基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

教傳艷

(1.沈陽工學(xué)院 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 撫順 113122；(2.遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 撫順 113122)

0 引言

為了減少柴油機(jī)工業(yè)生產(chǎn)中廢氣的排放，采用柴油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)對(duì)部分廢氣進(jìn)行再循環(huán)和調(diào)節(jié)，避免對(duì)環(huán)境造成污染。隨著內(nèi)燃機(jī)尾氣回收技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用，對(duì)其排放標(biāo)準(zhǔn)和排放法規(guī)的要求也越來越高[1]。目前，針對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)的排氣回流及冷卻程度的研究也在不斷地探索研究，例如在系統(tǒng)輸出功率較小的情況下，柴油微粒排放就會(huì)增加，燃油的動(dòng)力性明顯降低，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性較低[2]；在系統(tǒng)輸出功率較大而柴油機(jī)的排氣循環(huán)控制系統(tǒng)控制較差，此時(shí) NO等廢氣的排放量就會(huì)增大，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境。因此，針對(duì)這一問題，相關(guān)學(xué)者對(duì)柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)做出了研究，并得出了一定的研究成果。

王曉[3]設(shè)計(jì)了一種防爆廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)。基于防爆文丘里管原理，對(duì)防爆柴油機(jī)水泵選型，計(jì)算整體散熱量作為冷卻系統(tǒng)約束條件，控制系統(tǒng)散熱量在計(jì)算值的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)防爆廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)；舒堅(jiān)等[4]提出根據(jù)動(dòng)態(tài)矩陣算法的濕法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化策略，在使用漿液循環(huán)泵基礎(chǔ)上，將漿液向上運(yùn)送，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)脫硫系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)迭代優(yōu)化，建立DMC控制策略。該方法的SO2質(zhì)量濃度變化范圍更小，分布集中，控制品質(zhì)更好。

針對(duì)上述方法存在的問題，面對(duì)該情況，提出了基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過對(duì)向量機(jī)系統(tǒng)線性方程解作為損失函數(shù)，避免控制誤差，降低計(jì)算復(fù)雜程度，縮短系統(tǒng)控制延遲時(shí)間，提高系統(tǒng)控制效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將柴油機(jī)廢氣燃燒于汽缸中，不僅降低了燃燒溫度，還破壞了高溫下一氧化氮和富氧的形成條件[5]。與此同時(shí)，柴油尾氣在尾氣回流時(shí)得到冷卻，減少內(nèi)燃機(jī)排放[6]。氣冷式和水冷式是柴油機(jī)排氣循環(huán)冷卻方式，空氣冷卻器易于實(shí)現(xiàn)，但冷卻效果差，不宜用于高溫柴油廢氣。水容大于熱容，冷卻效果較好，故以水為介質(zhì)冷卻，機(jī)組采用電控方式，能自動(dòng)控制泵的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)來調(diào)控排煙溫度[7]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，以原有冷卻系統(tǒng)為基礎(chǔ)，包括伺服電動(dòng)泵、冷卻器、散熱器、控制閥及電控單元等[8]。通過系統(tǒng)控制閥，冷卻器獨(dú)立地冷卻產(chǎn)生的廢氣，此時(shí)經(jīng)過散熱器流出的水溫度較低，保證了控制閥的冷卻效果[9]。將電動(dòng)水泵安裝到控制閥冷卻器的進(jìn)水管中，最大程度避免冷卻液回流，提升控制閥的安全性。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該系統(tǒng)曲軸位置傳感器的傳感器輸出信號(hào)是由脈沖信號(hào)和模擬電壓傳感器提供的，微機(jī)控制系統(tǒng)通過其多路開關(guān)控制各傳感器的模擬信號(hào)，可編程放大器在單片機(jī)系統(tǒng)控制下進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，使不同的信號(hào)振幅在強(qiáng)度上達(dá)到/D/A轉(zhuǎn)換的要求，然后將模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給微處理器系統(tǒng)[10]。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行光電隔離和信息處理，利用數(shù)字信號(hào)的輸入可完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。因?yàn)樽儞Q后的電壓信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)泵，所以要用電源來驅(qū)動(dòng)，最后才能使泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 電控單元

