基于CompactRIO的內燃蘭金循環發動機節氣門閉環控制研究*

王晏妮 李理光 康 哲 胡宗杰（同濟大學汽車學院 上海 200092）

引言

在排放法規日益嚴格和要求二氧化碳排放逐步降低的雙重壓力下，實現發動機高效清潔燃燒成為未來發動機研究的重點[1]。悉尼大學的Bilger教授于1999年首次提出內燃蘭金循環（internal combustion ranking cycle，ICRC）[2]，該循環采用純氧代替空氣作為進氣介質，避免了缸內高溫燃燒產生的NOx排放[3]；同時使用缸內噴水技術[4]，通過控制噴水量[5]、噴水溫度、噴水時刻等參數來控制燃燒速度，利用水汽化吸收熱量來降低缸內燃燒溫度，保證燃燒可控的同時增加缸內做功工質，拓寬燃燒相位，提高發動機熱效率，降低燃油消耗率，提高了發動機動力輸出；通過引入適當比例的EGR可有效控制燃燒速度及缸內最高壓力，進一步提高循環熱效率。對內燃蘭金循環發動機的研究主要集中在火花塞點火式發動機中[6]，由于其工作原理限制了其壓縮比的提高，制約了內燃蘭金循環熱效率的進一步提高，因此亟待開展更多關于新型燃燒方式的研究。

均質壓燃著火（homogenous charge compression ignition,HCCI）發動機[7]是近十余年來國際上研究的熱點，也是基礎研究在內燃機中的集中體現[8]。HCCI通過制備均質混合氣實現了缸內低溫燃燒，有效避開了碳煙和氮氧化物的生成區間，實現超低排放和無煙燃燒，解決了柴油機高NOx排放和碳煙排放問題。如能在發動機運行過程中將均質壓燃技術的優點體現出來，則對于發動機滿足日益嚴格的排放標準有很大幫助。

為了進一步提高內燃蘭金循環發動機的熱效率并降低排放，開展均質壓燃技術與內燃蘭金循環相結合的研究非常必要。在均質壓燃的內燃蘭金循環中，發動機工作負荷和缸內燃燒程度與進氣量以及進氣中氧氣的濃度息息相關。若想實現穩定的均質壓燃，進氣流量、進氣壓力、進氣中氧濃度的穩定性對于發動機運行時的邊界條件控制非常重要。目前，內燃蘭金循環發動機試驗臺架使用進氣道噴射并利用電子節氣門對進氣量進行調節，節氣門快速準確地達到目標開度對于發動機在不同負荷下的工作穩定性尤為重要。因此，有必要開發穩定高速的控制器對節氣門開度進行控制。

1 控制模型建立

美國國家儀器公司（National Instrument）推出的CompactRIO平臺，擁有堅固的硬件構架，支持Lab－VIEW圖形化開發工具對其編程，基于CompactRIO的數據采集具有極高的實時性和穩定性[9-10]，其完成單通道的切換采集最快只需7 μs，保證了系統的高實時性[11]，非常適合作為節氣門控制系統的控制單元。

本文使用NI 9205和NI 9478作為模擬輸入和數字輸出模塊，與節氣門體相連，連接方式如圖1和圖2所示，構建了節氣門電子控制模型。

圖1 NI 9205模擬輸入

圖2 NI 9478數字輸出

節氣門體主要由節氣門閥、驅動電機、減速齒輪組、復位彈簧和節氣門位置傳感器等組成，節氣門基本參數如表1所示。

表1 節氣門基本參數

節氣門動態參數如表2所示[12]。

表2 節氣門動態參數

節氣門位置傳感器（throttle position sensor，TPS）用于實時采集節氣門開度，對閉環控制進行位置反饋，是節氣門狀態的唯一檢測元件。電子節氣門要求具有高度的可靠性，因此節氣門位置傳感器采用冗余設計。圖3為輸出電壓與節氣門開度之間的對應關系，可作為后續控制算法的基礎。

圖3 節氣門位置傳感器標定

2 控制策略選取

發動機節氣門進氣控制結構復雜且變化速度快，此外，節氣門還受到由復位彈簧造成的非線性力矩及不穩定因素的影響。因此，要做到對節氣門預期位置的精確控制，一是要了解節氣門的動態特性，二是要運用恰當的控制理論和方法。已有的對于節氣門的控制主要有PID控制[13]、增量PID控制[14]、模糊控制[15]（簡單的模糊控制不具有積分環節，很難完全消除系統靜態誤差，難以實現電子節氣門閥片開度的精確控制[16]）、反推控制[17-18]、變結構控制[19-20]、自適應控制[21]等多種控制策略。

