鄭俊強(qiáng)，劉海朝，祁儒明，趙冬冬，徐學(xué)瀅，莫 非，郭旺喜

（1.華北水利水電學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州450011；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院 江蘇 南京 210061；3.中國重汽集團(tuán) 山東 濟(jì)南250001）

汽油機(jī)怠速工況是一個(gè)很重要的工況，汽車在交通密度大的城市中行駛時(shí)，約有30%的燃油消耗在怠速階段。為了滿足日益嚴(yán)格的油耗和排放法規(guī)的要求，應(yīng)該盡可能地降低怠速的轉(zhuǎn)速，但必須保持怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。在怠速工況時(shí)，冷卻水溫的變化、空調(diào)裝置、自動(dòng)變速器、動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等的接入及進(jìn)氣、供油、點(diǎn)火、著火、燃燒等因素的變化都可能改變怠速轉(zhuǎn)速，使汽油機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。這些因素共同作用的結(jié)果是使怠速過程變成一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)[1]。

假如怠速轉(zhuǎn)速越低，廢氣的稀釋作用就越明顯，因此必須供給較濃的混合氣，其結(jié)果就是燃燒不完全，HC和CO有害排放物增加。所以怠速控制的目的就是保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)穩(wěn)定在最低可能轉(zhuǎn)速，節(jié)省燃油并減少排放[2-3]。因此人們開發(fā)了各種各樣的怠速控制方法。本文在綜合分析了各種怠速控制方案的基礎(chǔ)上，提出了怠速轉(zhuǎn)速模糊控制方案。

1 模糊控制

模糊控制采用的是人類語言信息，模擬人類思維，其易于接受，設(shè)計(jì)簡單，且抗干擾能力強(qiáng)。模糊控制器基于包含模糊信息的控制規(guī)則，在改善系統(tǒng)特性時(shí)，模糊控制系統(tǒng)除了像常規(guī)控制系統(tǒng)那樣能調(diào)節(jié)參數(shù)外，還可以通過PID控制流程圖改變控制規(guī)則、隸屬函數(shù)、推理方法及決策方法來修正系統(tǒng)特性。因此，模糊控制器設(shè)計(jì)、調(diào)整和維修相對(duì)簡單[4]。

為了獲得最佳的性能，控制器的增益經(jīng)常是手動(dòng)調(diào)節(jié)的。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的性能隨著使用年限的變化也是在不斷變化，因此這種調(diào)制方法往往并不是很精確。許多研究者也就提出了采用模糊邏輯控制的方法來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制。由于模糊控制的最大特點(diǎn)是不需要控制對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，善于解決模型不確定的控制問題，所以適用于存在顯著時(shí)變性、非線性和存在不確定因素的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制。

模糊控制的對(duì)象通常是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，由于大量模糊信息的存在而難以精確描述，無法建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型加以控制。模糊技術(shù)針對(duì)這一情況繞過建模的困難，通過在考察區(qū)域劃分模糊子集，對(duì)獲得的信息構(gòu)造隸屬函數(shù)，再按照控制規(guī)則和推理法則作出模糊判決而進(jìn)行相應(yīng)的控制。模糊控制的輸入量是整個(gè)系統(tǒng)輸出量與預(yù)定值的誤差和該誤差的變化率，控制規(guī)則由操作者的經(jīng)驗(yàn)加上針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)而成。輸入信息通過隸屬函數(shù)，將精確的測量值轉(zhuǎn)化為模糊量，接著通過模糊推理得出相應(yīng)的模糊判決，最后轉(zhuǎn)換為精確的控制輸出量。

1.1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，主要由模糊化（Fuzzification）， 模 糊 推 理 （Fuzzy inference） 和 反 模 糊 化（Defuzzification）3部分組成，模糊控制器的輸入量是精確值，經(jīng)模糊化后轉(zhuǎn)換成模糊輸入。根據(jù)輸入條件滿足的程度和選定的控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到模糊輸出，該模糊輸出經(jīng)過反模糊化轉(zhuǎn)化成精確值后作為模糊控制器的輸出。模糊控制器3部分的共同基礎(chǔ)是知識(shí)庫，它包含模糊化所用的隸屬函數(shù)（Membershipfunction）、模糊推理的控制規(guī)則（Control rule）及反模糊化所用的公式。其中控制規(guī)則決定了控制器的主要性能，其結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fuzzy controller

1.2 模糊控制器設(shè)計(jì)概述

模糊控制器的設(shè)計(jì)可概述為6個(gè)步驟：確定模糊控制器結(jié)構(gòu)、確定控制規(guī)則、確定變量論域和量化因子、定義各模糊狀態(tài)的隸屬函數(shù)、確定模糊推理關(guān)系、判決。

