CN109406151A - 发动机台架试验用排气背压自动调节方法及其调节*** - Google Patents

发动机台架试验用排气背压自动调节方法及其调节*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了发动机台架试验用排气背压自动调节方法及其调节***。现有调节发动机台架排气背压传统的方法精度低。本发明中排气压力传感器反馈发动机的排气背压给模糊自适应PID控制器；测功机反馈发动机转速和负荷给模糊自适应PID控制器；电动节流阀固定在排气管靠近输出端位置，涡流风机的进风口连接排气管的输出口，模糊自适应PID控制器控制电动节流阀的开度大小以及涡流风机的启停与转速大小。本发明通过控制器对电动节流阀开度及涡流风机转速的调整，实现发动机台架试验排气背压的精确控制，不仅可用于模拟整车***的排气背压，提高台架试验的准确性与可靠性，同时可用于研究不同排气背压对发动机各项性能的影响。

Description

发动机台架试验用排气背压自动调节方法及其调节***
技术领域
本发明属于发动机工程应用领域，具体涉及一种发动机台架试验用排气背压自动调节方法及其调节***，通过控制器对电动节流阀开度及涡流风机转速的调整，实现发动机台架试验排气背压的精确控制，不仅可用于模拟整车***的排气背压，提高台架试验的准确性与可靠性，同时可用于研究不同排气背压对发动机各项性能的影响。
背景技术
在发动机排气***的开发过程中，排气背压对发动机经济性、动力性以及声音品质有着重要影响，是开发设计过程中衡量发动机性能的重要指标之一。排气背压过大，会导致泵气损失增加，发动机燃烧效率下降，输出功率降低，燃油经济性恶化；排气背压过小，会导致排气***开发成本增大，声品质变差。因此，合理的排气背压对发动机的性能至关重要。
发动机设计过程中需要测试不同的排气背压对发动机各项性能的影响。此类测试一般均在发动机台架上进行，但由于发动机台架试验室空间的局限性，在进行排气背压测试时无法按照整车布置方案布置排气***零部件，因此台架试验测得的排气背压会与整车实际的排气背压不同，不能保证排气背压的准确性和有效性，为此，需要为发动机台架的排气***安装排气背压调节装置，满足排气背压在测试过程中的要求。
目前，调节发动机台架排气背压传统的方法是在发动机台架的排气管中安装调节阀门，通过调节阀门的开度控制废气通过排气管的流通面积，进而调节排气背压。该方法多是通过手动调节，存在控制精度低、反馈时间长等缺点，同时，该方法调节范围较窄，若节流阀全开，而实测排气背压仍大于期望背压，将无法通过该方法进行有效调节。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种可以快速、精确地调节发动机台架试验排气背压的***及方法，不仅可用于准确模拟整车***排气背压，提高台架试验的准确性和可靠性，更好地满足发动机的开发要求，同时可用于研究排气背压对发动机各项性能的影响。
本发明发动机台架试验用排气背压自动调节方法，具体如下：
第一步：在模糊自适应PID控制器中导入期望排气背压MAP图；电动节流阀开度初始值为90°，涡流风机转速初始值为0r/min，启动发动机台架试验机。其中，电动节流阀开度为0°时，电动节流阀关闭；电动节流阀开度为90°时，电动节流阀全开。
第二步：模糊自适应PID控制器从测功机中采集发动机的工况参数在工况i＝1的值，工况参数包括转速和负荷，并根据转速和负荷通过查找期望排气背压MAP图找到工况i下的期望排气背压Psi。然后，模糊自适应PID控制器从排气压力传感器中采集发动机在工况i下的台架试验排气背压Pfi，从而求出背压差值ΔPi＝Pfi-Psi。若ΔPi＞0，则模糊自适应PID控制器控制涡流风机启动将排气管内的气体抽出，从而使排气管内的气压降低，直到Pfi＝Psi；若ΔPi＜0，则模糊自适应PID控制器控制电动节流阀减小开度，从而增加排气管内的气压，直到Pfi＝Psi；若ΔPi＝0，则直接进入第三步。
第三步：调整发动机的工况参数，i增大1，此时，模糊自适应PID控制器从测功机中重新采集发动机的工况参数，并根据转速和负荷通过查找期望排气背压MAP图找到工况i下的期望排气背压Psi；然后，模糊自适应PID控制器从排气压力传感器中采集工况i下的台架试验排气背压Pfi，从而求出背压差值ΔPi＝Pfi-Psi。
接着，根据ΔPi及工况i-1调整完成后电动节流阀开度与涡流风机转速ni-1，对工况i的电动节流阀开度及涡流风机转速进行调节，具体如下：
当ΔPi＞0时，若且ni-1≥0r/min，则模糊自适应PID控制器通过增大涡流风机转速的方式，降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；若且ni-1＝0r/min，则模糊自适应PID控制器通过增大电动节流阀开度的方式，降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi，此时若电动节流阀全开时，实际排气背压仍大于Psi，则模糊自适应PID控制器通过开启涡流风机，增大涡流风机转速的方式来降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；
