汽油机瞬态空燃比控制器参数优化控制策略研究*

李岳林　龚宏义　徐东辉　刘宝杰　谢安平（.长沙理工大学，长沙40076；.宜春学院，宜春336000）



汽油机瞬态空燃比控制器参数优化控制策略研究*

李岳林1龚宏义1徐东辉2刘宝杰1谢安平1
（1.长沙理工大学，长沙410076；2.宜春学院，宜春336000）

【摘要】针对混沌优化算法在汽油机瞬态空燃比控制系统中的应用，提出基于该算法的空燃比控制器参数优化模型，并对控制器中的各种反馈参数进行每一工况的全局寻优。利用MATLAB软件建立瞬态空燃比控制器参数优化的仿真模型，并且进行了仿真对比验证。仿真结果表明，通过混沌优化算法能够提高汽油机瞬态空燃比的控制精度，并且可以使反馈参数同时达到每一工况的最优值。最后通过发动机台架试验验证了仿真结果的准确性。

1　前言

稳态工况下，一般的发动机反馈控制系统即可满足发动机各参数（转速、冷却液温度、进气流量和喷油脉宽等）的控制需求，也容易做到空燃比的精确控制。然而，在瞬态工况下，由于油膜动态效应以及各传感器的传送迟滞现象，发动机各参数及空燃比的控制显得尤为困难。徐东辉等人［1］提出基于非线性组合预测模型的混沌优化复合自适应瞬态空燃比控制模型，解决了油膜动态效应及传感器传送迟滞的问题，此模型在瞬态空燃比控制中达到了很好的精度要求。胡忠录等人［2］在此基础上提出了一种基于BP和RBF-NCC组成的混沌优化算法空燃比控制系统，使得发动机加速瞬态工况下的空燃比稳定在理论值附近。由于影响瞬态空燃比控制器的输入参数（转速、冷却液温度、进气流量和缸内压力等）很多，汽油机瞬态空燃比控制器仅对这些影响发动机工况的参数作一次前馈处理，并未在每一瞬态工况下对参数进行寻优匹配，这将增加汽油机瞬态空燃比的控制偏差。为此，采取瞬态空燃比控制器中的混沌优化算法，在反馈控制过程当中对这些参数进行再次优化，优化进气流量预测值、喷油脉宽、点火提前角等可控参数，以提高汽油机瞬态空燃比控制器的参数匹配优化能力。

2　混沌优化算法

混沌现象是非线性系统中一种普遍常见的现象，其特点是遍历性、随机性、规律性等。因此，混沌运动可以在特定范围内，凭借自身的规律性去搜寻遍历非线性系统中的所有状态。在非线性系统中，运用混沌优化的方法对系统变量进行寻优，将比随机搜索寻优的效果要好。混沌优化方法就是使混沌状态引入到非线性系统的优化变量当中，使得遍历范围扩大到优化变量的取值范围，然后运用系统中建立起来的混沌变量进行寻优［3］。

混沌优化算法可利用logistic映射、立方映射和无线折叠映射函数3种方法产生混沌序列，其中应用最多的是logistic映射，其函数表达式为：

式中，μ为控制参量。

设0〈x0〈1，当μ=4时，系统完全处于混沌状态。由于混沌对初始值比较敏感，所以给式（1）赋予i个微小差异的初值，便能获得i个混沌变量。

对于此映射函数模型，非线性系统的连续对象优化问题均可设为：

由于混沌运动在某些状态下搜索时间会过长，所以在此利用二次载波进行变量搜索。一次载波搜索后得到一个近似最优解，此时最优解处于最优值的邻域范围内，所以在此基础上进行二次载波，尽可能的缩小搜寻范围，最后得出全局最优解，提高混沌优化算法的搜寻速度。

3　基于混沌优化算法的瞬态空燃比控制器参数优化模型的建立

3.1汽油机瞬态空燃比控制器

汽油机瞬态空燃比控制器主要由油膜补偿系统和反馈控制系统组成。油膜补偿系统包括混沌RBF神经网络油膜参数辨识模型、油膜模型计算器和混沌最小二乘支持向量机控制器；反馈控制系统包括空燃比混沌时序非线性组合预测模型、混沌最小二乘支持向量机控制器［1］。

汽油机瞬态空燃比控制器利用混沌优化算法计算出RBF神经网络的最佳节点和最佳权值，能够精确完成汽油机瞬态工况进气流量预测，同时利用其自身的油膜补偿系统，能够准确计算出汽油机瞬态工况下所需的燃油补给量，进而完成对喷油量的精确控制。此外，采用混沌优化算法对瞬态空燃比控制器中的神经网络辨识系统进行优化辨识，从而提高汽油机瞬态空燃比控制系统的实时性。

