汽油发动机电控怠速系统的分析与控制毕业论文

1、摘 要近年来，随着生活水平的提高、环境的恶化，对汽车经济性排放性、以及舒适性方面的要求已经到了传统发动机难以胜任的地步。同时电子技术迅速发展，采用发动机电子控制系统是满足上述要求的最佳选择。发动机电子控制主要包括喷油控制、点火控制以及怠速控制等。一个典型的发动机控制系统由三部分组成：传感器、电控单元和执行器传感器。将采集到的发动机热力学参数和机械参数转换为电信号传送到ecu；ecu综合分析各种参数，决定发动机运行工况，然后送出控制信号到执行器，从而改变或保持发动机运行工况。怠速工况的控制主要是ecu根据采集到的节气门tp、转速、水温以及车速等决定处于何种怠速工况，然后输出怠速空气量信号到怠速执

2、行器。本文对电控系统的三大部分进行了比较详细的介绍，并以发动机电控系统对发动机管理系统的基本原理进行讨论。本文的重点是怠速工况的控制对不同怠速工况下的控制策略进行了讨论，怠速工况包括：起动暖机、急减速失速保护以及突加载荷等，同时由于采用电控，可以根据需要随意控制点火提前角，喷油量，这都是传统发动机系统所不能及的。由于怠速控制是一个非线性、时变性的系统，难以建立数学模型，随着控制理论的发展，国内外很多专家学者都在研究怠速的模糊控制、神经网络控制、自适应控制以及把多种控制方式柔和一起的复合控制，相信怠速控制会使得汽车越来越“聪明”、更舒适。本文也对怠速的智能控制进行了讨论，都是很肤浅的通过本文对发

3、动机怠速控制系统的分析和研究使我们对电控怠速系统与了更深入透彻的理解。关键词：发动机管理系统; 怠速控制; 电子控制; 智能控制abstractwith the improvement of the living standard deterioration of the environment recently traditional engine is beyond the requisitions on high economic, best emission and comfortableness. at the same time, electronic control techno

4、logy is developing rapidly; its the best choice of satisfying above-mentioned requests to adopt the electronic control system of the vehicle engine. electronic control of the vehicle engine includes electronic fuel injection, electronic spark control and idle speed control.a typical engine control s

5、ystem consists of three parts: sensors electronic control unit (ecu) and executors. sensors transform sampled engine mechanical and thermodynamics parameters to electronic signals to transfer to ecu; ecu analyses various kinds of parameters synthetically determines engines operating conditions, and

6、then sends control signals to executors for changing or holding engines operating conditions. idle speed control determines current idle conditions according to throttle position (tp) rotational speed engine coolant temperature and speed, etc. then output idle air flow signal to idle executor.this p

7、aper specifies three major parts of engine management system(ems) and discusses the emss principle according to m1. it also analyses discrete digital filtering and polling program. this dissertation focuses on idle speed control including control strategies of various idle conditions. idle speed con

8、ditions include start warm-up quick deceleration non-speed protection and quick load; meanwhile we can controls esa and injection pulse because of electronic control which isnt realized by traditional engine system.because idle speed control system is non-linear time variant system which is difficul

9、t to set up model mathematics with the development of control theory domestic and international experts and scholars study idle speed fuzzy control neutral network control adaptive control and compound control of many control methods. its believed that it will make the automobile cleverer and clever

10、er more comfortable. this paper has discussed the intellectual idle speed control but all very superficial.from analysis and studies of idle speed control it make us unable understand electronic idle speed control system thoroughly. hope that it will help to our countrys independent development in t

11、he field of automotive electronics. keywords: engine management system (ems); idle speed control; electronic control; intellectual control 目录1 绪论71.1发动机电控系统的现状及发展趋势71.2国内外汽油机电控的研究及发展状况81.3发动机点火系统的发展现状及趋势91.4国内外汽油喷射的研究发展状况101.5发动机机怠速控制发展状况121.6电控汽车发动机故障诊断技术的现状及发展趋势131.7本课题研究的目的和意义151.8本课题主要研究工作及内容182

12、 电控系统的结构及功能212.1电控系统的整体结构212.1.1 各类传感器的简单介绍及主要作用222.1.2 曲轴位置传感器232.1.3 进气歧管绝对压力传感器242.1.4空气流量传感器252.1.5 冷却水温度传感器262.1.6 进气温度传感器272.1.7节气门位置传感器282.1.8爆震传感器282.2电子控制单元292.3执行器312.3.1喷油器312.3.2 点火线圈322.3.3怠速旁通阀332.3.4 燃油泵352.4 传感器及执行器特性的标定352.4.1进气歧管压力传感器352.4.2冷却水温度传感器362.4.3 节气门位置传感器362.4.4 氧传感器362.4

