專(zhuān)利名稱(chēng)：氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速的控制方法，主要應(yīng)用于控制車(chē)用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速工況的穩(wěn)定性，從而減小氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)量，從而獲得較穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速。屬于內(nèi)燃機(jī)電子控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速工況是指油門(mén)踏板完全放開(kāi)、對(duì)外無(wú)功率輸出且能保持最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、維持發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況。怠速工況是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的運(yùn)行工況之一，尤其是隨著汽車(chē)保有量的不斷增加，城市交通狀況得不到及時(shí)改善，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況下的運(yùn)行時(shí)間越來(lái)越多。因此，對(duì)怠速工況的控制顯得尤為重要。
發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況的運(yùn)行十分復(fù)雜，具有顯著的非線(xiàn)性、時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速主要受點(diǎn)火提前角、旁通空氣進(jìn)氣量和燃料供給量的影響。在傳統(tǒng)的怠速控制過(guò)程中，主要采用單閉環(huán)控制算法，即只對(duì)旁通空氣進(jìn)氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)旁通氣道的空氣流通截面積的大小，進(jìn)而改變旁通空氣的進(jìn)氣流量，從而完成對(duì)怠速轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制過(guò)程。采用此種控制算法，使得燃料的供給量不能隨著怠速工況的變化而變化，因此在怠速工況突變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量會(huì)增大，甚至使得發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生較劇烈的抖動(dòng)，影響汽車(chē)的舒適性。
所謂的PID(Proportion-Integral-Derivative)控制算法是目前工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的一種控制算法，而增量式PID控制算法是隸屬于眾多PID算法中的一種，因其算法簡(jiǎn)單、可靠、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。增量式PID控制算法的計(jì)算式如下所示 ΔHp＝Kp×[en-en-1] ΔHi＝Ki×en ΔHd＝Kd×[en-2×en-1+en-2] ΔH＝ΔHp+ΔHi+ΔHd 其中en＝m-n 注m為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 Kp為比例項(xiàng)系數(shù) Ki為積分項(xiàng)系數(shù) Kd為微分項(xiàng)系數(shù) en為本次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 式中，ΔH為總變化量；ΔHp、ΔHi、ΔHd分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)所引起的變化量。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速控制方法，即雙閉環(huán)控制方法，該方法可以減小氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量，從而使氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出，同時(shí)使氣體燃料汽車(chē)在怠速工況下能夠擁有較好的舒適性。
本發(fā)明中的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法是基于經(jīng)典的PID控制算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。所謂的雙閉環(huán)控制方法就是采用兩套增量式PID控制算法，對(duì)怠速工況下的氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量分別進(jìn)行PID閉環(huán)控制，兩者互不干涉，相互獨(dú)立開(kāi)來(lái)。
本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入到電控單元ECU中，然后進(jìn)行捕捉和計(jì)算，得出當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)速偏差。根據(jù)閉環(huán)控制方法分別計(jì)算出氣體燃料噴射脈寬的總變化量和控制旁通空氣進(jìn)氣量的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)的變化量，從而得出下一個(gè)工況點(diǎn)所需的氣體燃料噴射脈寬和步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)，完成對(duì)轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。
所述的氣體燃料噴射脈寬的閉環(huán)控制方法如下先根據(jù)以下公式計(jì)算出氣體燃料噴射脈寬的總變化量ΔH_Gas ΔHp_Gas＝Kp_Gas×[en-en-1] ΔHi_Gas＝Ki_Gas×en ΔHd_Gas＝Kd_Gas×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Gas＝ΔHp_Gas+ΔHi_Gas+ΔHd_Gas 上式中en＝m-n m為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 en為本次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 Kp_Gas為比例項(xiàng)系數(shù) Ki_Gas為積分項(xiàng)系數(shù) Kd_Gas為微分項(xiàng)系數(shù) ΔHp_Gas為比例項(xiàng)所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量 ΔHi_Gas為積分項(xiàng)所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量 ΔHd_Gas為微分項(xiàng)所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量 ΔH_Gas為氣體燃料噴射脈寬總變化量 再根據(jù)氣體燃料噴射脈寬總變化量ΔH_Gas控制下一個(gè)工況點(diǎn)所需的氣體燃料噴射脈寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
