李坤穎，張平安

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 深圳 518172）

柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)模式切換的控制研究

李坤穎，張平安

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 深圳 518172）

柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工況選擇工作在純柴油模式或雙燃料模式，由于燃料的供給方式不同，當(dāng)兩種模式發(fā)生切換時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)速的異常波動(dòng)。本文分析了轉(zhuǎn)速異常波動(dòng)的原因，并基于能量守恒方程，建立了模式切換控制模型，通過(guò)采用CMAC-PID復(fù)合控制策略，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常波動(dòng)的快速抑制。通過(guò)與PID控制效果對(duì)比，結(jié)果表明：CMAC-PID復(fù)合控制策略能實(shí)時(shí)、快速實(shí)現(xiàn)切換過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；模式切換；CMAC-PID復(fù)合控制策略

引言

柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在柴油機(jī)基礎(chǔ)上加裝一套天然氣供氣設(shè)備改裝而來(lái)，可以工作在純柴油模式和雙燃料模式。根據(jù)運(yùn)行工況，工作模式從純柴油模式切換到雙燃料模式時(shí)，由于柴油供油和天然氣供氣方式的不同，切換過(guò)程轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)，降低駕駛的舒適性，甚至出現(xiàn)駕駛危險(xiǎn)。

目前有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、廣義預(yù)測(cè)控制算法等控制策略抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)[1,2]的研究報(bào)道，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算量大，廣義預(yù)測(cè)控制算法需要預(yù)先確定期望軌跡，算法較為復(fù)雜，兩者都難以滿足實(shí)時(shí)性要求。小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Cerebellar Model Arithmetic Computer,CMAC)不要求精確的數(shù)學(xué)模型，具有較高的實(shí)時(shí)性，更適合于發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜、多變的工況要求。因此，本文提出采用CMAC與工程使用廣泛的PID復(fù)合控制的策略，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的快速抑制。

1 模式切換過(guò)程分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工況下進(jìn)行模式切換時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩Teq與負(fù)荷Me相等：

發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Pe與轉(zhuǎn)速n關(guān)系為：

燃料消耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率Pe的關(guān)系，由發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)得到為：

由式（2）、（3）可得轉(zhuǎn)速和燃料消耗量的關(guān)系為：

在穩(wěn)定工況下，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式切換時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過(guò)渡，切換前純柴油模式燃燒釋放的熱量與切換后雙燃料模式燃料釋放的熱量相等，即：

2 模式切換控制模型

2.1 模式切換控制模型的建立

模式切換控制模型的原理框圖如圖1所示。在控制模型中將外界負(fù)荷的變化作為擾動(dòng)量來(lái)處理。

圖1 模式切換控制模型Fig.1 Model switching control model

圖1中，n0為發(fā)動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)速，n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；nd、ud、Pd為模式切換后柴油產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速、柴油量及有效功率；nn、un、Pn為天然氣產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速、天然氣量及有效功率；utd為總的柴油噴油量；Me為外界負(fù)荷；e為轉(zhuǎn)速波動(dòng)量。

模式切換控制模型由CMAC-PID復(fù)合控制器、切換子模型和發(fā)動(dòng)機(jī)模型組成。發(fā)動(dòng)機(jī)模型由公式(4)所示，控制變量為切換前柴油總量 。

2.2 切換子模型

切換到雙燃料模式時(shí)，柴油量會(huì)減少，同時(shí)天然氣供氣電磁閥打開，減少的柴油由天然氣補(bǔ)充。雙燃料工作模式下燃燒復(fù)雜，不利于建立切換子模型。由公式（4）和公式（5）可知，模式切換后，轉(zhuǎn)速可分為兩部分，噴入柴油產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和噴入天然氣產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)速為兩種燃料各自產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速之和。因此，分別建立兩種燃料以及各自引起的轉(zhuǎn)速變化模型。

切換后，柴油部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速對(duì)柴油噴油量的變化響應(yīng)，采用一階慣性環(huán)節(jié)表示[3]，如公式（6）所示；