電控單元采用AT89C5140單片機(jī)，通過曲軸位置傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖，傳遞給電子控制裝置。通過裝置中的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行存儲(chǔ)，從而有效地控制輸出信號(hào)。

2.2 傳感器

柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)主要用到了供油齒條位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器、油門位置傳感器及柴油機(jī)廢氣再循環(huán)溫度傳感器。

供油齒條位置的傳感器選用E3S-CS3C1D光電式位置傳感器，其每一轉(zhuǎn)能達(dá)到50～5000脈沖(cpr)輸出，負(fù)責(zé)采集發(fā)動(dòng)機(jī)提供負(fù)荷信號(hào)，若負(fù)荷值較小時(shí)，電控單元輸出控制信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冷卻泵的轉(zhuǎn)速減小，若負(fù)荷值達(dá)到較大值時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速增大[11]。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器選用LM60CIM3 型溫度傳感器，負(fù)責(zé)采集并傳輸內(nèi)燃機(jī)溫度信號(hào)，溫度在50 ℃以下時(shí)，柴油機(jī)排氣再循環(huán)冷卻泵停止工作。油門位置傳感器選用M8M12M18型電容式位移傳感器，負(fù)責(zé)采集發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)不利于尾氣回收，此時(shí)電控裝置輸出控制信號(hào)，泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)。柴油機(jī)廢氣再循環(huán)溫度傳感器向電控單元發(fā)出反饋信號(hào)，控制電控泵調(diào)節(jié)冷卻水。

2.3 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)電路中廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的仿真，必須在電子控制單元與廢氣再循環(huán)系統(tǒng)閥門之間建立通信，使電子控制單元能夠根據(jù)來自發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)的信號(hào)來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)閥門的開啟和關(guān)閉[13]。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

由圖3可知，傳感器信號(hào)發(fā)生器與電控單元的連接方式主要有兩種：1)從發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)通過線束和相應(yīng)的模擬或數(shù)字信號(hào)接口與電控裝置相連；2)通過 CAN總線將凸輪軸相位輸入到主控核[14]。脈寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由電控裝置發(fā)出，其電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與脈寬調(diào)制開啟的排氣回流閥通過線束連接[15]，控制廢氣再循環(huán)閥的開啟。

2.4 冷卻系統(tǒng)伺服水泵

冷卻系統(tǒng)的伺服水泵是通過控制液壓泵[16]，直接向液壓缸提供動(dòng)力的，由此構(gòu)成了冷卻系統(tǒng)伺服泵。液壓缸是伺服泵的動(dòng)力來源，其主要控制原理是根據(jù)不同的工作條件，安排不同的液壓流量的供給量，從而提高能源利用率。通過伺服電機(jī)的供水量可知，液壓水循環(huán)次數(shù)將降低，水溫也會(huì)降低。而且，選用伺服電機(jī)和水泵還能有效降低噪音，有利于維護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 基于自適應(yīng)LS-SVM應(yīng)用原理

應(yīng)用自適應(yīng)LS-SVM原理控制柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻過程[17]。自適應(yīng)LS-SVM原理能夠?qū)VM優(yōu)化問題的非等式約束用等式約束替換。設(shè)置柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)的控制目標(biāo)：正常運(yùn)行、排氣門漏氣多或少、進(jìn)排氣縫隙大或小，計(jì)算訓(xùn)練樣本集的控制邊界值，利用最小二乘支持向量機(jī)決策函數(shù)得到最佳控制值，并輸出至硬件控制模塊，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(1)

式(1)中，φ(·)表示權(quán)向量和空間映射函數(shù)；ω表示權(quán)向量；ei表示控制誤差；b表示偏移項(xiàng)；γ表示容錯(cuò)懲罰函數(shù)。

定義拉格朗日函數(shù)為：

L(ω,b,e,α)=

J(ω,e)-∑αi(y[φ(xi)×ω+b]-1+ei)

(2)

公式(2)中，αi表示拉格朗日乘子。當(dāng)訓(xùn)練集合中存在輸入樣本滿足0<αi<γ條件時(shí)，可將這些輸入樣本視為支持向量。

為了將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程問題，需要消除權(quán)向量和控制誤差[18]，得到如下所示線性方程：

(3)

公式(3)中，I、Ω均表示核函數(shù)。依據(jù)該公式，可得到偏移項(xiàng)，并得到任意一項(xiàng)測(cè)試樣本的分類最小二乘支持向量機(jī)決策函數(shù)為：

