CN107387249B - 一种用于大功率燃气发动机瞬态空燃比控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于大功率燃气发动机瞬态空燃比控制的方法，包括以下步骤：1)构建大功率燃气发动机瞬态空燃比控制***；2)前馈补偿控制器输出燃气补偿量；3)基本燃气量获取模块以目标空燃比和每缸每循环空气量为输入，输出基本燃气量；4)基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器通过设置比例增益、积分增益和微分增益，以实际空燃比和目标空燃比为输入，计算并输出PID控制器修正燃气量；5)所述的前馈补偿控制器、基本燃气量获取模块和基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器的输出累加后经过限幅器输出到实际燃气量输出模块，最终输出实际燃气量。与现有技术相比，本发明具有快速响应、实用性好、效率高等优点。

Description

一种用于大功率燃气发动机瞬态空燃比控制的方法
技术领域
本发明涉及发动机闭环空燃比控制领域，尤其是涉及一种用于大功率燃气发动机瞬态空燃比控制的方法。
背景技术
近年来，环境污染加剧，汽车尾气的排放也成为环境污染的罪魁祸首之一，天然气作为一种清洁的能源随之也被人们所认可和使用，燃气发动机也得到了广泛的普及和发展。随着发动机效率和排放控制法规日趋严格，在保证天然气发动机动力性和经济性的前提下，降低有害气体排放是天然气发动机开发的主要研究方向之一。鉴于发动机的排放性能是通过发动机实时空燃比反应的；因此，对空燃比的实时精确控制显得尤为重要。
在发动机运行过程中，由于天然气与空气混合，废气排放和传感器信号反馈等过程，需要花费一定的时间。因此发动机空燃比控制***是一个具有时间延迟的过程。发动机在瞬态工况时，如果控制器不能尽快地获得当前的混合气的浓稀状态，发动机就不能进行正常的运行。目前的燃气发动机主要是用于一些小功率的采用单点喷射的汽车或者大功率的发电机，其主要原因即燃气发动机在瞬态工况下，空燃比闭环控制策略不完善，使得混合气浓稀状况不稳定，导致发动机不能稳定工作。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速响应、实用性好、效率高的用于大功率燃气发动机瞬态空燃比控制的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于大功率燃气发动机瞬态空燃比控制的方法，包括以下步骤：
1)构建大功率燃气发动机瞬态空燃比控制***，该***包括前馈补偿控制器、基本燃气量获取模块、基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器以及实际燃气量输出模块；
2)前馈补偿控制器以节气门开度变化量ΔTPS和转速的变化量Δrpm作为输入进行去模糊化加权平均，输出燃气补偿量；
3)基本燃气量获取模块以目标空燃比和每缸每循环空气量为输入，输出基本燃气量；
4)基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器通过设置比例增益、积分增益和微分增益，以实际空燃比和目标空燃比为输入，计算并输出PID控制器修正燃气量；
5)所述的前馈补偿控制器、基本燃气量获取模块和基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器的输出累加后经过限幅器输出到实际燃气量输出模块，最终输出实际燃气量。
所述的前馈补偿控制器中，去模糊化加权平均的计算式为：
Figure BDA0001326467330000021
其中，u(Zk)是以输入量ΔTPS和Δrpm为条件得到的瞬态燃气补偿量，Zk是获得的第k个燃气补偿量Fuel_Compensation域内的中值。
所述的基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器的燃气量增益算法的计算式为：
Figure BDA0001326467330000022
其中，PID_fuel为输出的修正燃气量，Kp、Ki、Kd分别为比例增益、积分增益和微分增益，Ts为增量模块的采样时间，Ti为增量模块的积分时间，Td为积分器、和微分器的采样时间，η为混合气 的浓稀状态因子，ΔAFR为空燃比动态变化的差值。
所述的基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器中，微分增益Kd取值为0。
