本發(fā)明涉及一種微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

隨著近年來(lái)國(guó)家對(duì)“三農(nóng)”問題的不斷重視和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備的全面升級(jí)，微耕機(jī)的市場(chǎng)需求正在不斷增加，特別在設(shè)施大棚、農(nóng)莊和園藝作業(yè)的范圍有著廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)微耕機(jī)的主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)裝置是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，為保證使用汽油燃料的微耕機(jī)可靠、經(jīng)濟(jì)、低污染運(yùn)行，一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是盡可能保持汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣與燃料比例(簡(jiǎn)稱空燃比)在理論值附近。在微耕機(jī)實(shí)際耕地作業(yè)過程中，當(dāng)空氣節(jié)氣門開度變化時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的空氣流量也會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)汽油內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)空燃比將發(fā)生變化，這對(duì)燃料利用率和排放性能都有很大的影響。因此，空燃比是微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)控制的一個(gè)非常重要的過程參數(shù)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有關(guān)于微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比調(diào)節(jié)控制方法文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制方法主要有：查表方法、PID控制方法、基于模型的空燃比控制方法和基于人工智能的空燃比控制方法。查表方法簡(jiǎn)單，但只能處理幾種工況，不滿足現(xiàn)代微耕機(jī)作業(yè)遇到的復(fù)雜工況；PID控制方法只能處理單個(gè)輸入變量對(duì)單個(gè)輸出變量的過程，當(dāng)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)變量發(fā)生變化時(shí)很難實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制；基于模型的空燃比控制方法，包括自適應(yīng)控制方法、內(nèi)?？刂品椒?、滑?？刂品椒ǖ?，利用發(fā)動(dòng)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制，但發(fā)動(dòng)機(jī)模型復(fù)雜、涉及的專業(yè)知識(shí)多，不合適于軟硬件資源并不豐富的單片CPU計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；基于人工智能的空燃比控制方法，包括模糊控制方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法、自學(xué)習(xí)控制方法、信息融合方法等，這類方法涉及的控制規(guī)則多、可調(diào)參數(shù)多、在線計(jì)算運(yùn)算量大等問題。因此，盡管汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的調(diào)節(jié)控制研究取得了許多成果，但近十幾年來(lái)，相關(guān)學(xué)者和工程專家對(duì)于這個(gè)具有挑戰(zhàn)性的重要難題仍然進(jìn)行了大量細(xì)致地研究和探討，以滿足當(dāng)前微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)于有效、簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)空燃比精確調(diào)節(jié)控制的迫切要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比調(diào)節(jié)控制方法的操作復(fù)雜、投運(yùn)困難、計(jì)算的噴油控制量不滿足約束要求的不足，本發(fā)明提供一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于在線投運(yùn)、計(jì)算的噴油控制量滿足約束要求的微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比優(yōu)化控制方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比優(yōu)化控制方法，所述控制方法包括如下步驟：

1)、建立微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比與噴油量的連續(xù)時(shí)間二階動(dòng)力學(xué)模型，參見式(1)：

其中，符號(hào)t是模型式(1)的時(shí)間變量；u(t)為微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在t時(shí)刻的噴油量，單位g/s；y(t)為微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在t時(shí)刻的空燃比；列向量x(t)＝[x₁(t)；x₂(t)]稱為狀態(tài)向量，x₁(t)是液化在進(jìn)氣歧管壁上的燃油蒸發(fā)質(zhì)量流量，單位g/s，x₂(t)是未液化部分燃油蒸發(fā)質(zhì)量流量，單位g/s；對(duì)角矩陣A∈R^2×2和列向量B∈R^2×1分別稱為狀態(tài)矩陣和控制矩陣；

2)、根據(jù)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制的目標(biāo)值為y_r和當(dāng)前時(shí)刻的空氣流量q_a，定義狀態(tài)向量的目標(biāo)值x_r，參見式(2)：

3)、定義汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量的目標(biāo)值u_r，參見式(3)：

u_r＝-(B^TB)^-1B^TAx_r (3)

