柴油/天然气双燃料发动机模式切换的控制研究

李坤颖，张平安

（深圳信息职业技术学院计算机学院，广东 深圳 518172）

柴油/天然气双燃料发动机模式切换的控制研究

李坤颖，张平安

（深圳信息职业技术学院计算机学院，广东 深圳 518172）

柴油/天然气双燃料发动机在运行过程中，根据实际工况选择工作在纯柴油模式或双燃料模式，由于燃料的供给方式不同，当两种模式发生切换时会引起转速的异常波动。本文分析了转速异常波动的原因，并基于能量守恒方程，建立了模式切换控制模型，通过采用CMAC-PID复合控制策略，实现转速异常波动的快速抑制。通过与PID控制效果对比，结果表明：CMAC-PID复合控制策略能实时、快速实现切换过程的平稳过渡，提高发动机性能。

双燃料发动机；模式切换；CMAC-PID复合控制策略

引言

柴油/天然气双燃料发动机是在柴油机基础上加装一套天然气供气设备改装而来，可以工作在纯柴油模式和双燃料模式。根据运行工况，工作模式从纯柴油模式切换到双燃料模式时，由于柴油供油和天然气供气方式的不同，切换过程转速会出现异常波动，降低驾驶的舒适性，甚至出现驾驶危险。

目前有神经网络PID、广义预测控制算法等控制策略抑制转速波动[1,2]的研究报道，但是神经网络计算量大，广义预测控制算法需要预先确定期望轨迹，算法较为复杂，两者都难以满足实时性要求。小脑神经网络(Cerebellar Model Arithmetic Computer,CMAC)不要求精确的数学模型，具有较高的实时性，更适合于发动机复杂、多变的工况要求。因此，本文提出采用CMAC与工程使用广泛的PID复合控制的策略，实现转速波动的快速抑制。

1 模式切换过程分析

发动机在稳定工况下进行模式切换时，发动机输出扭矩Teq与负荷Me相等：

发动机的有效功率Pe与转速n关系为：

燃料消耗量与发动机有效功率Pe的关系，由发动机的实验得到为：

由式（2）、（3）可得转速和燃料消耗量的关系为：

在稳定工况下，为确保发动机工作模式切换时转速平稳过渡，切换前纯柴油模式燃烧释放的热量与切换后双燃料模式燃料释放的热量相等，即：

2 模式切换控制模型

2.1 模式切换控制模型的建立

模式切换控制模型的原理框图如图1所示。在控制模型中将外界负荷的变化作为扰动量来处理。

图1 模式切换控制模型Fig.1 Model switching control model

图1中，n0为发动机期望转速，n为发动机实际转速；nd、ud、Pd为模式切换后柴油产生的转速、柴油量及有效功率；nn、un、Pn为天然气产生的转速、天然气量及有效功率；utd为总的柴油喷油量；Me为外界负荷；e为转速波动量。

模式切换控制模型由CMAC-PID复合控制器、切换子模型和发动机模型组成。发动机模型由公式(4)所示，控制变量为切换前柴油总量 。

2.2 切换子模型

切换到双燃料模式时，柴油量会减少，同时天然气供气电磁阀打开，减少的柴油由天然气补充。双燃料工作模式下燃烧复杂，不利于建立切换子模型。由公式（4）和公式（5）可知，模式切换后，转速可分为两部分，喷入柴油产生的转速和喷入天然气产生的转速，即转速为两种燃料各自产生的转速之和。因此，分别建立两种燃料以及各自引起的转速变化模型。