由于電子節氣門控制系統實現的目標是足夠高的靜態穩定性和動態頻響，所以要求控制算法結構簡單、運行時間短。PID控制作為現代控制技術中最常用且最為經典的控制方法之一，具有無需建立精確的系統數學模型、結構簡單、參數物理意義明確、動態及靜態性能優良等特點，能滿足電子節氣門的控制要求。

3 控制結果分析

基于CompactRIO平臺，利用LabVIEW編程，采用3種控制算法對節氣門體進行控制，利用仿真實驗得到了節氣門開度分別為10%～50%及50%～90%時，頻率為0.1 Hz的方波信號的響應，用以表征節氣門對于靜態信號的響應。并得到了節氣門開度為10%～90%時，頻率為0.2 Hz的方波信號及鋸齒波信號的響應，作為動態響應的評價依據。

3.1 插值算法

插值算法將節氣門開度分為0%～10%、10%～20%、20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%等 10個區間，分別標定每個節氣門開度區間所對應的維持占空比，見表3。標定完成后，判斷節氣門目標開度所處的區間，采用線性插值法，獲取此開度下節氣門的起動占空比信號、維持占空比信號和減速占空比信號，從而實現對節氣門開度從0%～100%的控制，在保證穩定性和準確性的前提下，實現節氣門體對目標信號的快速響應。

表3 插值算法各插值區間節氣門驅動電機占空比數值分布

圖4為插值算法下節氣門開度為10%～50%時方波信號響應仿真結果，圖5為插值算法下節氣門開度為50%～90%時方波信號響應仿真結果。從圖4和圖5可以看出，在對靜態信號的跟蹤過程中，上升時間在0.6 s左右，總體調整過程平穩，無抖動，存在略微超調及一定量的穩態誤差。

圖4 插值算法-節氣門開度為10%～50%時方波信號響應

圖5 插值算法-節氣門開度為50%～90%時方波信號響應

圖6 為插值算法下節氣門開度為10%～90%時方波信號響應仿真結果，圖7為插值算法下節氣門開度為10%～90%時鋸齒波信號響應仿真結果。從圖6和圖7可以看出，在對2種動態信號的跟蹤過程中，均存在0.2s左右的時間遲滯，這是由于程序結構造成的。為了實現節氣門位置的精確控制，并且有很好的穩定性，插值算法犧牲了快速性，由此導致方波信號失真嚴重（無法給節氣門驅動電機提供瞬態較大的占空比）。

圖6 插值算法-節氣門開度為10%～90%時方波信號響應

圖7 插值算法-節氣門開度為10%～90%時鋸齒波信號響應

3.2 PID算法

在完成插值算法的設計之后，通過對仿真結果進行分析，發現在隨動信號的跟隨中存在明顯的時間遲滯，上升時間大。為了改善控制效果，設計了PID算法，通過調整比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd1來實現對節氣門快速準確的控制。

在考慮均衡快速性、準確性和穩定性等3個因素后，最終的PID控制器參數設置為：比例系數Kp=3，積分系數Ki=0.003，微分系數Kd1=0。

圖8 PID算法-節氣門開度為10%～50%時方波信號響應

圖9 PID算法-節氣門開度為50%～90%時方波信號響應

圖8 為PID算法下節氣門開度為10%～50%時方波信號響應仿真結果，圖9為PID算法下節氣門開度為50%～90%時方波信號響應仿真結果。從圖8和圖9可知，使用PID控制算法可明顯縮短上升時間，使節氣門迅速達到目標開度。但此算法也存在一定量超調和穩態誤差。

圖10為PID算法下節氣門開度為10%～90%時方波信號響應仿真結果，圖11為PID算法下節氣門開度為10%～90%時鋸齒波信號響應仿真結果。

圖10 PID算法-節氣門開度為10%～90%時方波信號響應

圖11 PID算法-節氣門開度為10%～90%時鋸齒波信號響應

從圖10和圖11可以看出，PID算法對動態信號的跟蹤效果顯著優于插值算法，這是由于增加了控制器的比例系數Kp，減小了上升時間。方波信號的波形保持較好，通過控制算法的優化（當節氣門開度減小，位置誤差大于10%時，直接將占空比調整到0。在節氣門開度達到目標開度的3%范圍內，再調整占空比進行控制），使得下降沿的響應時間優于上升沿。

