噴氣MAP表造成的影響。

1田野.天然氣客車的技術優勢及市場價值［J］.商用汽車，2010（5）：38-39

2李國勇.智能控制與MATLAB在電控發動機中的應用［M］.北京：電子工業出版社，2007

3劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真（第2版）［M］.北京：電子工業出版社，2004

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5孟武強.基于UEGO傳感器的CNG發動機空燃比自學習控制策略研究設計［D］.成都：西華大學，2010

6姜卓，卓斌.汽油機新電控單元MICS1.0型ECU的研制［J］.內燃機學報，2000，18（4）：404-408

Application Research on Self-Learn Algorithm of the Gas/CNG Bi-Fuel Engine Air-Fuel Ratio Control Based on dSPAC

Liu Yiming1，Xue Tao1，Cao Jiang2
1-School of Machinery and Automotive Engineering，Hefei University of Technology（Hefei，Anhui，230009，China）2-Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.

The air-fuel ratio of engine has a great impact on power，economy and emissions，while the engine is nonlinear and multi-disturbance，the control of air fuel ratio also has a delay.To control air-fuel ratio of the Gas/CNG Bi-Fuel engine fastly and precisely，we use MATLAB/Simulink software to establish a self-learn algorithm of gas ECU based on closed-loop control.The platform of algorithm is the MicroAutoBox designed by the company of dSPACE.It has already done the test-experiments on a modified 4GA1 engine.The result of experiments shows that，the model can meet the requirements of controlling the air-fuel ratio of engine well.

Bi-Fuel engine，Air-fuel ratio，Closed-loop control，dSPACE

TK46

A

2095-8234（2016）03-0046-06

劉一鳴（1957-），男，副教授，主要研究方向為內燃機設計及電控技術。

2016-04-03）