式中，Td為柴油機(jī)慣性的時(shí)間量度；nd(t)為柴油部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速；ud(t)為柴油噴油量；nd(t)、ud(t)是時(shí)間t的函數(shù)。

天然氣部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速對(duì)天然氣耗氣量的變化響應(yīng)，采用二階系統(tǒng)近似表示，如公式（7）所示。

式中，a1、a0、b1、b0為二階系統(tǒng)參數(shù)；nn(t)為天然氣部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速；ud(t)為天然氣供氣量；nn(t)、ud(t)是時(shí)間 的函數(shù)。

切換子模型中公式(6)和公式(7)中的參數(shù)Td、a1、a0、b1、b0通過(guò)最小二乘法辨識(shí)得出，以公式(7)為例辨識(shí)參數(shù)a1、a0、b1、b0：

（1）微分方程離散化

當(dāng)t=kT時(shí)，

簡(jiǎn)記為：

同理可得：

由公式（7）、（8）、（9）、（10）得到第步轉(zhuǎn)速的離散輸出表達(dá)式：

式中，T為采樣時(shí)間，為測(cè)量誤差。

采集切換過(guò)程L組轉(zhuǎn)速和天然氣噴射量數(shù)據(jù)nnk、unk，k=1，2，…L，得到如下方程組：

通過(guò)最小二乘法可辨識(shí)出參數(shù)a1、a0、b1、b0，采用相同的方法可辨識(shí)出Td。

（2）轉(zhuǎn)速與柴油量、天然氣量數(shù)據(jù)采集方法

為便于描述以及跟上文保持一致，采用utd表示發(fā)動(dòng)機(jī)工作在純柴油模式時(shí)總的柴油量，ud、un分別為純柴油模式切換到雙燃料模式時(shí)柴油量與天然氣量。

數(shù)據(jù)采集分兩步：1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作在純柴油模式，柴油的噴油量從utd減少至目標(biāo)噴油量ud，同時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，采樣頻率為0.01秒。通過(guò)柴油量和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集，辨識(shí)出Td。2）恢復(fù)柴油噴油量至utd，ECU發(fā)出模式切換命令，柴油噴油量減少為ud，同時(shí)增加天然氣供應(yīng)量為un，以相同的采樣頻率采樣速度數(shù)據(jù)。柴油噴油量與的轉(zhuǎn)速變化關(guān)系由步驟1)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以直接測(cè)量，因此天然氣噴氣量與其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速也就可知。得到辨識(shí)出參數(shù)a1、a0、b1、b0的值。針對(duì)WD615柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到Td=0.5，a1=6，a0=100，b0=89，b1=0.02。

2.3 CMAC-PID復(fù)合控制器

CMAC-PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，實(shí)際轉(zhuǎn)速n與期望轉(zhuǎn)速n0之差e為PID控制器輸入，up為PID控制器輸出；期望轉(zhuǎn)速n0與up為CMAC控制器輸入，uc為CMAC控制器輸出；u為復(fù)合控制器總輸出，控制柴油總的噴油量。

圖2 CMAC-PID復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 CMAC-PID controller structure diagram

CMAC算法學(xué)習(xí)[4]為：

（1）量化，即對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)速進(jìn)行量化，把轉(zhuǎn)速的最大值nmax與最小值nmin在區(qū)間上分成N+2c個(gè)量化區(qū)間。

（2）CMAC實(shí)際映射方法如公式（14）所示：

式中，c為表征網(wǎng)絡(luò)的泛化能力的泛化參數(shù)。

（3）CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整規(guī)則為：

（4）CMAC系統(tǒng)輸出為：

CMAC-PID控制器輸出為：

CMAC-PID復(fù)合控制器工作原理為：純柴油模式切換到雙燃料模式初始時(shí)，PID控制器控制起主導(dǎo)作用，CMAC控制器權(quán)值w=0，CMAC的輸出uc=0，控制對(duì)象的輸入u=up；隨著w權(quán)值的在線學(xué)習(xí)，PID控制器輸出up逐漸減為0，控制對(duì)象的輸入u逐漸等于uc；當(dāng)學(xué)習(xí)完成時(shí)u=uc，up=0。