13、.5 怠速旁通阀373 怠速的开闭环的控制383.1怠速节气门装置383.3不同工况下的怠速控制策略413.3.1 起动和暖机状况413.3.2 起步工况423.3.3减速工况和过热保护423.3.4怠速旁通阀的自校正433.3.5怠速闭环控制433.3.6怠速时点火与空燃比控制443.3.7 闭环控制时其他因数的控制454 怠速系统模糊控制474.1模糊控制的组成及原理474.2动机怠速系统的数学模型484.3 模糊控制的规则来源504.4 对模糊控制方式分析与意见515 全文总结52致谢52参考文献53 1 绪论1.1发动机电控系统的现状及发展趋势人类在社会生产力极大提高和经济规模空前扩大

14、的同时，全球资源短缺、环境污染和生态破坏的积累，己经对社会经济的发展和人类自身生存构成了严重的威胁。在这种形势下，人类不得不重新审视自己的社会经济行为模式，以探索新的发展战略。作为现代文明的汽车同样受到了如何持续发展的挑战，全世界的汽车工业都加快了探索汽车工业与环境、社会协调发展道路的步伐，汽车与环境的相容性研究以成为汽车发展的主题之一。20世纪70年代初的石油危机向人类提出需要节能的警告。同时降低发动机的排放、噪声等保护人类生存环境的呼声也日益高涨。近二十年来，随着计算机和电子技术的发展，采用电子技术以成为解决汽车质量与性能诸多问题的最佳方案，电子技术在满足发动机排放法规、进一步提高燃油经济

15、性、提高安全驾驶性能等社会要求的背景下，从80年代初开始，先后被各大汽车生产厂用来控制喷油定时和喷油量。到目前为止己经历三代变化，在解决排放方面起到了不可替代的作用。发动机的控制已由早期的模拟装置发展成为微机控制的数字控制系统，并且已经由单一的喷油、点火控制发展到影响发动机性能的方方面面，现代发动机的电控系统不仅控制发动机的点火和喷油，而且发展到怠速控制(isc)系统、排气再循环(egr)电控系统、增压电控系统、故障自诊断系统、故障保险系统及故障备用控制系统、燃油蒸发电控系统、曲轴箱强制通风电控系统、二次空气喷射系统等。在控制策略和理论方面，已由过去的简单的开环控制发展到闭环反馈控制，在一些子

16、系统中甚至已经使用模糊控制，由传统的pid调节控制发展为自适应学习控制。而且电控系统不断向集成化、智能化发展，其控制精度越来越高;控制范围越来越广。例如，在汽车传动系统上应用了电控变速器，实现了变速器换档的最佳控制，与发动机运行工况得到最佳的匹配，以降低油耗;此外在汽车的防抱死制动系统(abs)、安全气囊、信息显示系统、空调以及在汽车导航系统中电控技术都得到了越来越广泛的应用。控制功能与控制项目的扩展，微机控制的智能化程度也越来越高，其控制单元(eclt)己从普通的8位机逐步发展到16位，32位，甚至64位微机已逐步使用，而且，不仅有通用型微机和单片机，专用的汽车微机也己研制出来，并使用64k

17、字节的大容量的epr洲存储器，同时微机的时钟节拍频率也进一步高速化，由6mhz发展到12mhz、ismhz。而且更高，当前ecu的发展总趋势是从单系统单机控制向多系统集中控制过渡。不久以后，汽车电控系统将采用计算机网络技术，把发动机电控系统、车身电控系统、底盘电控系统及信息与通讯系统等各系统的ecu相连接，形成机内分布式计算机网络，实现汽车电子综合控制，其控制的实时性和精确性不断提高。1.2国内外汽油机电控的研究及发展状况电子控制发动机始于60年代中期，由于这项新技术给整个汽车工业带来了巨大的生命力，因此在短短的时间里获得了迅速的普及和发展。美、日等国汽车发动机电子控制的发展，都是基于汽车废气

18、排放标准的不断强化及半导体工业的迅猛发展。由于化油器式发动机难以满足严格的排放法规要求，使汽车企业把主要精力投入到研究和开发发动机电子控制系统;电子工业的发展，又为发动机电控系统提供了高精度、大容量的存储器、传感器、驱动器以及各种控制元件，正是这两方面因素大大推动了电子技术在发动机上的推广应用。自从1977年美国通用汽车公司将其自行研制成功的musar微处理机点火控制系统作为正式产品用于汽车上后，各种微机控制系统便陆续装于使用。时至今日，微机控制系统以作为现代汽油机的一个重要组成部分。近年来，对于微机控制方面的研究工作主要集中在两个方面，即对控制系统功能的扩充和探索新的控制方法。随着电子技术的

19、发展，汽车发动机控制趋于集成化，一种是在一个大容量的微机中进行全部的集中控制，另一种是在控制系统中装多个微机，进行分类处理。微处理器必须输入输出多个信号，而且为了保证控制精度，控制策略日趋复杂，高性能、高速、存储容量大，能平行处理多个任务，对操作系统进行严格软件管理的微处理器是汽车电子技术发展的首要因素。90年代后期与90年代初期相比，相同尺寸的芯片效率提高了4倍，单片机在功能方面将更多满足汽车发展的需要。电控转向系统和电控制动系统将被安装在未来的汽车底盘系统上。全液压动力转向将被电动辅助动力和电控动力转向所代替。无凸轮轴发动机和起动机一发电机集成系统将被用于未来汽车上。在扩充控制功能的同时，

