智能控制与MATLAB在电控发动机中的应用

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本书首先对电控汽油机控制系统的结构、原理及其故障的种类、原因等进行了系统的分析；然后以电控汽油机为研究对象，详细地介绍了模糊逻辑、神经网络和预测控制等理论的基本概念及工作原理，并在此基础上，对电控汽油机的怠速控制、喷油控制和点火控制进行了系统的理论研究和大量的MATLAB仿真实验；最后针对电控汽油机故障的复杂性、多样性及诊断信息存在模糊性的特点，将专家思想和模糊神经网络技术应用到电控汽油机的故障诊断中，并运用MATLAB的图形用户界面(GUI)功能，计了一种全新的基于模糊神经网络的电控汽油机故障诊断专家系统及其人机交互界面。
本书可作为高等院校电气信息类、计算机类、机械类及机电工程等专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为从事发动机电控系统智能控制策略和电控发动机故障诊断的研究、设计及应用的科学技术人员的参考用书。全书MATLAB源程序除部分通过附录A给出外，其余可免费从电子工业出版社的华信教育网(http：／／hxedn．Com．cn)上下载。

第1章　绪论
1.1　引言
1.2　汽车发动机电控系统的现状及发展趋势
1.3　电控汽车发动机故障诊断技术的现状及发展趋势
1.4　本课题研究的目的和意义
第2章 电控汽油机控制系统及故障分析
2.1　电控汽油机的基本工作原理
2.1.1　汽油机的工作循环
　　2.1.2　汽油机的燃烧过程
2.1.3　汽油机的性能要求
2.1.4　汽油机的运行模式
2.1.5　电控汽油机控制的基本内容
2.1.6　确定汽油机工况所需的参数
2.2　汽油机电控系统的基本组成及特点
2.2.1　系统组成
2.2.2　系统特点
2.3　电子控制汽油喷射系统
2.3.1　国内外汽油喷射的研究及发展状况
2.3.2　系统组成
2.3.3　空燃比对性能的影响