当ΔPi＜0时，若且ni-1>0r/min，则模糊自适应PID控制器通过降低涡流风机转速的方式，增大台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi，此时若涡流风机转速降低为零，而台架试验排气背压Pfi仍小于Psi，则模糊自适应PID控制器通过减小电动节流阀开度的方式来增加台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；若且ni-1＝0r/min，则模糊自适应PID控制器通过减小电动节流阀开度的方式，增加台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；
当ΔPi＝0，进入第四步。
第四步：重复第三步，直到完成所有需要测试的工况。
本发明发动机台架试验用排气背压自动调节***，包括测功机、排气压力传感器、电动节流阀、涡流风机和模糊自适应PID控制器。所述的排气压力传感器通过螺纹连接固定在发动机的排气管输入端；排气压力传感器测量发动机的排气背压，并将测量数据反馈给模糊自适应PID控制器。所述的测功机与发动机的输出轴通过联轴器连接，将测量得到的发动机转速和负荷反馈给模糊自适应PID控制器。所述的电动节流阀固定在排气管靠近输出端位置，模糊自适应PID控制器控制电动节流阀的开度大小；涡流风机的进风口连接排气管的输出口，模糊自适应PID控制器控制涡流风机的启停与转速大小。
所述的模糊自适应PID控制器由模糊推理模块和常规PID控制器组成，台架试验的实际排气背压与期望排气背压的压差e以及压差的变化率de/dt为模糊推理模块的输入变量，压差e为常规PID控制器的输入变量；其中，由排气压力传感器测得排气管中台架试验的实际排气背压反馈给模糊自适应PID控制器；期望排气背压由模糊自适应PID控制器查找期望排气背压MAP图得到；两个模糊自适应PID控制器分别用于调节电动节流阀和涡流风机；在电动节流阀调节中，模糊推理模块输出PID增益调整量ΔKp、ΔKi、ΔKd给常规PID控制器，最终常规PID控制器计算得到输出控制量u(k)给电动节流阀，u(k)为电动节流阀开度调节值，其中ΔKp、ΔKi、ΔKd分别为比例、积分和微分增益；在涡流风机调节中，模糊推理模块输出PID增益调整量ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d给常规PID控制器，最终常规PID控制器计算得到输出控制量u′(k)给涡流风机，u′(k)为涡流风机转速调节值，其中ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d分别为比例、积分和微分增益。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明同时采用电动节流阀与涡流风机两种方式对排气背压进行调节，其中，电动节流阀主要用于增大排气背压，涡流风机主要用于减小排气背压，该***排气背压调节范围较传统方式更为宽广。
(2)本发明适用性广，通过对控制器中预期排气背压MAP图的修改，不仅可用来模拟各种不同型号整车***的排气背压，而且可用来研究排气背压对发动机性能的影响。
(3)本发明采用模糊自适应PID控制器对电动节流阀和涡轮风机进行控制，能有效保证控制的精度与稳定性。
附图说明
图1为本发明发动机台架试验用排气背压自动调节***的结构示意图；
图2为本发明发动机台架试验用排气背压自动调节***的控制原理图；
图3为本发明调节方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步说明
如图1所示，发动机台架试验用排气背压自动调节***，包括测功机1、排气压力传感器3、电动节流阀4、涡流风机6和模糊自适应PID控制器5。排气压力传感器3通过螺纹连接固定在发动机2的排气管7输入端，既能保证排气管的密封性又能保证数据测量的准确性；排气压力传感器3测量发动机的排气背压，并将测量数据反馈给模糊自适应PID控制器5。测功机1与发动机2的输出轴通过联轴器连接，将测量得到的发动机转速和负荷反馈给模糊自适应PID控制器5。电动节流阀4固定在排气管7靠近输出端位置，模糊自适应PID控制器5控制电动节流阀4的开度大小；涡流风机6的进风口连接排气管7的输出口，模糊自适应PID控制器5控制涡流风机的启停与转速大小，对排气管进行抽气，从而调整排气背压的大小。模糊自适应PID控制器5的模糊控制特别适合于时滞性、非线性以及动态性强的控制***，能够实现参数在线自适应调整，更好地适应装置工况和参数的变化，提高***的鲁棒性和控制精度。测试时，通过发动机台架试验机的燃料供给***为发动机提供燃料，空气经空滤(空气滤清器)进入进气增压***，为发动机提供氧气。
如图3所示，该发动机台架试验用排气背压自动调节***的调节方法，具体如下：
第一步：在模糊自适应PID控制器中导入期望排气背压MAP图；电动节流阀开度初始值为90°，涡流风机转速初始值为0r/min，启动发动机台架试验机。其中，电动节流阀开度为0°时，电动节流阀关闭；电动节流阀开度为90°时，电动节流阀全开。