所述的旁通空氣進(jìn)氣量的閉環(huán)控制方法如下先根據(jù)以下公式計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)總變化量ΔH_Air ΔHp_Air＝Kp_Air×[en-en-1] ΔHi_Air＝Ki_Air×en ΔHd_Air＝Kd_Air×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Air＝ΔHp_Air+ΔHi_Air+ΔHd_Air 上式中en＝m-n m為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 en為本次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差。
Kp_Air為比例項(xiàng)系數(shù) Ki_Air為積分項(xiàng)系數(shù) Kd_Air為微分項(xiàng)系數(shù) ΔHp_Air為比例項(xiàng)所引起的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)量變化 ΔHi_Air為積分項(xiàng)所引起的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)量變化 ΔHd_Air為微分項(xiàng)所引起的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)量變化 ΔH_Air為步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)總變化量 再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)總變化量ΔH_Air控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
本控制方法可以應(yīng)用在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、LPG(液化石油氣)發(fā)動(dòng)機(jī)、氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)等氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上。
本發(fā)明中的控制方法可以減小氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量，從而使氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出，同時(shí)使氣體燃料汽車(chē)在怠速工況下能夠擁有較好的舒適性。



圖1怠速雙閉環(huán)控制原理圖 圖2怠速雙閉環(huán)試驗(yàn)監(jiān)控界面 圖3怠速雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200rpm時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖對(duì)比 圖4雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200rpm時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 圖5怠速雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為850rpm時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖對(duì)比 圖6雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為850rpm時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明 本實(shí)施例采用兩套增量式PID控制算法，對(duì)怠速工況下的氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量分別進(jìn)行PID閉環(huán)控制，兩者互不干涉，相互獨(dú)立開(kāi)來(lái)，雙閉環(huán)的控制原理圖如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間必然產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速偏差，此時(shí)，氣體燃料噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量根據(jù)各自的PID算法，能夠得出各自的調(diào)整量，而且控制周期也可通過(guò)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，從而完成雙閉環(huán)控制。采用此種控制方法可以使氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量各自根據(jù)怠速轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況突變的情況下，尤其是負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量可以及時(shí)地做出調(diào)整，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化量盡可能小，從而可以輸出較為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，使氣體燃料汽車(chē)獲得較好的舒適性。
氣體燃料噴射脈寬的控制方法如下 ΔHp_Gas＝Kp_Gas×[en-en-1] ΔHi_Gas＝Ki_Gas×en ΔHd_Gas＝Kd_Gas×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Gas＝ΔHp_Gas+ΔHi_Gas+ΔHd_Gas 旁通空氣進(jìn)氣量的控制方法如下 ΔHp_Air＝Kp_Air×[en-en-1] ΔHi_Air＝Ki_Air×en ΔHd_Air＝Kd_Air×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Air＝ΔHp_Air+ΔHi_Air+ΔHd_Air 其中en＝m-n 注m為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 Kp_Gas為比例項(xiàng)系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.26 Ki_Gas為積分項(xiàng)系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.12 Kd_Gas為微分項(xiàng)系數(shù)，其取值范圍為0～0.05 Kp_Air為比例項(xiàng)系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.58 Ki_Air為積分項(xiàng)系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.28 Kd_Air為微分項(xiàng)系數(shù)，其取值范圍為0～0.04 en為本次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差 式中，ΔH_Gas和ΔH_Air為氣體燃料噴射脈寬和步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)總變化量；ΔHp_Gas、ΔHi_Gas、ΔHd_Gas分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量；ΔHp_Air、ΔHp_Air、ΔHd_Air分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)所引起的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)量變化。