(精品)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì))

山東理工大學(xué) 山東理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā) 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā) RESEARCH AND DEVELOPMENT ON AIR-FUEL RATIO CONTROL SYSTEM OF GAS ENGINE 研究生： 李 光 舉 李 光 舉 指導(dǎo)教師： 高 松 教 授 高 松 教 授 申請(qǐng)學(xué)位門(mén)類(lèi)級(jí)別： 工 學(xué) 碩 士 工 學(xué) 碩 士 學(xué) 科 專 業(yè) 名 稱： 載運(yùn)工具運(yùn)用工程 載運(yùn)工具運(yùn)用工程 研究方向： 內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化與控制內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化與控制 論 文 完 成 日 期： 2008 年 4 月 30 日 2008 年 4 月 30 日 單位代碼：10433 學(xué) 號(hào)：Y0502063 密 級(jí)： 分類(lèi)號(hào)：U464 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果， 也不包含為獲得山東理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū) 而使用過(guò)的材料。 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示了謝意。 研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解山東理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w 上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保 存、匯編學(xué)位論文。 研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日 導(dǎo) 師 簽 名 ： 時(shí)間： 年 月 日 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 摘 要 本文首先分析了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)及其空燃比控制技術(shù)的發(fā)展背景和意義， 介紹了燃?xì)?發(fā)動(dòng)機(jī)及其空燃比控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制方面存在的問(wèn) 題，提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。 論文研究了 8300 型氣體發(fā)動(dòng)機(jī)及煤層氣的特點(diǎn)，提出了基于 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 PID 并行控制的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并通過(guò) Simulink 仿真 分析，證明了該方案的可行性。 文中詳細(xì)介紹了硬件的設(shè)計(jì)方案及其工作原理，包括可編程控制器（PLC）及其 擴(kuò)展模塊的選型、傳感器的選擇、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選擇、信號(hào)采集與處理電路、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤(pán)電路、報(bào)警電路、顯示電路及電源電路等；同時(shí)詳細(xì)介紹了 軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法， 包括主程序、 初始化子程序、 數(shù)據(jù)采集模塊、 高速計(jì)數(shù)器 （HSC） 子程序、脈沖串（PTO）子程序、顯示模塊、報(bào)警模塊、按鍵操作模塊及空燃比控制 模塊等。在系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，考慮到外界干擾因素的影響，在硬件和軟件的設(shè) 計(jì)中采取了有效的抗干擾措施。 最后對(duì)設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，包括系統(tǒng)的硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)聯(lián) 機(jī)調(diào)試。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的自動(dòng)控制，同時(shí)能夠監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀 況，在機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)報(bào)警。調(diào)試結(jié)果表明所開(kāi)發(fā)的空燃比控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù) 期的目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)；空燃比控制；小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CMAC)；并行控制 I 本頁(yè)已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 Abstract Abstract In this thesis, the developing background, the significance and the research actualities of gas engine and the technology of air-fuel ratio control are introduced firstly. And then, aimed at the existent problems of air-fuel ratio control of gas engine, the main contents of the article are put forward. Researched on the characteristics of 8300-type gas engine and coal bed methane, the general plan of the system based on CMAC and PID parallel control is brought forward, which is proved to be feasible through simulation and analysis. The design project and the principle of the hardwares are illustrated in detail, including the selection of the programmable logical controller, extension modules, the sensors, stepping motor and the driver, and, the design of the collected and processed signals circuit, stepping motor drived circuit, the keyboard circuit, the alarm circuit, display circuit and the power supply circuit, etc. At the same time, design and realization