基于Simulink模糊逻辑理论的发动机怠速工况下故障诊断

摘要：通过对模糊控制系统的基本原理进行分析，建立怠速旁通阀执行器部分的数学模型、发动机部分的数学模型;利用Matlab模糊逻辑工具箱的图形用户界面进行仿真，得到怠速跟踪曲线。通过改变怠速时发动机旁通阀开度与怠速关系二阶系统模型的输入，得到发动机空转时的故障跟踪曲线。结果表明：采用模糊控制方法对发动机怠速进行控制可以有效降低发动机空转的波动幅度，进一步提高了发动机怠速运行的稳定性，显示了模糊控制的良好效果。

关键词：故障诊断;怠速控制

0  引言

故障诊断是通过使用各种检查和测试方法来发现系统和设备是否有故障的过程。它主要基于信号处理和知识处理，从传统的傅立叶变换到小波分析，为故障诊断的预处理提供了有效的技术捷径。

随着汽车工业的迅速发展，汽车保有量和生产量在不断增长，发动机的故障诊断技术变得愈加重要，当发动机出现故障且没有及时注意和修复时，是非常危险的，轻则导致发动机出现更大问题，重则导致车毁人亡的悲剧。因此研究发动机的智能故障诊断技术具有实际意义。

1  建立怠速控制模型

1.1 建立怠速旁通阀执行器模型

研究发现，怠速旁通阀和怠速执行器的步进电机有密切关系，前者的开度直接影响着后者的输出，且它们呈线性关系，即：

1.2 建立发动机模型

当发动机空转时，可以通过实验获得发动机转速和旁通阀开度的模型。它代表了发动机空转时，转速和旁通阀开度的关系。转速达到工作点时，旁通阀开度和发动机转速两者间的关系可由二阶模型表示，模型的公式为：

1.3 故障下的数学模型

怠速控制的本质是发动机空转时对通气量的控制。在发动机空转时，对燃料喷射量进行控制，使之与怠速期间的充气量相匹配，并且到达怠速空燃比的要求。当节气门完全关闭时，电子控制单元会依据节气门信号、转向信号、空调信号、温度信号、空档信号和发动机转速信号来调节旁通气道中的空气量，保证发动机怠速运行。

因此，本文通过改变旁通阀开度，根据怠速与旁通阀开度之间的系统模型，改变其输入信号的比例，来对发动机怠速工况下的故障进行诊断分析。其状态空间表达式为：

2  空转工况下仿真

Simulink中有一套用于构建模糊推理系统的图形用户界面（GIU）。使用该图形界面，可以直接执行模糊系统的输入和输出语言变量的数量和去模糊的方法。可以编辑输入和输出语言变量中函数类型和参数;还可以直接添加、修改和删除模糊规则。首先在Simulink环境中建立发动机怠速仿真模型。怠速仿真模型窗口如圖1所示。

将信号发生器（Signal Generator）中的波形（Wave form）设置为方波（Square），幅值（Amplitude）设置为50，频率设置为0.05。分别设置示波器（Scope）的参数，饱和非线性（Saturation）的参数。

启动Simulink仿真系统，设置正确的仿真参数后，离散传递函数模型（Discrete Transfer Fcn）中填入正常工况下的离散传递函数，启动仿真。得到的系统输出变化跟踪曲线如图2所示。

改变离散传递函数模型（Discrete Transfer Fcn）中离散传递函数为故障状态下的传递函数，启动仿真。得到的系统输出变化跟踪曲线如图3所示。

由两个不同的怠速跟踪曲线可知：故障下的怠速较高，且较正常工况下更快达到峰值，平均怠速大于800r·min-1，在这种怠速状态下，会引起点火正时紊乱、发动机怠速控制阀始终打开、节气门故障和进气管真空泄漏等故障。

3  结语

①把发动机怠速限制在650r·min-1到750r·min-1之间时，可以实现对发动机转速变化的实时监控。本文设定怠速下发动机无负载时，发动机转速为650r·min-1;发动机有负载时，发动机转速为750r·min-1。根据仿真结果，可以看出采用模糊控制方法对怠速进行控制时，发动机转速相对稳定。②在怠速情况下，怠速实际输出值偏离设定值幅度较大，由此可知，当旁通阀开度较大时容易引起发动机怠速不稳的故障。利用模糊控制方法对发动机怠速进行控制，对减轻发动机怠速时转速的波动有显著效果，从而保证发动机怠速运行时的稳定性，显示了模糊控制的优势。

参考文献：

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作者简介：温永杰（1994-），男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论。