專利名稱：氣體燃料發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體燃料發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速的控制方法，主要應(yīng)用于控制車用氣體燃料發(fā)動機的怠速工況的穩(wěn)定性，從而減小氣體燃料發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速波動量，從而獲得較穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速。屬于內(nèi)燃機電子控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
發(fā)動機的怠速工況是指油門踏板完全放開、對外無功率輸出且能保持最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、維持發(fā)動機不熄火的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)工況。怠速工況是發(fā)動機最重要的運行工況之一，尤其是隨著汽車保有量的不斷增加，城市交通狀況得不到及時改善，使發(fā)動機處于怠速工況下的運行時間越來越多。因此，對怠速工況的控制顯得尤為重要。
發(fā)動機怠速工況的運行十分復雜，具有顯著的非線性、時變性和不確定性等特點。發(fā)動機在怠速工況下工作時，其轉(zhuǎn)速主要受點火提前角、旁通空氣進氣量和燃料供給量的影響。在傳統(tǒng)的怠速控制過程中，主要采用單閉環(huán)控制算法，即只對旁通空氣進氣量進行實時控制。通過調(diào)節(jié)旁通氣道的空氣流通截面積的大小，進而改變旁通空氣的進氣流量，從而完成對怠速轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制過程。采用此種控制算法，使得燃料的供給量不能隨著怠速工況的變化而變化，因此在怠速工況突變的情況下，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動量會增大，甚至使得發(fā)動機發(fā)生較劇烈的抖動，影響汽車的舒適性。
所謂的PID(Proportion-Integral-Derivative)控制算法是目前工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的一種控制算法，而增量式PID控制算法是隸屬于眾多PID算法中的一種，因其算法簡單、可靠、計算量小等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。增量式PID控制算法的計算式如下所示 ΔHp＝Kp×[en-en-1] ΔHi＝Ki×en ΔHd＝Kd×[en-2×en-1+en-2] ΔH＝ΔHp+ΔHi+ΔHd 其中en＝m-n 注m為怠速目標轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速 Kp為比例項系數(shù) Ki為積分項系數(shù) Kd為微分項系數(shù) en為本次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 式中，ΔH為總變化量；ΔHp、ΔHi、ΔHd分別為比例項、積分項和微分項所引起的變化量。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新的氣體燃料發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速控制方法，即雙閉環(huán)控制方法，該方法可以減小氣體燃料發(fā)動機在怠速工況下的轉(zhuǎn)速波動量，從而使氣體燃料發(fā)動機獲得較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出，同時使氣體燃料汽車在怠速工況下能夠擁有較好的舒適性。
本發(fā)明中的氣體燃料發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法是基于經(jīng)典的PID控制算法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。所謂的雙閉環(huán)控制方法就是采用兩套增量式PID控制算法，對怠速工況下的氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進氣量分別進行PID閉環(huán)控制，兩者互不干涉，相互獨立開來。
本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下通過轉(zhuǎn)速傳感器輸出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，并將轉(zhuǎn)速信號輸入到電控單元ECU中，然后進行捕捉和計算，得出當前的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與預先設(shè)定的目標轉(zhuǎn)速進行比較，得到轉(zhuǎn)速偏差。根據(jù)閉環(huán)控制方法分別計算出氣體燃料噴射脈寬的總變化量和控制旁通空氣進氣量的步進電機動作步長的變化量，從而得出下一個工況點所需的氣體燃料噴射脈寬和步進電機動作步長，完成對轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。
