天然气发动机自适应控制软件抗干扰设计

第３４卷第３期２００４年７月吉林大学学报（工学版）ＪｏｕｍａｌｏｆＪｉＩｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖ０１．３４ＪｕｌｙＮｏ．３２００４文章编号：１６７ｌ一５４９７（２００４）０３—０３４８—０４天然气发动机自适应控制软件抗干扰设计杨晓萍１，洪伟２，赵梅３（１．吉林大学通信工程学院，吉林长春二航空学院六系，吉林长春１３００２２）１３００２２；２．吉林大学汽车工程学院，吉林长春１３００２２；３．空军第摘要：为提高天然气发动机的动力性、经济性和排放性能，采用了缸内直接喷射天然气的方法，并对点火正时和空燃比实施了自适应控制。重点分析了以发动机自身转速为反馈信号进行自适应控制的天然气发动机干扰源的特殊性，提出并实施了因素抖动和抖动循环等寻优控制策略。采用数字滤波、系统复位与监控等措施，成功地进行了软件抗干扰可靠性设计。通过与硬件控制系统设计相结合，在一台单缸天然气发动机上进行了可行性验证与应用。结果表明：本设计可以滤除发动机外界负荷缓变的干扰，能实现发动机循环变动干扰的平均化处理与快速衰减，有效解决了外界负荷突变和外界强电磁干扰带来的影响。关键词：内燃机工程；天然气发动机；自适应控制；软件；抗干扰设计中图分类号：ＴＫ４３１文献标识码：ＡＡｎｔｉ—ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｄｅｓｉｇｎＯｆｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉＶｅｃｏｎｔｒＯｌｓｏｆｔｗａｒｅｓｆｏｒＣＮＧｅｎｇｉｎｅＹＡＮＧＸｉａｏｐｉｎ９１，ＨｏＮＧＷｅｉ２，ＺＨＡＯＭｅｉ３（１．例妇Ｐ吖ＣＤｍｍ“雄妇砌ｎ５Ｅ，ｌｇｉｎ洲粥，脚行Ｕｎｉ料ｓ的，Ｃ，ｌ口ｎ础ｌ‘ｎ１３００２２，ａｉｎｎ；２．＆ｆｚ孵吖Ａ“细小ｏｆｉ御Ｅ醒ｊｎ钟ｒｉｎｇ，Ｊ以，ｌ№ｉ化巧妇，函鲫ｌｇｆ＾“，ｉ１３００２２，Ｃ＾ｉｎ口；３．眈加ｒｆ埘朗ｆＳ幻，ｎｅＳ啪蒯ＡＰｒｏ玎ｄ“ｆ妇Ｚｆｎ盯以“抛∥胁ＰＡｉ咖ｒ卯，（冼口以∥＾“ｎ１３００２２，Ｃ矗ｉ，ｌ口）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｒａｉｓｉｎｇｔｈｅｐｏｗｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｅｍｉＳＳｉｏｎｓｏｆｎａｔｕｒｅ—ｇａｓｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅｉｎ—ｃｙｌｉｎｄｅｒｄｉｒｅｃｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓａｎｄｓｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｇｎｉｔｉｏｎｔｉｍｉｎｇａｎｄａｉｒ—ｆｕｅｌｒａｔｉｏｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｔｈｅｓｅｌｆ。ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＣＮＧｅｎｇｉｎｅｗｈｉｃｈｕｓｅｄｔｈｅｅｎｇｉｎｅｓｐｅｅｄａｓｆｅｅｄｂａｃｋｓｉｇｎａｌｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌ∞ｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｆａｃｔｏｒ—ｄｉｔｈｅｒｉｎｇａｎｄｔｈｅｄｉｔｈｅｒ—ｃｙｃｌｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｈａｄｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｄｉｇｉｔａｌ—ｆｉｌｔｅｒａｎｄａｗａｔｃｈ—ｄｏｇｗｅｒｅａｌｓｏａｄｏｐｔｅｄｔｏｆｉｎｉｓｈｔｈｅａｎｔｉ—ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｄｅｓｉｇｎ．Ｃｂｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅａｎｔｉ—ｄｉｓｆｕｒｂｉｎｇＳｏｆｔｗａｒｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｉｎａｓｉｎｇｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒｎａｔｕｒａｌｇａｓｅｎｇｉｎｅ，ａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｔｃａｎｆｉｌｔｅｒｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｌｏａｄｓｌｏｗｃｈａｎｇｅｓ，ｒｅａｌｉｚｅａｖｅｒａｇｉｎｇａｎｄｆａｓｔｄａｍｐｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｒｏｍｅｎｇｉｎｅｃｙｃｌｅ—ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅｓｏｌｖｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｕｄｄｅｎｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｌｏａｄａｎｄｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｓｔｒｏｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅＳ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ＣＮＧｅｎｇｉｎｅ；Ｓｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｏｆｔｗａｒｅ；ａｎｔｉ—ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｄｅｓｉｇｎ收稿日期：２００３—１１．３０．基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目（２００１ＣＢ２０９２０６）．作者简介：杨晓萍（Ｌ９６３一），女，副教授．Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇ）【ｉａｏｐ２００３＠ｙａｈ００．ｃｏｍ．ｃｎ万　方数据第３期杨晓萍，等：天然气发动机自适应控制软件抗干扰设计‘３４９?Ｏ引言用天然气作燃料的汽车发动机具有较好的经济性、低排污和能源平衡利用等诸多优点，但与汽油机相比还有许多不足：①进气管预混合时天然气占据进空气量，发动机动力性下降；②天然气更适合于稀燃；③最佳点火正时随混合比不同且变化较大；④天然气气质不均。为了提高发动机动力性、经济性和排放性能，作者提出了缸内直接喷射天然气的方法ｕ』，并对空燃比和点火正时进行了自适应控制Ｌ２’３Ｊ。国外在电控汽油机基础上开发了电控天然气发动机，其控制方式基本上采用经典控制系统，即利用氧传感器作反馈信号，闭环控制空燃比口＝１，对点火提前角则查表开环控制【１．４Ｊ。当天然气发动机采用稀燃时，利用氧传感器作反馈信号显然已不合适，因而开始了用转速作为反馈信号的天然气发动机自适应控制研究【５’６Ｊ。在国内，用转速作为发动机闭环控制反馈信号的应用研究较少，而且在信号提取上只用单向因素变化及响应１７＇８Ｊ作判定，易受干扰。合适的抗干扰措施是发动机电控系统设计成功的关键。