其中，符號(hào)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；

4)、結(jié)合式(2)和式(3)，定義符號(hào)z＝x-x_r和v＝u-u_r，代入式(1)，整理得到一個(gè)等價(jià)的空燃比連續(xù)時(shí)間動(dòng)力學(xué)模型，參見式(4)：

5)、結(jié)合等價(jià)模型式(4)，定義一個(gè)輸入函數(shù)，參見式(5)：

其中，θ₁和θ₂是未知參數(shù)，符號(hào)T表示向量的轉(zhuǎn)；

6)、結(jié)合原始的模型式(1)，在t時(shí)刻定義一個(gè)跟蹤偏差和噴油量的性能函數(shù)，參見式(6)：

其中，t_N是預(yù)測(cè)時(shí)間窗口，Q是跟蹤偏差加權(quán)矩陣，R是噴油量加權(quán)矩陣，符號(hào)s是積分變量；結(jié)合輸入函數(shù)(5)，在線求解優(yōu)化控制問題，參見式(7)：

其中，D為參數(shù)θ₁和θ₂的取值區(qū)間，符號(hào)“s.t.”表示“約束”；利用數(shù)值求解算法，得到參數(shù)θ₁和θ₂的一組最優(yōu)解θ₁^*和θ₂^*，代入式(5)，定義發(fā)動(dòng)機(jī)在t時(shí)刻噴油量的一個(gè)最優(yōu)控制器，參見式(8)：

7)、在線測(cè)量微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比值和空氣流量，根據(jù)式(7)在線求解參數(shù)θ₁和θ₂的最優(yōu)值，獲得實(shí)時(shí)計(jì)算微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)根據(jù)噴油量的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)入氣缸內(nèi)的噴油量，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比對(duì)目標(biāo)值y_r的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：針對(duì)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比偏離最佳目標(biāo)值的問題，建立微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比與噴油量的連續(xù)時(shí)間二階動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)空燃比目標(biāo)值計(jì)算狀態(tài)向量目標(biāo)值和噴油量目標(biāo)值，進(jìn)而建立一個(gè)等價(jià)的空燃比與噴油量連續(xù)時(shí)間二階動(dòng)力學(xué)模型，再通過等價(jià)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)造一個(gè)輸入函數(shù)，在線求解輸入函數(shù)的未知參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)空燃比最優(yōu)控制器，實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空燃比目標(biāo)值y_r的自動(dòng)優(yōu)化控制。

本發(fā)明主要執(zhí)行部分在微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行實(shí)施。本方法應(yīng)用過程可以大致分為3個(gè)階段：

1、參數(shù)設(shè)置，包括模型參數(shù)和調(diào)節(jié)控制器參數(shù)：在模型導(dǎo)入界面中，輸入式(1)中矩陣A和B的值；在調(diào)節(jié)控制器參數(shù)設(shè)置界面中，輸入空燃比目標(biāo)值y_r、輸入函數(shù)參數(shù)取值區(qū)間D、預(yù)測(cè)時(shí)間窗口t_N，跟蹤偏差加權(quán)矩陣Q和噴油量加權(quán)矩陣R，輸入?yún)?shù)確認(rèn)后，由控制計(jì)算機(jī)將設(shè)置數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中保存；

2、離線調(diào)試：點(diǎn)擊組態(tài)界面中的“調(diào)試”按鈕，控制系統(tǒng)進(jìn)入控制器調(diào)試階段：以發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比變化1個(gè)單位作為測(cè)試量，調(diào)整組態(tài)界面中的跟蹤偏差加權(quán)矩陣Q和噴油量加權(quán)矩陣R，觀察輸出變量即空燃比和輸入變量即噴油量的控制效果，由此確定一組能良好實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比跟蹤控制的加權(quán)矩陣；加權(quán)矩陣Q和R的取值規(guī)則：Q為正定對(duì)角矩陣，R為正實(shí)數(shù)；加權(quán)矩陣Q和R的調(diào)整規(guī)則：增大矩陣Q的取值將縮短空燃比響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間，但增大空燃比響應(yīng)的超調(diào)量和噴油量，相反，減小矩陣Q的取值將平緩空燃比的響應(yīng)速度和噴油量，但延長(zhǎng)空燃比響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間；增大矩陣R的取值將增大空燃比響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間，但縮短空燃比響應(yīng)的超調(diào)量和噴油量，相反，減小矩陣R的取值將增大空燃比的響應(yīng)速度和噴油量，但縮短空燃比響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間，因此，實(shí)際調(diào)試加權(quán)矩陣Q和R時(shí)，應(yīng)權(quán)衡空燃比響應(yīng)的超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間、阻尼效應(yīng)和噴油量之間的綜合性能；