20、许多研究人员也在积极地研究新的控制方法，试图使发动机的控制更为精确和合理，m.d.lenshner等人利用发动机转速的波动量作为衡量燃烧过程稳定性的依据，进行空然比的控制使发动机处于稀限运转。研制成的稀限控制器称在不改变汽车使用性能的情况下，使燃料经济性得到改善。美国purdue大学的wp.mihel。等人进一步探讨了用转速测量发动机处于稳定性的方法，提出了稳定性指标，在此基础上，研制了怠速控制系统工况自适应系统，使怠速转速处于发动机稳定工作的低限川。由于缸内压力能够反映出燃烧的状态，人们试图用此作为反馈信号对发动机进行控制，利用缸内最大压力出现的时刻控制点火提前角，以获得最大扭矩，并用压力信

21、号波形监测爆震以对其进行控制。hata和asano通过试验研究了循环压力信号变化与空然比的关系，证明可用缸内压力信号评价发动机燃烧的稳定性，用以作为稀燃混合比控制的反馈信号。应用现代控制理论对发动机进行控制的研究工作是从建立发动机动态数学模型开始的，tohnltakahashi等人利用系统辨识的方法建立汽油机怠速工况的状态空间数学模型。此外，首田容之和片柴秀昭也在发动机上进行了线性二次型lq(linea:quadrati。)控制理论的研究，这些研宽工作仅在特定工况点证明了控制理论应用的可能性。国内对车用汽油机微机控制的研究工作起步较晚，目前仍处于单项控制系统的研究阶段，距国外研究水平尚存在一定

22、的距离。1.3发动机点火系统的发展现状及趋势电子控制的点火系统是随着电子技术的进步而发展起来的一门新技术，也是汽车电子化的必然趋势。随着电控燃油喷射（efi）系统的出现和发展，点火控制系统也开始采用电控点火装置（esa）。点火控制随着电子工业的发展也经历了磁电机点火系统、传统触点点火系统、晶体管辅助点火系统、普通电子式点火系统和微机控制式点火系统的发展过程。首先它经历了从有触点点火系统到目前普遍使用的无触点点火系统的历史性技术革新，因为在有触点点火系统中，其触点因机油污损或磨损等原因常引起触点接触不良和导电困难等故障，可靠性差，所以需要进行经常性的检查和保养，到了使用周期后应该更换新品，十分不

23、便。这无疑也制约着汽车无故障里程数的提高。因此传统触点式点火系统已不能适应现代发动机向高速、大动力化和清洁发展的要求。无触点点火系统则克服了这个缺点，它是通过触发线圈获取的触发电流来控制晶体管或可控硅的动作，从而切断点火线圈的初级电流，无触点点火系统无需保养，成本不高，技术上也不复杂，所以很快被推广使用。无触点点火系统的出现是汽油机点火系统的一次革新，随着汽车工业的发展，它必然会被性能更优的点火系统替代。在带普通分电器式的系统中，由于仍采用机械式离心和真空提前机构，不能实现对点火时刻的精确控制，这类控制系统被称为普通控制系统。而采用电控点火装置的控制系统中，去掉了分电器的机械式离心和真空提前机

24、构，甚至去掉了分电器，其功能完全由电控点火装置来承担。由于普通电子点火系对点火时刻的控制与传统点火系一样，主要靠在分电器上安装的离心式和真空式机械调节装置来完成，这两种装置受其机械结构及性能的限制，调节能力有限，难以满足现代汽车对正时点火的要求。要实现点火时刻的精确控制，就必须快速测试汽车工况下的大量信息，并即时处理后，输出相应的控制信号驱动执行器实现最佳时刻点火，显然这只有采用微机点火系统。80年代后，随着微机工作可靠性的提高和成本大幅度下降，国外各大汽车公司在高、中档轿车上纷纷引入微机控制技术，并由单独控制系统发展成为集中控制系统。引入微机控制点火系统后，使得点火正时控制、通电时间控制、爆

25、燃防止控制等都能达到比较理想的精度。因为用微机可考虑更多的对点火提前角影响的因素，使发动机在各种工况下均能达到最佳点火时刻，从而提高发动机的动力性、经济性、改善排放指标，并实现点火提前角控制、通电时间控制和爆震控制。因为汽车发动机点火时刻的精确控制对发动机功率、油耗、排放污染、爆燃及运行的稳定性等都会产生较大的影响，显然对点火实现优化控制的微机控制是今后电子点火系统的发展趋势。由此可见，随着汽车工业的迅速发展，汽油机点火系统的技术水平将得到很大的提高。1.4国内外汽油喷射的研究发展状况30年代初，德国空军研究所和bosch公司开始在航空发动机上进行汽油喷射的研究工作的，到第二次世界大战后期，汽