切换后，柴油部分产生的转速对柴油喷油量的变化响应，采用一阶惯性环节表示[3]，如公式（6）所示；

式中，Td为柴油机惯性的时间量度；nd(t)为柴油部分产生的转速；ud(t)为柴油喷油量；nd(t)、ud(t)是时间t的函数。

天然气部分产生的转速对天然气耗气量的变化响应，采用二阶系统近似表示，如公式（7）所示。

式中，a1、a0、b1、b0为二阶系统参数；nn(t)为天然气部分产生的转速；ud(t)为天然气供气量；nn(t)、ud(t)是时间 的函数。

切换子模型中公式(6)和公式(7)中的参数Td、a1、a0、b1、b0通过最小二乘法辨识得出，以公式(7)为例辨识参数a1、a0、b1、b0：

（1）微分方程离散化

当t=kT时，

简记为：

同理可得：

由公式（7）、（8）、（9）、（10）得到第步转速的离散输出表达式：

式中，T为采样时间，为测量误差。

采集切换过程L组转速和天然气喷射量数据nnk、unk，k=1，2，…L，得到如下方程组：

通过最小二乘法可辨识出参数a1、a0、b1、b0，采用相同的方法可辨识出Td。

（2）转速与柴油量、天然气量数据采集方法

为便于描述以及跟上文保持一致，采用utd表示发动机工作在纯柴油模式时总的柴油量，ud、un分别为纯柴油模式切换到双燃料模式时柴油量与天然气量。

数据采集分两步：1）发动机工作在纯柴油模式，柴油的喷油量从utd减少至目标喷油量ud，同时记录发动机转速变化，采样频率为0.01秒。通过柴油量和转速数据采集，辨识出Td。2）恢复柴油喷油量至utd，ECU发出模式切换命令，柴油喷油量减少为ud，同时增加天然气供应量为un，以相同的采样频率采样速度数据。柴油喷油量与的转速变化关系由步骤1)可知，发动机的转速可以直接测量，因此天然气喷气量与其产生的转速也就可知。得到辨识出参数a1、a0、b1、b0的值。针对WD615柴油/天然气双燃料发动机，经过试验得到Td=0.5，a1=6，a0=100，b0=89，b1=0.02。

2.3 CMAC-PID复合控制器

CMAC-PID控制器结构如图2所示。在图2中，实际转速n与期望转速n0之差e为PID控制器输入，up为PID控制器输出；期望转速n0与up为CMAC控制器输入，uc为CMAC控制器输出；u为复合控制器总输出，控制柴油总的喷油量。

图2 CMAC-PID复合控制器结构Fig.2 CMAC-PID controller structure diagram

CMAC算法学习[4]为：

（1）量化，即对发动机期望转速进行量化，把转速的最大值nmax与最小值nmin在区间上分成N+2c个量化区间。

（2）CMAC实际映射方法如公式（14）所示：

式中，c为表征网络的泛化能力的泛化参数。

（3）CMAC神经网络权值调整规则为：

（4）CMAC系统输出为：

CMAC-PID控制器输出为：

CMAC-PID复合控制器工作原理为：纯柴油模式切换到双燃料模式初始时，PID控制器控制起主导作用，CMAC控制器权值w=0，CMAC的输出uc=0，控制对象的输入u=up；随着w权值的在线学习，PID控制器输出up逐渐减为0，控制对象的输入u逐渐等于uc；当学习完成时u=uc，up=0。

3 切换过程控制结果分析

CMAC-PID复合控制器的控制效果与PID控制器参数Ki，Kp，Kd和CMAC控制器的参数N、c、、有关。PID控制器参数根据工程上使用的实验凑试法来确定。CMAC控制器参数的选择兼顾系统的稳定性和控制器学习时间。CMAC控制器参数选择为：N=60，c=5，=0.08，=0.01；PID控制器参数为：Kp=10，Ki=0，Kd= 0。

图3（a）-（c）分别为发动机转速在1430r/min、1810r/min、转速从850r/min 加速到1500r/min三种工况下，模式切换时转速的变化情况，仿真采样时间ts=0.01s。

图3 不同工况的模式切换转速波动变化情况Fig.3 The speed change of engine work mode switching

图3为三种不同工况工作模式切换时，发动机在没有控制器、PID控制器和CMAC-PID控制器时，转速的变化情况。从图可知，三种工况下，转速变化趋势相同。未加控制器时，转速波动较大，转速稳定时间较长。加上控制器后转速波动大幅减小，转速稳定时间大幅缩短。表1为PID控制器与CMAC-PID控制效果对比。由表可知CMAC-PID控制器在快速抑制转速波动比PID控制器更具优势。同时，CMAC权值在线习得，能自动适应发动机不同的工况而不需要修改控制参数。

表1 两种控制器控制结果Tab.1 the result of two controller

4 结论

本文提出的CMAC-PID复合控制器能快速抑制双燃料发动机模式切换时的转速波动。与PID控制器相比，转速波动小且达到稳定状态时间短。

[1]刘震涛,费少梅.天然气/柴油双燃料发动机油气切换过程的优化控制[J].浙江大学学报:工学版,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]肖贻鹏,姚加飞.天然气/柴油双燃料发动机油气切换的优化控制模型[J].汽车工程,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]赵光宙,高军,杨志家.柴油机模型参考自适应调速系统的研究[J].内燃机工程,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,时文飞,万江.基于CM AC-PID控制的柴油发电机组的建模与仿真[J].系统仿真学报,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)

【责任编辑：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

国家自然科学基金重点项目（61174135）。

李坤颖（1981-），女（土家），助教，博士，主要研究方向：电子控制技术研究。E-mail:liky@sziit.edu.cn