刘一鸣　薛　涛　曹　姜

（1-合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥2300092-安徽江淮汽车股份有限公司）

基于dSPACE的自学习算法在汽油/CNG两用燃料发动机空燃比控制中的应用研究

刘一鸣1薛涛1曹姜2

（1-合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥2300092-安徽江淮汽车股份有限公司）

发动机的空燃比对整机的动力性、经济性和排放性有很大影响，而空燃比本身具有非线性、多扰动的特点，空燃比的控制也存在延迟性。为精确快速稳定地控制汽油/CNG两用燃料发动机空燃比，利用MATLAB/Simulink软件建立基于开关氧闭环控制的燃气ECU自学习模型，算法平台为dSPACE公司的MicroAutoBox，在改装的江淮4GA1发动机上进行了验证试验。试验结果表明，该控制模型可较好地满足发动机空燃比控制需求。

两用燃料发动机自学习闭环控制dSPACE

引言

随着能源危机和排放污染问题的日益严重，开发以清洁能源天然气为动力源的发动机逐渐成为研究的热点［1］。其中汽油/CNG两用燃料发动机改装难度和成本都较低，因此应用最为广泛。

本文通过将dSPACE系统与MATLAB/Simulink软件相结合，开发了针对汽油/CNG两用燃料发动机燃气时的“闭环修正+自学习”相结合的空燃比控制系统，并以dSPACE公司的MicroAutoBox作为算法平台，在改装后的4GA1发动机上进行了验证试验。

dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试工作平台，能够与MATLAB/Simulink实现完全无缝连接。该系统拥有一套具有高速计算能力的硬件单元，包括处理器、I/O等，再通过快速控制原型（RCP）功能就可以快速、方便地进行控制算法的开发和测试，最后通过代码自动生成工具可将算法转化成产品代码，从而大大降低产品的开发周期和成本。

1　试验装置

试验装置结构简图如图1所示，启动时，原车ECU控制发动机的喷油点火。当水温和转速满足切换条件时，dSPACE通过控制切换继电器切断原车喷油信号，并根据原车的喷油信号和转速控制喷气时刻和喷气脉宽，发动机进入燃气状态。本试验采用经过改装的江淮4GA1发动机，原发动机主要技术参数如表1所示。通过监控系统和测功机对发动机转速、扭矩等参数进行监控。在自行设计的Controldesk后台中可进行油气切换、停缸检查、手动加减喷气脉宽等。发动机在燃气状态下，通过在ControlDesk后台中手动加减喷气脉宽验证空燃比控制算法的控制效果。

图1　两用燃料发动机试验装置示意图

表14　GA1型发动机主要技术参数

2　空燃比控制

由于空燃比对发动机的性能影响非常大，而且为满足排放的要求，需要将空燃比控制在理论空燃比附近，这样三元催化剂对尾气中排放物的处理效率才能达到最高［2］。本文采用开环前馈加闭环反馈控制相结合的方法来控制发动机的空燃比，借助闭环的反馈调节，还设计了自学习模块来改善开环控制。此外，氧仿真模块的开发可使发动机在高速、大负荷时实现稀燃，与自学习模块相结合时可进行喷气MAP的辅助标定。

由于两用燃料发动机的进气量只能由原车控制，因此在燃气状态下，燃气ECU只能通过调节喷气脉宽来控制空燃比。而天然气是气态，相对于液态汽油，相同摩尔体积所含的热量较小，因此为保证发动机的动力性，与一定量的空气混合时，需要更长的喷射时间。喷气脉宽PW_Gas组成如图2所示，由基本喷油脉宽和喷气补偿脉宽PW_Ad组成。喷气补偿脉宽包括查MAP表得到的基本喷气脉宽BaseF、闭环修正量、自学习修正以及温度、压力修正等，控制模型如图3所示。控制模块中计算的是喷气补偿脉宽。