26、油喷射装置以用于军用飞机发动机上。军用飞机不大考虑燃油消耗率等问题，而是由于浮子室化油器不适应飞机的发动机上战斗姿势的要求，或者要排除化油器结冰的故障，故用汽油喷射取而代之。初期的工作是从直接采用柴油机的油泵、油嘴开始，考察汽油喷射的效果，试验结果表明，采用汽油喷射，可同时使发动机的动力性和燃料的经济性得到改善，之后，对油泵嘴的最佳形式、调节系统和混合气的形成方式以及在为实现汽油喷射的最大效果而在发动机上所采取的改变等方面进行了大量工作，最终使其在航空发动机上得到应用。航空发动机采用汽油喷射所取得的成绩和良好效果，自然引起在汽车发动机上进行这项研究工作的兴趣，但由于成本昂贵很难采用。在对功率及

27、过渡响应性方面要求很高的赛车上，汽油喷射系统首次实用化。研究工作首先从二冲程发动机开始，由于汽油喷射是直接将燃料喷射到汽缸内，可避免排气时的燃料损失，因此可使发动机燃料经济性得到大幅度提高。经过长期不懈努力，在50年代初，首先由ooliath和gutbrod两个公司，在二冲程2缸机采用汽油喷射装置，使系统在民用汽车上得到应用。在四冲程汽车发动机应用汽油喷射困难较大，因为在四冲程发动机上采用汽油喷射系统不能获得二冲程发动机那样大的节油效果，以弥补系统造价太高的缺点，因此，只在少数赛车上得到应用。在此期间所研制出的汽油喷射系统的工作原理和结构与柴油机大体相同，即由柱塞式高压油泵将燃料通过喷嘴喷入汽

28、缸内，不同之处是因为汽油机负荷是量调节，所以在系统中增加了一套调节装置，根据进气管内压力自动调节供油量。由此以前所做的工作以证明，汽油喷射对改善发动机性能具有无可置疑的作用，但是，由于其结构复杂，成本高而难于得到广泛的应用。因此，对其进行简化即成为进一步研究的主要方向。在这种情况下，进气管喷射方式便应用而生，采用这种方式，可大大降低喷射是所必须的压力简化了喷射系统部件的结构和制造工艺，并能获得与缸内喷射相同的喷射效果。50年代末以来，汽油喷射系统基本都采用这种方式，缸内喷射方式除特殊需要(如分层燃烧)以外不再采用。bendix公司在1957年研制出电子控制汽油喷射系统t21，此系统与以往的机械

29、喷射系统在结构上有很大的差别，它由电动油泵、电磁阀喷油器、一系列传感器(进气压力、冷却水温、大气压力、节流阀位置等)和电子控制装置组成。混合气的调节靠改变喷油器的喷射时间来调节，电子控制装置将传感器信号转换成相应的喷油脉冲宽度，然后将脉冲信号放大，驱动喷油器线圈，在线圈磁力作用下，使油阀开启，于是燃料就喷入进气管中。此系统具有两个突出优点:其一，由于采用的电动油泵不需要发动机驱动，因此，不必像机械泵那样要求对发动机结构进行改动;其二，供油控制精度高，克服了机械喷射因运动部件惯性磨损造成的供油误差。bosch公司与1962年开始进行电控汽油喷射系统的研究，与5年后发表了研究成果d-jetroni

30、。喷射系统如。此系统利用速度一密度法控制空燃比，由于进气量是通过测得的进气压力、温度和转速间接计算得到，因此难于满足同期为降低发动机排放污染对空燃比精确控制的要求，因此，bosch公司在此后又开发出两种直接利用传感器检测进气量的质量流量式汽油喷射系统，即机械式连续喷射系统k-jetroni。电控汽油喷射系统和电控间歇式喷射的l-jetronic电控汽油喷射系统。使空燃比控制精度得到提高。从70年代以来，电控汽油喷射技术伴随排放法规的强化和电子技术的发展而发展，氧传感器和三元催化器实现了对空燃比的精确控制;出现了独立喷射方式的稀燃系统;控制实现微机化等等。为了降低汽油喷射系统装置的造价，在80年

31、代初，研制出单点喷射系统spi(single point坷eetion)，如ford公司的中央燃油单点喷射装置cfi(centeral fuel injeetion)、通用公司的节气门体喷射系统tbi(thlottle body xnjeetion)和boseh公司的mon-jetronic等这种系统在价格和性能上介于多点喷射和化油器之间，被称作为从化油器向多点喷射过渡的中间产物。80年代末，对喷油器进行了大量的研究工作，包括防积炭、热燃料输送、计量准确性、喷雾形状和雾化性等方面，使喷油器的性能得到不断的改善。国内从50年代初开始有少数单位进行汽油喷射的研制工作，如北京汽车厂研制的301型汽油

