徐曉麗

(上海電力學院 自動化工程學院, 上海 200090)

基于單片機的電控發(fā)動機怠速模糊控制器實現(xiàn)

徐曉麗

(上海電力學院 自動化工程學院, 上海 200090)

針對發(fā)動機怠速工況顯著的時變性、非線性和不確定性,以80C196KC單片機作為控制器,設計了一種以發(fā)動機轉速偏差及偏差變化為模糊輸入、以旁通電磁閥占空比和點火提前角為模糊輸出的模糊控制器.實驗結果表明,該模糊控制實現(xiàn)了穩(wěn)定怠速控制,且與原系統(tǒng)相比,降低了怠速目標轉速,并具有更好的冷卻水溫適應性.

單片機; 怠速工況; 模糊控制; 旁通電磁閥占空比; 點火提前角

發(fā)動機怠速工況是一種典型運行工況,即發(fā)動機工作而汽車不行駛的狀態(tài),行車過程中大約1/3的時間都處于怠速工況[1].

發(fā)動機怠速工況的工作過程十分復雜,影響因素很多,且與燃燒過程直接相關,非線性和不確定性顯著,因此很難用精確的數(shù)學模型來描述此過程.模糊控制方法能夠處理對象的定性信息以及運用人的經驗和技巧,特別適用于數(shù)學模型很難建立或根本無法建立的被控對象.目前,模糊技術在汽車的一些電控子系統(tǒng)中得到了應用,并取得了顯著的控制效果[2-3],但只通過對怠速進氣量的調節(jié)來提高怠速工況的穩(wěn)定性.

在穩(wěn)定怠速工況下,由于燃燒的隨機性,發(fā)動機的怠速存在天然的、隨機的轉速浮動,僅對怠速進氣量進行反饋控制并不能克服轉速波動.點火提前角的大小會影響發(fā)動機的轉矩,進而對怠速轉速產生影響,并且改變點火提前角來控制怠速轉速具有更快的響應速度和更高的精度[4].因此,設計模糊控制器時,應綜合考慮怠速進氣量和點火提前角對穩(wěn)定怠速的影響,同時進行調節(jié),以期達到良好的控制效果.

1 電控發(fā)動機閉環(huán)怠速模糊控制系統(tǒng)

圖1 電控發(fā)動機閉環(huán)怠速模糊控制過程

控制系統(tǒng)中使用80C196KC單片機作為控制器[5],發(fā)動機的瞬時轉速n利用80C196KC單片機的高速輸入端口HSI的定時功能通過計算得到.上止點位置傳感器每隔180° CA向控制器發(fā)送一次采集到的脈沖信號,高速輸入端口對相鄰信號時間間隔進行定時計數(shù).控制器根據(jù)定時器T1計數(shù)值的大小,計算發(fā)動機180° CA的平均轉速.實驗中,單片機采用12 MHz晶振,在此晶振下,80C196KC定時器T1的每個計數(shù)值對應(4/3)μs時間.假定相鄰信號時間間隔里,定時器T1的計數(shù)值增加量為ΔT,則發(fā)動機轉速n可表示為:

(1)

另外,控制系統(tǒng)采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻檢測冷卻水溫度,并據(jù)此設定怠速目標轉速.控制器專門設計了各種輸入(如轉速信號、水溫信號等)傳感器接口電路和輸出執(zhí)行機構(如怠速旁通閥、點火線圈、噴油器等)的驅動電路.發(fā)動機運行過程中,控制器接收傳感器的輸入信號并對其進行處理,判斷發(fā)動機當前的運行情況,按預先制定的控制策略來調節(jié)各個執(zhí)行器的具體動作.

2 模糊推理器

2.1 模糊推理器結構

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊推理器,其流程結構如圖2所示[2].

圖2 模糊推理器結構

由圖2可知,模糊推理器的3個組成部分均包含程序和數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)又分為變量和參數(shù)兩類,其中變量有系統(tǒng)輸入、由模糊化計算輸入變量得到的模糊輸入變量、模糊輸出變量,以及根據(jù)反模糊化計算得到的系統(tǒng)輸出;參數(shù)包括輸入隸屬函數(shù)、推理規(guī)則和輸出隸屬函數(shù).