of the softwares are specified, including the main program, the initialized subroutine, the HSC subroutine, the PTO subroutine, the display module, the alarm module, the keyboard operated module and the air-fuel ratio control module, etc. Considering the influence of the outside interferences, effective anti-interference measures are taken to the hardwares and the softwares. In the end, the accomplished control system is debugged including the hardwares debugged, the softwares debugged and online debugged. Autocontrol of air-fuel ratio of gas engine can be realized by the system. Moreover, the operation status of the engine can be real-time monitored, so alarm will be given while the system has faults. The results of debugging show that the expectant target is obtained. Key words: Gas engine; Air-fuel ratio control; Cerebellar model articulation controller (CMAC); Parallel control II 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 目 錄 摘 要摘 要 Abstract 目 錄目 錄 第一章 緒論第一章 緒論1 1.1 課題背景及其研究意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 1.2.1 氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究狀況3 1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4 1.3 主要研究?jī)?nèi)容6 1.4 本章小結(jié)6 第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究7 2.1 8300 型氣體發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介7 2.2 空燃比控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案7 2.2.1 控制系統(tǒng)作用7 2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案8 2.3 控制系統(tǒng)的控制策略研究8 2.3.1 PID 控制概述9 2.3.2 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)10 2.3.3 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 PID 并行控制12 2.3.4 控制策略及仿真14 2.4 本章小結(jié)16 第三章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第三章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)17 3.1 控制器的選擇17 3.2 傳感器的選擇17 3.2.1 壓力傳感器17 3.2.2 轉(zhuǎn)速傳感器19 3.2.3 甲烷傳感器19 3.2.4 氧傳感器19 3.2.5 電位器式位移傳感器19 III 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 3.2.6 熱電偶20 3.3 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選擇20 3.3.1 5700 系列混合式直線步進(jìn)電機(jī)20 3.3.2 M542 驅(qū)動(dòng)器20 3.4 硬件電路設(shè)計(jì)21 3.4.1 輸入信號(hào)調(diào)理電路21 3.4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路22 3.4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路22 3.4.4 鍵盤(pán)電路23 3.4.5 報(bào)警電路23 3.4.6 顯示電路24 3.4.7 電源電路25 3.5 硬件抗干擾設(shè)計(jì)25 3.6 本章小結(jié)26 第四章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第四章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)27 4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介27 4.1.1 編程軟件的功能27 4.1.2 項(xiàng)目的組成28 4.1.3 程序的編寫(xiě)與傳送29 4.1.4 用編程軟件監(jiān)視與調(diào)試程序31 4.2 控制系統(tǒng)資源分配33 4.2.1 輸入輸出信號(hào)資源分配33 4.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器資源分配34 4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)34 4.3.1 主程序35 4.3.2 初始化子程序35 4.3.3 數(shù)據(jù)采集模塊35 4.3.4 高速計(jì)數(shù)器（HSC）子程序37 4.3.5 脈沖串（PTO）子程序38 4.3.6 顯示模塊39 4.3.7 報(bào)警模塊40 4.3.8 功能按鍵操作模塊40 4.3.9 空燃比控制模塊41 4.4 軟件抗干擾設(shè)計(jì)42 IV 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 4.5 本章小結(jié)45 第五章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)的調(diào)試第五章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)的調(diào)試47 5.1 調(diào)試的作用47 5.2 調(diào)試的方案47 5.3 調(diào)試的設(shè)備47 5.4 調(diào)試的過(guò)程47 5.4.1 硬件調(diào)試47 5.4.2 軟件調(diào)試49 5.4.3 聯(lián)機(jī)調(diào)試50 5.5 本章小結(jié)51 第六章 總結(jié)與展望第六章 總結(jié)與展望53 6.1 總結(jié)53 6.2 展望53 致 謝致 謝55 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)56 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和參與的科研項(xiàng)目攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和參與的科研項(xiàng)目59 V 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 第一章 緒 論 1.1 課題背景及其研究意義 能源是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和發(fā)展的前提，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全發(fā)展 的保障。