所述的步骤1)中，通过MATLAB/Simulink软件模块化构建大功率燃气发动机瞬态空燃比控制***。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、快速响应：对于混合气浓度的反馈延时，本发明提出了一种前馈控制器，能够根据节气门开度变化ΔTPS和转速的变化量Δrpm来确保应对发动机运行状况的快速响应，从而准确地增减补偿燃气量，使得实际空燃比能够在目标空燃比附***滑地波动，因此，使发动机工作更加稳定。
二、实用性好：本发明在空燃比闭环控制过程中加入基于宽域氧传感器的自适应学习PID反馈控制器，通过调节比例积分微分的增益系数能够更迅速准确地对燃气量进行调节，本发明可以很好的适用于各种大功率燃气发动机的控制过程中，具有很好的实用性。
三、效率高：本发明采用基于模型的设计(Model-Based Design)进行空燃比闭环控制策略开发，MATLAB/Simulink软件进行搭建模块化的控制策略，可读性强，且方便易于改写，利用MATLAB/Simulink软件可直接生成c代码和a2l文件等，减少了流程开发的时间，提高了工作效率。
附图说明
图1所示为本发明燃气发动机空燃比闭环控制的流程图。
图2所示为本发明空燃比闭环控制策略模型图。
图3所示为本发明前馈控制器模型图。
图4所示为本发明自适应学习PID反馈控制器模型图。
图5所示为本发明反应混合气浓稀状态的空燃比动态变化曲线图。
图中标记说明：
1、前馈补偿控制器，2、基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器，3、基本燃气量获取模块，4、实际燃气量，5、发动机转速rpm，6、节气门开度TPS，7、实际空燃比AFR，8、目标空燃比AFR_sp，9、每缸每循环空气量MAF_cyl，10、比例增益，11、积分增益，12、微分增益，13、前馈控制补偿燃气量，14、目标空燃比与实际空燃比的差值，15、混合气 的浓稀状态因子η，16、积分、微分采样时间，17基本燃气量，18、比例增益算法模块，19、积分模块，20、微分模块，21、 PID控制器修正燃气量，22、限幅器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1空燃比闭环控制流程图和图2空燃比闭环控制策略模型所示，本发明提供一种用于控制大功率燃气发动机瞬态空燃比的方法，该方法对应的控制***由三个燃气量计算控制器组成：
构建前馈补偿控制器1；
基于宽域氧传感器的自适应学习PID反馈控制器2；
基本燃气量获取模块3；
构建前馈补偿控制器1具体表述如下，
1、构建前馈补偿控制器1能够根据节气门开度6的变化量ΔTPS和转速5的变化量Δrpm来确保应对发动机运行状况的快速响应，从而准确地增加或减少前馈控制补偿燃气量13，使得实际空燃比7能够在目标空燃比8附***滑地波动。
2、在发动机闭环控制策略中，如图3所示，图为采用Simulink软件搭建的前馈控制策略，对燃气进行修正补偿。
ΔTPS和Δrpm是前馈控制器1的输入变量，描述如表1所示，ΔTPS＝TPS(t)- TPS(t-1),Δrpm＝rpm(t)-rpm(t-1)；
表1控制器燃料补偿
Figure BDA0001326467330000041
控制器的输入变量ΔTPS分为5类，表示如下：负值且大Negative Large:NL,负值且小Negative Small:NS,零Zero:Z,正值且小Positive Small:PS,正值且大 PositiveLarge:PL。
输入变量Δrpm表示如下：Zero:Z,Small:S,Medium:M,Large:L。
控制器的输出变量Fuel_Compensation分为七类，表示如下：负值且大NegativeLarge:NL,负值中等Negative Medium:NM,负值且小Negative Small:NS,零Zero:Z, 正值且小Positive Small:PS,正值中等Positive Medium:PM,正值且大Positive Large:PL。
对ΔTPS和Δrpm的实际值进行去模糊化加权平均计算，可以得到更加准确的输出燃气补偿变量13。其公式如下所示，
Figure BDA0001326467330000051
其中，u(Zk)是以输入量ΔTPS和Δrpm为条件得到的，Zk是获得的每一个燃气补偿量13(Fuel_Compensation)域内的中值。
基于宽域氧传感器的自适应学习PID反馈控制器2具体表述如下，