图2　喷气脉宽PW_Gas组成

图3　喷气脉宽控制模型

2.1空燃比开环控制

当发动机的转速和负荷突变时，通过空燃比开环控制，燃气ECU可以快速响应。开环控制时空燃比只依赖于MAP表，但只通过标定就让喷气MAP表保证混合气在所有工况处于理论空燃比附近十分困难，因此还需结合空燃比闭环控制。

2.2空燃比PID闭环控制

PID控制由于结构简单，易于实现，对模型的依赖程度小，且有较强的鲁棒性，被广泛应用于控制过程中［3］。PID控制是一种线性控制，其根据目标值与实际值的偏差：error（t）=rin（t）-yout（t），算出修正量，增量式PID控制规律数学表达式为：

error（k）、error（k-1）、error（k-2）分别是k、k-1、k-2时刻实际值与目标值的差值，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数。最终，k时刻控制器输出的结果为：u（k）=u（k-1）+△u（k）。

本文针对原车开关氧传感器信号设计了增量式闭环PID控制，闭环控制程序模块如图4所示。

图4　空燃比闭环控制模型

为保证发动机的稳定性和动力性，空燃比闭环修正的启动条件包括：发动机在燃气状态下正常运行，氧传感器工作正常，发动机转速小于3 500 r/min。上述条件都满足时，开始闭环修正。PID控制器根据当前的开关氧传感器实际电压EGO_V与理论空燃比时的电压差值e计算出喷气修正量，从下个工作循环开始，闭环修正量开始作用于喷气脉宽。

2.3自学习控制

2.3.1自学习的意义

考虑到各地区天然气的组分差异较大，各个发动机的制造误差、老化磨损以及在不同海拔和气候地区使用等问题对发动机空燃比的影响［4］，试验标定的MAP并不能满足每台发动机运行时实际空燃比和理论空燃比都保持一致，而且为保证发动机运行稳定，必须对PID闭环修正限幅，当闭环修正达到限幅但混合气还是偏浓或偏稀时，只能通过自学习来调节喷气量使实际空燃比接近理论空燃比。

自学习模块另一个主要作用是辅助标定燃气ECU的喷气MAP，由于在标定燃气ECU的喷气MAP过程中，原车ECU会根据当前发动机工况变化对喷油脉宽进行调节和闭环修正，使得喷油脉宽不稳定。而且两用燃料ECU一般针对的是天然气改装车，车型较多，针对每种特定型号发动机都标定好喷气MAP是不现实的。所以在实际应用中可以先粗略地标定好一个喷气MAP，保证发动机可以正常工作，在发动机实际运行过程中，燃气ECU再根据自学习模块来优化喷气MAP。

2.3.2自学习修正

自学习实质是通过闭环控制的结果来改善开环控制，从而减少闭环修正的时间。

自学习修正的公式为：PW_Ad=BaseF×SL/128［5］

BaseF是根据转速和喷油脉宽查喷气MAP表得到的基本喷气脉宽，SL是根据当前工况查自学习表得到的对应自学习值。自学习表如图5所示，横坐标是转速，纵坐标是喷油脉宽，表中的初始值都为128，即不修正。发动机运行一段时间后，如果SL＞128，说明该自学习值所对应工况的喷气修正量偏小，需要增加喷气脉宽。如果SL＜128，说明该自学习值所对应工况的喷气修正量偏大，需要减小喷气脉宽。程序中将自学习值SL限幅在±30%的变化范围内，即90≤SL≤166。

图5　自学习表

由于自学习实质反映的是发动机固有属性（老化、磨损、一致性等）的变化，其不随发动机工况的改变而变化，所以只要满足以上条件，自学习修正在发动机所有工况中都参与喷气计算［5］。

2.3.3自学习控制算法

自学习程序模块如图6所示，A/F_Self_Learn程序中包含两个部分：一个是根据当前工况的转速和喷油脉宽查自学习表得到对应的自学习值SL，然后除以128得到自学习修正系数L；另一个是判断当前工况是否满足进入自学习的条件，如果满足，则进行自学习，并且在自学习之后更新自学习表中的值。

