电喷发动机过渡工况空燃比鲁棒控制研究(2)

　　 当确定空燃比控制系统模型参数的变化范围之
　　后,利用式(7)和式(8)即可进行最优H∞鲁棒控制
　　器的设计。本文中的电喷发动机空燃比控制系统模型
　　中含有一时间迟滞非线性环节,在此,采用时间滞后
　　函数的pade近似和闭环系统的近似分布,将其近似
　　为线性系统来处理。Td的标称值为0.03165,编写
　　MATLAB程序可直接求得近似的时间迟滞环节G2(s)
　　为:
　　 (9)
　　Tc的标称值为0.20,H为0.1s,则可以计算出空燃比控制系统的标称对象模型G(s)为: (10)
　　标称对象模型状态方程的系数矩阵为:
　　 (11)
　　把式(7)、式(8)和式(11)代入式(5)得到
　　了增广对象模型,在此基础上对式(6)进行迭代计
　　算,经过14代的迭代计算后,可以求解出最优H∞控制
　　器Gc(s)为:
　　3 仿真模型的建立
　　3.1 基于GT-Power的电喷发动机仿真模型
　　本文选用国内某厂家生产的一款电喷汽油机为仿真研究对象,根据其物理模型及相关参数,采用面向对象的GT-Power仿真软件,从物理模型出发建立了电喷发动机仿真模型,如图4所示。整个模型包括:进气管、气缸、曲轴箱、排气管以及Matlab/Simulink空燃比控制模块等。
　　图4电喷汽油机仿真模型
　　F ig.4 electronic fuel injection engine simulation model
　　3.2 联合仿真平台的建立
　　运用Matlab/Simulink与GT-Power的接口,利用图4建立的发动机结构模型,在Matlab/Simulink中建立其空燃比实时控制系统仿真模型,建立的联合仿真平台如图5所示。ECU输出的喷油脉宽由两部分的输出叠加而成:一部分为根据发动机转速和节气门位置信号查表所得,即为基本喷油脉宽;另一部分通过最优H∞鲁棒控制器或PI控制器根据空燃比传感器反馈的信号计算所得,即为修正的喷油脉宽。
　　 图5 空燃比联合仿真实时控制仿真模型
　　F ig.5 electronic fuel injection engine real-time control model
　　4 仿真分析研究
　　4.1 控制器性能的对比分析
　　传统的发动机空燃比控制采用PI控制器,即比例积分控制。针对本文的过渡工况空燃比控制,采用基于ISTE准则的PI控制器参数设计得到其控制器参数分别为:Kp=0.65,Ki=7.88。
　　为了验证最优H∞控制器的优越性,对求解出的最优H∞控制器与PI控制器在Simulink软件中建立模型进行仿真对比测试,以初始的单位阶跃信号为输入信号,同时还加入了一噪声信号来模拟测量噪声,并在仿真的第5秒时加入了幅值为0.5的脉冲干扰信号来模拟发动机节气门的突变情况,在电喷发动机运行在不同的转速时分别进行了仿真,其结果如图6 图8所示。
　　 图6 V=3000r/min系统仿真结果比较
　　F ig.6Comprison of simulation results for V=3000r/min
　　图7 V=5000r/min时系统仿真结果比较
F ig.7Comprison of simulation results for V=5000r/min
　　图8 V=9000r/min时系统仿真结果比较
　　F ig.8Comprison of simulation results for V=9000r/min
　　由仿真结果可以看出, 最优H∞控制器对于参数的变动具有较强的鲁棒性,系统的输出量变化平缓,并且很快达到了稳定值,过渡的时间较短,超调量较小;在受到扰动干扰时,系统可以很快地恢复到稳定值,对于施加的干扰噪声也有很好的抑制作用。相对于PI控制器,最优H∞控制器在过渡时间、超调量、抗干扰能力等方面都要优于PI控制器。
　　4.2 控制器的联合仿真平台测试
　　在图5建立的联合仿真平台中,进行最优H∞控制器和PI控制器的仿真对比测试。设定发动机转速为5000r/min,节气门的初始值为20mm,空燃比的目标值为14.7,加入的噪声信号强度为1;当仿真进行到第5秒时,改变节气门的直径值为30mm,当仿真进行到第10秒时,改变节气门的直径值为20mm,其他参数不变。以适当的步长运行仿真模型,空燃比波动情况如图9所示。
　　图9 节气门突变时空燃比稳定性比较
　　 Fig.9Comprison of A/F stability as throttle sudden change
　　由图9可见:电喷发动机处于稳态工况时,两种控制器均能把空燃比控制在理论值附近;当在过渡工况时,即节气门的直径突变时,与PI控制相比,最优H∞鲁棒控制的超调量较小,而且恢复时间也较短。
　　5 结 论
　　(1)发动机在实际运行过程中都存在一些外部干扰,同时在建模的过程中也存在系统模型的不确定性,本文在充分考虑这些不确定性的基础上,建立了最优H∞控制器。
　　(2)运用GT-Power与Matlab/Simulink的接口,建立了电喷发动机空燃比实时控制仿真平台,仿真结果表明:无论在稳态工况还是过渡工况,建立的最优H∞控制器都具有很好的跟踪性、鲁棒稳定性以及抗干扰能力。
　　(3)建立的联合仿真平台为发动机的仿真及其控制系统开发提供了一个新的方法,其意义在于利用发动机的物理参数,在开发的早期检验其控制系统,从而节约开发的时间和成本。
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