32、喷射装置和上海内燃机研究所研制的ctp型汽油喷射系统分别装入了发动机进行了试验，取得了一定的效果。这两种汽油喷射系统都是机械式，近年来，国内一些单位的电控汽油喷射研究工作也取得了一定的研究成果。1.5发动机机怠速控制发展状况汽车的运行复杂，工况变化频繁，若在交通拥挤，车辆众多城市中行驶时，汽车经常处于怠速工况，燃油约有30%消耗于此工况。怠速转速越低，废气的稀释作用越明显，所以要提供浓的混合气，这会使co和hc的排放浓度增加。提高怠速转速对减少co和hc的排放是有利的。怠速从700/min提高到800/min，co排放量下降10%，排放量下降15%。因此汽油机怠速控制的目标应是在尽可能低的co

33、和hc的排放量下，保持怠速工况在较低的转速下运转平稳。电控汽油机在怠速工况时除了将怠速转速适当提高以降低co和hc的排放，还可以通过怠速旁通空气量孔与喷油的匹配将转速控制在一个比较稳定的水平上，这样控制的弹性很大，可以适应复杂的外界环境。通常情况下，汽油机转速越低，则单位时间燃料消耗量就越小。同时转速太低发电机充电能力下降，而蓄电池电压下降到一定的限度后，会影响整个电控系统的工作，波动性明显七升，该自适应系统在相互矛盾的一系列因素中，在不影响怠速质量和排放水平的前提下，使怠速的工作点设置在汽油机可接受的最大波动性的转速来完成这一目标。nissan公司研制的怠速控制系统具有较高的响应性，此系统用

34、线性规划原理建立了动态数学模型，调节空气调节阀即可控制旁通空气量。此系统中，怠速转速在节省燃料的前提下，满足外界附件变化对汽油机的要求。如空调器接通时汽油机转速由650r/min上升到800r/min，而关闭空调器时，转速又回到650r/min。bosch公司motronic一九喷射系统的怠速控制是当前怠速控制方法中比较典型的方法。一个旋转滑式怠速调节器打开通往节流阀的旁通截面。根据此调整器控制位置的不同，产生一定的开启截面。由于空气流量计的测量值包括了此附加空气量，喷油量也作相应变化，怠速空气调节装置极有效地稳定了转速。它还可以降低怠速转速，从而减少燃油消耗量。八十年代中期，美国purdue

35、大学的ermhlie等人研制了怠速自适应控制系统，通过对波动性指数的控制，使汽油机处于稳定工作的极限，该系统仍以转速为控制对象，能不断地识别最佳的转速工作点，而这些点是由汽油机曲轴转速（燃料经济性）和转速波动性（怠速质量）来决定的。近年来，国内外学者对怠速控制系统也进行了大量的研究工作，并取得了一系列可喜的成果。1.6电控汽车发动机故障诊断技术的现状及发展趋势随着汽车用途的日益广泛、使用量的急剧增加，以及其结构和技术的不断进步，使得汽车故障诊断技术必须改变原始的检测方法，以新的检测诊断技术和方法来保证汽车运行的安全、节能，降低车辆排放和噪声，减少运行和维修成本，以延长其经济使用寿命。为了改变和

36、突破汽车故障诊断以经验和技艺为主的传统观点，以现代故障诊断理论和技术为基础，建立科学、系统、合理、完善的汽车故障诊断理论及其体系，己成为目前汽车故障诊断的必然要求和技术发展的必然趋势，能跟踪和掌握汽车领域高新技术的智能故障诊断理论和方法的研究具有十分重要的实际意义和非常广泛的应用前景。汽车故障诊断技术的发展大致经历了三个阶段：人工检验阶段、运用简单的仪器仪表进行检验的阶段和利用专门的设备进行综合诊断阶段自80年代以来，人们将专家系统引入汽车故障诊断领域，使汽车故障诊断理论和技术发生了根本性的变革。但是传统的基于规则的专家系统存在着诸如知识获取瓶颈，不具备联想和自学习功能，组合爆炸，无穷递归等难

37、于解决的问题。基于模糊神经网络的汽车发动机智能故障诊断系统用模糊隶属函数来描述各故障现象，用神经元及其连接权值的分布表示故障的分布，用特定的学习算法从训练范例中获取知识，系统推理机制不同于传统专家系统的if.then形式的知识匹配推理，只需要完成一组数值计算，因此一定程度上克服了传统的基于规则的诊断专家系统存在的知识获取困难、知识存储容量与系统运行速度的矛盾以及知识的”窄台效应”等问题。故障诊断与知识表示、处理及诊断推理方法密切相关，同时又与诊断对象领域相关联。就汽车故障诊断而言，汽车零部件多、相关影响大，故障形式多样、表现不一，实例来源丰富，知识获取的压力大，而且诊断信息不完全度较高，特别是

38、存在许多模糊信息，所以选择一种适合该领域诊断专家系统的知识表示和推理方法非常重要。汽车的运动性和故障的时发性，导致异地诊断和远程诊断的需求不断增加，汽车故障诊断由传统的诊断方式向异地诊断和远程诊断方向发展。特别是方便、快捷的网络的普及，通过局域网、因特网来传输诊断信息成为一种趋势，网络架构下的集成汽车故障诊断专家系统成为研究的热点之一。网络诊断系统实现诊断服务信息的交流和共享，达成多专家协同诊断，提高诊断的准确率和效率。汽车集成诊断集多种诊断功能和技术于一体，通过随车诊断和车外诊断的有机结合，采用故障诊断专家系统多种知识表示和推理方法的集成、专家系统和故障电子信息检索技术的集成，以网络为传输工