所述的氣體燃料噴射脈寬的閉環(huán)控制方法如下先根據(jù)以下公式計算出氣體燃料噴射脈寬的總變化量ΔH_Gas ΔHp_Gas＝Kp_Gas×[en-en-1] ΔHi_Gas＝Ki_Gas×en ΔHd_Gas＝Kd_Gas×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Gas＝ΔHp_Gas+ΔHi_Gas+ΔHd_Gas 上式中en＝m-n m為怠速目標轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速 en為本次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 Kp_Gas為比例項系數(shù) Ki_Gas為積分項系數(shù) Kd_Gas為微分項系數(shù) ΔHp_Gas為比例項所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量 ΔHi_Gas為積分項所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量 ΔHd_Gas為微分項所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量 ΔH_Gas為氣體燃料噴射脈寬總變化量 再根據(jù)氣體燃料噴射脈寬總變化量ΔH_Gas控制下一個工況點所需的氣體燃料噴射脈寬，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
所述的旁通空氣進氣量的閉環(huán)控制方法如下先根據(jù)以下公式計算出步進電機動作步長總變化量ΔH_Air ΔHp_Air＝Kp_Air×[en-en-1] ΔHi_Air＝Ki_Air×en ΔHd_Air＝Kd_Air×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Air＝ΔHp_Air+ΔHi_Air+ΔHd_Air 上式中en＝m-n m為怠速目標轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速 en為本次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差。
Kp_Air為比例項系數(shù) Ki_Air為積分項系數(shù) Kd_Air為微分項系數(shù) ΔHp_Air為比例項所引起的步進電機動作步長量變化 ΔHi_Air為積分項所引起的步進電機動作步長量變化 ΔHd_Air為微分項所引起的步進電機動作步長量變化 ΔH_Air為步進電機動作步長總變化量 再根據(jù)步進電機動作步長總變化量ΔH_Air控制步進電機動作，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
本控制方法可以應(yīng)用在天然氣發(fā)動機、LPG(液化石油氣)發(fā)動機、氫氣發(fā)動機等氣體燃料發(fā)動機上。
本發(fā)明中的控制方法可以減小氣體燃料發(fā)動機在怠速工況下的轉(zhuǎn)速波動量，從而使氣體燃料發(fā)動機獲得較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出，同時使氣體燃料汽車在怠速工況下能夠擁有較好的舒適性。



圖1怠速雙閉環(huán)控制原理圖 圖2怠速雙閉環(huán)試驗監(jiān)控界面 圖3怠速雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標轉(zhuǎn)速為1200rpm時的轉(zhuǎn)速波動圖對比 圖4雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標轉(zhuǎn)速為1200rpm時的試驗結(jié)果對比 圖5怠速雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標轉(zhuǎn)速為850rpm時的轉(zhuǎn)速波動圖對比 圖6雙閉環(huán)與單閉環(huán)在目標轉(zhuǎn)速為850rpm時的試驗結(jié)果對比
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明 本實施例采用兩套增量式PID控制算法，對怠速工況下的氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進氣量分別進行PID閉環(huán)控制，兩者互不干涉，相互獨立開來，雙閉環(huán)的控制原理圖如圖1所示。在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)過程中，目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之間必然產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速偏差，此時，氣體燃料噴射脈寬和旁通空氣進氣量根據(jù)各自的PID算法，能夠得出各自的調(diào)整量，而且控制周期也可通過參數(shù)設(shè)置進行調(diào)整，從而完成雙閉環(huán)控制。采用此種控制方法可以使氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進氣量各自根據(jù)怠速轉(zhuǎn)速偏差進行自適應(yīng)調(diào)整，當發(fā)動機在怠速工況突變的情況下，尤其是負荷發(fā)生變化時，此時氣體燃料的噴射脈寬和旁通空氣進氣量可以及時地做出調(diào)整，進而使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動變化量盡可能小，從而可以輸出較為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，使氣體燃料汽車獲得較好的舒適性。