启动工况时，为使发动机快速暖机，混合气须较浓；急加速工况时，为保证发动机的加速性能，采取加浓混合气的方式；高速大负荷时，为保证发动机的动力性，混合气也偏浓；急减速工况时，考虑到经济性，发动机一般采用低于理论空燃比的稀混合气，所以以上工况都不会进入自学习［6］。此外，为保证自学习的可靠性，还需满足以下具体条件：

图6　自学习模块模型

1）发动机工作正常，并且相关传感器如水温、进气压力传感器等未发生故障。

2）发动机冷却水温度大于自学习启动设定温度。

3）打开自学习使能learn_enable，该项在Controldesk后台中控制。

4）发动机工况稳定，即发动机的转速、喷嘴压力、喷油脉宽都在限定的范围内波动。

5）发动机空燃比处于闭环控制状态，并且PID控制达到修正限幅，但混合气还是持续偏浓或偏稀。

上述条件都满足，则进入自学习程序，程序框图如图7所示。工况延迟计数器t是为了保证自学习期间发动机工况稳定，后台设置为2 s，即当发动机稳定2 s后再进入下一程序判断。自学习延迟计数器td是为了保证自学习的可靠性，后台设置为1s，即在工况稳定的前提条件下，发动机已经达到闭环修正限幅时间超过1 s。

当计数器t和td同时满足条件时，如果混合气偏浓，则该工况对应的自学习值减一个自学习步长；如果混合气偏稀，则该工况对应的自学习值加一个自学习步长。程序中将自学习前3 s内出现最多的工况点作为当前自学习点。

图7　自学习程序框图

自学习结束后，对当前工况的自学习值进行限幅后再更新自学习表中对应的自学习值

2.3.4氧仿真功能

燃气状态下混合气偏稀或偏浓时，原车ECU也会根据氧传感器信号对喷油脉宽作出相应的调整，严重偏离理论空燃比时，甚至会改变喷油MAP从而影响到发动机燃油时的性能。

因此，在燃气ECU模型中添加了氧仿真功能模块，燃气状态下开启氧仿真功能时，通过信号处理电路中的切换继电器截断进入原车ECU的氧传感器信号，接入程序中模拟产生的理论空燃比时氧传感器电压信号。这样原车ECU对喷油脉宽不进行调整，只有燃气ECU根据氧传感器信号对喷气脉宽进行调整。

正常行驶时关闭氧仿真功能，可以利用原车ECU和燃气ECU实现双闭环控制，这样可以更快地调节空燃比。标定喷气MAP时需打开氧仿真功能。另外，城市改装车辆在高速大负荷工况下，利用氧仿真功能可以实现稀燃以提高燃油经济性。

3　实验验证

将设计好的空燃比控制程序下载到MicroAuto－Box中后，ControlDesk后台软件通过与MicroAuto－Box实时通讯来观测和修改发动机各项参数。为单独验证燃气ECU空燃比程序模块的控制效果，并避免原车ECU由于混合气偏稀或偏浓对喷油MAP产生影响，以下试验中通过ControlDesk后台打开氧仿真功能并关闭所有工况修正。图8为ControlDesk后台界面。

图8　ControlDesk后台界面

3.1混合气偏浓时自学习试验

试验开始前发动机先暖机，当转速和水温达到切换条件时进入燃气状态。将发动机稳定在转速为1 500 r/min、喷油脉宽为4 ms工况点附件，保持油门位置不变，通过标定使发动机混合气在理论空燃比附近，即氧传感器电压在0～1 V之内均匀跳变，在ControlDesk后台中启动闭环修正使能和自学习使能，手动增加喷气脉宽3 ms。