3.2基于混沌优化算法的瞬态空燃比控制器参数优化模型的建立

汽油机瞬态空燃比控制器利用混沌优化算法对自身的神经网络系统进行优化计算，能够得到比较精确的空燃比控制效果。然而，影响瞬态空燃比的各种参数都只是作为空燃比控制器的一次性输入量来预测计算空燃比数值。因此，本文将汽油机瞬态空燃比控制器的各种参数联系起来，在反馈控制系统中运用混沌优化算法对其进行优化预测计算，提出一种基于混沌优化算法的瞬态空燃比控制器参数优化模型，以使汽油机瞬态空燃比控制器中的各参数达到某一瞬态工况下的最优状态。

根据发动机各参数建立起来的模型有进气歧管空气质量流量子模型、燃油蒸气与油膜子模型和动力输出子模型［4］。根据要求考虑影响空燃比的参数，因此仅建立发动机前两个子模型。

a.进气歧管空气质量流量子模型

式中，m˙a为进气管内空气质量变化率为进气空气质量流量；Vd为发动机排量；n为发动机转速；ηvol为发动机充气效率；D为节气门体内腔直径；Tamb为大气温度；k为空气比热比；为节气门体空气质量流量；pman为进气歧管绝对压力；V为进气管容积；为进气歧管温度；Ct为节气门体流量系数；pamb为大气压力；pr=pman/pamb；α为节气门开度。

b.燃油蒸气与油膜子模型

将两个子模型综合起来，可将所涉及影响空燃比的各参数联系起来，进而运用混沌优化算法对发动机输入的参数进行优化计算，输出值（空燃比λ）总方程

式为：

式中，P表示进气歧管压力；T表示冷却水温。

基于混沌优化算法理论和发动机的两个子模型，针对发动机各参数值，建立基于混沌优化算法的汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型，如图1所示。

图1　基于混沌优化算法的汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型结构示意

3.3参数优化模块的计算

图2所示为在汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型中利用混沌优化算法对各参数值进行优化处理的流程。

图2　模型参数混沌优化流程

发动机在某一瞬态工况下，其综合性能指标的控制参数可表示为：

式中，wji、wdi和wpi分别表示发动机经济性、动力性和排放性在不同工况下的权重系数；分别表示发动机以经济性、动力性和排放性为指标所获得的控制参数［5、6］。

以多输入多输出为目标，将输入、输出的参数方程可以简化为矩阵形式：

参数输入矩阵可以表示为：

矩阵的每一列代表发动机某一瞬态工况的参数值。汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型根据大量的输入值来进行混沌优化计算，并且经过权值修正，即可得出输出的最优值。

4　仿真结果及台架验证

4.1仿真结果验证

将汽油机瞬态空燃比控制器参数优化仿真模型导入MATLAB/Simulink软件的仿真试验程序中。首先输入发动机参数值，经过模块的优化运算，得出汽油机某一瞬态工况下θ、t、m 3个输出值，将获得的3条输出值曲线分别与原控制器输出曲线和理论模型计算模拟曲线进行对比，最后得出汽油机瞬态工况下点火提前角、喷油脉宽和进气流量的仿真对比图，如图3～图5所示。

由图3可以看出，发动机在加速瞬态工况下刚开始加速前10 ms一瞬间，原控制器模型的点火提前角参数值偏离理论值较大，此后随着加速时间的推移参数值逐渐稳定下来，其控制精度尚能满足控制要求。然而汽油机瞬态空燃比控制器加入参数优化模块后，其点火提前角参数曲线并未出现较大偏差现象，而是一直保持较稳定的数值在理论曲线附近摆动，其控制精度优于原控制器。同理，减速瞬态工况也能得出类似的情况。仿真结果说明，瞬态工况下，将发动机参数值经过混沌优化算法再次计算后，能够减少发动机瞬态工况输出参数值的波动，提高发动机控制系统的抗干扰性，使发动机某一瞬态工况的点火提前角得以优化，提高控制精度。

图3　加、减速瞬态工况点火提前角仿真结果对比

图4　加、减速工况喷油脉宽仿真结果对比

图5　加、减速工况进气流量仿真结果对比

从图4和图5仿真对比可以看出，汽油机在瞬态工况下，原控制器模型的喷油脉宽和进气流量曲线均能做到贴近于理论值曲线，控制精度也能做到比较可观的效果，误差小，曲线波动也很小。但是，其喷油脉宽曲线处于理论值曲线偏上的位置（图4），而进气流量曲线则处于理论值曲线偏下的位置，这会对汽油机缸内燃烧造成一定影响，进而影响发动机性能。然而，加入参数优化模型后，喷油脉宽曲线和进气流量曲线虽然波动较原来稍大，但曲线波动在理论值曲线附近，拟合程度较原来好，因此可改善发动机的性能。仿真结果说明，基于混沌优化算法的汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型能够使发动机喷油脉宽和进气流量参数得到优化匹配，提高控制精度。