模糊控制算法的設(shè)計(jì)主體就是建立模糊控制器和控制對(duì)象的模糊模型并確定模糊推理方式。模糊模型通常用一組模糊蘊(yùn)含條件句即模糊語言規(guī)則來描述，主要有Madam、Takagi-Sugen兩種表示方式。前者的蘊(yùn)涵條件句中后件是用語言值表示的模糊集合，而后者則用輸入量的線性函數(shù)表示[5]。

1.3 怠速系統(tǒng)的模糊控制器的設(shè)計(jì)

由于MATLAB具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真功能，針對(duì)各類學(xué)科推出了不同的配套工具箱，便于進(jìn)行復(fù)雜、交義系統(tǒng)的建模，因此被作為系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。本文借助MATLAB的模糊工具箱設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊控制器，并采用發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型作為控制對(duì)象，進(jìn)行仿真。

怠速模糊控制器以轉(zhuǎn)速偏差e(給定轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值之差)、轉(zhuǎn)速偏差變化率ec作為輸入變量，以節(jié)氣閥開度的變化量作為輸出變量。

偏差e對(duì)應(yīng)的是語言變量E，將其分為8個(gè)模糊狀態(tài)：負(fù)大（NL），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），負(fù)零（NO），正零（PO），正小（PS），正中（PM），正大（PL）。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，e 的變化范圍為[-120，120]r/min，所取的模糊集論域?yàn)閇-6，6]，因此它的模糊量化因子為6/120。同時(shí)，將偏差變化率ec所對(duì)應(yīng)的語言變量 EC 分為 7 檔：負(fù)大（NL），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟M），零（O），正?。≒S），正中（PM），正大（PL）。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，ec的變化范圍為[-24，24]r/min，所取的模糊集論域?yàn)閇-6，6]，因此它的模糊量化因子為6/24。

輸出量即節(jié)氣閥開度的變化范圍為[-90，90]，開大為正號(hào)，關(guān)小為負(fù)號(hào)，模糊變量用U表示，它也取7個(gè)模糊子集，其形式與EC相同。模糊集論域?yàn)閇-7，7]，因此它的模糊量化因子為90/7。

盡管影響怠速轉(zhuǎn)速的因素很多，但按操作人員的經(jīng)驗(yàn)，有控制原則：若實(shí)際轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，則減小節(jié)氣門閥門開度，降低轉(zhuǎn)速，差值越大，減小節(jié)氣門閥門開度越大；若實(shí)際轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，則增大節(jié)氣門閥門開度，差值越大，增大節(jié)氣門閥門開度越大；若實(shí)際轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速并且升高的趨勢快，則稍微多開大一些節(jié)氣門閥門開度，若升高的趨勢較慢甚至呈下降趨勢，則少開大一些節(jié)氣門閥門開度；同理，若實(shí)際轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，其變化趨勢與減少的節(jié)氣門閥門開度之間的關(guān)系剛好相反[6]。

以下是利用MATLAB的模糊控制工具箱制作的模糊控制器[7-8]，圖2為利用器模糊控制器設(shè)定輸入量以及輸出量，圖3為廟宇模糊控制規(guī)則，表1為模糊控制規(guī)則表。

圖2 圖形化編輯器圖Fig.2 FIS editor

圖3 模糊規(guī)則編輯Fig.3 Fuzzy rule editor

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 The rule of fuzzy control

1.4 系統(tǒng)仿真

利用以上設(shè)計(jì)的模糊控制器，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制模型（這個(gè)也需要進(jìn)行建模）可以仿真出發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況的近似轉(zhuǎn)速變化情況，其系統(tǒng)仿真圖如圖4所示。

以下是對(duì)系統(tǒng)仿真的結(jié)果分析：

圖4 怠速模糊控制系統(tǒng)仿真圖Fig.4 Structure diagram of idling fuzzy control system simulation

1）在無任何輸入和干擾的情況下的系統(tǒng)響應(yīng)，從圖5可以看出，怠速系統(tǒng)穩(wěn)定在1 000 r/min的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，即不會(huì)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)振蕩，因此滿足控制要求。

圖5 目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)的響應(yīng)曲線Fig.5 Response curves when the goal rpm is 1 000 r/min

2）增加或者減小負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，汽車在怠速時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)能在極短時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，因此滿足控制要求的穩(wěn)定性。

2 結(jié)論

本文針對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性和怠速時(shí)的排放性能設(shè)計(jì)了模糊控制算法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明：1）模糊控制可以滿足基本的控制要求，具有一定的跟隨性和抗干擾能力；2）模糊控制器的設(shè)計(jì)過程中不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。

圖6 怠速時(shí)出現(xiàn)干擾的響應(yīng)曲線Fig.6 Response curves when the interfere occurs at idle

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