39、具，最终形成汽车故障的实时诊断。集成故障诊断专家系统的智能模型主要有两种：基于实例、规则与神经网络的集成诊断专家系统和基于模糊逻辑与神经网络的集成诊断专家系统。这两种模型也是目前人工智能领域的研究热点。诊断专家系统的集成是知识构筑方法的继承、诊断推理机制的集成，也是诊断模型的集成。在集成模型中，针对诊断对象的结构、功能和知识表述的特点，系统自动选择合适的诊断模型。灵活的诊断知识表示和处理，适合多种诊断推理方式的需要，也是集成系统的特点。诊断推理机制应具有互补性，满足内在机理上的相互融合，避免冗余诊断问题。总之，随着人工智能理论和方法的日益成熟，必将会给汽车发动机的故障诊断技术带来根本性的变革。

40、1.7本课题研究的目的和意义随着汽车工业的迅速发展，汽车生产量和保有量不断增长，汽车造成的排气污染、噪声以及燃油短缺等问题受到各国政府与社会的关注，为了保护环境、消除公害、节约能源，国际组织和各国政府制定了各自的汽车法规，在这些法规中，排气和噪声法规对汽车的排放作了严格的规定，这成了推动汽车技术发展的动力，90年代后美国从长远观点出发，提出了21世纪使用零排放车辆的概念，规定在2003年要有10%的汽车是零排放车辆，但目前大部分车辆还不能满足新法规的要求，为了达到排放要求，应用在汽车上的新技术会越来越多。我国为适应越来越严格的排放法规，电控汽油发动机已成为轻型载客汽车的标准动力配置。2008年

41、将在全国实旌机动车污染物国标准（相当于欧标准），并制要求安装车载诊断系统（on board diagnostics，简称obd）。我国制定的汽车工业与技术发展规划中，均把电控汽油机控制技术及其故障诊断技术列为重点研究开发的项目，在国家重点研究计划项目中也把汽车电子控制技术列为优先发展的项目。在现代化社会中，车用汽油机的故障诊断技术越来越受到重视，如果车用汽油机的某些部位出现故障而未能及时的发现和排除，其结果不仅会导致汽油机本身的损坏，甚至可能会造成车毁人亡的严重后果。近年来，我国汽车行业得到了迅速发展，配备电控汽油机的各种车型相继涌现，给人们的，活带来了极大的方便，但是却给汽车维修人员带来了难

42、题，需要不断地查阅各种手册和维修资料来分析故障产生的原因，因此研究车用汽油机的智能故障诊断技术具有实际意义。随着我国汽车保有量的急剧增加，汽车的安全运行问题越来越突出，加强汽车的安全技术检测，成为整个社会有待研究解决的重要课题。作为汽车发动机电控系统中的重要部分，软件是实现发动机控制功能的核心，体现了电控系统科技含量的主要部分，软件的实现过程是经过长时间的经验积累以及大量的研究后得到的。但电控系统的软件作为系统的核心机密，其保密工作非常严格，因此对于发动机控制系统的控制策略和控制方式的研究是非常必要的。电控车用汽油发动机的先进控制策略及故障诊断技术是随着汽车行业的发展而发展起来的，其意义和作用

43、可归纳为如下几点：1）开发具有自主知识产权的发动机电子控制系统。由于目前国内发动机电控系统大多采用国外的产品或外国技术，自主设计的电控系统，仅有少量的在国产汽车上应用，所以开发具有自主知识产权的发动机电子控制系统不仅可以节省大量外汇，而且可以有效地促进我国汽车工业的发展。2）传统的控制方式已经不能满足现代汽车电子控制的要求。传统的系统一般采用静态预定最优控制方式和pid控制方法。静态预定最优控制方式依据预先对汽油机控制参数进行离线优化而得的脉谱图，采用开环结构实现对空燃比和点火提前角特性的调整，根据实验结果，建立汽油机的数学模型，由此模型给出汽油机各项性能指标与工况及空燃比、点火提前角等控制参

44、数之间的关系，然后根据汽油机性能的要求，确定优化准则，采用一定的优化方法，求出各种工况下汽油机各项性能综合达到最优的空燃比和点火提前角。这种方法的最大特点是控制的实时性强、响应速度快。当汽油机工况发生变化时，无需寻优调节过程，而直接通过查表即可作出决策。然而这种方法需要大量的试验数据，另外从发动机台架试验数据中制取的脉谱图不一定对所有的汽油机控制均最佳。传统的pid控制方法是一种基于精确数学模型的设计方法，自适应能力差，一旦被控对象的工况发生变化，或对于不同的发动机，其控制品质将随之下降。尽管，在传统的控制策略中，也有自学习过程，但它的适应范围很小，且仅使用于稳定工况下。但实际上汽油机工作过程