第二步：模糊自适应PID控制器从测功机中采集发动机的工况参数在工况i＝1的值，工况参数包括转速和负荷，并根据转速和负荷通过查找期望排气背压MAP图找到工况i下的期望排气背压Psi。然后，模糊自适应PID控制器从排气压力传感器中采集发动机在工况i下的台架试验排气背压Pfi，从而求出背压差值ΔPi＝Pfi-Psi。若ΔPi＞0，则模糊自适应PID控制器控制涡流风机启动将排气管内的气体抽出，从而使排气管内的气压降低，直到Pfi＝Psi；若ΔPi＜0，则模糊自适应PID控制器控制电动节流阀减小开度，从而增加排气管内的气压，直到Pfi＝Psi；若ΔPi＝0，则直接进入第三步。
第三步：调整发动机的工况参数，i增大1，此时，模糊自适应PID控制器从测功机中重新采集发动机的工况参数，并根据转速和负荷通过查找期望排气背压MAP图找到工况i下的期望排气背压Psi；然后，模糊自适应PID控制器从排气压力传感器中采集工况i下的台架试验排气背压Pfi，从而求出背压差值ΔPi＝Pfi-Psi。
接着，根据ΔPi及工况i-1调整完成后电动节流阀开度与涡流风机转速ni-1，对工况i的电动节流阀开度及涡流风机转速进行调节，具体如下：
当ΔPi＞0时，若且ni-1≥0r/min，则模糊自适应PID控制器通过增大涡流风机转速的方式，降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；若且ni-1＝0r/min，则模糊自适应PID控制器通过增大电动节流阀开度的方式，降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi，此时若电动节流阀全开时，实际排气背压仍大于Psi，则模糊自适应PID控制器通过开启涡流风机，增大涡流风机转速的方式来降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；
当ΔPi＜0时，若且ni-1>0r/min，则模糊自适应PID控制器通过降低涡流风机转速的方式，增大台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi，此时若涡流风机转速降低为零，而台架试验排气背压Pfi仍小于Psi，则模糊自适应PID控制器通过减小电动节流阀开度的方式来增加台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；若且ni-1＝0r/min，则模糊自适应PID控制器通过减小电动节流阀开度的方式，增加台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；
当ΔPi＝0，进入第四步。
第四步：重复第三步，直到完成所有需要测试的工况。
如图2所示，模糊自适应PID控制器由模糊推理模块和常规PID控制器组成，台架试验的实际排气背压与期望排气背压的压差e以及压差的变化率de/dt为模糊推理模块的输入变量，压差e为常规PID控制器的输入变量；其中，由排气压力传感器测得排气管中台架试验的实际排气背压反馈给模糊自适应PID控制器5；期望排气背压由模糊自适应PID控制器查找期望排气背压MAP图得到；两个模糊自适应PID控制器分别用于调节电动节流阀和涡流风机；在电动节流阀调节中，模糊推理模块输出PID增益调整量ΔKp、ΔKi、ΔKd给常规PID控制器，最终常规PID控制器计算得到输出控制量u(k)给电动节流阀，u(k)为电动节流阀开度调节值，其中ΔKp、ΔKi、ΔKd分别为比例、积分和微分增益；在涡流风机调节中，模糊推理模块输出PID增益调整量ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d给常规PID控制器，最终常规PID控制器计算得到输出控制量u′(k)给涡流风机，u′(k)为涡流风机转速调节值，其中ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d分别为比例、积分和微分增益。
在电动节流阀调节过程中模糊自适应PID控制器的输出控制量为：
u(k)＝(a1×ΔKp)e+(a2×ΔKi)∫edt+(a3×ΔKd)×de/dt
式中：a1、a2、a3分别为ΔKp、ΔKi、ΔKd的调整增益。
在涡流风机调节过程中模糊自适应PID控制器的输出控制量为：
u′(k)＝(a1′×ΔK′p)e+(a2′×ΔK′i)∫edt+(a3′×ΔK′d)×de/dt
式中：a1′、a2′、a3′分别为ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d的调整增益。
本发明中，需采用两组模糊自适应PID控制器分别控制电动节流阀和涡流风机，因此，根据电动节流阀和涡流风机的特性，选取两组控制器的具体参数。
经过模糊推理得出的输出控制量是模糊集合，无法被执行机构识别和执行，因此需要将模糊值变为清晰值，这个过程称为解模糊，本发明选用重心法作为解模糊的方法。

Claims (3)