2.2 梯形輸入隸屬函數(shù)實現(xiàn)

用P1,P2,P3,P4表示圖3中梯形輸入隸屬函數(shù)的頂點,每個頂點用一個字節(jié)來存儲,這樣存儲一個隸屬函數(shù)需占4個字節(jié).本模糊控制器中,共有兩個輸入變量,每個輸入變量劃分為7個模糊子集,這樣占據(jù)的ROM(只讀存儲器)空間為64字節(jié).圖3中,x表示論域,u表示隸屬度,隸屬度的取值區(qū)間是[0,1](存儲器中,用0FFH來表示1;用00H來表示0).編程中,將量化后的輸入變量和隸屬度皆用單字節(jié)來存放.

圖3 梯形輸入隸屬函數(shù)

2.3 輸出變量的隸屬函數(shù)實現(xiàn)

模糊控制輸出變量為旁通電磁閥占空比(PWM)和點火提前角(AST),也包含7個模糊子集,即:{負大(NB),負中(NM),負小(NS),零(O),正小(PS),正中(PM),正大(PB)},論域均為[-6,6];由于旁通電磁閥占空比和點火提前角相互獨立,因此均采用單點隸屬函數(shù)形式,即隸屬函數(shù)值非零即1,如圖4所示.這樣只需一個字節(jié)即可完成函數(shù)存放,數(shù)據(jù)結構非常簡單.

圖4 單點隸屬函數(shù)

3 模糊推理

3.1 模糊數(shù)規(guī)則表及實現(xiàn)

表1 模糊子集編號

4位二進制數(shù)即可表示各模糊語言變量的值即隸屬函數(shù)名,用一個字節(jié)表示一條規(guī)則的兩個前提,其中第一前提對應高4位、第二前提對應低4位的模糊取值.同樣用一個字節(jié)表示規(guī)則的結論,高低4位分別表示第一和第二結論的模糊值.如此存儲控制規(guī)則,既節(jié)省內存,又利于快速實現(xiàn)查找和推理.

為將發(fā)動機的怠速轉速波動控制在最小范圍,根據(jù)人們對發(fā)動機怠速控制的實際經驗及控制策略,利用模糊集合理論、語言變量及模糊關系將人的控制規(guī)則總結成模糊控制規(guī)則表,如表2所示.

表2 AST/PWM模糊數(shù)規(guī)則

3.2 模糊推理實現(xiàn)

在數(shù)字單片機中,通常采用MAX-MIN推理合成算法進行模糊推理,并產生模糊輸出結果[6].MAX-MIN模糊推理的步驟如下:

(1) 在內存RAM(隨機存取存儲器)中開辟一段存儲空間,用來存放所有的模糊輸出變量,并對該空間清零;

(2) 取一條規(guī)則前提的高4位作為地址偏移量,加上第一前提在內存RAM中存放的首地址,可在RAM內找出第一前提模糊輸入量的隸屬度u1,若u1不為零,再取前提的低4位作為地址偏移量,加上第二前提的首地址,在RAM內找出第二前提模糊輸入量的隸屬度u2;

(3) 取兩個前提隸屬度的最小值作為該規(guī)則結論模糊子集的隸屬度u,即u=min(u1,u2);

(4) 取規(guī)則結論的高4位作為地址偏移量,加上PWM模糊輸出量的RAM區(qū)首地址,求出PWM結論模糊子集在RAM中的存放地址,將u與該單元的原先存放值進行比較,并將較大值存放于該單元,取規(guī)則結論的低4位作為地址偏移量,加上AST模糊輸出量的RAM區(qū)首地址,求出AST結論模糊子集在RAM中的存放地址,將u同樣作上述處理.