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展， 我國(guó)能源消耗和污染物排放都居世界前列。 能源和環(huán)境問(wèn)題已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和安全可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略因素。 我國(guó) “十一五” 規(guī)劃綱要提出， “十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低 20左右、主要污染物排放 總量減少 10。去年國(guó)務(wù)院又發(fā)布了加強(qiáng)節(jié)能減排工作的決定，節(jié)能減排已成為我國(guó)的 一項(xiàng)基本國(guó)策 1。 如今，隨著世界人口和經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，能源的消耗也急劇增加。研究表明，大約 50 年后， 人類(lèi)目前廣泛使用的傳統(tǒng)能源煤、 石油和天然氣將面臨嚴(yán)重短缺的局面。 目前， 我國(guó)煤炭的資源量為 1.5 億萬(wàn)噸，石油儲(chǔ)藏量是 16000 萬(wàn)噸，天然氣剩余可采儲(chǔ)量 2 萬(wàn) 億立方米。而當(dāng)前的石油對(duì)外依存度已達(dá)到 50左右。有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)， 2020 年石油和 天燃?xì)膺M(jìn)口的依賴度分別達(dá)到 70和 50 2。而我們現(xiàn)在用氣用油量大大提升，所以我 們要千方百計(jì)的節(jié)約石油和天燃?xì)?，要最大可能的、高效率的、清潔的利用我們?guó)家的 現(xiàn)有資源。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的增加，能源需求越來(lái)越大，在正常的情況下， 國(guó)民生產(chǎn)總值越高，能源消費(fèi)量越大，能源不足會(huì)影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，成為制約持續(xù) 發(fā)展的因素之一。內(nèi)燃機(jī)作為一種常用的動(dòng)力輸出裝置，在其出現(xiàn)的一百多年里，為人 類(lèi)的進(jìn)步和發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是它也是消耗能源的一大戶，內(nèi)燃機(jī)主要用石油 作為燃料，一般工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家消耗在內(nèi)燃機(jī)上的燃料約占整個(gè)石油消耗量的 60左右， 而且隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，這種比例和趨勢(shì)會(huì)逐漸的增加。因此，目前面臨的艱巨 任務(wù)是，怎樣在不影響其動(dòng)力性、排放的前提下，降低燃油量或燃?xì)饬?，讓其?jīng)濟(jì)性得 到改善和提高。 同時(shí)，汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展也使生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染。汽車(chē)排放物中的CO2能 夠引起“溫室效應(yīng)” ，NOx和SO2與大氣中的臭氧結(jié)合可形成酸雨或煙霧，微粒中的苯并花 是致癌物質(zhì)等等。這些環(huán)境污染的加劇使得世界各國(guó)的排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，在一些發(fā) 達(dá)國(guó)家更是提出了超低排放法則，甚至對(duì)車(chē)輛提出了零排放的要求。為此各國(guó)的內(nèi)燃機(jī) 研究和開(kāi)發(fā)人員集中了很大力量在內(nèi)燃機(jī)排放品質(zhì)的改進(jìn)上。我國(guó)的排放法規(guī)采用的是 歐洲體系，自 2004 年 9 月 1 日起執(zhí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn)，2008 年 8 月 1 日起執(zhí)行歐排放 標(biāo)準(zhǔn)，2010 年 1 月 1 日起執(zhí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn)，2012 年 1 月 1 日起執(zhí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn) 3。 世界石油資源短缺的狀況和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求使 21 世紀(jì)的人類(lèi)面臨著一個(gè)重要 1 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 問(wèn)題：如何合理地利用現(xiàn)有資源和開(kāi)發(fā)新能源。由于石油資源總是有極限的，代用燃料 一直是內(nèi)燃機(jī)研究和燃料研究的熱點(diǎn)之一。隨著環(huán)境問(wèn)題被提升到前所未有的高度，并 且一些代用燃料在排放方面具有傳統(tǒng)燃料所不具備的優(yōu)點(diǎn)，尋求清潔燃料、降低有害排 放就成為代用燃料研究的重點(diǎn)。所以發(fā)動(dòng)機(jī)的代用燃料應(yīng)具有可以替代或部分替代汽油 或柴油等發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)燃料，從而緩解能源緊張的局面外，還應(yīng)具備的另一個(gè)特點(diǎn)就是 燃燒清潔、對(duì)環(huán)境的污染低。代用燃料主要有以下幾種:天然氣(CNG and LNG)、液化石 油氣(LPG)、二甲醚(DME),氫氣、煤層氣、沼氣、醇類(lèi)、燃料電池和太陽(yáng)能等。 煤層氣資源的開(kāi)發(fā)和利用一直是國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員所關(guān)心的研究課題，許多國(guó)家 政府都在鼓勵(lì)本國(guó)開(kāi)發(fā)利用煤層氣。與天然氣類(lèi)似，煤層氣的用途基本上分為兩大類(lèi)， 即作為化工原料和能源，但國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料是煤層氣應(yīng)用的一個(gè) 重要方面。 煤層氣又稱煤礦瓦斯氣或煤田沼氣，其基本成分為甲烷（CH4） ，另含少量CO2和N2， 是非常規(guī)天然氣的一種重要類(lèi)型。煤層氣以其經(jīng)濟(jì)性、低排污等優(yōu)勢(shì)在代用燃料中脫穎 而出，成為發(fā)動(dòng)機(jī)的一種新型潔凈燃料。在熱值上，煤層氣與常規(guī)天然氣相當(dāng)，發(fā)熱量 在 80009000 大卡以上， 每 1000m 3煤層氣相當(dāng)于 1t燃油或 1.25t標(biāo)準(zhǔn)煤。 與其他石化能 源相比，其綠色意義主要表現(xiàn)在基本不含硫，對(duì)輸送裝置和終端設(shè)備腐蝕破壞性?。蝗?燒后SO2和煙塵排放量低，對(duì)空氣質(zhì)量影響較??；燃燒后的廢氣是一種氣態(tài)肥料，能夠增 強(qiáng)植物的光合作用，對(duì)大棚農(nóng)作物具有提高質(zhì)量和縮短生長(zhǎng)周期的明顯作用 。 我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程中， 每年產(chǎn)生相當(dāng)于 130 多億立方米的純甲烷的煤層氣， 其中90% 以上排入大氣。