CN104238374A - 发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法。在发动机低气压运行特性测试中,测试装置内部的气压环境需要维持在试验所需的参数值,从而保证发动机进气口获得持续稳定的低气压空气。本发明通过模糊控制方法建立输入误差和误差变化率与控制器输出之间的模糊关系,可编程控制器通过查询离线建立的模糊控制表得到控制器输出,实现测试装置内的气压控制。在发动机低压运行特性测试中,发动机从测试装置内吸收低气压空气,由于发动机进气口的动态特性相对复杂,难以建立测试装置内气压变化的精确数学模型,本发明以经验操作构建的模糊规则为依据进行推理与判断,能够有效实现测试装置内气压的稳定控制。

Description

发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法
技术领域:
[0001] 本发明涉及一种发动机低温低气压环境测试装置,尤其是发动机低温低气压环境 测试装置的模糊控制方法。 技术背景:
[0002] 持续稳定的能源供给是在低温低气压极端环境下开展科学实验活动的前提,而燃 油发动机是能源动力的优先选择。燃油发动机在低温低气压环境下的启动和运行特性与普 通地区相比有很大的区别,为了获得良好的起动和运行性能,必须对所设计的发动机系统 进行充分的测试,从而可以对运行参数进行优化,因此有必要建立一套发动机低温低气压 模拟环境试验装置。
[0003] 专利(ZL2012207393243)公开了一种用于测试发动机低温低气压启动和运行特 性的装置,该装置采用双箱体结构,包括低温低气压箱和发动机测试箱,通过循环泵和循环 管道将低温低气压箱内部低温低压空气导入到发动机测试箱内。在发动机运行测试过程 中,发动机进气口从低气压箱中进气,为了保证发动机在低压环境下持续运行特性测试的 准确性,需要一套良好的控制算法,将箱内低气压环境维持在试验所需参数值。
[0004] 低温低气压箱内部的压力受到空气流入流量和流出流量的影响,空气流入流量通 过调节阀来控制,发动机运行过程中吸收的空气量取决于其运行工况和环境条件。由于发 动机的运行状况复杂多变,难以对其进气模型进行准确的数学描述。而发动机的进气量直 接影响着气压控制对象,这就导致了很难通过传统的控制算法(比如PID控制算法)来精 确控制箱内气压。一般来说,智能控制算法能够适应较为复杂的控制对象和控制任务。目 前发展起来的智能控制算法有模糊控制、神经网络控制、专家系统等,或者是将这些智能算 法与传统的控制算法相结合而形成的复合控制算法,这些算法能有效解决对象不确定时的 控制问题。
发明内容:
[0005] 在发动机低气压运行特性测试中,测试装置内部的气压环境需要维持在试验所需 的参数值,从而保证发动机进气口获得持续稳定的低气压空气。由于发动机的运行状况复 杂多变,难以对其进气模型进行准确的数学描述,从而无法获得精确的箱内气压变化模型。 本发明的目的是提供一种发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:
[0007] 一种发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法,包括以下步骤:
[0008] A、控制器采集低温低压箱中的气压传感器信号,计算气压偏差e和偏差变化率 ec ;
[0009] B、将气压偏差e和偏差变化率ec分别变换到模糊论域,得到E和EC ;
[0010] C、根据E和EC计算模糊控制表的查询地址,查询模糊控制表,获得模糊控制量U ; [0011] D、根据模糊控制量U计算控制器输出,对进气阀开度进行调节。
[0012] 模糊控制器的输入为气压偏差和气压偏差变化率,模糊控制器的输出为进气阀的 开度增量。在步骤A中,气压偏差e(k)定义为当前采样周期的气压传感器信号c(k)与气 压设定值sv之间的偏差,记为e(k) = sv-c (k),偏差变化率定义为当前采样周期的气压偏 差e(k)与上一采样周期的气压偏差e(k-l)之间的偏差,等于ec(k) = c(k-l)-c(k)。
[0013] 在模糊控制方法中,首先将变量模糊化处理,在上述步骤B中,将气压偏差e和偏 差变化率ec变换到模糊论域中的方法为:记e的基本论域为[EMIN,EMAX],ec的基本论域 为[ECMIN,ECMX],取e和ec的模糊论域为[-6, 6]。则偏差e从实际论域变换到模糊论域的 量化因子为心=12ΛΕΜΑΧ-ΕΜΙΝ),偏差变化率ec的量化因子为心。=12AECMAX-ECMIN)。 将模糊论域[-6, 6]离散化为离散集合{-6, -5, -4, -3, -2, -1,0, 1,2, 3, 4, 5, 6},如果e和ec 经过量化后得到的E和EC不是整数,采用四舍五入原则将其归于离散集合中相邻的数值。
[0014] 为了在实际系统中实现控制算法,采用控制规则表查询的方式实现程序。在步骤 C中,所述的模糊控制表是根据E和EC对应的模糊语言变量的隶属度以及模糊推理规则离 线计算所得,在控制器中以二维数组U[13] [13]存储,二维数组起始地址均从0开始,变化 范围为[0, 12]。根据模糊量化后的E和EC值,模糊控制规则表中模糊控制量的查询地址为 U[E+6] [EC+6]。模糊控制规则表为如下表格:
[0015]
Figure CN104238374AD00051
