汽油機燃用E10 的瞬態空燃比控制策略研究

劉功興

（遼寧省交通運輸事業發展中心， 遼寧沈陽 110003）

0 引言

汽油發動機瞬態空燃比具有時變性、非線性等特點，常規PID 的控制方法無法達到精準控制。 模糊控制作為智能控制的重要方式逐漸用于汽油發動機的空燃比控制， 將常規的PID 控制方法與模糊控制方法相結合形成模糊自整定PID 控制方法，即保留PID 控制原理簡單、控制精度高、使用方便等優點，又通過模糊推理實現PID 參數的在線自調整，使模糊控制算法控制更精確[1-4]。

1 油膜效應對瞬態工況空燃比影響分析

E10 是將汽油與乙醇以9∶1 的體積比混合而成，E10的化學計量空燃比為14.19[5]。在穩態工況下，發動機油膜處于動態平衡，空燃比得到穩定的控制。 在瞬態工況下，因油膜參數和工況參數產生變化，打破油膜動態平衡，噴油嘴噴出的燃油質量與進入氣缸的燃油質量存在差異，導致瞬態工況空燃比控制精度下降。

本文通過建立油膜補償器來減少瞬態工況下油膜效應對空燃比的影響。 油膜補償器參照逆模型原理，在油膜模型基礎上進行建立。 式（1）～式（3）方程是線性化的燃油蒸汽油膜模型，參數變量X 和τf受進氣溫度、冷卻水溫、發動機工況等影響，如果將X 和τf當作常數，對式（1）～式（3）進行拉普拉斯變換，得出連續油膜模型的傳遞函數[6-9]。

通過對油膜動態效應補償，解決燃油傳輸遲滯問題，使實際進入缸內燃油質量與進氣量計算得到的燃油質量相等，具體模型如圖1 所示。

圖1 帶補償器的燃油供給模型Fig.1 Fuel supply model with compensator

2 瞬態工況空燃比控制策略研究

2.1 模糊自整定PID 控制器的設計

（1）模糊控制算法的選擇。控制系統運行中不斷檢測偏差e 和偏差變化率ec， 按照模糊控制原理對PID 參數進行在線修改[10]，系統結構原理如圖2 所示。

圖2 模糊自整定PID 控制系統結構原理Fig.2 Fuzzy self-tuning PID control system structure principle

式中：Kp0、Ki0、Kd0—在不同狀態下常規PID 參數整定法得到的整定值，根據被控對象的狀態，自動調整模糊控制器3 個輸出值ΔKp、ΔKi、ΔKd，使PID 控制參數自動調整。

（2）精確量的模糊化。模糊自整定PID 通過模糊規則進行推理，查詢模糊矩陣表在線對PID 參數進行修改。根據實際工況信息，將輸入e 和ec 的論域設定為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]；將輸出ΔKp和ΔKd論域設定為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]， ΔKi論域設定為[-0.6，-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6]。 輸入e、ec 和輸出ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊語言集為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，用字母表示為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。

在Matlab/Simulink 的模糊推理界面中能看到模糊推理全過程和某一個隸屬函數的形狀將如何影響整體的結果，如圖3 所示。 通過模糊推理輸出曲面觀察器得出ΔKp、ΔKi、ΔKd輸出特性曲面，如圖4～圖6 所示。

圖6 工況二變形位移（單位為mm）

表1 比例系數ΔKp 的模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rules of proportional coefficientΔKp

表2 比例系數ΔKd 的模糊控制規則Tab.2 Fuzzy control rules of proportional coefficientΔKd

表3 比例系數ΔKi 的模糊控制規則Tab.3 Fuzzy control rules of proportional coefficientΔKi

圖3 模糊過程的推理Fig.3 Reasoning for fuzzy processes

圖4 ΔKp 輸出特性曲面Fig.4 ΔKp output characteristic surface

圖5 ΔKi 輸出特性曲面Fig.5 ΔKi output characteristic surface

圖6 ΔKd 輸出特性曲面Fig.6 ΔKd output characteristic surface

2.2 瞬態工況空燃比控制仿真結果與分析

瞬態工況下，汽油機在減速階段空燃比會變小，加速階段空燃比會變大[5]。通過運用帶補償器的燃油供給模型改變噴油器的噴油脈寬， 使空燃比在瞬態工況下保持一個理想的范圍。 在Matlab/Simulink 模型中，通過改變節氣門開度模擬汽油機、穩態加速、減速工況。汽油機節氣門開度變化曲線如圖7 所示，在0～10s 時，節氣門開度為30%；在10～11s 時， 節氣門開度以恒定的速率變大到50%；在11～20s 時，節氣門開度為50%；在20～21s 時，節氣門開度以恒定的速率減小到30%； 在21～30s 時， 節氣門開度為30%。 在瞬態工況下，在Matlab/Simulink 中建立模型見圖8，采用帶補償器的燃油供給模型，分別運用常規PID 控制器和模糊自整定PID 控制器對發動機燃用E10 進行空燃比控制，仿真結果見圖9。

圖7 節氣門開度的變化Fig.7 Change in throttle opening

圖8 瞬態工況空燃比控制Simulink 模型Fig.8 Simulink model of air-fuel ratio control under transient conditions

圖9 瞬態工況空燃比仿真結果Fig.9 Simulation results of air-fuel ratio under transient conditions

從仿真結果得出在穩態工況下， 對發動機燃用E10的噴油脈寬進行修正，發動機燃油E10 的空燃比在14.19左右。 在瞬態工況下，模糊自整定PID 控制器對發動機燃用E10 的空燃比的控制穩定性更好。

3 結論

本文通過對分析油膜效應對瞬態空燃比的影響，得出瞬態工況下存在發動機燃油傳輸遲滯的現象， 通過建立帶補償器器的燃油供給模型實現通過進氣量計算得到燃油質量與實際進入缸內的燃油質量相等。 因瞬態空燃比存在時變性、非線性、不確定性等特點，PID 控制方法無法達到精準控制，所以采用模糊自整定PID 控制方法，實在對常規PID 參數進行在線調整， 通過仿真結果得出模糊自整定PID 控制方法優于PID 控制方法。