　　随着社会对环境与能源问题的日益关注和汽车产量的迅速增长，以及人们对汽车的安全性、动力性、经济性、操作性、舒适性、排放法规等方面的要求不断提高，汽车的功能越来越多，控制越来越复杂，要控制的参数也越来越多。这样传统的控制理论及方法就可能不能满足新的要求，势必要提出一种新的控制理论及方法来满足新的要求，特别是越来越严格的排放法规的要求。近年来人们一直围绕着汽油机的动力性、经济性、排放性等性能寻求着最佳方案，因此汽油机的精确控制越来越受到重视。随着控制理论的不断发展和新型传感器的不断出现，汽油机电子控制技术从过去的查表法和PID等基于经典理论的控制方法，向现代智能控制理论发展。目前，自适应控制、专家控制、模糊控制、预测控制和神经网络等现代智能控制理论在汽油机控制中的应用已成为一个研究热点和重点。另外，随着汽车用途的日益广泛、使用量的急剧增加，以及其结构和功能的不断复杂，电控汽油机故障的发生率和提高故障诊断的效率也成为汽车工业一个十分重要的问题。对它们的分析与研究不仅有利于设计出高性能的电控系统，也对汽车工业的发展具有现实的意义。.
　　我国汽油机的研究、开发设计和制造水平与世界先进水平相比还有较大差距，汽油机的经济性、动力性、排放性、可靠性等问题一直是业内科技工作者研究的重要课题，把智能控制技术引入汽油机研究领域，将为此开拓新的思路。汽油机电控单元的软件开发技术作为电控系统开发的关键技术，被严格保密，公开的资料很少。因此，本文针对当前我国汽油机控制技术的现状及实现电控化和降低排放污染物、减少故障的首要任务，通过对国内外汽油机电控系统研究发展的相关资料进行查找和分析，结合我们的实际状况，以4缸微型车汽油机电控系统和465Q电控汽油机作为研究对象，分别对其软、硬件进行了详细的剖析，从而获得电控软件的基本设计思想和方法。选择汽油机电子控制系统的智能控制策略和电控汽油机的故障诊断作为主攻方向，并基于控制系统的实验，实现对汽油机怠速、燃油喷射和点火系统的控制及对电控汽油机故障的诊断。主要研究了以下几方面内容：
　　本文首先对电子控制汽油机的构造、原理及其故障的种类、原因等进行了介绍；详细分析了465Q汽油机电控系统的结构、组成、功能、工作原理和控制策略，它为下一步研究电控汽油机系统的控制策略奠定了良好的基础。由于465Q汽油机电控系统采用静态预定最优控制方式即依据预先对发动机控制参数进行离线优化而得的脉谱图(MAP图)，实现对空燃比和点火提前角的控制。因此设计了465Q电控汽油机脉谱测量试验系统，在发动机实验台架上，利用德尔福汽车发动机电控系统PCHud测控软件，实际测取了465Q汽油机喷油和点火控制的最佳脉谱图。
　　汽车发动机怠速工况是一个很重要的工况，汽车在交通密集的城市道路上行驶时，消耗在怠速阶段的燃油相当多。为了满足日益严格的燃油消耗和排放法规要求，汽油机怠速工况的控制越来越引起人们的重视。本文针对汽油机怠速控制系统的非线性、时变性、不确定性及不易建立精确数学模型的特点，研究了利用模糊控制理论控制发动机怠速的实验，设计了一种汽油机怠速转速模糊控制系统，在怠速控制系统中，采用模糊控制和PID控制相结合的思想，其中利用模糊控制实现宏观调节达到快速控制，利用PID实现微观调节达到精确控制，充分发挥了两者的优点。
　　利用神经网络具有自适应、自学功能，通过在线和离线训练，实现系统外部的非线性映射关系，并将这种关系记忆在网络结构中的这一优势，将神经网络应用于汽油机的点火和喷油控制中。根据465Q发动机点火和喷油的最佳脉谱图，利用神经网络建立了465Q发动机在稳定工况下的点火和喷油系统的数学模型；然后提出了多种对于发动机这种高度非线性系统进行点火和喷油控制的新方法和新策略。特别提出了一种神经网络自校正喷油控制系统，它既适用于以汽油作为燃料的发动机控制，来满足系统在不同工况下对空燃比的要求，也适用于以混合燃料(如汽油+甲醇)作为动力的发动机控制，来满足系统在汽油与甲醇不同的混合比下，灵活地设定其目标空燃比，实现对目标空燃比在某一范围内(5～55)任意连续设定的要求，同时也可满足稀薄燃烧(空燃比]17)技术的要求。结果表明，该神经网络自校正喷油控制系统具有很好的自适应性、鲁棒性和快速性，且结构简单，占用内存少，在线训练时间短，运算速度快，学习能力强，可无差跟踪系统的目标设定值。它可以克服由于制造、磨损及参数变化所造成的各种误差，且满足实时控制的快速要求。..
　　针对汽油机具有非线性、时变性、不确定性及不易建立精确数学模型的特点，研究了预测控制理论在汽油机喷油及点火控制系统中的应用，通过提出多种有效的自适应控制方式，使汽油机实现了空燃比及爆震控制的精确要求。结果表明，在汽油机控制中，隐式广义预测自校正控制算法是一种可行的、效果很好的控制方法。它具有较强的鲁棒性，当系统的参数、阶次和纯滞后变化时，系统仍能较好地工作；使用方便，一般的控制理论对于复杂的汽油机控制往往具有较多的整定参数，不便于工业实际应用，广义预测控制在实用时一般来说整定参数只有两个(预测长度和控制长度)，需要对象较少的验前知识；实用范围广，它适用于任何稳定的最小相位/非最小相位，已知株知时延系统；具有实用性，由于隐式广义预测自校正控制不辨识对象模型参数，而是根据输入输出数据直接辨识求取最优控制律中的参数，因而避免了在线求解丢番图(Diophantie)方程所带来的大量中间运算，运行速度快，可用于实际控制系统。
　　汽油机作为汽车的心脏组成，汽车的一些基本技术指标都直接或间接地与汽油机的相关性能相联系。针对电控汽油机的典型故障，如何运用更有效的方法，以提高故障诊断的正确率、可靠性及适应能力是其故障诊断中的重要问题。本文在介绍了故障诊断技术的原理、方法、发展及专家系统基本概念的基础上，针对电控汽油机故障多、复杂性高的特点，根据电控汽油机故障，应用改进的BP神经网络对电控汽油机进行故障诊断。实验结果表明，对于电控汽油机的故障诊断而言，BP神经网络确为一种较为实用的网络，它具有很强的模式识别和分类能力。但由于电控汽油机故障具有复杂性、多样性、模糊性的特点，采用传统的以布尔代数为基础的二值逻辑显得过于粗糙、不精确，因此在利用神经网络对电控汽油机进行故障诊断的基础上，引入模糊逻辑的概念，采用模糊隶属函数来描述这些故障的程度，将模糊逻辑与神经网络相结合，发挥其各自的优势，构造了一个模糊神经网络。诊断结果表明采用模糊神经网络进行故障诊断，结果更精确、应用更加合理、可信度更高。另外，针对电控汽油机故障诊断的特点，结合专家系统的发展方向，研究了电控汽油机故障诊断专家系统的建造思路和算法。将专家思想很好地融合到模糊神经网络中，构造了基于模糊神经网络的电控汽油机故障诊断专家系统。该设计结合了人工神经网络、模糊逻辑理论及专家系统各自的优点，具有很好的故障诊断能力。并运用MATLAB的图形用户界面(GUI)功能，设计了一种全新的模糊神经网络智能故障诊断专家系统及其人机交互界面，增加系统的易操作性，方便用户使用，更新了系统而且简单直观。
　　本书取材先进实用，理论联系实际，讲解深入浅出。该书不仅具有完整的设计过程和详细的仿真结果，而且每个设计环节都给出了相应的MATLAB源程序，便于读者掌握和巩固所学知识。
　　博士生导师太原理工大学杨庆佛教授审阅了全书，并提出了许多宝贵的意见，在此深表谢意。此外，感谢电子工业出版社责任编辑张榕女士为本书的编辑和出版所做的辛勤工作。最后还要特别感谢原闻喜县审计局李孝卿局长(即我的父亲)对我编写工作的大力支持，以及我的妻子杨丽娟和儿子李骉，在我编写过程中为家庭所付出的一切辛劳。
　　由于作者水平有限，书中难免有遗漏与不妥之处，恳请各位专家和广大读者批评指正。...
　　作者