3、在線運(yùn)行：點(diǎn)擊組態(tài)界面“運(yùn)行”按鈕，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)的CPU讀取發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比模型參數(shù)、空燃比目標(biāo)值、參數(shù)取值區(qū)間、預(yù)測(cè)時(shí)間窗口，跟蹤偏差加權(quán)矩陣和噴油量加權(quán)矩陣，并執(zhí)行“微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比優(yōu)化控制程序”，通過在線測(cè)量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比，控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的噴油量，實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的自動(dòng)控制，在下一個(gè)調(diào)節(jié)周期到達(dá)時(shí)，在線測(cè)量微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比數(shù)值，之后重復(fù)整個(gè)執(zhí)行過程，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空燃比目標(biāo)值y_r的自動(dòng)優(yōu)化控制。

全套微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比自動(dòng)優(yōu)化控制方法可以在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)界面上完成，此過程可以參考本說(shuō)明書下文中提供的實(shí)例應(yīng)用。與傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制方法相比，本發(fā)明給出的微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比自動(dòng)優(yōu)化控制方法的最大特點(diǎn)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在偏離空燃比目標(biāo)值時(shí)能實(shí)現(xiàn)空燃比的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。下文具體實(shí)施方法以微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)際效果，但本發(fā)明的應(yīng)用范圍并不以本實(shí)施例中的微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制為限。如前所述，本發(fā)明除了可以用于微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)外，還可用于車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等各類油氣內(nèi)燃機(jī)空燃比的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易理解、在線實(shí)施簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)；2、微耕機(jī)在工作過程中其發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)都能盡可能將空燃比保持在理論目標(biāo)值處，提高了燃油效率，減少了CO、NO_X等有害氣體的排放，極大地提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的控制水平。

附圖說(shuō)明

圖1為微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際空燃比輸出曲線的示意圖。

圖2為微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量實(shí)時(shí)曲線的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1和圖2，一種微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，所述方法包括如下步驟：

1)、建立微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比與噴油量的連續(xù)時(shí)間二階動(dòng)力學(xué)模型，參見式(1)：

其中，符號(hào)t是模型式(1)的時(shí)間變量；u(t)為微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在t時(shí)刻的噴油量，單位g/s；y(t)為微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在t時(shí)刻的空燃比；列向量x(t)＝[x₁(t)；x₂(t)]稱為狀態(tài)向量，x₁(t)是液化在進(jìn)氣歧管壁上的燃油蒸發(fā)質(zhì)量流量，單位g/s，x₂(t)是未液化部分燃油蒸發(fā)質(zhì)量流量，單位g/s；對(duì)角矩陣A∈R^2×2和列向量B∈R^2×1分別稱為狀態(tài)矩陣和控制矩陣；

2)、根據(jù)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制的目標(biāo)值為y_r和當(dāng)前時(shí)刻的空氣流量q_a，定義狀態(tài)向量的目標(biāo)值x_r，參見式(2)：

3)、定義汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量的目標(biāo)值u_r，參見式(3)：

u_r＝-(B^TB)^-1B^TAx_r (3)

其中，符號(hào)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；

4)、結(jié)合式(2)和式(3)，定義符號(hào)z＝x-x_r和v＝u-u_r，代入式(1)，整理得到一個(gè)等價(jià)的空燃比連續(xù)時(shí)間動(dòng)力學(xué)模型，參見式(4)：