在以转速为反馈信号的自适应控制的天然气发动机上，由于要对发动机性能的影响因素（如点火正时、空燃比）变化所导致的响应（即转速）进行正确提取、计算和判别，因此剔除各种可能影响判断准确性和干扰因素更为关键。一般发动机电控系统存在的干扰（如共电源干扰、电磁波干扰等），通过硬件设计就可以解决。而在作者所设计的以转速作为反馈信号的自适应控制系统中有３种干扰（发动机自身循环变动的干扰、外界负荷变化的干扰、强电磁干扰源干扰）无法用硬件来解决。发动机自身所存在的循环变动会导致转速升高或降低，其影响与人为主动改变点火正时（或空燃比）引起的发动机转速改变处于相同数量级，因而产生淹没作用；外界负荷的改变同样也会改变发动机的转速，这种改变往往大于正常信号，而且车用发动机上这种外界负荷的改变更是经常性的；强电磁的干扰会引起基准信号（即上止点信号）的误识，严重时会造成整个系统瘫痪。为此作者主要讨论了软件的抗干扰设计方法。抗干扰原理性设计１．１因素“抖动”设计作者所设计的以经济性为寻优目标的自适应控制系统的工作原理是：改变影响因素（如点火正时或空燃比），测量转速是否升高（或降低），从而判断出对发动机经济性有利的因素的改变方向，进行寻优控制。因素的改变有两种方式，～是“恒定”的，即定值增加（或减少）［７，８］；另一种是“抖动”的，即让因素按一定幅值忽大忽小呈抖动状。相比之下，采用“抖动”方式更有利于消除外界负荷匀速改变的影响（见图１），证明如下。，ｌａ设定外界负荷变化导致发动机转速以卢，加速度变化，若为“恒定”方式，则：以１＝规ｏ＋３０／（丁ｃ（卢＋ｐ１）￡１）式中：ｐ是因素改变带来的影响。此时转速的升降无法排除』９。的影响。若采用抖动方式，则：规１＝ｎｏ＋３０／（丌（ｐ＋ｐ１）ｆ１）扎２＝ｎ１＋３０／（丌（卢＋ｐ１）‘２）¨：ｌ动，２３＝ｎ２—３０／（丁ｃ（卢一ｐ１）ｆ３）任Ｉ丁步Ｋ以４＝船３—３０／（丌（ｐ一』９１）￡４）转救测量每转所需时间，采用ＥＲ＝ｆｌ一‘２一ｒ３＋￡４作为判据图１一维抖动示意图Ｓｋｅｔｃｈｏｆ１一Ｄｄｉｔｈｅｒｉｎｇ可得［２］：Ｆｉｇ．１万　方数据?３５０吉林大学学报（工学版）第３４卷?ＥＲ≈２４０ｃｐ／札３＋１５ｃｐｌ（（咒２＋”３）（恕３＋７２４）（咒２＋以４）一（以ｏ＋ｎ１）（挖１＋７２２）（ｎｏ＋ｎ２））／竹８≈２４０ｃｐ／ｎ８式中：ｃ＝９００／丌。这样可以去除ｐ１对ｐ的淹没作用。１．２抖动循环设计在最简单的每４转一个抖动循环中，设每转由于发动机循环变动引起的角加速度为卢卜ｐ２、卢３、Ｊ９４，则一次抖动循环后判式为：ＥＲ≈２４０Ｃ（ｐ＋ｐｌ／４＋卢２／４一ｐ３／４一ｐ４／４）／”８由上式可以看出，采用抖动循环仍具有恒定循环的平均功能。为了较好地消除循环变动的影响，一般均采用更多转平均处理的方法，例如８转、１２转、……。假设平均处理转数为４Ａ，如采用恒定循环或多个最简抖动循环的方式，则判式为：ＥＲ≈２４０Ａｃ（Ｊ９＋ｐ１／（４Ａ）＋Ｊ９２／（４Ａ）＋Ｊ９３／（４Ａ）＋Ｊ９４／（４Ａ））／，１３或ＥＲ≈２４０Ａｃ（ｐ＋ｐ１／（４Ａ）＋卢２／（４Ａ）一卢３／（４Ａ）一凤／（４Ａ））／，２８但若采用加长每次抖动的连续转数的方式（即扩大一次抖动循环内的转数），则判式变为：ＥＲ≈２４０Ａ２ｃ（ｐ＋卢１／（４Ａ２）＋卢２／（４Ａ２）一卢３／（４Ａ２）一卢４／（４Ａ２））／咒３从上面３个判式中可以看出，采用加长每次抖动的连续转数的方式不仅具有恒定循环的平均功能和多个最简抖动循环的抵消功能，还使循环变动的衰减加快，十分有利于滤除循环变动的影响，正确提取有用信号。２抗干扰可靠性设计２．１数字滤波设计设计数字滤波的目的是为了滤除突变性干扰因素对响应判断的影响，即滤除外界负荷突变（例如路面凹凸）或瞬时强磁电干扰而造成的额外的虚假时序信号。发动机外界负荷突变，势必导致转速突变，如果把这种变化误认为因素变化的响应，就会造成误判。因此设计软件时，要将每次测量的转速值与前几转相比较，判断、剔除虚假响应后用一合理非实测值代替。