[0016] 由模糊控制方法得到的为模糊控制量,因此需要对其进行解模糊计算,得到实际 控制输出,送给进气阀执行器。根据查询所得的模糊控制量U计算控制器输出方法为: u(k) = U(k-1)+Kuu,其中Ku为模糊控制输出从模糊论域变换到实际论域的比例因子:K U = (UMAX-UMIN)/12, [UMIN,UMAX]为输出增量的基本论域。
[0017] 本发明未特别说明的技术均为现有技术。
[0018] 由于发动机的运行状况复杂多变,难以对其进气模型进行准确的数学分析,而且 气压控制对象和发动机的进气量之间又有着相互的影响。所以仅仅基于传统的控制理论和 方法来进行气压控制难以达到理想效果。本发明给出的发动机低温低气压环境测试装置的 模糊控制方法,基于人的操作经验构建的模糊规则进行推理,无需被控对象精确的数学模 型,只需作模糊描述即可实现控制,使得低温低压箱的进气量和发动机的吸气量达到动态 平衡,气压稳定在设定值。本发明不仅能有效解决发动机低温低气压环境测试装置在发动 机运行测试过程中的气压控制问题,同时适用于类似复杂和动态的气压控制场合,提高系 统的智能化水平。
附图说明:
[0019] 图1是本发明涉及的发动机低温低气压环境测试装置原理图。
[0020] 图2是本发明发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法流程图
[0021] 图3是本发明涉及的模糊隶属度函数曲线。
具体实施方式:
[0022] 为了更好的理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的 内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0023] 实施例1
[0024] 如图1所示为本发明涉及的发动机低温低气压环境测试装置原理图,包括低温低 气压箱1和发动机测试箱2,发动机进气管道4与低温低气压箱1相连通,低温低气压箱1 和发动机测试箱2内均设有气压传感器6。低温低气压箱1上设有用来控制发动机运行过 程中所需空气量的进气阀122,123为进气口。
[0025] 在发动机运行特性测试过程中,为保证持续运行特性测试的准确性,需要将低温 低压箱气压环境维持在试验所需参数值不变,从而使得发动机进气口 一直从低气压环境中 进气。本发明采用模糊控制方法实现控制目标,模糊控制输入为气压与设定值的偏差和偏 差变化率,控制器输出为进气阀122的开度。采用可编程逻辑控制器(PLC)实现信号输入 输出及模糊控制算法的处理器。气压传感器接至PLC模拟量输入模块上,控制器输出通过 模拟量输出控制进气阀。
[0026] 如图2所示为本发明发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法流程图,具 体流程如下:
[0027] PLC周期性采集气压传感器信号,由于气压变化较为迅速,为了能快速地对气压变 化做出反应,选择采样周期为l〇ms。PLC对采集的数据预处理后得到气压信号c(k),选择 低温低气压箱气压目标设定值sv为50kpa (0. 5个标准大气压),则采样值与设定值之间的 偏差为e(k) =50_c(k),当前周期内的偏差与上一周期内的偏差即偏差变化率为ec(k)= c(k_l)-c (k)。
[0028] 在模糊控制方法中,首先将变量做模糊化处理,误差e的模糊变量为E,误差变化 率的模糊变量为EC,模糊控制输出为U。记e的变化范围即基本论域为[EMIN,EMAX],ec的 基本论域为[ECMIN,ECMX]。取e和ec的模糊论域为[-6, 6]。取E和EC的论域为[-6, 6], 为工程实现方便,将其离散化为离散集合{-6, _5, -4, -3, -2, -1,0, 1,2, 3, 4, 5, 6}。将气压偏 差e从实际论域变换到模糊论域的量化因子为Ke = 12ΛΕΜΑΧ-ΕΜΙΝ),偏差变化率ec从实 际论域变换到模糊论域的量化因子为Ke。= 12AECMAX-ECMIN)。如果e和ec经过量化后 得到的E和EC不是整数,采用四舍五入原则将其归于离散集合中相邻的数值,量化标准如 下:
[0029]
Figure CN104238374AD00071
[0030] 将E和EC变换为模糊语言变量,以便模糊推理。选择E、EC和U的模糊子集合为 {他(负大)、匪(负中)、呢(负小)、20(零)、?5(正小)、?11(正中)、?8(正大)},定义各 个模糊集合的隶属度函数,根据隶属度函数的定义求出E和EC对各个模糊集合的隶属度, t匕如uNB(E)、uPS(EC)分别表示E对"负大"(NB)的隶属度、EC对"正小"(PS)的隶属度。 E、EC和U的隶属度函数均采用如图3所示的三角函数表示。
[0031] 根据隶属度函数值可以算出,所有输入、输出变量的全部模糊子集隶属度矢量值。 如下表所示:
[0032]
Figure CN104238374AD00072
Figure CN104238374AD00081
[0033] 模糊规则的确定是根据已有的专家知识和操作人员的现场实际经验得到的。对于 发动机低温低气压环境测试装置的低气压控制过程来说,可有得到如下经验操作:
[0034] 如果气压低于设定值很多,并且气压下降的很快,这时就需要将进气阀门尽快开 大,使得气压尽快恢复到设定值,写成控制规则为:
