汽车发动机速度自适应跟踪控制策略研究

黄 玲

随着人们对环境的日益关注，对车辆性能的要求，也越来越高。汽车的行驶主要靠发动机来驱动，作为传统汽车的核心部件，汽车的诸多性能最后都主要归结到发动机上[1]。因此，改善汽车的性能首先应从改善发动机的性能上出发。改善发动机的转速和转矩主要可以由发动机的控制器来实现。发动机转速控制的核心是提高发动机在任何工况下的速度响应性能，从而达到驾驶性能和燃油消耗性能[2]。为了解决发动机转速系统基于模型控制设计中的参数不确定性问题[3]，人们进行了大量的工作。提出了许多算法，进而来改善发动机的输出性能，本文就是在这样的情况下提出了自适应算法，设计出了自适应速度控制器。

1 发动机速度控制系统的均值模型

在均值模型中发动机的曲轴旋转子系统的动力学方程通常被描述为：

其中 J 是转动惯量（kg/m2）；D 是阻尼系数（Nm/rad/s）；ω 是发动机转速（rad/s）；Tl是负载转矩（N·m）；Te代表发动机的转矩。

在均值模型中发动机进气子系统通常被描述为：

将上述模型整理化简可得：

其中 u 是与节气门开度 φ 相关的控制输入量，u=1-cosφ，参数 c1，c1，c3，c4未知参数。

2 控制器的设计

为了转速能跟踪上理想转速，本文将发动机转速系统转化为闭环误差系统表示。定义转速误差和歧管压力误差分别为有ω=ωd-ω，ep=pmd-pm，其中ωd表示期望转速，pmd表示期望歧管压力。经过两次推导选取了如下这样第一个李雅普诺夫函数。

再应用同样的方V2得到的导数。

最后再选取李雅普诺夫函数并求导化简如下。

3 发动机自适应速度控制系统仿真

3.1 自适应控制器搭建

下面给出的是自适应控制器仿真框架。

3.2 系统仿真实验验证与对较分析

模拟汽车发动机工作在1 500 rpm、2 000 rpm、3 000 rpm的期望转速的变化情况。其转速的跟踪情况如下图所示。

图1 自适应控制器仿真框图

在上述仿真中，控制器的增益为：k1=440，k2=290。自适应的增益设计为。

图2 1 500 rpm、2 000 rpm、3 000 rpm 下转速跟踪曲线

自适应估计值的初始取值为。

由图2 可知，发动机的输出转速能够很好的跟踪上期望的转速，且也在较理想的时间内转速达到了稳定状态，超调量也比较合适，调节时间也较短。通过整理计算可得将在三个不同工况下转速跟踪曲线的各个暂态性能如下表所示：

表1 不同工况下的暂态性能

由上面设定的三种不同工况下发动机转速的跟踪情况可知，尽管转速各不相同，但是发动机的转速都能在理想的时间内跟踪上期望的转速，使得发动机拥有较好的跟踪性能，暂态性和稳态性都比较好。综合以上三种工况可知，在第2 章设计的自适应控制器是能够实现的，它能使发动机系统实现较好的跟踪性能和稳态性能。

4 结论

本文针对发动机转速控制系统，研究了一种双闭环自适应控制策略，以实现宽范围内具有满意的瞬态和静态性能的速度跟踪。针对气路、燃油效率、空燃比和点火定时变化引起的参数不确定性，在双环PI 控制器、非线性和前馈补偿器中引入了自适应更新技术。在真实发动机模拟器上的运行结果验证了所提出的速度跟踪策略对发动机转速控制系统输出响应的瞬态和静态性能的有效性。