除此之外，氣體燃料噴射脈寬和步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作總步長(zhǎng)量均有各自的控制周期，分別為T(mén)_Gas和T_Air，其取值范圍分別如下 T_Gas的取值范圍為16～80 T_Air的取值范圍為8～16 其中，當(dāng)T_Air或者T_Gas為4時(shí)，代表的周期為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)，依此類(lèi)推；以上參數(shù)的取值范圍都是在型號(hào)為JL465Q5天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上獲得。
本實(shí)施例中的怠速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在改裝后的型號(hào)為JL465Q5天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其主要由霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、電控單元ECU、天然氣噴射閥、點(diǎn)火線(xiàn)圈、步進(jìn)電機(jī)等組成。其中霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器位于分電器內(nèi)，負(fù)責(zé)輸出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)類(lèi)型為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)；天然氣噴射閥主要負(fù)責(zé)控制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給；點(diǎn)火線(xiàn)圈負(fù)責(zé)產(chǎn)生混合氣起燃時(shí)所需的高壓電；步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)控制旁通空氣進(jìn)氣量。
為了便于驗(yàn)證雙閉環(huán)控制方法的可行性，用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速雙閉環(huán)試驗(yàn)監(jiān)控軟件，使用該軟件可以對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙閉環(huán)控制。該軟件通過(guò)PC機(jī)與電控單元ECU之間的RS-232串行通訊，可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)修改電控單元ECU中的點(diǎn)火提前角、怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速以及影響天然氣噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量的雙PID控制參數(shù)等參量，便于進(jìn)行各自的PID參數(shù)整定。
當(dāng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，電控單元ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各路傳感器采集到的信號(hào)來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)。若發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況時(shí)，則通過(guò)冷卻水溫度傳感器采集到的信號(hào)，來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下所需要設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過(guò)霍爾傳感器輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并捕捉，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速偏差，當(dāng)偏差的絕對(duì)值不大于5rpm時(shí)，則認(rèn)為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)保持原位靜止不動(dòng)；否則根據(jù)增量式PID控制算法得出較為理想的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作方向也可以通過(guò)增量式PID控制算法得出。其判斷過(guò)程如下當(dāng)計(jì)算出的ΔH_Air為正數(shù)時(shí)，則此時(shí)應(yīng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即應(yīng)加大旁通氣道的空氣進(jìn)氣流通面積，所以應(yīng)控制步進(jìn)電機(jī)的閥椎回縮，具體動(dòng)作的步長(zhǎng)量為ΔH_Air的絕對(duì)值；當(dāng)計(jì)算出的ΔH_Air為負(fù)數(shù)時(shí)，則此時(shí)應(yīng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即應(yīng)減小旁通氣道的空氣進(jìn)氣流通面積，所以應(yīng)控制步進(jìn)電機(jī)的閥椎伸出，具體動(dòng)作的步長(zhǎng)量為ΔH_Air的絕對(duì)值；當(dāng)計(jì)算出的ΔH_Air為零時(shí)，則步進(jìn)電機(jī)保持原位置靜止。與此同時(shí)，天然氣噴射脈寬也隨著轉(zhuǎn)速偏差的變化而實(shí)時(shí)改變，當(dāng)計(jì)算出的ΔH_Gas為正數(shù)時(shí)，則此時(shí)應(yīng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即增大天然氣噴射脈寬；當(dāng)計(jì)算出的ΔH_Gas為負(fù)數(shù)時(shí)，則此時(shí)應(yīng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即減小天然氣噴射脈寬；當(dāng)計(jì)算出的ΔH_Gas為零時(shí)，則保持天然氣噴射脈寬不變。在控制天然氣噴射脈寬的PID算法中，由于天然氣噴射脈寬對(duì)怠速轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量影響較大，因此對(duì)其調(diào)整量進(jìn)行了限制，即當(dāng)計(jì)算出的ΔH_Gas大于20時(shí)，其自動(dòng)取值為20；而天然氣噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量的控制周期相互獨(dú)立，一般而言，天然氣噴射脈寬的控制周期是旁通空氣進(jìn)氣量控制周期的倍數(shù)。