(4)

公式(4)中，K表示核函數(shù)。

3.2 控制過程

(5)

使用基于自適應(yīng)LS-SVM輸出編碼的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)控制過程，如下所示：

1)采用開環(huán)控制和自適應(yīng)LS-SVM主從式控制方法，對(duì)在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度，通過MAP前饋進(jìn)行控制確定[20]。

2)分析各傳感器的信號(hào)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、供油齒條的位置等，利用電子控制單元推斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

3)在測(cè)量工況參數(shù)的基礎(chǔ)上，由電控單元輸出信號(hào)，控制柴油機(jī)尾氣循環(huán)冷卻伺服泵的轉(zhuǎn)速，從而控制冷卻水的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。它的功能是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，決定工作水溫，并控制發(fā)動(dòng)機(jī)。基于電控裝置設(shè)定的溫度控制，作為輔助控制的自適應(yīng)LS-SVM控制系統(tǒng)，為達(dá)到所要求的柴油機(jī)排氣溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服控制泵的高低速旋轉(zhuǎn)或停止比的實(shí)時(shí)控制。

以電動(dòng)水泵為控制對(duì)象，利用自適應(yīng)LS-SVM對(duì)電動(dòng)水泵平均轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在控制目標(biāo)較遠(yuǎn)的情況下，還可以高速運(yùn)行，并在預(yù)報(bào)的溫度附近向泵輸送低電壓，控制執(zhí)行部門可以根據(jù)控制差來調(diào)整速度。

綜上，基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制流程如圖4所示。

圖4 柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，使柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有合理性和有效性。

4.1 試驗(yàn)對(duì)象確定

以某汽車廠商生產(chǎn)的柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)性能參數(shù)

原始的柴油機(jī)NO排放量超過了國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，本文所選柴油機(jī)采用進(jìn)氣節(jié)流式結(jié)構(gòu)，通過增壓器渦輪提供進(jìn)氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的廢氣經(jīng)過再循環(huán)冷卻系統(tǒng)，引入到進(jìn)氣管中，避免廢氣對(duì)環(huán)境污染。

4.2 系統(tǒng)控制效果測(cè)試

在此基礎(chǔ)上，以文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，分別測(cè)試3種方法對(duì)柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制的效果，如圖5所示。

圖5 3種系統(tǒng)控制效果對(duì)比分析

由圖5可知，使用基于非參數(shù)模型的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢(shì)與設(shè)定開度走勢(shì)相差較大，曲線高峰值為90；基于動(dòng)態(tài)控制算法的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢(shì)與設(shè)定開度走勢(shì)不一致，曲線高峰值為75；基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢(shì)與設(shè)定開度走勢(shì)一致，曲線高峰值為75。

當(dāng)柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)閥設(shè)置開度較小時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力較小。由于復(fù)位彈簧影響，基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)開度走勢(shì)與設(shè)定的開度稍有偏差。隨著設(shè)定開度增大，該系統(tǒng)開度隨著設(shè)定開度變化趨勢(shì)而發(fā)生改變，且偏差較小為1開度。說明使用基于自適應(yīng)LS-SVM的柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)，具有良好穩(wěn)態(tài)特性，有效克服了系統(tǒng)中時(shí)滯問題，能夠有效控制柴油機(jī)廢氣的再循環(huán)冷卻。

5 結(jié)束語

柴油機(jī)廢氣再循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)采用自適應(yīng) LS-SVM的技術(shù)，采用組態(tài)法對(duì)柴油機(jī)排氣循環(huán)冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)不同工況下的最佳控制。內(nèi)燃機(jī)排氣再循環(huán)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定，能有效降低氮氧化物排放，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。通過設(shè)計(jì)的再循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可知，控制時(shí)阻塞較小，能夠有效降低NO等廢氣的排放，使一氧化氮在各種工作條件下均處于最佳狀態(tài)。

雖然現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)，但仍有大量的創(chuàng)新研究工作要做。該控制系統(tǒng)可用于今后研制的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，通過對(duì)控制系統(tǒng)各部件參數(shù)的優(yōu)化控制，使得它在運(yùn)行中不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低使用成本，最終達(dá)到廢氣低排放的目的。