3 切換過(guò)程控制結(jié)果分析

CMAC-PID復(fù)合控制器的控制效果與PID控制器參數(shù)Ki，Kp，Kd和CMAC控制器的參數(shù)N、c、、有關(guān)。PID控制器參數(shù)根據(jù)工程上使用的實(shí)驗(yàn)湊試法來(lái)確定。CMAC控制器參數(shù)的選擇兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制器學(xué)習(xí)時(shí)間。CMAC控制器參數(shù)選擇為：N=60，c=5，=0.08，=0.01；PID控制器參數(shù)為：Kp=10，Ki=0，Kd= 0。

圖3（a）-（c）分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1430r/min、1810r/min、轉(zhuǎn)速?gòu)?50r/min 加速到1500r/min三種工況下，模式切換時(shí)轉(zhuǎn)速的變化情況，仿真采樣時(shí)間ts=0.01s。

圖3 不同工況的模式切換轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化情況Fig.3 The speed change of engine work mode switching

圖3為三種不同工況工作模式切換時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制器、PID控制器和CMAC-PID控制器時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化情況。從圖可知，三種工況下，轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)相同。未加控制器時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。加上控制器后轉(zhuǎn)速波動(dòng)大幅減小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間大幅縮短。表1為PID控制器與CMAC-PID控制效果對(duì)比。由表可知CMAC-PID控制器在快速抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)比PID控制器更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，CMAC權(quán)值在線習(xí)得，能自動(dòng)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況而不需要修改控制參數(shù)。

表1 兩種控制器控制結(jié)果Tab.1 the result of two controller

4 結(jié)論

本文提出的CMAC-PID復(fù)合控制器能快速抑制雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)模式切換時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。與PID控制器相比，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間短。

[1]劉震濤,費(fèi)少梅.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油氣切換過(guò)程的優(yōu)化控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2004,38(7):868-871.LIU Zhentao,FEI Shaomei.Optimal control of oil-gas switch process of CNG/diesel dual fuel engine[J].Journal of Zhejiang University ( Engineering Science),2004,38(7):868-871(in Chinese)

[2]肖貽鵬,姚加飛.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油氣切換的優(yōu)化控制模型[J].汽車工程,2007,29(7):574-577.XIAO Yipeng,Yao Jiafei.Optimal Conrol Model for Fuel Switching in CNG/diesel Dual Fuel Engine[J].Automotive Engineering 2007,29(7):574-577.(in Chinese)

[3]趙光宙,高軍,楊志家.柴油機(jī)模型參考自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,1995,16(4):26-33.Zhao Guangzhou,GA Zhijia..Research on Model-Reference Adaptive Speed Control for Dies el Engine[J].Internalcombustion Engine Engineering,1995,16(4):26-33.(in Chinese)

[4]侯世英,時(shí)文飛,萬(wàn)江.基于CM AC-PID控制的柴油發(fā)電機(jī)組的建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(13):3052-3055.HOU Shiying,SHI We nfei,WAN Ji ang .Modeling and Evaluating of Diesel Generators Based on CMAC-PID[J].Journal of System Simulation.2007,19(13):3052-3055.(in Chinese)

【責(zé)任編輯：高潮】

Research on Model Switching Control for CNG/diesel Dual Fuel Engine

LI Kunying,ZHANG Pingan
（School of Computer Science,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

The compressed natural gas/diesel dual fuel engine can work on pure diesel model and dual fuel model.When the work m odel switches the engine s peed appears fluctuation.Based on the ener gy conversation formula,the control model of the work model switch process is built.And the control strategy PID compound with cerebellar model articulation controller is adopted to eliminate the fluctuation of speed and realize the fast and steady speed.The simulation results show that a smooth transition in the period of work model switch is realized and the engine performance is improved.

dual fuel engine; work model switch; CMAC-PID control strategy

TM314

A

1672-6332（2017）03-0068-04

2017-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（61174135）。

李坤穎（1981-），女（土家），助教，博士，主要研究方向：電子控制技術(shù)研究。E-mail:liky@sziit.edu.cn