甲烷（CH4）既是一種低碳可燃?xì)怏w，又具有很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，溫室氣體 效應(yīng)相當(dāng)于二氧化碳的21 倍。如果加以有效利用，既可以大大節(jié)約能源，又能大大降低 溫室氣體排放?？梢?jiàn)，煤層氣的利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的高效措施。 據(jù)預(yù)測(cè)我國(guó)煤層氣資源與常規(guī)天然氣儲(chǔ)量大致相當(dāng)， 約為 33 萬(wàn)億立方米， 約占世界 煤層氣資源的 20%，是世界煤層氣資源最為豐富的國(guó)家之一。開(kāi)發(fā)煤層氣可以有效地彌 補(bǔ)常規(guī)能源供應(yīng)的不足，而且有利于減少環(huán)境污染，帶來(lái)較好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。 在我國(guó)石油資源不足、消費(fèi)需求增長(zhǎng)迅速的局面下，加大煤層氣資源的開(kāi)發(fā)力度，發(fā)展 煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要意義。 煤礦煤層氣發(fā)電是煤層氣利用的最好辦法。上世紀(jì)末，我國(guó)開(kāi)始將由柴油機(jī)改造成 的煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)用于煤層氣發(fā)電，煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料為來(lái)自煤礦井下煤層氣。目前我國(guó) 煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)都是采用機(jī)械或電動(dòng)燃?xì)饣旌掀?，混合器進(jìn)出氣開(kāi)口都只能是手動(dòng)調(diào)整而 不能在線自動(dòng)調(diào)整。而煤層氣的濃度、壓力、溫度等參數(shù)會(huì)隨著采煤活動(dòng)和時(shí)間的變化 而不斷變化，因此在煤層氣參數(shù)發(fā)生變化，而煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y開(kāi)度不變的條件下， 進(jìn)入煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的煤層氣總質(zhì)量就發(fā)生變化，使煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比不能穩(wěn)定在理想 空燃比范圍內(nèi)。從而導(dǎo)致煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管放炮（爆炸） ，進(jìn)氣管回火、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)甚至 熄火等現(xiàn)象發(fā)生。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，將停止發(fā)電。嚴(yán)重影響了正常發(fā)電工作和生產(chǎn)安全。 2 本頁(yè)已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 而且多余的煤層氣被排入大氣，這樣既浪費(fèi)了大量能源，又向大氣中排放了大量溫室氣 體 4567。 由于煤層氣在不同產(chǎn)區(qū)、同一產(chǎn)區(qū)不同氣井、不同深層以及不同來(lái)源，組分往往會(huì) 有較大差別，因而對(duì)燃料供應(yīng)量的控制需要考慮燃?xì)饨M分的變化。機(jī)械式或開(kāi)環(huán)電控式 控制器都是按預(yù)定的混合比工作，難以達(dá)到變組分煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的在較大范圍內(nèi)改變混 合比以提供不同比例混合氣的要求。 煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的理論空燃比與液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同， 燃料的混合、缸內(nèi)燃燒過(guò)程也有區(qū)別。需要針對(duì)其燃燒規(guī)律，采取有效的空燃比控制方 法。因此，要想使煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性得到優(yōu)化，就需要有效控制 進(jìn)氣空燃比，這對(duì)獲取潔凈能源、保護(hù)環(huán)境和合理利用煤層氣資源具有重要意義。 本課題針對(duì)以上問(wèn)題，研究煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制策與控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)煤層氣發(fā) 動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)最佳空燃比閉環(huán)控制,保證煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)安全高 效運(yùn)行。本課題研究?jī)?nèi)容屬于節(jié)能減排技術(shù)和先進(jìn)制造及自動(dòng)化技術(shù)的范疇，是國(guó)家及 省市重點(diǎn)支持的科研方向，是具有廣闊產(chǎn)業(yè)化前景的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究狀況 國(guó)際上氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究起步較早，如德國(guó)的Bernd Rau在研究了工業(yè)煤 氣、民用煤氣、天然煤氣、石油煤氣后認(rèn)為，由于發(fā)動(dòng)機(jī)廠商無(wú)法控制氣體燃料品質(zhì)的 波動(dòng)，即使調(diào)整得很好的發(fā)動(dòng)機(jī)，在氣體燃料品質(zhì)波動(dòng)的極限下，也會(huì)引起嚴(yán)重的運(yùn)行 障礙。日本的西川隆史通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，低熱值氣體燃料的基本燃燒特性與高熱值氣體燃 料有很大的不同，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善方面繼續(xù)進(jìn)行研究。近年來(lái)，由于世界上環(huán)保 的原因，燃料組分的變化對(duì)火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的研究日趨見(jiàn)多，如S.Diana研究 了在EGR存在時(shí)，燃料組分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響。James Eng.考查了燃料組分變化對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放特性的影響。Seref Soylu在一臺(tái)重載天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了燃料組分變化 對(duì)爆震極限的影響。Barry R.Lutz研究了燃料組分變化對(duì)液態(tài)LPG噴射系統(tǒng)性能的影響 67。 煤層氣發(fā)電在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較早，如英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、日本和澳大利亞等國(guó)家， 但早期建設(shè)的煤礦煤層氣發(fā)電廠多采用燃?xì)廨啓C(jī)。由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電單機(jī)功率大，不適 于分散的小型煤層氣發(fā)電站。