1.发动机台架试验用排气背压自动调节方法，其特征在于：该方法具体如下：
第一步：在模糊自适应PID控制器中导入期望排气背压MAP图；电动节流阀开度初始值为90°，涡流风机转速初始值为0r/min，启动发动机台架试验机；其中，电动节流阀开度为0°时，电动节流阀关闭；电动节流阀开度为90°时，电动节流阀全开；
第二步：模糊自适应PID控制器从测功机中采集发动机的工况参数在工况i＝1的值，工况参数包括转速和负荷，并根据转速和负荷通过查找期望排气背压MAP图找到工况i下的期望排气背压Psi；然后，模糊自适应PID控制器从排气压力传感器中采集发动机在工况i下的台架试验排气背压Pfi，从而求出背压差值ΔPi＝Pfi-Psi；若ΔPi＞0，则模糊自适应PID控制器控制涡流风机启动将排气管内的气体抽出，从而使排气管内的气压降低，直到Pfi＝Psi；若ΔPi＜0，则模糊自适应PID控制器控制电动节流阀减小开度，从而增加排气管内的气压，直到Pfi＝Psi；若ΔPi＝0，则直接进入第三步；
第三步：调整发动机的工况参数，i增大1，此时，模糊自适应PID控制器从测功机中重新采集发动机的工况参数，并根据转速和负荷通过查找期望排气背压MAP图找到工况i下的期望排气背压Psi；然后，模糊自适应PID控制器从排气压力传感器中采集工况i下的台架试验排气背压Pfi，从而求出背压差值ΔPi＝Pfi-Psi；
接着，根据ΔPi及工况i-1调整完成后电动节流阀开度与涡流风机转速ni-1，对工况i的电动节流阀开度及涡流风机转速进行调节，具体如下：
当ΔPi＞0时，若且ni-1≥0r/min，则模糊自适应PID控制器通过增大涡流风机转速的方式，降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；若且ni-1＝0r/min，则模糊自适应PID控制器通过增大电动节流阀开度的方式，降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi，此时若电动节流阀全开时，实际排气背压仍大于Psi，则模糊自适应PID控制器通过开启涡流风机，增大涡流风机转速的方式来降低台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；
当ΔPi＜0时，若且ni-1>0r/min，则模糊自适应PID控制器通过降低涡流风机转速的方式，增大台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi，此时若涡流风机转速降低为零，而台架试验排气背压Pfi仍小于Psi，则模糊自适应PID控制器通过减小电动节流阀开度的方式来增加台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；若且ni-1＝0r/min，则模糊自适应PID控制器通过减小电动节流阀开度的方式，增加台架试验排气背压Pfi，直至Pfi＝Psi；
当ΔPi＝0，进入第四步；
第四步：重复第三步，直到完成所有需要测试的工况。
2.发动机台架试验用排气背压自动调节***，其特征在于：包括测功机、排气压力传感器、电动节流阀、涡流风机和模糊自适应PID控制器；所述的排气压力传感器通过螺纹连接固定在发动机的排气管输入端；排气压力传感器测量发动机的排气背压，并将测量数据反馈给模糊自适应PID控制器；所述的测功机与发动机的输出轴通过联轴器连接，将测量得到的发动机转速和负荷反馈给模糊自适应PID控制器；所述的电动节流阀固定在排气管靠近输出端位置，模糊自适应PID控制器控制电动节流阀的开度大小；涡流风机的进风口连接排气管的输出口，模糊自适应PID控制器控制涡流风机的启停与转速大小。
3.根据权利要求2所述的发动机台架试验用排气背压自动调节***，其特征在于：所述的模糊自适应PID控制器由模糊推理模块和常规PID控制器组成，台架试验的实际排气背压与期望排气背压的压差e以及压差的变化率de/dt为模糊推理模块的输入变量，压差e为常规PID控制器的输入变量；其中，由排气压力传感器测得排气管中台架试验的实际排气背压反馈给模糊自适应PID控制器；期望排气背压由模糊自适应PID控制器查找期望排气背压MAP图得到；两个模糊自适应PID控制器分别用于调节电动节流阀和涡流风机；在电动节流阀调节中，模糊推理模块输出PID增益调整量ΔKp、ΔKi、ΔKd给常规PID控制器，最终常规PID控制器计算得到输出控制量u(k)给电动节流阀，u(k)为电动节流阀开度调节值，其中ΔKp、ΔKi、ΔKd分别为比例、积分和微分增益；在涡流风机调节中，模糊推理模块输出PID增益调整量ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d给常规PID控制器，最终常规PID控制器计算得到输出控制量u′(k)给涡流风机，u′(k)为涡流风机转速调节值，其中ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d分别为比例、积分和微分增益。
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