試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)圖2所示的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速雙閉環(huán)試驗(yàn)監(jiān)控界面進(jìn)行控制，其可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)修改影響天然氣噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量各自的PID控制參數(shù)，進(jìn)行不同條件的試驗(yàn)研究，從而尋求出最優(yōu)的PID控制參數(shù)匹配，從而獲得良好的試驗(yàn)效果。通過(guò)此控制的目的就是要使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速逐漸向目標(biāo)轉(zhuǎn)速趨近，并在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近盡可能小的范圍內(nèi)波動(dòng)，從而使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
在此控制策略的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，而怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為1200rpm和850rpm，進(jìn)行了單閉環(huán)和雙閉環(huán)的對(duì)比試驗(yàn)研究。所謂單閉環(huán)就是只對(duì)旁通空氣進(jìn)氣量進(jìn)行PID控制；而雙閉環(huán)是在單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)天然氣噴射脈寬的PID閉環(huán)控制，從而完成對(duì)比試驗(yàn)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法采用了數(shù)理統(tǒng)計(jì)中平均值與均方差的計(jì)算方法。在隨機(jī)變量的數(shù)字特征中，除了考慮其平均值外，還要考慮其取值偏離平均值的平均偏離程度。其公式如下 平均值 均方差 其中，平均值反映了樣本數(shù)據(jù)總體均值的信息，均方差反映了樣本數(shù)據(jù)總體方差的信息。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)可一次性采集900個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)，即發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)450轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速信息，在針對(duì)怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析時(shí)，篩選出900個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中的最大值與最小值，從而獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)工作450轉(zhuǎn)內(nèi)的最大轉(zhuǎn)速偏差，從而進(jìn)行研究分析。
(1)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200rpm 在進(jìn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200rpm的怠速單閉環(huán)控制試驗(yàn)時(shí)，由以往的試驗(yàn)結(jié)果可以得知，當(dāng)控制旁通空氣進(jìn)氣量的比例項(xiàng)系數(shù)Kp_Air為0.09、積分項(xiàng)系數(shù)Ki_Air為0.03、微分項(xiàng)系數(shù)Kd_Air為0.01、控制周期T_Air為發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)工作循環(huán)，而天然氣噴射脈寬為130/4.16ms，點(diǎn)火提前角為28℃A時(shí)，得到的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速是比較穩(wěn)定的。因此，在不改變旁通空氣進(jìn)氣量的PID控制參數(shù)和點(diǎn)火提前角的基礎(chǔ)上，增加對(duì)天然氣噴射脈寬的PID控制，從而得到一系列的試驗(yàn)結(jié)果，具體如圖3和圖4所示。
從圖4中可以得知，在天然氣噴射脈寬取固定值、而只對(duì)旁通空氣進(jìn)氣量進(jìn)行PID控制時(shí)，連續(xù)采集到的900個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)所得出的均方差為13.53rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為85rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為5l.3℃，機(jī)油溫度為51.1℃，轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況如圖3中的D圖所示。在堅(jiān)持旁通空氣進(jìn)氣量的怠速單閉環(huán)控制參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，增加了針對(duì)天然氣噴射脈寬的PID控制，從而進(jìn)行怠速雙閉環(huán)的控制試驗(yàn)。當(dāng)控制天然氣噴射脈寬的比例項(xiàng)系數(shù)Kp_Gas為0.14，積分項(xiàng)系數(shù)Ki_Gas為0.10，微分項(xiàng)系數(shù)Kd_Gas為0.02，控制周期T_Gas為發(fā)動(dòng)機(jī)的16個(gè)工作循環(huán)時(shí)，此時(shí)連續(xù)采集到的900個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)的均方差為8.41rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值為47rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為69.8℃，機(jī)油溫度為67.1℃，具體如圖3中的A圖所示；當(dāng)控制天然氣噴射脈寬的比例項(xiàng)系數(shù)Kp_Gas為0.20，積分項(xiàng)系數(shù)Ki_Gas為0.10，微分項(xiàng)系數(shù)Kd_Gas為0，控制周期T_Gas為發(fā)動(dòng)機(jī)的16個(gè)工作循環(huán)時(shí)，此時(shí)連續(xù)采集到的900個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)的均方差為8.08rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值為47rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為67.1℃，機(jī)油溫度為65.7℃，具體如圖3中的C圖所示；當(dāng)控制天然氣噴射脈寬的比例項(xiàng)系數(shù)Kp_Gas為0.14，積分項(xiàng)系數(shù)Ki_Gas為0.10，微分項(xiàng)系數(shù)Kd_Gas為0.01，控制周期T_Gas為發(fā)動(dòng)機(jī)的16個(gè)工作循環(huán)時(shí)，此時(shí)連續(xù)采集到的900個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)的均方差僅為7.47rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值僅為45rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為46.3℃，機(jī)油溫度為44.1℃，具體如圖3中的B圖所示。