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷成熟，發(fā)達(dá)國(guó)家率先采用內(nèi)燃機(jī)開(kāi) 發(fā)了煤層氣發(fā)電站用煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)，如德國(guó)道依茨的TGB620V16K，美國(guó)卡特彼勒的 3520C、奧地利顏巴赫的TGC420 等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品技術(shù)上比較成熟，發(fā)動(dòng)機(jī)性能好，壽 命長(zhǎng)。以煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的發(fā)電機(jī)組是目前比較適合利用煤層氣發(fā)電的設(shè)備。基于 煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的煤層氣發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量較小，一般在 100kW4000kW，適合建設(shè)小型 3 本頁(yè)已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 發(fā)電站，發(fā)電效率較高，單機(jī)體積小，建站靈活、周期短，運(yùn)行維護(hù)人員少 789。 國(guó)內(nèi)在氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方面的研究起步較晚。最近幾年來(lái)，在天然氣、液化石油氣 發(fā)動(dòng)機(jī)方面做了一些有意義的工作，取得了一定的成績(jī)。同時(shí)對(duì)氣體燃料組分的變化對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響，也開(kāi)始逐步的研究和探討。其中浙江大學(xué)就開(kāi)始研究天然氣組 分變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放帶來(lái)的影響， 合肥工業(yè)大學(xué)從 1998 年開(kāi)始研究煤層氣的燃燒和排放 特性，經(jīng)過(guò)幾輪的研究取得了一定的成果，通過(guò)大量的試驗(yàn)，運(yùn)用機(jī)理和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的 方法，建立了適合于煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模型和整機(jī)模型，并在此基礎(chǔ)上自己開(kāi)發(fā)了適 合于煤層氣代用燃料特性要求的電子控制單元，在此基礎(chǔ)上不斷完善和提高，該電子控 制單元基本能完成一部分信號(hào)的采集、處理和控制，但是要達(dá)到對(duì)空燃比的精確控制， 還需要對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)，以及對(duì)控制策略進(jìn)行深入的研究 1011。 國(guó)內(nèi)的煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)廠家主要有勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械有限公司、濟(jì)南柴油機(jī)廠、 淄博柴油機(jī)總公司、濰柴動(dòng)力等內(nèi)燃機(jī)骨干企業(yè)。勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械有限公司在國(guó) 內(nèi)率先開(kāi)展了煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，總體上處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。1996 年 應(yīng)用美國(guó)膜片式混合器混合技術(shù)開(kāi)發(fā)了 120kW、400kW煤層氣發(fā)電機(jī)組，在山西晉城建立 了兩個(gè)煤層氣電站。淄博柴油機(jī)總公司利用四連桿機(jī)構(gòu)控制煤層氣與空氣混合的 500kW 煤層氣發(fā)電機(jī)組，在煤層氣濃度大于 40，并且濃度變化幅度較小時(shí)，機(jī)組還能運(yùn)行。 但隨著煤層氣濃度的下降和變化范圍的加大， 煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)排氣管放炮 （爆炸） ， 進(jìn)氣管回火、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)甚至熄火等現(xiàn)象。為此，淄博柴油機(jī)總公司已于 2007 年初，與山 東理工大學(xué)合作研究開(kāi)發(fā)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)，目前已完成了部分理論研究與實(shí) 驗(yàn)，正在進(jìn)行綜合控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)工作 111213。近年來(lái)國(guó)內(nèi)又有企業(yè)開(kāi)發(fā)了煤層氣 發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃?xì)饣旌掀?，但由于在該方面的理論研究不夠深入，控制策略中所考慮到的 影響參數(shù)不夠全面，所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在控制性能上不夠完善，當(dāng)煤層氣濃度或壓力變化較 大時(shí)會(huì)出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象。 目前我國(guó)電網(wǎng)覆蓋較廣，煤層氣發(fā)電可就地將電能輸送出去，比長(zhǎng)距離建設(shè)管道輸 送煤層氣要經(jīng)濟(jì)、方便得多。煤層氣發(fā)電是國(guó)家大力推動(dòng)的節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目，以煤層氣發(fā) 動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的煤層氣發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量較小，適合建設(shè)小型發(fā)電站，是目前比較適合利 用煤層氣發(fā)電的設(shè)備。 為了最大限度的利用各種濃度的煤礦煤層氣發(fā)電，盡可能地減少由于煤層氣濃度變 化導(dǎo)致煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)行，煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)綜合控制技術(shù)的研究與應(yīng)用成為一種 必然趨勢(shì)。我國(guó)目前還不具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且性能理想的煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)綜合控制技術(shù)， 因此該項(xiàng)目必定有著十分廣闊的市場(chǎng)前景。 1.2.2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 空燃比是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)非常重要參數(shù)，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)當(dāng)中， 4 本頁(yè)已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 空燃比常被作為一個(gè)重要的被控參數(shù)。