氣體燃料噴射脈寬的控制方法如下 ΔHp_Gas＝Kp_Gas×[en-en-1] ΔHi_Gas＝Ki_Gas×en ΔHd_Gas＝Kd_Gas×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Gas＝ΔHp_Gas+ΔHi_Gas+ΔHd_Gas 旁通空氣進氣量的控制方法如下 ΔHp_Air＝Kp_Air×[en-en-1] ΔHi_Air＝Ki_Air×en ΔHd_Air＝Kd_Air×[en-2×en-1+en-2] ΔH_Air＝ΔHp_Air+ΔHi_Air+ΔHd_Air 其中en＝m-n 注m為怠速目標轉(zhuǎn)速 n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速 Kp_Gas為比例項系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.26 Ki_Gas為積分項系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.12 Kd_Gas為微分項系數(shù)，其取值范圍為0～0.05 Kp_Air為比例項系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.58 Ki_Air為積分項系數(shù)，其取值范圍為0.01～0.28 Kd_Air為微分項系數(shù)，其取值范圍為0～0.04 en為本次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-1為上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 en-2為上上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差 式中，ΔH_Gas和ΔH_Air為氣體燃料噴射脈寬和步進電機動作步長總變化量；ΔHp_Gas、ΔHi_Gas、ΔHd_Gas分別為比例項、積分項和微分項所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量；ΔHp_Air、ΔHp_Air、ΔHd_Air分別為比例項、積分項和微分項所引起的步進電機動作步長量變化。除此之外，氣體燃料噴射脈寬和步進電機動作總步長量均有各自的控制周期，分別為T_Gas和T_Air，其取值范圍分別如下 T_Gas的取值范圍為16～80 T_Air的取值范圍為8～16 其中，當T_Air或者T_Gas為4時，代表的周期為發(fā)動機的一個工作循環(huán)，依此類推；以上參數(shù)的取值范圍都是在型號為JL465Q5天然氣發(fā)動機試驗臺架上獲得。
本實施例中的怠速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在改裝后的型號為JL465Q5天然氣發(fā)動機上進行了試驗研究，其主要由霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、電控單元ECU、天然氣噴射閥、點火線圈、步進電機等組成。其中霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器位于分電器內(nèi)，負責輸出天然氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，信號類型為標準的方波信號；天然氣噴射閥主要負責控制天然氣發(fā)動機的燃料供給；點火線圈負責產(chǎn)生混合氣起燃時所需的高壓電；步進電機負責控制旁通空氣進氣量。
為了便于驗證雙閉環(huán)控制方法的可行性，用Visual Basic 6.0開發(fā)了天然氣發(fā)動機怠速雙閉環(huán)試驗監(jiān)控軟件，使用該軟件可以對天然氣發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速進行實時的雙閉環(huán)控制。該軟件通過PC機與電控單元ECU之間的RS-232串行通訊，可以在線實時修改電控單元ECU中的點火提前角、怠速目標轉(zhuǎn)速以及影響天然氣噴射脈寬和旁通空氣進氣量的雙PID控制參數(shù)等參量，便于進行各自的PID參數(shù)整定。
當天然氣發(fā)動機開始運轉(zhuǎn)后，電控單元ECU根據(jù)發(fā)動機各路傳感器采集到的信號來判斷發(fā)動機當前所處的狀態(tài)。若發(fā)動機處于怠速工況時，則通過冷卻水溫度傳感器采集到的信號，來確定發(fā)動機怠速工況下所需要設(shè)定的目標轉(zhuǎn)速，通過霍爾傳感器輸出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號并捕捉，從而計算出轉(zhuǎn)速偏差，當偏差的絕對值不大于5rpm時，則認為天然氣發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，此時步進電機保持原位靜止不動；否則根據(jù)增量式PID控制算法得出較為理想的步進電機動作步長，步進電機的動作方向也可以通過增量式PID控制算法得出。其判斷過程如下當計算出的ΔH_Air為正數(shù)時，則此時應(yīng)提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，即應(yīng)加大旁通氣道的空氣進氣流通面積，所以應(yīng)控制步進電機的閥椎回縮，具體動作的步長量為ΔH_Air的絕對值；當計算出的ΔH_Air為負數(shù)時，則此時應(yīng)降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，即應(yīng)減小旁通氣道的空氣進氣流通面積，所以應(yīng)控制步進電機的閥椎伸出，具體動作的步長量為ΔH_Air的絕對值；當計算出的ΔH_Air為零時，則步進電機保持原位置靜止。與此同時，天然氣噴射脈寬也隨著轉(zhuǎn)速偏差的變化而實時改變，當計算出的ΔH_Gas為正數(shù)時，則此時應(yīng)提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，即增大天然氣噴射脈寬；當計算出的ΔH_Gas為負數(shù)時，則此時應(yīng)降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，即減小天然氣噴射脈寬；當計算出的ΔH_Gas為零時，則保持天然氣噴射脈寬不變。在控制天然氣噴射脈寬的PID算法中，由于天然氣噴射脈寬對怠速轉(zhuǎn)速的波動量影響較大，因此對其調(diào)整量進行了限制，即當計算出的ΔH_Gas大于20時，其自動取值為20；而天然氣噴射脈寬和旁通空氣進氣量的控制周期相互獨立，一般而言，天然氣噴射脈寬的控制周期是旁通空氣進氣量控制周期的倍數(shù)。