5)、結(jié)合等價(jià)模型式(4)，定義一個(gè)輸入函數(shù)，參見式(5)：

其中，θ₁和θ₂是未知參數(shù)，符號(hào)T表示向量的轉(zhuǎn)置；

6)、結(jié)合原始的模型式(1)，在t時(shí)刻定義一個(gè)跟蹤偏差和噴油量的性能函數(shù)，參見式(6)：

其中，t_N是預(yù)測(cè)時(shí)間窗口，Q是跟蹤偏差加權(quán)矩陣，R是噴油量加權(quán)矩陣，符號(hào)s是積分變量；結(jié)合輸入函數(shù)(5)，在線求解優(yōu)化控制問題，參見式(7)：

其中，D為參數(shù)θ₁和θ₂的取值區(qū)間，符號(hào)“s.t.”表示“約束”；利用數(shù)值求解算法，得到參數(shù)θ₁和θ₂的一組最優(yōu)解θ₁^*和θ₂^*，代入式(5)，定義發(fā)動(dòng)機(jī)在t時(shí)刻噴油量的一個(gè)最優(yōu)控制器，參見式(8)：

7)、在線測(cè)量微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比值和空氣流量，根據(jù)式(7)在線求解參數(shù)θ₁和θ₂的最優(yōu)值，獲得實(shí)時(shí)計(jì)算微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)根據(jù)噴油量的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)入氣缸內(nèi)的噴油量，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比對(duì)目標(biāo)值y_r的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

本實(shí)施例為微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制過程，具體操作過程：

1、在參數(shù)設(shè)置界面中，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比模型參數(shù)，如下：

輸入發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比目標(biāo)值y_r＝14.67和空氣流量q_a＝20；參數(shù)取值區(qū)間D＝[0.001,1]×[0.5,5]、預(yù)測(cè)時(shí)間窗口t_N＝1秒，跟蹤偏差加權(quán)矩陣Q和噴油量加權(quán)矩陣R；

2、在組態(tài)界面上點(diǎn)擊“調(diào)試”按鈕進(jìn)入調(diào)試界面，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)的CPU調(diào)用事先編制好的“控制器計(jì)算程序”求解控制器，具體計(jì)算過程如下：根據(jù)給定的跟蹤偏差加權(quán)矩陣Q和噴油量加權(quán)矩陣R，求解優(yōu)化控制問題(7)，得到參數(shù)θ₁和θ₂的一組最優(yōu)解θ₁^*和θ₂^*，定義發(fā)動(dòng)機(jī)在t時(shí)刻噴油量的一個(gè)最優(yōu)控制器(8)，以微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比變化1個(gè)單位作為測(cè)試量，根據(jù)Q和R的取值和調(diào)整規(guī)則，比較空燃比輸出結(jié)果和噴油量計(jì)算結(jié)果，調(diào)試Q和R得到

將計(jì)算結(jié)果保存到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中；

3、點(diǎn)擊組態(tài)界面“運(yùn)行”按鈕，啟動(dòng)微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)的CPU讀取空燃比模型參數(shù)、空燃比目標(biāo)值、參數(shù)取值區(qū)間、預(yù)測(cè)時(shí)間窗口，跟蹤偏差加權(quán)矩陣和噴油量加權(quán)矩陣，執(zhí)行“微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比自動(dòng)調(diào)節(jié)控制程序”，通過在線測(cè)量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比，調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的噴油量，實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空燃比目標(biāo)值y_r的自動(dòng)優(yōu)化控制，在下一個(gè)調(diào)節(jié)周期到達(dá)時(shí)，在線測(cè)量微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比，之后重復(fù)整個(gè)執(zhí)行過程，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空燃比目標(biāo)值y_r的自動(dòng)優(yōu)化控制。

以上闡述的是本發(fā)明給出的一個(gè)實(shí)施例所表現(xiàn)出優(yōu)良性能的微耕機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比自動(dòng)調(diào)節(jié)效果。需要指出，上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。