文献［1］和文献［2］对汽油机瞬态空燃比控制器参数进行了详尽辨识，并且给出参数的计算误差及减小误差的方法。因此，仅对汽油机原控制器模型和参数优化模型的加速瞬态工况进行仿真数值记录，定性分析两模型各自的控制效果。由表1的瞬态空燃比仿真数值可以看出，汽油机原控制器模型对发动机加速瞬态工况（转速1 000～5 000 r/min）具有较好的空燃比控制效果，其平均误差控制在±2.7%附近，并且随着加速时间的推移而逐渐减少空燃比控制误差；然而，汽油机在参数优化模型的加速瞬态工况中，其瞬态空燃比控制的平均误差更小，为±2.0%，且此时的瞬态空燃比变化趋于稳定性，波动范围很小。因此，仿真数值表明，基于混沌优化算法的汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型具有更高的瞬态空燃比控制精度及良好的稳定性。

表1　两模型瞬态空燃比仿真数值比较

根据汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型的仿真输出结果，给出仿真验证得出的3个输出参数仿真脉谱图，如图6～图8所示。

图6　点火提前角仿真脉谱图

图7　喷油脉宽仿真脉谱图

图8　进气流量仿真脉谱图

结合所有仿真结果，最后给出汽油机某一加速瞬态工况空燃比仿真对比图，如图9所示。

仿真结果表明，虽然原控制器瞬态空燃比变化曲线在可控精度范围内，但是经过混沌优化模型的瞬态空燃比控制器参数优化后可得到最佳点火提前角、喷油脉宽和进气流量等输出参数，进而获得更加稳定的瞬态空燃比变化曲线，使汽油机瞬态空燃比控制精度进一步提高。

图9　汽油机加速瞬态工况空燃比仿真对比

4.2发动机台架试验验证

基于FPGA硬件技术，采用高性能数据芯片处理技术，将汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型刷写到Mototron平台，通过此平台与发动机台架连接，对优化模型进行汽油机加速瞬态工况台架试验验证。为使汽油机工作在加速瞬态工况下，利用瞬态油门控制器控制油门瞬态开度，将油门过渡时间设置为0，使汽油机转速由1 000 r/min瞬时提高到1 500 r/min，记录此时汽油机输出扭矩、功率及燃油消耗率数值，同时采集HC的排放数据，并用阿克玛插值法对数值曲线进行处理，得出基于参数优化模型的汽油机加速瞬态工况输出扭矩、功率、油耗及HC排放曲线，最后与未优化的汽油机相对应性能参数进行对比，绘制出汽油机瞬态工况动力及经济性能试验对比图（图10）和HC排放试验对比图（图11）。

图10　汽油机加速瞬态工况动力及经济性能试验对比

由图10和图11可知，对汽油机瞬态空燃比控制器的参数进行优化处理后，虽然在接近稳态工况（转速1 500 r/min）时，汽油机的扭矩、功率、油耗及HC排放与原来相比变化不大，但是在加速瞬态时刻，即汽油机转速由1 000 r/min到1 300 r/min的过程，汽油机的扭矩、功率值均有所提高，且燃油消耗率、HC排放数值均有所下降，证明经过参数优化模型处理后，汽油机瞬态工况的动力性、经济性及排放特性均得到提高，从而验证了理论和仿真结果的准确性。

5　结束语

将混沌优化算法引入到汽油机瞬态空燃比控制器的参数优化问题中，利用混沌优化算法对控制器中的参数进行寻优处理，使控制器输出发动机最佳参数值，并提出一种基于混沌优化算法的汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型。结合发动机的两个子模型，搭建了参数优化模型的仿真模块，并且对该参数优化模型进行了仿真对比验证试验。仿真结果表明，该汽油机瞬态空燃比控制器参数优化模型与原控制器相比，具有较好的参数相对稳定性，并且能够进一步提高对瞬态空燃比的控制精度，最后通过发动机台架试验验证了仿真结果的准确性。

参考文献

1徐东辉，李岳林，杨巍，等.基于混沌RBF神经网络的汽油机进气流量预测研究.计算机工程与应用，2014，50（1）：222～226.

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13张志沛.汽车发动机原理.北京：人民交通出版社，2011.

14李岳林.汽车排放与噪声控制.北京：人民交通出版社，2007.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2015年11月1日。

主题词：汽油机瞬态工况空燃比混沌优化算法控制

Research on Optimal Control Strategy of Transient Air-fuel Ratio Controller of Gasoline Engine

Li Yuelin，Gong Hongyi，Liu Baojie，Xie Anping
（1.Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076；2.Yichun University，Yichun 336000）

【Abstract】For the application of chaos optimization algorithm in gasoline engine transient air-fuel ratio control system，the air-fuel ratio controller parameters optimization model based on this algorithm is proposed，which is utilized to seek optimization of each of the conditions for different feedback parameters in the controller.MATLAB software is used to establish the simulation model of parameter optimization for the transient air-fuel ratio controller，and the comparative results are validated via simulations.The results show that the chaos optimization algorithm can improve accuracy of the gasoline engine transient air-fuel ratio control，and it can also enable the feedback parameters reach the optimal values in each of the conditions simultaneously，the accuracy of the simulation results is verified by the engine bench test.

Key words:Gasoline engine，Transient condition，Air-fuel ratio，Chaos optimization algorithm，Control

中图分类号：U464.11

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）05-0031-06

*基金项目：国家自然科学基金项目（51176014）；湖南省自然科学基金项目（2016JJ2003）。