試驗過程中，通過圖2所示的天然氣發(fā)動機怠速雙閉環(huán)試驗監(jiān)控界面進行控制，其可以在線實時修改影響天然氣噴射脈寬和旁通空氣進氣量各自的PID控制參數(shù)，進行不同條件的試驗研究，從而尋求出最優(yōu)的PID控制參數(shù)匹配，從而獲得良好的試驗效果。通過此控制的目的就是要使天然氣發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速逐漸向目標轉(zhuǎn)速趨近，并在目標轉(zhuǎn)速附近盡可能小的范圍內(nèi)波動，從而使天然氣發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
在此控制策略的基礎(chǔ)上，進行了對比試驗研究，而怠速目標轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為1200rpm和850rpm，進行了單閉環(huán)和雙閉環(huán)的對比試驗研究。所謂單閉環(huán)就是只對旁通空氣進氣量進行PID控制；而雙閉環(huán)是在單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了對天然氣噴射脈寬的PID閉環(huán)控制，從而完成對比試驗。
試驗數(shù)據(jù)的處理方法采用了數(shù)理統(tǒng)計中平均值與均方差的計算方法。在隨機變量的數(shù)字特征中，除了考慮其平均值外，還要考慮其取值偏離平均值的平均偏離程度。其公式如下 平均值 均方差 其中，平均值反映了樣本數(shù)據(jù)總體均值的信息，均方差反映了樣本數(shù)據(jù)總體方差的信息。發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)可一次性采集900個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點，即發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)450轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速信息，在針對怠速轉(zhuǎn)速進行分析時，篩選出900個數(shù)據(jù)點中的最大值與最小值，從而獲得了發(fā)動機在連續(xù)工作450轉(zhuǎn)內(nèi)的最大轉(zhuǎn)速偏差，從而進行研究分析。
(1)目標轉(zhuǎn)速為1200rpm 在進行目標轉(zhuǎn)速為1200rpm的怠速單閉環(huán)控制試驗時，由以往的試驗結(jié)果可以得知，當控制旁通空氣進氣量的比例項系數(shù)Kp_Air為0.09、積分項系數(shù)Ki_Air為0.03、微分項系數(shù)Kd_Air為0.01、控制周期T_Air為發(fā)動機的兩個工作循環(huán)，而天然氣噴射脈寬為130/4.16ms，點火提前角為28℃A時，得到的天然氣發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速是比較穩(wěn)定的。因此，在不改變旁通空氣進氣量的PID控制參數(shù)和點火提前角的基礎(chǔ)上，增加對天然氣噴射脈寬的PID控制，從而得到一系列的試驗結(jié)果，具體如圖3和圖4所示。
從圖4中可以得知，在天然氣噴射脈寬取固定值、而只對旁通空氣進氣量進行PID控制時，連續(xù)采集到的900個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點所得出的均方差為13.53rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為85rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為5l.3℃，機油溫度為51.1℃，轉(zhuǎn)速波動情況如圖3中的D圖所示。在堅持旁通空氣進氣量的怠速單閉環(huán)控制參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，增加了針對天然氣噴射脈寬的PID控制，從而進行怠速雙閉環(huán)的控制試驗。當控制天然氣噴射脈寬的比例項系數(shù)Kp_Gas為0.14，積分項系數(shù)Ki_Gas為0.10，微分項系數(shù)Kd_Gas為0.02，控制周期T_Gas為發(fā)動機的16個工作循環(huán)時，此時連續(xù)采集到的900個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點的均方差為8.41rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值為47rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為69.8℃，機油溫度為67.1℃，具體如圖3中的A圖所示；當控制天然氣噴射脈寬的比例項系數(shù)Kp_Gas為0.20，積分項系數(shù)Ki_Gas為0.10，微分項系數(shù)Kd_Gas為0，控制周期T_Gas為發(fā)動機的16個工作循環(huán)時，此時連續(xù)采集到的900個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點的均方差為8.08rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值為47rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為67.1℃，機油溫度為65.7℃，具體如圖3中的C圖所示；當控制天然氣噴射脈寬的比例項系數(shù)Kp_Gas為0.14，積分項系數(shù)Ki_Gas為0.10，微分項系數(shù)Kd_Gas為0.01，控制周期T_Gas為發(fā)動機的16個工作循環(huán)時，此時連續(xù)采集到的900個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點的均方差僅為7.47rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值僅為45rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為46.3℃，機油溫度為44.1℃，具體如圖3中的B圖所示。
