汽油机怠速模糊-PID控制系统研究与分析

总结有经验的操作者或专家的控制知识和经验得出的模糊条件语句的集合。在不同的转速偏差△n和转速偏差变化率dn/dt下，输出变量u具有如下规律：

（1）E、EC均为NB，表示实际转速过小，而且转速偏差有进一步增大趋势，怠速阀应开正大，即u取PB;

（2）E为NB，EC为PM，表示实际转速过小，但是转速偏差误差有减小的趋势，因此怠速阀开度取PS即可;

（3）E为NB，EC为PB，表示实际转速过小，但是系统本身有减小误差的趋势，因此输出控制变量取ZO，此时汽油机转速平稳增加。

U的模糊控制规则如表2所示。

2.3.3模糊推理和去模糊化

模糊推理由條件聚合、推断和累加三部分组成。模糊推理首先计算每一条规则的满足程度，然后根据条件的满足程度推断单一规则输出的大小，最后将所有规则的输出累加，得到总的模糊输出。本文选用较为常见的推理方法Mamdani型，采用重心法求取精确控制值。图3为输出变量U的模糊推理输入输出特性曲面。

2.3.4模糊-PID参数

在模糊-PID控制仿真系统中，通过添加一个智能开关来判断转速误差绝对值。当转速误差小于70r·min^-1，控制系统采用模糊控制算法;当转速误差大于70r·min^-1，控制系统采用PID控制算法。在仿真实验时，根据工程经验，反复调整PID控制算法的比例、积分、微分参数，使系统的性能达到最优，此时KP、Ki、Kd分别为0.4、0.005、0.2。

3怠速控制仿真建模

利用仿真软件Matlab中Simufink模块对汽油机怠速系统进行控制仿真。本文采用发动机平均值模型，并在此基础上增加了发动机怠速目标基本转速确定模块和怠速控制模块，对比分析3种不同的控制方式（PID控制、模糊控制、模糊PID控制）对怠速转速的影响。发动机怠速仿真模型如图4所示。

3.1冷却水温度与怠速转速的关系

怠速目标转速是经过各种负荷干扰因素的修正后得到的实际目标转速值，然而由于实验数据有限，本文只考虑冷却水温度和空调突加负载两个因素。通过对实验数据进行插值拟合，得到冷却水温度x与基本目标怠速转速Py（x）的关系，即

P2（x）=0.0299x²-5.0758x+1029.4（17）式中，x为冷却水温度，x∈[-30，100]℃。

3.2目标转速修正

当开启空调时，发动机的目标转速将有一定的提升。一般怠速工况下，空调加载，目标怠速转速相应增加50～100r·min^-1。本文设置空调加载时，目标转速增加60r·min^-1。当空调关闭时，怠速目标转速恢复至800r·min^-1。

4怠速控制结果仿真及分析

根据以上怠速控制仿真模型进行仿真试验，当冷却水温度达到80℃时，发动机暖机结束，转入正常的怠速控制。设置冷却水温度恒定在85℃，点火提前角为15°，在不同条件下采用三种控制算法（PID控制、模糊控制、模糊-PID控制）控制汽油机怠速，从而得到三种不同怠速工况下的响应曲线，对其进行分析对比。

4.1怠速稳态工况

当冷却水温度恒定在85℃，怠速目标转速稳定在800r·min^-1，且无负载突变工况时，三种控制算法的转速仿真曲线如图5所示。由图中可知：模糊PID怠速控制调节时间最短，约为15s，稳态误差为10r·min^-1左右，且无超调现象;而PID控制与模糊控制算法存在超调量大或稳态误差大的问题，发动机转速波动大。

4.2怠速动态工况

在22s时突然开启空调，怠速目标转速从800r·min^-1升至860r·min^-1，然后在37s时关闭空调，怠速目标转速又回到800r·min^-1。图6为怠速动态工况下三种控制算法的转速仿真曲线，结果表明：怠速稳定22s后开启空调，模糊PID怠速与目标转速（860r·min^-1）最大偏差10r·min^-1左右，无超调现象，调节时间在5s以内;而传统PID控制算法与模糊控制算法，在系统有干扰时，有明显的超调現象。这表明模糊PID控制系统具有很强的鲁棒性。

5台架怠速试验

试验采用1275CC型汽油机，冷却水温度设置为85℃，通过安装在曲轴飞轮上的转速传感器采集转速信号。采用北京意昂公司ECM048-0701控制器，将模糊-PID控制算法应用在发动机台架上。台架中所用主要试验仪器及设备如表3所示。

由试验测得的发动机怠速稳定性曲线与传统PID（原机）控制系统的怠速曲线对比，如-图7所示。两个控制系统的怠速试验结果表明：在稳定工况下，模糊PID怠速与目标转速（800r·min^-1）最大偏差为15r·min^-1左右，且无超调现象;而传统PID转速最大偏差达到±25r·min^-1。在发动机动态工况下，在怠速稳定20s后，测功机突加负载。由于负载的影响，转速波动加大，传统PID怠速与目标转速（860r·min^-1）最大偏差±30r·min^-1，且存在超调现象;采用模糊PID控制算法后，转速偏差控制在±15r·min^-1，且系统响应更快，调节时间短，无超调现象。

6结论

（1）本文设计的模糊PID控制器结合了传统PID控制器与模糊控制器的优点，使怠速控制系统在稳态工况下具有系统响应快、稳态误差小的特点，且无超调现象。

（2）在发动机怠速动态工况下，模糊-PID控制器抗干扰能力强，瞬态转速最大波动幅值低于±15r·min^-1，有效地降低了怠速的波动，提高了发动机怠速的稳定性。

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