最初，對(duì)空燃比的控制是采用開(kāi)環(huán)控制，這樣的 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是變工況響應(yīng)速度快，但是控制精度低，無(wú)法適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的要 求。隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，閉環(huán)控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域。當(dāng)前經(jīng)常使用的空 燃比控制方法一般采用以下幾種控制方式： 基于經(jīng)典控制理論的PID控制； 基于模型的空 燃比控制方法；采用人工智能的控制方法。 國(guó)外有利用轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量作為衡量燃燒過(guò)程的依據(jù)，進(jìn)行空燃比自適應(yīng)控制；利用 缸內(nèi)壓力信號(hào)測(cè)量循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行空燃比反饋控制。在國(guó)內(nèi)，有以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化為反饋 信號(hào)，進(jìn)行的空燃比自學(xué)習(xí)控制的研究；以氧傳感器為反饋信號(hào)，進(jìn)行的空燃比PID控制 和自學(xué)習(xí)控制。 東京燃?xì)庥邢薰拘畔⒓夹g(shù)研究所(Information Technology Research Institute Tokyo Gas Co.,Ltd)提出了一種在三元催化氣體發(fā)動(dòng)機(jī)中的空燃比控制方法。 利用雙氧傳感器系 統(tǒng)中的副氧傳感器(裝在催化裝置后部)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)出三效催化轉(zhuǎn)化器有效工作窗口的 中心區(qū)，通過(guò)控制氧傳感器輸出保持對(duì)稱波形使空燃比被控制在窗口區(qū)中。 Patrick Kaidantzis 等人提出了一種幻燈模式控制器(the Sliding Mode controller)，它 最大的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)不斷快速提高斜率 K，以盡快地將線性氧傳感器的信號(hào)逼近到理化 計(jì)算量上，從而縮短調(diào)整時(shí)間。 Pierre Bidan等探討了點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的非線性控制。他們分別對(duì)燃料量的供給和空 氣量的供給各建立了一個(gè)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)主進(jìn)氣歧管的壓力控制和空氣供給量之 間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)(進(jìn)空氣副系統(tǒng))。該閉環(huán)系統(tǒng)有一個(gè)參考控制模式，當(dāng)控制 過(guò)程為非線性時(shí)，就利用這個(gè)模式使?fàn)顟B(tài)反饋成為線性過(guò)程。 吉林工業(yè)大學(xué)在研究氣體燃料內(nèi)燃機(jī)電噴技術(shù)時(shí)，利用廢氧傳感器的輸出信號(hào)，采 用閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體噴射器的開(kāi)啟時(shí)間，即氣體噴射量的控制，使混合氣的空燃比 接近理想空燃比。 黎蘇等在夏利轎車(chē)上開(kāi)發(fā)了自學(xué)習(xí)空燃比控制系統(tǒng)。通過(guò)識(shí)別氧傳感器信號(hào)、轉(zhuǎn)速 信號(hào)和節(jié)氣門(mén)信號(hào)，能保證在任何工作條件下，空氣和燃料的比例為理想值。該裝置將 夏利TJ7101U 型轎車(chē)改裝為滿足歐洲2號(hào)排放法規(guī)的低排放綠色環(huán)保CNG/汽油兩用燃料 轎車(chē)。 上海理工大學(xué)在對(duì) LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電控標(biāo)定時(shí)對(duì)空燃比采用開(kāi)閉環(huán)結(jié)合控制。在怠 速及低速低負(fù)荷工況采用閉環(huán)控制；而在高速高負(fù)荷工況采用稀燃開(kāi)環(huán)控制，以防止采 用閉環(huán)控制時(shí)造成發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷過(guò)高， 但是對(duì)供氣后發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比不能進(jìn)行修正。 浙江大學(xué)將模糊控制技術(shù)運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制中，提高了怠速工況的控制精度 改善了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 1415161718192021222324。 發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的控制可以考慮采用更先進(jìn)的硬件設(shè)備， 使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它先進(jìn)控制 方法的應(yīng)用變成可能，賦予控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的能力，能夠自己尋找合適的周期和控制規(guī) 則。這樣就可以大大降低新型發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制器的研究成本，同時(shí)也就更具實(shí)用性。 5 本頁(yè)已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 1.3 主要研究?jī)?nèi)容 本課題主要包括以下幾方面的內(nèi)容： （1）燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究 根據(jù)煤層氣和現(xiàn)有的煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)建立合適的模型，并結(jié)合實(shí)際情況研究開(kāi) 發(fā)出可行的控制系統(tǒng)方案和相應(yīng)的控制策略。 （3）硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 主要包括控制器、執(zhí)行器、傳感器、信號(hào)采集與處理電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、鍵 盤(pán)電路、報(bào)警電路、顯示電路及電源電路等的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 （4）軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 主要包括信號(hào)采集、濾波、顯示、報(bào)警、功能按鍵操作及空燃比控制等程序的設(shè)計(jì) 與開(kāi)發(fā)。 （5）控制系統(tǒng)調(diào)試 主要包括三部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)及其空燃比控制技術(shù)的研究意義及其發(fā)展現(xiàn)狀， 指出了 開(kāi)發(fā)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)的必要性。最后，簡(jiǎn)要說(shuō)明了本課題的主要研究?jī)?nèi)容。 