汽車發(fā)動機速度自適應跟蹤控制策略研究

黃 玲

隨著人們對環(huán)境的日益關(guān)注，對車輛性能的要求，也越來越高。汽車的行駛主要靠發(fā)動機來驅(qū)動，作為傳統(tǒng)汽車的核心部件，汽車的諸多性能最后都主要歸結(jié)到發(fā)動機上[1]。因此，改善汽車的性能首先應從改善發(fā)動機的性能上出發(fā)。改善發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩主要可以由發(fā)動機的控制器來實現(xiàn)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制的核心是提高發(fā)動機在任何工況下的速度響應性能，從而達到駕駛性能和燃油消耗性能[2]。為了解決發(fā)動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)基于模型控制設(shè)計中的參數(shù)不確定性問題[3]，人們進行了大量的工作。提出了許多算法，進而來改善發(fā)動機的輸出性能，本文就是在這樣的情況下提出了自適應算法，設(shè)計出了自適應速度控制器。

1 發(fā)動機速度控制系統(tǒng)的均值模型

在均值模型中發(fā)動機的曲軸旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學方程通常被描述為：

其中 J 是轉(zhuǎn)動慣量（kg/m2）；D 是阻尼系數(shù)（Nm/rad/s）；ω 是發(fā)動機轉(zhuǎn)速（rad/s）；Tl是負載轉(zhuǎn)矩（N·m）；Te代表發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩。

在均值模型中發(fā)動機進氣子系統(tǒng)通常被描述為：

將上述模型整理化簡可得：

其中 u 是與節(jié)氣門開度 φ 相關(guān)的控制輸入量，u=1-cosφ，參數(shù) c1，c1，c3，c4未知參數(shù)。

2 控制器的設(shè)計

為了轉(zhuǎn)速能跟蹤上理想轉(zhuǎn)速，本文將發(fā)動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為閉環(huán)誤差系統(tǒng)表示。定義轉(zhuǎn)速誤差和歧管壓力誤差分別為有ω=ωd-ω，ep=pmd-pm，其中ωd表示期望轉(zhuǎn)速，pmd表示期望歧管壓力。經(jīng)過兩次推導選取了如下這樣第一個李雅普諾夫函數(shù)。

再應用同樣的方V2得到的導數(shù)。

最后再選取李雅普諾夫函數(shù)并求導化簡如下。

3 發(fā)動機自適應速度控制系統(tǒng)仿真

3.1 自適應控制器搭建

下面給出的是自適應控制器仿真框架。

3.2 系統(tǒng)仿真實驗驗證與對較分析

模擬汽車發(fā)動機工作在1 500 rpm、2 000 rpm、3 000 rpm的期望轉(zhuǎn)速的變化情況。其轉(zhuǎn)速的跟蹤情況如下圖所示。

圖1 自適應控制器仿真框圖

在上述仿真中，控制器的增益為：k1=440，k2=290。自適應的增益設(shè)計為。

圖2 1 500 rpm、2 000 rpm、3 000 rpm 下轉(zhuǎn)速跟蹤曲線

自適應估計值的初始取值為。

由圖2 可知，發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速能夠很好的跟蹤上期望的轉(zhuǎn)速，且也在較理想的時間內(nèi)轉(zhuǎn)速達到了穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)量也比較合適，調(diào)節(jié)時間也較短。通過整理計算可得將在三個不同工況下轉(zhuǎn)速跟蹤曲線的各個暫態(tài)性能如下表所示：

表1 不同工況下的暫態(tài)性能

由上面設(shè)定的三種不同工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速的跟蹤情況可知，盡管轉(zhuǎn)速各不相同，但是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速都能在理想的時間內(nèi)跟蹤上期望的轉(zhuǎn)速，使得發(fā)動機擁有較好的跟蹤性能，暫態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性都比較好。綜合以上三種工況可知，在第2 章設(shè)計的自適應控制器是能夠?qū)崿F(xiàn)的，它能使發(fā)動機系統(tǒng)實現(xiàn)較好的跟蹤性能和穩(wěn)態(tài)性能。

4 結(jié)論

本文針對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，研究了一種雙閉環(huán)自適應控制策略，以實現(xiàn)寬范圍內(nèi)具有滿意的瞬態(tài)和靜態(tài)性能的速度跟蹤。針對氣路、燃油效率、空燃比和點火定時變化引起的參數(shù)不確定性，在雙環(huán)PI 控制器、非線性和前饋補償器中引入了自適應更新技術(shù)。在真實發(fā)動機模擬器上的運行結(jié)果驗證了所提出的速度跟蹤策略對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)輸出響應的瞬態(tài)和靜態(tài)性能的有效性。