3.3 分段PID算法

上述PID算法存在一定的穩態誤差（見圖9及圖10），為了進一步優化控制效果，設計了分段PID算法，它將插值算法與PID算法的思想相結合，通過誤差來跟蹤目標信號，采用絕對位置使節氣門穩定到目標開度。

分段PID算法的思想是以誤差信號進行跟蹤，以絕對位置進行穩定。即在上升過程中提供大的占空比、大的比例系數Kp、小的積分系數Ki，保證節氣門開度可以迅速變化到目標開度附近。當誤差減小到一定范圍內時，通過節氣門絕對開度來提供合適的維持占空比、小的比例系數Kp、大的積分系數Ki，減小穩態誤差，保證節氣門開度的準確性和穩定性。由此可實現節氣門控制的快速、準確和穩定，控制效果很好。

圖12為分段PID算法下節氣門開度為10%～50%時方波信號響應仿真結果，圖13為分段PID算法下節氣門開度為50%～90%時方波信號響應仿真結果。從圖12和圖13可知，采用分段PID算法，節氣門體能夠對目標信號快速準確地響應，上升時間短，穩態誤差非常小。

圖12 分段PID算法-節氣門開度為10%～50%時方波信號響應

圖13 分段PID算法-節氣門開度為50%～90%時方波信號響應

圖14 為分段PID算法下節氣門開度為10%～90%時方波信號響應仿真結果，圖15為分段PID算法下節氣門開度為10%～90%時鋸齒波信號響應仿真結果。從圖14和圖15可以看出，對3種動態信號跟蹤效果較好，無明顯的時間遲滯現象，通過控制器的比例系數Kp減小了上升時間。方波信號的波形保持較好，上升時間小，超調量也較小，無穩態誤差。

圖14 分段PID算法-節氣門開度為10%～90%時方波信號響應

圖15 分段PID算法-節氣門開度為10%～90%時鋸齒波信號響應

3.4 算法控制效果對比

表4為控制算法上升時間對比，表5為控制算法最大超調量對比，表6為控制算法穩態誤差對比。

表4 控制算法上升時間對比 s

表5 控制算法最大超調量對比 s

表6 控制算法穩態誤差對比 s

綜合表4、表5和表6，從瞬態響應的上升時間、最大超調量和穩態誤差出發，可以看出，分段PID算法的控制效果最優，上升時間短，最大超調量可控，穩態誤差很小，能實現對節氣門體進行快速、準確、穩定控制，與吉林大學馮巍等人[23]采用智能PID算法階躍信號的響應時間為0.5 s相比，本文采用的算法上升時間為0.28 s,對于控制效果有明顯的改善；與合肥工業大學李宏超設計的控制算法[22]相比，上升時間較長，但在最大超調量和穩態誤差方面具有顯著優勢，對于發動機臺架試驗更具優勢；PID算法上升時間短，穩態誤差小，但在不同節氣門開度區間內的波動量較大。在10%開度處的最大超調量很大，系統不穩定，通用性差。但由于設計簡單，調試方便，可用于節氣門小開度區間內的控制；插值算法上升時間長，存在一定量無法消除的穩態誤差。但由于不存在PID算法的積分環節，可快速穩定，抖動很小，穩定性優良，對于臺架試驗中要求恒定的進氣量有一定意義。

在下一步開展的內燃蘭金循環發動機臺架試驗中，可利用本文所取得的節氣門閉環控制優化結果就采用電子節氣門對進氣量進行精準控制和調節做進一步的研究。

4 結論

基于NI公司的CompactRIO嵌入式平臺，建立了電子節氣門控制系統，針對CompactRIO中的2個C系列模塊：NI 9205和NI 9478，編寫了電子節氣門控制系統的PWM信號輸出程序、節氣門位置信號采集程序和3種閉環控制程序。對電子節氣門控制策略進行了研究，逐步建立了插值算法、PID算法和分段PID算法，對節氣門進行控制。通過對比3種控制算法對電子節氣門控制系統的控制效果，論證了在存在明顯非線性因素的電子節氣門控制系統中，分段PID算法是3種控制算法中最優的控制策略，上升時間短，最大超調量小，穩態誤差小，可實現對節氣門體快速準確穩定控制。