45、具有复杂的不确定性、时变性和非线性。因此采用传统的pid控制很难适应控制环境、控制对象的高度复杂性和高度不确定性，达不到越来越高的控制要求。3）由于我国石油和天然气短缺，但煤炭资源比较丰富，使用替代燃料受到国家的鼓励和支持。目前使用混合燃料（如汽油甲醇，汽油乙醇）的发动机越来越多，我国东北、河南等地广泛使用乙醇汽油；而山西、陕西等地正在大力推广甲醇汽油。汽油掺烧醇类的比例范围很大，如山西在汽油中掺烧甲醇的比例达15-40%。由于甲醇、乙醇和汽油的理论空燃比分别为6.4，9和14.7，因此在以醇类混合燃料作为发动机燃料的控制系统中，目标空燃比一般根据混合燃料的混合比不同而变化，通常甲醇（或乙醇）

46、的比例越高，最佳空燃比越小，也即系统的目标空燃比越小。一般情况下，醇类混合燃料的最佳空燃比变化范围为：6.4-14.7。另外，当随着发动机设计技术的日臻成熟，采用稀薄燃烧（空燃比大于17）技术的发动机应用将会越来越普遍。因此为了使系统的目标空燃比可在所要求的某一范围内灵活设定，必需研究一种能在某一范围内灵活改变设定值的控制方法，以满足当前混合燃料在任意混合比下所要求的最佳空燃比和稀薄燃烧技术。显然传统的采用静态预定最优控制方式和pid控制方法已难满足此要求。4）在高科技飞速发展的今天，随着汽车工业的发展，人们对汽车的安全性、动力性、经济性、操作性、舒适性等方面的要求不断提高，对汽油机电控技术的

47、要求也越来越高，特别是对排放法规的要求也越来越严，以及随着混合燃料（如汽油甲醇）发动机和具有稀薄燃烧技术的发动机使用，传统的控制方法已很难满足现代汽车控制的要求。这势必要求人们不断提出新的控制理论和控制方法，这种方法不仅要求控制精度高，而且要求计算速度快，能灵活设定目标空燃比。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。但是这些研究工作大多仅在特定工况点证明了控制理论应用的可能性，目前这些较新的控制方法在成熟产品中的应用仍较少。一方面，是这些方法在某些方面还或多或少存在一些问题，特别是在综合性能方面，还不能整体达到要求，如存

48、在快速性与鲁棒性之间的矛盾、实时性与精确性之问的矛盾等。另一方面，各种智能控制方法，都有其优缺点，一般仅对问题的某些方面有效，如自适应控制研究对象是具有一定程度不确定性的系统，通常被描述对象及其环境的数学模型是不完全确定的，包含有一些未知因素和随机因素。模糊控制技术的最大特点是不需要精确的数学模型，能充分模拟人类处理结构化知识。神经网络具有很强的非线性映射能力，可用来逼近非线性系统模型。预测控制具有在线辨识系统参数功能，可克服系统时变，延时等特性。再者，现代智能控制理论一般都比较复杂，程序占用内存多，运行时间较长，实时性较差、难以满足象发动机这种快速反应的多变量非线性时变系统。尽管，目前国外已

49、在少数高级汽车上，采用了较先进的发动机智能控制技术。但由于发动机电控系统的技术含金量高，电控单元的软硬件开发技术作为电控系统开发的关键技术，国外各公司对其核心技术都实行严格的技术保密，公开的资料很少，基本上都是以系统集成供货。因此，我们当前的主要任务是研究一种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，运算速度快，学习能力强，可无差跟踪系统目标设定值和在一定范围内可灵活设定目标空燃比的控制方法，以适应我国汽车工业的飞速发展。5）故障诊断是改革汽车维修制度，为实现功能视情维修提供必要的保障。汽车检测维修制度发展至今经历了三个阶段：从事后维修制、定期维修制到视情维修制。事后维修制是

50、指故障发生后才对设备进行维修，这种方式隐含着威胁人身安全和造成重大经济损失的危险。定期维修制以零件的磨损规律或零件的寿命为基础，其结果是往往与汽车的实际技术状况不符，造成盲目修理或失修的现象。视情维修制是利用诊断设备定期地检测汽车的技术状况，根据检测的结果，按照实际需要对电控汽油机进行针对性的修理，它是以一定的检测诊断为基础的。6）研究车用汽油机故障诊断技术可以提高维修效率，加快维修速度，降低维修费用，是提高维修质量的需要。近几年来，汽车工业蓬勃发展，汽车数量迅速增加，修理的任务也相应加大。汽车电子技术的迅速发展造成熟练的维修工严重不足，并且手工业式、单凭经验进行修理已不能适应现代化修理的要求