4 輸出變量的反模糊化

在控制系統(tǒng)中,控制器輸出的控制量必須是一個精確量,而模糊控制器推理得到的是模糊輸出量及其相應的隸屬度,故采用加權平均方法求出所有模糊輸出量作用的精確值,其計算公式為:

(2)

式中:Ui——第i個輸出變量的值;μij——第i個輸出變量的第j個模糊輸出變量的值;

yij——第i個輸出變量的第j個模糊子集的支持值;

ni——第i個輸出變量對應的模糊子集(模糊輸出變量)的數(shù)目.

可見,反模糊化處理時,找出存儲于ROM中的模糊輸出量隸屬度表,取出隸屬度不為零的μij,及對應的該模糊子集的支持值yij,一一對應求積后再求和,并除以所有模糊輸出量的隸屬度之和,即可求得精確的輸出值Ui,可見所有隸屬度不為零的模糊輸出量對控制輸出都有作用.

5 實驗結果及分析

發(fā)動機怠速模糊控制器調試完成后,使用某電噴發(fā)動機進行臺架試驗,測取模糊控制后發(fā)動機的怠速穩(wěn)定性曲線,如圖5所示.

由圖5a可知,水溫12 ℃時,怠速模糊控制系統(tǒng)目標轉速為1 150 r/min,怠速轉速與目標轉速的最大偏差為16 r/min;原機怠速目標轉速為1 200 r/min,原機怠速轉速與目標轉速的最大偏差為17 r/min,可見模糊控制降低了目標怠速,對怠速轉速的穩(wěn)定性亦有所改善.

圖5 模糊控制怠速曲線

由圖5b可知,水溫98 ℃時,怠速控制系統(tǒng)目標轉速為800 r/min,怠速轉速與目標轉速的最大偏差為12 r/min;原機怠速目標轉速為800 r/min,目標轉速與怠速轉速的最大偏差為11 r/min,可見模糊控制前后怠速穩(wěn)定性相當.

6 結 語

本文實驗結果驗證了所設計的模糊控制方法的有效性,與原控制系統(tǒng)相比,模糊控制方法對冷卻水溫的變化具有更好的適應性,能降低怠速目標轉速,獲得更好的燃油經濟性,且能很好地穩(wěn)定怠速波動.

[1] ENDRES H,NEUBER H J,WURMS R.Influence of swirl and tumble on economy and emissions of multivalve SI engines[J].SAE,1992(5):528-536.

[2] 張振東,陳萬忠.汽油機怠速轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究[J].農業(yè)機械學報,2000,31(1):12-14.

[3] 羅小青,黃云奇.基于PID-Fuzzy理論的發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)研究[J].小型內燃機與摩托車,2010,39(3):1-4.

[4] WANG L B,FAN J.Study of self-adaptive RBF neural network control method for the engine idle speed control[C]//Proceedings of 2011 International Conference on Consumer Electronics,Communications and Networks.Xianning,China:IEEE,2011:2 633-2 636.

[5] 徐愛卿.Intel 16位單片機:修訂版[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002:7.

[6] 朱相磊,蘇覬,馬漢華.模糊控制器的數(shù)字單片機實現(xiàn)方法[J].山東電子,1998(2):5-7.

(編輯 桂金星)

Realization of Engine Idle-speed Fuzzy Controller Based on SCM

XU Xiaoli

(SchoolofAutomationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In view of the significant features of being non-linear,time-varying and uncertain on the part of the engine idling condition,a fuzzy controller is designed based on 80C196KC single-chip microcomputer(SCM).The double fuzzy inputs are engine speed deviation and its change,while the double fuzzy outputs are duty ratio of the bypass electromagnetic valve and ignition advance angle.Experimental results show that the fuzzy controller realizes the stable idle-speed control and has smaller idle speed target,better adaptability to cooling water temperature.

single-chip microcomputer; idle-speed condition; fuzzy controller; duty ratio of the bypass electromagnetic; valve ignition advance angle

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.006

2015-06-30

簡介：徐曉麗(1972-),女,碩士,副教授,江蘇泰州人.主要研究方向為智能控制及故障診斷.E-mail:xuxiaoli@shiep.edu.cn.

TP273

A

1006-4729(2016)06-0534-04