试验结果分别如图9、图10和图11所示。从图9、图10中可以看出，前9 s内由于标定使混合气处于理论空燃比附近，氧传感器电压均匀跳变，手动增加喷气脉宽后，氧传感器电压在1 V左右波动，喷气脉宽和自学习值开始减小，5 s后喷气脉宽恢复正常，氧传感器电压在0～1 V之间均匀跳变，说明混合气又恢复到理论空燃比附近。期间由于氧仿真的功能，喷油脉宽几乎未发生变化。

图9　混合气偏浓时喷气量、喷油量、氧信号的变化

图10　混合气偏浓时自学习值、喷气修正量的变化

图11　混合气偏浓时自学习后的自学习表

3.2混合气偏稀时自学习试验

将发动机稳定在转速为2 000 r/min、喷油脉宽为7 ms工况点附近，保持油门位置不变，通过标定使发动机混合气在理论空燃比附近，手动减少喷气脉宽3 ms。

试验结果分别如图12、图13和图14所示。从图12、图13可以看出，前5 s内通过标定使混合气处于理论空燃比附近，氧传感器电压在0～1 V之间均匀跳变。手动减少喷气脉宽后，氧传感器电压在0 V左右波动，喷气脉宽和自学习值开始增大，经过6 s后喷气脉宽恢复正常，传感器电压在0～1 V之间均匀跳变，说明混合气又恢复到理论空燃比附近。期间喷油脉宽几乎未发生变化。

图13　混合气偏稀时自学习值、喷气修正量的变化

图14　混合气偏稀时自学习后的自学习表

4　结论

与传统ECU程序设计相比，通过dSPACE设计开发软件不仅大大降低了设计的周期和成本，而且在开发过程中，可以通过ControDesk后台方便地进行试验仿真和验证。从上述试验结果可以看出，基于dSPACE设计的自学习模块和闭环控制相结合，对两用燃料发动机燃气时空燃比控制具有较好的控制效果。当改装一辆两用燃料汽车时，开启时只需为发动机配上粗略标定过的喷气MAP表，发动机运行一段时间后，通过自学习机制，就可以得到一个与之匹配且较为精确的喷气MAP表，这样就可以大大减少由于标定所需的时间和成本，而且当发动机运行一段时间后，通过自学习可以弥补由于老化、磨损等原因对喷气MAP表造成的影响。

1田野.天然气客车的技术优势及市场价值［J］.商用汽车，2010（5）：38-39

2李国勇.智能控制与MATLAB在电控发动机中的应用［M］.北京：电子工业出版社，2007

3刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2004

4邹华.电控汽油机控制策略分析与研究［D］.武汉：武汉理工大学，2005

5孟武强.基于UEGO传感器的CNG发动机空燃比自学习控制策略研究设计［D］.成都：西华大学，2010

6姜卓，卓斌.汽油机新电控单元MICS1.0型ECU的研制［J］.内燃机学报，2000，18（4）：404-408

Application Research on Self-Learn Algorithm of the Gas/CNG Bi-Fuel Engine Air-Fuel Ratio Control Based on dSPAC

Liu Yiming1，Xue Tao1，Cao Jiang2
1-School of Machinery and Automotive Engineering，Hefei University of Technology（Hefei，Anhui，230009，China）2-Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.

The air-fuel ratio of engine has a great impact on power，economy and emissions，while the engine is nonlinear and multi-disturbance，the control of air fuel ratio also has a delay.To control air-fuel ratio of the Gas/CNG Bi-Fuel engine fastly and precisely，we use MATLAB/Simulink software to establish a self-learn algorithm of gas ECU based on closed-loop control.The platform of algorithm is the MicroAutoBox designed by the company of dSPACE.It has already done the test-experiments on a modified 4GA1 engine.The result of experiments shows that，the model can meet the requirements of controlling the air-fuel ratio of engine well.

Bi-Fuel engine，Air-fuel ratio，Closed-loop control，dSPACE

TK46

A

2095-8234（2016）03-0046-06

刘一鸣（1957-），男，副教授，主要研究方向为内燃机设计及电控技术。

2016-04-03）