6 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究 第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 及控制策略研究 2.1 8300 型氣體發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 本課題針對(duì) 8300 型氣體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行空燃比控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),該發(fā)動(dòng)機(jī)以煤層 氣等可燃?xì)怏w為原料。具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、布置合理、容易維護(hù)等特點(diǎn)。主要作 為陸用發(fā)電， 可單機(jī)組運(yùn)行也可多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。 表 2.1 是 8300 型氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性 能參數(shù) 25。 表 2.1 8300 型煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù) 型 式 四沖程、直接噴射、水冷 氣缸數(shù) 8 氣缸直徑(mm) 300 活塞行程(mm) 380 額定轉(zhuǎn)速 (r/min) 500 持續(xù)功率 (kW) 500 平均有效壓力 (MPa) 0.902 活塞平均速度(m/s) 6.333 最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速(r/min) 200 曲軸轉(zhuǎn)向 自飛輪端向自由端視右轉(zhuǎn)為順時(shí)針,左轉(zhuǎn)為逆時(shí)針 啟動(dòng)方式 壓縮空氣啟動(dòng) 曲軸以上吊缸高度(mm) 2120 外形尺寸(長(zhǎng)寬高)(mm) 481012882555 整機(jī)質(zhì)量 (kg) 12700 2.2 空燃比控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.2.1 控制系統(tǒng)作用 課題所研制的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)適用于燃用煤層氣的 8300 型發(fā)動(dòng)機(jī)， 氣源 7 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究 為來(lái)自煤礦井下的各種濃度的煤層氣。由于煤層氣的濃度、壓力、溫度等參數(shù)會(huì)隨時(shí)間 發(fā)生變化，因此在保持燃?xì)饣旌掀髦腥細(xì)忾y開(kāi)度不變的條件下，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的煤層氣總 量發(fā)生變化，因此導(dǎo)致空燃比發(fā)生變化。 空燃比控制系統(tǒng)能夠根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)混合氣中煤層氣濃度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)饣旌?器中燃?xì)忾y和空氣閥的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)煤層氣和空氣的進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比在燃?xì)?濃度、壓力或溫度發(fā)生變化時(shí)，仍然能夠保持在理想范圍，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)最佳空燃比 控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。避免了因空燃比變化導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)功率不穩(wěn)、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、 進(jìn)氣管回火、排氣管放炮等現(xiàn)象發(fā)生。 2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示， 主要包括以下四部分： 輸入信號(hào) （圖 2.1 中的 1、2、3、4、6、8、9、10） 、被控對(duì)象（煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)、混合器的空氣閥和燃 氣閥） 、控制器（空燃比控制器） 、執(zhí)行器（圖 2.1 中的 5、7） 。 各傳感器的信號(hào)輸入到空燃比控制器電控單元，經(jīng)過(guò)分析處理以確定當(dāng)前條件下所 需的最佳空燃比， 然后就確定了空氣閥和燃?xì)忾y的開(kāi)度。 空燃比控制器根據(jù)計(jì)算的結(jié)果， 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)把空氣閥和燃?xì)忾y打開(kāi)到合適的位置，使經(jīng)過(guò)混合器混合后的氣體為當(dāng)前 的最佳空燃比狀態(tài)下的混合氣。 空氣閥 燃?xì)忾y 混 合 器 煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī) 空 燃 比 控 制 器 負(fù) 載 1 2 34 5 7689 空氣 煤層氣 10 1空氣壓力傳感器 2.煤層氣壓力傳感器 3.甲烷傳感器 4.空氣閥位置傳感器 5.空氣閥步進(jìn)電機(jī) 6.燃?xì)忾y位置傳感器 7.燃?xì)忾y步進(jìn)電機(jī) 8.轉(zhuǎn)速傳感器 9.缸溫傳感器 10.氧傳感器 圖 2.1 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.3 控制系統(tǒng)的控制策略研究 控制系統(tǒng)的核心是控制算法的確定和實(shí)現(xiàn)。成功的控制算法要保證控制系統(tǒng)的靜差 小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和較好的魯棒性。對(duì)空燃比控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是要使穩(wěn)定工況時(shí)空燃比 8 本頁(yè)已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究 的平均值接近理論空燃比，且發(fā)動(dòng)機(jī)工況突然變化造成空燃比偏離目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)能迅 速響應(yīng)將空燃比控制到目標(biāo)值。同時(shí)防止發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)工況下排放的惡化?？紤]到發(fā)動(dòng) 機(jī)本身的高度非線性和時(shí)間延遲， 本文提出了基于 CMAC 和 PID 并行控制的空燃比控制方 法。 2.3.1 PID控制概述 26 PID 控制具有較強(qiáng)的魯棒性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)物理意義明確，對(duì)模型依賴程度小和 工程上易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中。 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2.2 所示， 系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值( )tr與實(shí)際輸出值( )tc構(gòu)成控制偏差: ( )( )( )tctrte= (2.1) 將偏差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行 控制，故稱 PID 控制器。