從試驗結(jié)果可以得出，當目標轉(zhuǎn)速為1200rpm時，基于天然氣噴射脈寬和旁通空氣進氣量的怠速雙閉環(huán)控制試驗效果優(yōu)于怠速單閉環(huán)的控制效果，得到的轉(zhuǎn)速波動量更小，從圖3中的怠速轉(zhuǎn)速變化圖中可以明顯得出此結(jié)論。由此可以的得出，怠速雙閉環(huán)控制在目標轉(zhuǎn)速為1200rpm時可以有效地降低天然氣發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速波動量，使其工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。
(2)目標轉(zhuǎn)速為850rpm 在進行850rpm的怠速單閉環(huán)控制試驗時，從以往的試驗結(jié)果可以得知，當控制旁通空氣進氣量的比例項系數(shù)Kp_Air為0.09、積分項系數(shù)Ki_Air為0.03、微分項系數(shù)Kd_Air為0.01、控制周期T_Air為發(fā)動機的兩個工作循環(huán)，而天然氣噴射脈寬為110/3.52ms，點火提前角為28℃A時，得到的發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速是比較穩(wěn)定的。因此，在不改變旁通空氣進氣量的PID控制參數(shù)和點火提前角的基礎(chǔ)上，增加對天然氣噴射脈寬的PID控制，從而得到一系列的試驗結(jié)果，具體如圖5和圖6所示。從圖6中可以得知，在天然氣噴射脈寬取固定值、而只對旁通空氣進氣量進行PID控制時，進行了兩組轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集。其中一組試驗結(jié)果為連續(xù)采集到的900個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點所得出的均方差為8.16rpm，最大轉(zhuǎn)速差值分別為47rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為71.4℃，機油溫度為65.2℃，轉(zhuǎn)速波動情況如圖5中的E圖所示；另外一組所得到的轉(zhuǎn)速均方差為8.63rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為50rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為75℃，機油溫度為67.7℃，轉(zhuǎn)速波動情況如圖5中的F圖所示，從這兩組試驗數(shù)據(jù)可以得知，此時發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速波動量較小，控制效果較理想。在堅持旁通空氣進氣量的怠速單閉環(huán)控制參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，增加了針對天然氣噴射脈寬的PID控制，從而進行怠速雙閉環(huán)的控制試驗?？刂铺烊粴鈬娚涿}寬的比例項系數(shù)Kp_Gas為0.15，積分項系數(shù)Ki_Gas為0.08，微分項系數(shù)Kd_Gas為0，控制周期T_Gas為發(fā)動機的16個工作循環(huán)時，采集了一系列的試驗數(shù)據(jù)，從中挑選出四組數(shù)據(jù)以供分析。第一組數(shù)據(jù)連續(xù)采集到的900個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點的均方差為7.69rpm，而最大轉(zhuǎn)速差值僅為40rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為75.4℃，機油溫度為68.9℃，具體如圖5中的A圖所示；第二組數(shù)據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)均方差為8.17rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為43rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為77.1℃，機油溫度為70.1℃，具體如圖5中的B圖所示；第三組數(shù)據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)均方差為8.29rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為44rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為79.9℃，機油溫度為71.4℃，具體如圖5中的C圖所示；第四組數(shù)據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)均方差為7.91rpm，最大轉(zhuǎn)速差值為42rpm，此時的發(fā)動機冷卻水溫度為81.1℃，機油溫度為78.6℃，具體如圖5中的D圖所示。比較目標轉(zhuǎn)速為850rpm的單閉環(huán)與雙閉環(huán)試驗結(jié)果可以得出，雙閉環(huán)的怠速轉(zhuǎn)速的控制效果整體而言略優(yōu)于單閉環(huán)的控制效果，天然氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動量較小，運轉(zhuǎn)更加平順，工作噪音較小。
綜上所述，當目標轉(zhuǎn)速分別取值為1200rpm和850rpm時，從試驗結(jié)果可以得出，怠速雙閉環(huán)控制方法能夠使天然氣發(fā)動機獲得更好的怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，此控制方法較單閉環(huán)更優(yōu)。
權(quán)利要求