1、宽域氧传感器实时传输的实际空燃比7(AFR)与目标空燃比8(AFR_sp) 的差值被用来作为PID控制器的输入变量。
2、如图4所示，图为采用Simulink软件搭建的空燃比闭环控制策略中混合气 的浓稀状态因子η15(Integral_factor)部分是对混合气浓稀状态的动态反应。
3、如图5所示，AFR的动态变化曲线获取可以清楚地观测到，随着|AFR|的增加，实际的空燃比7(AFR)正在改变偏离的方向，所以偏差需要由PID反馈控制器2进行比例积分微分控制，把实际空燃比7表示为AFR，其动态变化的差值表示为ΔAFR，把AFR的动态变化曲线分成了AB，BC，CD和DE四种不同的变化过程。这四个过程可以分别得出其动态变化状态如下：
Figure BDA0001326467330000052
4、本发明中PID控制器燃气修正量的增量算法如下所示：
Figure BDA0001326467330000053
其中，PID_fuel：PID控制器的修正燃气量21；
Kp，Ki，Kd：比例增益10，积分增益11，微分增益12；
混合气 的浓稀状态因子
Figure BDA0001326467330000054
Ts：增量模块18的采样时间；
Ti：增量模块18的积分时间；
Td：积分器19、微分器20的采样时间16。
5、PID控制器的增量算法中加入微分模块20使得燃气量变动过于讯速，因此我们通常不使用PID控制器中的微分控制模块20部分，即令Kd＝0；也可改变微分器的采样时间Td来调节微分器的变动速率。
基本燃气量获取模块3，根据速度密度法计算得到的空气量9和目标空燃比8 作为输入量直接计算获得基本燃气量17。
本发明通过对前馈控制器1燃气补偿量13、PID反馈控制器2燃气修正量21 和基本燃气量17的累加，得出实际燃气量4。
本发明采用基于模型的设计(Model-Based Design)进行空燃比闭环控制策略开发，本发明所述的空燃比闭环控制策略采用MATLAB/Simulink软件进行模块化搭建，Simulink软件在编译过程中，可直接将模块化的控制策略生成c代码以及 a2l文件等，然后将代码通过专用软件下载进发动机ECU，此发明可方便的对发动机闭环空燃比进行方便的控制，该发明可应用与大功率燃气发动机的瞬态控制工况，对该工况下的燃气量进行准确的调节控制。

Claims (1)

1.一种用于大功率燃气发动机瞬态空燃比控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过MATLAB/Simulink软件模块化构建大功率燃气发动机瞬态空燃比控制***，该***包括前馈补偿控制器(1)、基本燃气量获取模块(3)、基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器(2)以及实际燃气量输出模块(4)；
2)前馈补偿控制器(1)以节气门开度变化量ΔTPS和转速的变化量Δrpm作为输入进行去模糊化加权平均，输出燃气补偿量，所述的前馈补偿控制器(1)中，去模糊化加权平均的计算式为：
Figure FDA0002356711200000011
其中，u(Zk)是以输入量ΔTPS和Δrpm为条件得到的瞬态燃气补偿量，Zk是获得的第k个燃气补偿量Fuel_Compensation域内的中值；
3)基本燃气量获取模块(3)以目标空燃比和每缸每循环空气量为输入，输出基本燃气量；
4)基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器(2)通过设置比例增益、积分增益和微分增益，以实际空燃比和目标空燃比为输入，计算并输出PID控制器修正燃气量，所述的基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器(2)的燃气量增益算法的计算式为：
Figure FDA0002356711200000012
其中，PID_fuel为输出的修正燃气量，Kp、Ki、Kd分别为比例增益、积分增益和微分增益，Ts为增量模块的采样时间，Ti为增量模块的积分时间，Td为积分器、和微分器的采样时间，η为混合气 的浓稀状态因子，ΔAFR为空燃比动态变化的差值，微分增益Kd取值为0；
5)所述的前馈补偿控制器(1)、基本燃气量获取模块(3)和基于宽域氧传感器的自适应PID反馈控制器(2)的输出累加后经过限幅器(22)输出到实际燃气量输出模块(4)，最终输出实际燃气量。
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