当控制系统突遇外界强电磁干扰时，尽管已做了较好的硬件抗干扰处理，但仍可能在上止点信号和活塞行程信号输入通道上产生误信号。如果不能识别剔除，不仅会测得错误的转速值，还会造成时序的混乱，使整个控制系统陷入瘫痪。采用两种判据排除这种干扰：当干扰信号与两上止点信号相距都较远时，测出的间隔时间与正常预期值相差较大（１０％以上），则可以判定该上止点信号为伪，不计，再取下一个上止点信号为真；当干扰信号靠近上止点信号时，测出的间隔时间与正常预期值相差在１０％以内，则用活塞行数信号来确定其真伪。反之亦然。２．２控制系统复位与监控５ＶＤＷｌ５ＶＤＷ２、一个工程控制系统除了具有优良的抗干扰性能之外，还能在干扰已经使计算机失控的情况下，保证系统在短时间内恢复正常，保证设备和工作人员的安全。目前避免计算机发生“死锁”的常用方法是设置程序运行监视器。实现程序运行监视的常用手段为：①启用单片机的专用硬件定时器ｗａｔｃｈ—ｄｏｇ；②设计外部硬件定时器。作者结合本控制系统的控制时序并确保可靠的监视效果采用了后一种方案，理由如下。甜ＣＣ，－一ＶＣＣ＿ＪｌＣＬＲ－一２ＣＬＲ２ＱＲ。＆∞ｎ卫—ｌＣ．“２ｃ．！∞－一ＣＩ：＝ｌ：Ｃ２＝＝∞—一ｌＣ＋一２Ｃ．一●＿一ｌ＇口！警Ｐ２５Ｉ’…ｌＱ２Ｂ卜出ｎ．ｆｒ““ｆ２ＡＧＮＤ图２程序监视器和复位电路Ｆｉｇ．２Ｐｒｏｇｒａｍｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒａｎｄｒｅｓｅｔｃｉｒｃｕｉｔ万　方数据第３期杨晓萍，等：天然气发动机自适应控制软件抗干扰设计’３５１?８０Ｃ１９６ＫＢ所提供的Ｗａｔｃｈ—ｄｏｇ在系统晶振为４ＭＨｚ下，定时溢出时间为３２．８ｍｓ。系统所控制的发动机转速为３００～４５００ｒ／ｍｉｎ，其对应的发动机每个工作循环周期为４００～２６．７ｍｓ（２转为一个工作循环）。显然，ｗａｔｃｈ．ｄｏｇ的定时时间太短，不能采用。作者所设计的程序运行监视器的硬件组成如图２所示。该系统主要由可触发单稳７４Ｌｓｌ２３及相应的复位电路组成。３实际验证与结论应用上述自适应控制策略在一台单缸天然气发动机（７５ｍｍ×７５ｍｍ，ｅ＝６．０）上进行了以经济性为目标的最优点火正时和空燃比ＭＡＰ图制取，然后进行了发动机的负荷特性试验（结果详见参考文献［２］和［３］），结果表明：（１）采用因素“抖动”设计可以滤除发动机外界负荷缓变的干扰。（２）采用抖动循环的方法不仅能实现发动机循环变动干扰的平均化处理，而且当加长抖动的循环周期时，这种干扰的衰减呈指数关系，而不是简单的倍数关系。（３）采用数字滤波软件可以有效消除外界载荷突变和外界强电磁造成的干扰。（４）结合硬件设计，在软件中对调用的转速子程序始末进行系统复位的指令安排，确保计算机系统失控后能迅速复位。参考文献：［１］洪伟，方祖华，侯树荣，孙济美．缸内直喷天然气发动机开闭环控制系统的研究［Ｊ］．汽车工程，１９９９，２１（４）：２１６２２０．ＨＯＮＧＷｅｉ，ＦＡＮＧＺｕｈｕａ，ＨＯＵＳｈｕｒｏｎｇ，ＳＵＮＪｉｍｅｉ．ＲｅＳｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｏｐｅｎａｎｄｃｌｏｓｅ—１００ｐｃｏｎｔｒｏｌｓ）ｒｓｔｅｍｏｆｇａｓｄｉｒｅｃｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎＣＮＧｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，２ｌ（４）：２１６—２２０．［２］洪伟，杨晓萍，孙济美．天然气发动机点火正时的自适应控制策略研究［Ｊ］．内燃机学报，２００２，２０（５）：４３８—４４０．ＨＯＮＧＷｅｉ，ＹＡＮＧＸｉａｏｐｉｎｇ，ＳＵＮＪｉｍｅｉ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＳｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｓｐａｒｋｔｉｍｉｎｇｏｆＣＮＧｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣＳＩＣＥ，２００２，２０（５）：４３８—４４０．