51、，这就需要采用新技术，发展故障诊断设备，提高维修效率。7）有利于加强对汽车安全技术的检测，保证车辆安全行驶，并能减少公路交通事故造成的人员伤亡、经济损失和汽油机排放、噪声等污染。能及时地、正确地对汽油机的各种异常状态和故障状态作出诊断，预防和消除故障，对汽油机的运行进行必要的指导，提高汽油机的工作性能，以期把故障的损失减少到最低程度。将汽油机故障诊断方面的维修专家的经验及时地保留下来，使一般的维修人员也能像维修专家一样解决问题。1.8本课题主要研究工作及内容车用发动机是一个多工况的、多变量复杂的非线性时变控制系统，不同的工况需要不同的控制策略，本文将研究各种工况下汽油机电控系统的智能控制策略及

52、电控汽油机的故障诊断技术。本文首先在了解电子控制汽车发动机组成及工作原理的基础上，针对当前我国车用汽油机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相关资料进行分析，结合我国的实际状况以山西淮海机械厂生产的465q电控汽油机作为研究对象，选择车用汽油机电控系统的喷油、点火和怠速系统的智能控制策略作为主攻方向。并针对车用汽油机故障的复杂性、多样性以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故障诊断中来，主要完成了以下几方面的研究工作：1）本文首先对电子控制车用汽油机的构造、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

53、系统的结构、组成、功能、工作原理和控制策略，为下一步电控汽油机系统的研究奠定了良好的基础；2）为了本课题研究工作需要，必须测出现有465q汽油机脉谱图，因此设计了465q汽油机脉谱图测量系统，测取了汽油机的最佳点火和最佳喷油脉谱图；3）根据465q汽油机最佳点火和最佳喷油的脉谱图，利用神经网络建立了465q汽油机在多种工况下的点火和喷油系统的数学模型，以便对其实现点火和喷油控制的研究；4）针对车用汽油机怠速控制系统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汽油机怠速的实验，并提出了一种新的控制思想，即在怠速控制系统中，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

54、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，并在matlab下进行了仿真研究；5）利用神经网络对信息的处理具有自学习、分布记忆、自联想、容错性和高度非线性的这一优势，将神经网络应用于车用汽油机的点火和喷油控制中，提出了多种对于汽油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，特别要提出一种控制方法，既可以用在以汽油作为燃料的发动机控制系统中，以满足系统在不同工况下对空燃比的要求，也可用在以混合燃料（如汽油甲醇）作为动力的发动机控制系统中，以满足系统在汽油与甲醇不同的混合比下，对空燃比在某一范围内任意连续设定的要求，灵活地设定其目标空燃比，同时也能适用于当

55、前具有稀薄燃烧技术的发动机控制系统中，并在matlab下进行了仿真研究；6）针对车用汽油机具有非线性、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要求，并在matlab下进行了仿真研究；7）根据车用电控汽油机故障，应用改进的神经网络对汽油机进行故障诊断，并利用matlab进行仿真研究；8）由于车用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

56、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，通过该系统对汽油机故障的诊断，表明了这种结合的可行性和优越性，并对其在mallab中介绍了专家系统的基本概念，将模糊神经网络很好的融合到专家系统中，构造基于模糊神经网络的汽油机故障诊断专家系统。并运用matlab的图形用户界面（gl）功能，设计了一种全新的模糊神经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，系统升级简单直观。2 电控系统的结构及功能2.1电控系统的整体结构随着汽车电子控制技术的发展、社会的需求，集中控制似乎成为了必然的趋势，只有集成了集成了喷油、点火、怠速、

57、废气再循环egr(exhaust gas recirculation)碳罐阀控制等功能于一体的发动机集中管理系统ems(engine management system)才能较好的解决各种控制功能相互关联相互影响的问题。以下是某发动机的电控原理图：图2-1发动机管理系统的结构1、 燃油箱 2、燃油泵 3、喷油阀 4、节气门体 5、火花塞7、活塞8、空气滤清器9、空气流量计10、废气涡轮增压器 11、废气阀 12、twc 13、消声器 14、曲轴传感器 15、氧传感器16、废气再循环阀17、爆震传感器18、油道19、tps信号20、燃油泵控制21。点火控制信号22、可调气门阀23、tdc信号24

58、、怠速控制25、喷油器脉冲信号26、传输道27、速度传感器29、开关信号30、电池电压 31、自诊断接口 32、通信接口从图中可以看出，发动机电控系统由传感器、电子空子单元和执行机构但部分组成。工作时，系统首先根据传感器传送过来的信号得到发动机当前的各个参数电子控制单元通过对当前的各个参数综合分析确定发动机的运行模式然后输出信号到执行机构比如在起动工况时ecu(electronic control unit)根据收到的点火开关位置转速车速tp信号等知道处于起动工况当采集到转速大于设定值ns时判定起动成功立即将旁通阀开度调到hs然后再逐渐调节到正常怠速位置在这种工况下就要求系统能够及时的采集综合分析实时的输出信号到执行机构类似的工况在发动机运行时很多。2.1.1 各类传感器的简单介绍及主要作用传感器的作用是将发动机工况与环境的信息通过各种信号即时真实的传递到控制器ecu.所以传感器信息的准确性再现性和即时性就直接决定了控制的好坏目前汽车传感器及其制造技术已日益完善各类传感器基本趋于成熟正