從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200rpm時(shí)，基于天然氣噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量的怠速雙閉環(huán)控制試驗(yàn)效果優(yōu)于怠速單閉環(huán)的控制效果，得到的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量更小，從圖3中的怠速轉(zhuǎn)速變化圖中可以明顯得出此結(jié)論。由此可以的得出，怠速雙閉環(huán)控制在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200rpm時(shí)可以有效地降低天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)量，使其工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。
(2)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為850rpm 在進(jìn)行850rpm的怠速單閉環(huán)控制試驗(yàn)時(shí)，從以往的試驗(yàn)結(jié)果可以得知，當(dāng)控制旁通空氣進(jìn)氣量的比例項(xiàng)系數(shù)Kp_Air為0.09、積分項(xiàng)系數(shù)Ki_Air為0.03、微分項(xiàng)系數(shù)Kd_Air為0.01、控制周期T_Air為發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)工作循環(huán)，而天然氣噴射脈寬為110/3.52ms，點(diǎn)火提前角為28℃A時(shí)，得到的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速是比較穩(wěn)定的。因此，在不改變旁通空氣進(jìn)氣量的PID控制參數(shù)和點(diǎn)火提前角的基礎(chǔ)上，增加對(duì)天然氣噴射脈寬的PID控制，從而得到一系列的試驗(yàn)結(jié)果，具體如圖5和圖6所示。從圖6中可以得知，在天然氣噴射脈寬取固定值、而只對(duì)旁通空氣進(jìn)氣量進(jìn)行PID控制時(shí)，進(jìn)行了兩組轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集。其中一組試驗(yàn)結(jié)果為連續(xù)采集到的900個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)所得出的均方差為8.16rpm，最大轉(zhuǎn)速差值分別為47rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為71.4℃，機(jī)油溫度為65.2℃，轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況如圖5中的E圖所示；另外一組所得到的轉(zhuǎn)速均方差為8.63rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為50rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為75℃，機(jī)油溫度為67.7℃，轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況如圖5中的F圖所示，從這兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)量較小，控制效果較理想。在堅(jiān)持旁通空氣進(jìn)氣量的怠速單閉環(huán)控制參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，增加了針對(duì)天然氣噴射脈寬的PID控制，從而進(jìn)行怠速雙閉環(huán)的控制試驗(yàn)?？刂铺烊粴鈬娚涿}寬的比例項(xiàng)系數(shù)Kp_Gas為0.15，積分項(xiàng)系數(shù)Ki_Gas為0.08，微分項(xiàng)系數(shù)Kd_Gas為0，控制周期T_Gas為發(fā)動(dòng)機(jī)的16個(gè)工作循環(huán)時(shí)，采集了一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中挑選出四組數(shù)據(jù)以供分析。第一組數(shù)據(jù)連續(xù)采集到的900個(gè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)的均方差為7.69rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值僅為40rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為75.4℃，機(jī)油溫度為68.9℃，具體如圖5中的A圖所示；第二組數(shù)據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)均方差為8.17rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為43rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為77.1℃，機(jī)油溫度為70.1℃，具體如圖5中的B圖所示；第三組數(shù)據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)均方差為8.29rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為44rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為79.9℃，機(jī)油溫度為71.4℃，具體如圖5中的C圖所示；第四組數(shù)據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)均方差為7.91rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為42rpm，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為81.1℃，機(jī)油溫度為78.6℃，具體如圖5中的D圖所示。比較目標(biāo)轉(zhuǎn)速為850rpm的單閉環(huán)與雙閉環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，雙閉環(huán)的怠速轉(zhuǎn)速的控制效果整體而言略?xún)?yōu)于單閉環(huán)的控制效果，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量較小，運(yùn)轉(zhuǎn)更加平順，工作噪音較小。