［３］洪伟，杨晓萍，赵梅，孙济美．天然气发动机空燃比的自适应控制研究［Ｊ］．燃烧科学与技术，２００３，９（１）：８５～８７．ＨＯＮＧＷｅｉ，ＹＡＮＧＸｉａｏｐｉｎｇ，ＺＨＡＯＭｅｉ，ＳＵＮＪｉｍｅｉ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＳｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆａｉｒ．ｆｕｅｌｒａｔｉｏｏｆｃＮＧｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｍａｌｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ，２００３，９（１）：８５—８７．【４］ＴＨＯＭｓＯＮＭｗ，ＦＲＥＬｕＮＤＡＲ，ＰＡＬＬＡＳＲ，ＭＩＬＬＥＲＫＤ．ＧｅｎｅｒａｌｍｏｔｏｒＳ２．３Ｌｑｕａｄ４ｅｎｇｉｎｅ【ｃ］∥ＳＡＥＰａｐｅｒ８７０３５３．【５ＪＦＲＡＮＫＬＩＮＭＬ，ＫＩＴＴＥＵ的ＮＤＢ．ＡＰＧｂａｓｅｄ｛ｕｅｌａｎｄｉｇＩｌｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙＳｔｅｍｕｓｅｄｔｏｍａｐｔｈｅ３．ＤｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｔｏｒｑｕｅａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｌｌｓＶｅｒＳｕＳａｉｒ．ｆｕｅＩｒａｔｉｏａｎｄｉｇｌｌｉｔｉｏｎｔｉｍｉｎｇ［Ｃ］∥ＳＡＥＰａｐｅｒ９４０５４６．［６］ＦＲＡＮＫＬＩＮＭＬ，Ｋ１１ｖｒＥＬＳｏＮＤＢ。Ｓ”ｈｒｏｎｏｕｓ，ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕＳｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｉ嘶ｔｉｏｎｔｉｒｎｉｎｇａｎｄａｉｒｌｆｕｅｌｒａｔｉｏｉｎａｇａｓｆｕｅｌｅｄＳ．１．ｅｎｇｉｎｅ［ｃ］∥ｓＡＥＰａｐｅｒ９４０５４７．［７］吴义虎．汽油机最佳点火正时转速自适应检测系统的研究［Ｊ］．内燃机学报，１９９６，１４（３）：２５８—２６０．ｗＵＹｉｈｕ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｓｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆｏｐｔｉｍａｌｓｐａｒｋｔｉｍｉｎｇｉｎｇａｓｏｌｉｎｅｏｎｔｅＳｔｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＴｒａｎＳａｃｔｉｏｌｌｓｏｆＣＳＩＣＥ，１９９６，１４（３）：２５８—２６０．［８］曾科，黄左华，周龙保．汽油机点火提前角自适应控制装置的研究［Ｊ］．车用发动机，１９９４，（３）：１６—２０．ＺＥＮＧＫｅ，ＨＵＡＮＧＺｈｕｏｈｕａ，ＺＨｏＵＬｏｎｇｂａｏ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｅＩｆ－ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅｏｆｓｐａｒｋａｄｖａｎｃｅａｎｇｌｅｉｎｇａｓｏｌｉｎｅｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅ，１９９４，（３）：１６—２０．（责任编辑陈永杰）万　方数据

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