1、氣體燃料發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，通過轉(zhuǎn)速傳感器輸出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，并將轉(zhuǎn)速信號輸入到電控單元ECU中，然后進行捕捉和計算，得出當前的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與預先設(shè)定的目標轉(zhuǎn)速進行比較，得到轉(zhuǎn)速偏差；其特征在于根據(jù)閉環(huán)控制方法分別計算出氣體燃料噴射脈寬的總變化量和控制旁通空氣進氣量的步進電機動作步長的變化量，從而得出下一個工況點所需的氣體燃料噴射脈寬和步進電機動作步長，完成對轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體燃料發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，其特征在于所述的氣體燃料噴射脈寬的閉環(huán)控制方法如下
先根據(jù)以下公式計算出氣體燃料噴射脈寬總變化量ΔH_Gas
ΔHp_Gas＝Kp_Gas×[en-en-1]
Δi_Gas＝Ki_Gas×en
ΔHd_Gas＝Kd_Gas×[en-2×en-1+en-2]
ΔH_Gas＝ΔHp_Gas+ΔHi_Gas+ΔHd_Gas
上式中en＝m-n
m為怠速目標轉(zhuǎn)速
n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速
en為本次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差
en-1為上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差
en-2為上上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差
Kp_Gas為比例項系數(shù)
Ki_Gas為積分項系數(shù)
Kd_Gas為微分項系數(shù)
ΔHp_Gas為比例項所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量
ΔHi_Gas為積分項所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量
ΔHd_Gas為微分項所引起的氣體燃料噴射脈寬的變化量
ΔH_Gas為氣體燃料噴射脈寬總變化量
再根據(jù)氣體燃料噴射脈寬總變化量ΔH_Gas控制下一個工況點所需的氣體燃料噴射脈寬，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體燃料發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，其特征在于所述的旁通空氣進氣量的閉環(huán)控制方法如下
先根據(jù)以下公式計算出步進電機動作步長總變化量ΔH_Air
ΔHp_Air＝Kp_Air×[en-en-1]
ΔHi_Air＝Ki_Air×en
ΔHd_Air＝Kd_Air×[en-2×en-1+en-2]
ΔH_Air＝ΔHp_Air+ΔHi_Air+ΔHd_Air
上式中en＝m-n
m為怠速目標轉(zhuǎn)速
n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速
en為本次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差
en-1為上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差
en-2為上上次目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差。
Kp_Air為比例項系數(shù)
Ki_Air為積分項系數(shù)
Kd_Air為微分項系數(shù)
ΔHp_Air為比例項所引起的步進電機動作步長量變化
ΔHi_Air為積分項所引起的步進電機動作步長量變化
ΔHd_Air為微分項所引起的步進電機動作步長量變化
ΔH_Air為步進電機動作步長總變化量
再根據(jù)步進電機動作步長總變化量ΔH_Air控制步進電機動作，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體燃料發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方法，其特征在于所述的氣體燃料為天然氣或LPG或氫氣。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于實現(xiàn)車用氣體燃料發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的控制方法，屬于內(nèi)燃機電子控制領(lǐng)域。氣體燃料發(fā)動機在怠速工況下需要在較為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，而且怠速轉(zhuǎn)速要盡可能低，從而可以降低燃料消耗；但是過低的怠速轉(zhuǎn)速，容易使發(fā)動機工作時發(fā)生較嚴重的抖動。本發(fā)明以天然氣發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速為控制目標，采用雙閉環(huán)控制算法，即對天然氣噴射脈寬和旁通空氣進氣量分別采用PID算法進行閉環(huán)控制，通過怠速雙閉環(huán)試驗監(jiān)控軟件對天然氣發(fā)動機進行實時控制，進而尋求出最優(yōu)的PID參數(shù)匹配，從而獲得穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速，使天然氣汽車在怠速工況下提供舒適的駕車環(huán)境。
文檔編號F02D41/16GK101532441SQ20091008175
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者張紅光, 軼 鄭, 凱 劉, 白明蕊 申請人:北京工業(yè)大學