綜上所述，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速分別取值為1200rpm和850rpm時(shí)，從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，怠速雙閉環(huán)控制方法能夠使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更好的怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，此控制方法較單閉環(huán)更優(yōu)。
權(quán)利要求
1、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入到電控單元ECU中，然后進(jìn)行捕捉和計(jì)算，得出當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)速偏差；其特征在于根據(jù)閉環(huán)控制方法分別計(jì)算出氣體燃料噴射脈寬的總變化量和控制旁通空氣進(jìn)氣量的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)的變化量，從而得出下一個(gè)工況點(diǎn)所需的氣體燃料噴射脈寬和步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)，完成對(duì)轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，其特征在于所述的氣體燃料噴射脈寬的閉環(huán)控制方法如下
先根據(jù)以下公式計(jì)算出氣體燃料噴射脈寬總變化量ΔH_Gas
ΔHp_Gas＝Kp_Gas×[en-en-1]
Δi_Gas＝Ki_Gas×en
ΔHd_Gas＝Kd_Gas×[en-2×en-1+en-2]
ΔH_Gas＝ΔHp_Gas+ΔHi_Gas+ΔHd_Gas
上式中en＝m-n
m為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速
n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速
en為本次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差
en-1為上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差
en-2為上上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差
Kp_Gas為比例項(xiàng)系數(shù)
Ki_Gas為積分項(xiàng)系數(shù)
Kd_Gas為微分項(xiàng)系數(shù)
ΔHp_Gas為比例項(xiàng)所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量
ΔHi_Gas為積分項(xiàng)所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量
ΔHd_Gas為微分項(xiàng)所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量
ΔH_Gas為氣體燃料噴射脈寬總變化量
再根據(jù)氣體燃料噴射脈寬總變化量ΔH_Gas控制下一個(gè)工況點(diǎn)所需的氣體燃料噴射脈寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，其特征在于所述的旁通空氣進(jìn)氣量的閉環(huán)控制方法如下
先根據(jù)以下公式計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)總變化量ΔH_Air
ΔHp_Air＝Kp_Air×[en-en-1]
ΔHi_Air＝Ki_Air×en
ΔHd_Air＝Kd_Air×[en-2×en-1+en-2]
ΔH_Air＝ΔHp_Air+ΔHi_Air+ΔHd_Air
上式中en＝m-n
m為怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速
n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速
en為本次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差
en-1為上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差
en-2為上上次目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差。
Kp_Air為比例項(xiàng)系數(shù)
Ki_Air為積分項(xiàng)系數(shù)
Kd_Air為微分項(xiàng)系數(shù)
ΔHp_Air為比例項(xiàng)所引起的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)量變化
ΔHi_Air為積分項(xiàng)所引起的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)量變化
ΔHd_Air為微分項(xiàng)所引起的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)量變化
ΔH_Air為步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)總變化量
再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作步長(zhǎng)總變化量ΔH_Air控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，其特征在于所述的氣體燃料為天然氣或LPG或氫氣。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于實(shí)現(xiàn)車(chē)用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的控制方法，屬于內(nèi)燃機(jī)電子控制領(lǐng)域。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下需要在較為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，而且怠速轉(zhuǎn)速要盡可能低，從而可以降低燃料消耗；但是過(guò)低的怠速轉(zhuǎn)速，容易使發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)生較嚴(yán)重的抖動(dòng)。本發(fā)明以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，采用雙閉環(huán)控制算法，即對(duì)天然氣噴射脈寬和旁通空氣進(jìn)氣量分別采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，通過(guò)怠速雙閉環(huán)試驗(yàn)監(jiān)控軟件對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而尋求出最優(yōu)的PID參數(shù)匹配，從而獲得穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速，使天然氣汽車(chē)在怠速工況下提供舒適的駕車(chē)環(huán)境。
文檔編號(hào)F02D41/16GK101532441SQ20091008175
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者張紅光, 軼 鄭, 凱 劉, 白明蕊 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)