其控制規(guī)律為: ( )( )( ) ( ) += t 0 D I P dt tdeT dtte T 1 teKtu (2.2) 式中：是比例系數(shù)；是積分時(shí)間常數(shù)；是微分時(shí)間常數(shù)。 P K I T D T 簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： (1) 比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成正比的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)( )te，偏差一旦產(chǎn)生，控制 器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 (2) 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積 分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 I T I T (3) 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太 大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié) 時(shí)間。 比例 積分 微分 被控對(duì)象 r(t) c(t) u(t) e(t) 圖 2.2 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于條件常常受到限制，比如缺乏有關(guān)儀器，不允許附加擾動(dòng)和 調(diào)試時(shí)間短等。因此，PID 參數(shù)的整定往往難以達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。并且即使針對(duì)某一工 9 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究 作點(diǎn)獲得了PID 控制的最優(yōu)參數(shù)，由于工業(yè)過(guò)程對(duì)象一般具有時(shí)變性，仍存在整個(gè)工作 范圍和保持長(zhǎng)期工作最優(yōu)問(wèn)題。 在工業(yè)過(guò)程控制中經(jīng)常使用的 PID 控制，對(duì)于小滯后還可以應(yīng)付，但對(duì)于大滯后要 采用 Smith 預(yù)估器等方法來(lái)解決。傳統(tǒng)的單純PID 不能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)大滯后和大慣性環(huán) 節(jié)的控制，加上被控對(duì)象具有一定的變化性，常規(guī) PID 參數(shù)不具備自適應(yīng)能力，很難滿 足實(shí)際的控制要求。目前，PID 參數(shù)的整定和優(yōu)化主要依靠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員手工調(diào)整，控 制效果的好壞很大程度上依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和水平，且要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí) 間。 2.3.2 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是J.S.Albus于 1975 年最先提出來(lái)的，它是小腦模型關(guān)節(jié)控制器 (cerebellar model articulation controller)的簡(jiǎn)稱。 它是仿照小腦如何控制肢體運(yùn)動(dòng)的原理而 建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， CMAC是一種聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)， 對(duì)每一輸出只有小部分神經(jīng)元(由輸入決定) 與之相關(guān)，它的聯(lián)想具有局部泛化(generalization)，也稱推廣能力，即相似的輸入將產(chǎn) 生相似的輸出，而遠(yuǎn)離的輸入產(chǎn)生幾乎獨(dú)立的輸出。CMAC與感知器比較相似，雖然從每 個(gè)神經(jīng)元看其關(guān)系是一種線性關(guān)系，但從結(jié)果總體看，它適合一種非線性映射，因而可 把CMAC看作是一個(gè)用于表達(dá)非線性映射(函數(shù))的表格系統(tǒng)。由于它的自適應(yīng)學(xué)習(xí)是在線 性映射部分，所以其學(xué)習(xí)算法是簡(jiǎn)單的算法，收斂速度比BP網(wǎng)絡(luò)快得多，且不存在局部 極小問(wèn)題。因此CMAC最初主要用來(lái)求解機(jī)械手的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其后進(jìn)一步將它用于機(jī)器人 控制、模式識(shí)別、信號(hào)處理以及自適應(yīng)控制等 272829。 CMAC的基本思想在于：在輸入空間中給出一個(gè)狀態(tài)，從存儲(chǔ)單元中找到對(duì)應(yīng)于該狀 態(tài)的地址，將這些存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容求和得到CMAC的輸出；將此響應(yīng)值與期望輸出值進(jìn) 行比較，并根據(jù)學(xué)習(xí)算法修改這些已激活的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容。 CMAC網(wǎng)絡(luò)由輸入層、中間層和輸出層組成。在輸入層與中間層、中間層與輸出層之 間分別為由設(shè)計(jì)者預(yù)先確定的輸入層非線性映射和輸出層權(quán)值自適應(yīng)性線性映射。CMAC 的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。 在輸入層對(duì)n維輸入空間進(jìn)行劃分。 中間層由若干個(gè)基函數(shù)構(gòu)成， 對(duì)任意一個(gè)輸入只 有少數(shù)幾個(gè)基函數(shù)的輸出為非零值，稱非零輸出的基函數(shù)為作用基函數(shù)，作用基函數(shù)的 個(gè)數(shù)為泛化參數(shù) ，它規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部影響網(wǎng)絡(luò)輸出的區(qū)域大小。 c 中間層基函數(shù)的個(gè)數(shù)用p表示，泛化參數(shù)c滿足pc =。在中間層的基函數(shù)與輸出層 的網(wǎng)絡(luò)輸出之間通過(guò)連接權(quán)進(jìn)行連接。采用梯度下降法實(shí)現(xiàn)權(quán)值的調(diào)整。 CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要包括輸入空間的劃分、輸入層至輸出層非線性映射的實(shí)現(xiàn) 及輸出層權(quán)值學(xué)習(xí)算法 30313233。 10 本頁(yè)已使用福昕閱讀器進(jìn)行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略研究 U 輸 入 空 間 輸入向量 y AP(W) 輸出 AC 雜散編碼 圖2.3 CMAC的結(jié)構(gòu) CMAC作為前饋網(wǎng)絡(luò)， 輸入輸出之間的非線性關(guān)系由以下兩個(gè)基本映射實(shí)現(xiàn) 34353637。 (1) 概念映射（UAC） 概念映射是從輸入空間U至概念存儲(chǔ)器AC的映射。 設(shè)輸入空間向量為，量化編碼為 T nP2P1PP U,U,UU = P U，輸入空間映射至AC 中的c個(gè)存儲(chǔ)單元（c為二進(jìn)制非