[0035] if E is PB and EC is NB, then U is PB
[0036] 如果气压高于设定值很多,并且气压上升的很快,这时就需要将进气阀门尽快开 小,使得气压尽快恢复到设定值,写成控制规则为:
[0037] if E is NB and EC is PB, then U is NB
[0038] 如果气压稍微小于设定值,并且气压在缓慢上升,这时就需要将进气阀门稍微关 小,写成控制规则为:
[0039] if E is PS and EC is PS, then U is NS
[0040] 如果气压等于设定值,并且气压也没有变化,这时就不需要进气阀作改变,写成控 制规则为:
[0041] if E is ZO and EC is Z0, then U is ZO
[0042] 其余情况可做类似分析,可以归纳出控制规则表:
Figure CN104238374AD00082
[0045] 采用PLC作为系统控制器,实现以上模糊推理较为复杂,要经过大量的计算,这对 于实时性要求较高的低压控制系统来说不适合,因此采用常用的查表法,通过离线计算得 到模糊控制表,将控制表以表格的形式存放于控制器内存中,控制器运行时直接进行查表 就可以了,可以大大加快控制器的运行速度。实施中借助MTLAB等工具获得模糊控制查询 表:
[0046]
Figure CN104238374AD00091
[0047] 在PLC软件实现中,根据模糊输入查询模糊输出,在程序内部定义一个二维数组 标签变量U[13] [13],用于存储模糊控制查询表,数组的起始地址从0开始,变化范围为[0, 12],经过量化后的E和EC的变化范围为[-6, 6],因此将量化后的E和EC加上一个偏移量 0-(-6) = 6,这样就可以将[-6, 6]的E和EC变化到[0,12]。因此根据模糊输入E和EC得 出模糊输出为U[E+6] [EC+6]。
[0048] 通过模糊查询得到的为模糊输出,清晰化后得到实际进气阀的开度增量,输 出给进气阀电磁控制。根据查询所得的模糊控制量U计算控制器输出方法为:u(k) =u(k-l)+K uU,其中Ku为模糊控制输出从模糊论域变换到实际论域的比例因子:KU = (UMAX-UMIN)/12,[UMIN,UMAX]为输出增量的基本论域。一般来讲,进气阀控制机构一般采 用4-20mA信号比例控制,即4mA低压关闭,20mA对应100%开度,实际输出u(k)为所需开 度对应的电流信号。

Claims (6)

1. 一种发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法,其特征是模糊控制器的输入 为气压偏差和气压偏差变化率,模糊控制器的输出为进气阀的开度增量,模糊控制方法包 括如下步骤: A、 控制器采集低温低压箱中的气压传感器信号,计算气压偏差e和偏差变化率ec ; B、 将气压偏差e和偏差变化率ec分别变换到模糊论域,得到E和EC ; C、 根据E和EC计算模糊控制表的查询地址,查询模糊控制表,获得模糊控制量U ; D、 根据模糊控制量U计算实际控制输出,对进气阀开度进行调节。
2. 根据权利要求1所述的发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法,其特征在 于:气压偏差e (k)定义为当前采样周期的气压传感器信号c (k)与气压设定值sv之间的偏 差,记为e(k) = sv-c(k),偏差变化率定义为当前采样周期的气压偏差e(k)与上一采样周 期的气压偏差e (k_l)之间的偏差,等于ec (k) = c (k_l) _c (k)。
3. 根据权利要求1所述的发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法,其特 征在于:将气压偏差e和偏差变化率ec变换到模糊论域中的方法为:记e的基本论域为 [EMIN, EMAX],ec的基本论域为[ECMIN,ECMAX],取e和ec的模糊论域为[-6, 6];误差e从 实际论域变换到模糊论域的量化因子为= 12ΛΕΜΑΧ-ΕΜΙΝ),误差变化率ec从实际论域 变化到模糊论域的量化因子为Ke。= 12AECMAX-ECMIN),将e和ec的模糊论域[-6, 6]离 散化为离散集合{-6, _5, -4, -3, -2, -1,0, 1,2, 3, 4, 5, 6},如果e和ec经过模糊量化后得到 的E和EC不是整数,采用四舍五入原则将其归于离散集合中与其相邻的数值。
4. 根据权利要求1所述的发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法,其特征在 于:所述的模糊控制表是根据E和EC对应的模糊语言变量的隶属度以及模糊推理规则离线 计算所得,所述模糊控制表在控制器中以二维数组U[13] [13]存储,二维数组起始地址均 从〇开始,变化范围为[〇, 12];当得到E和EC后,模糊控制表中模糊控制量的查询地址为 U[E+6][EC+6]〇
5. 根据权利要求4所述的发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法,其特征在 于:所述模糊控制表中的值分别如下: U[0] [i] = (0, -1,-2, _2, _3, _3, _3, _4, _5, _5, _5, _5, _5); U[l] [i] = (2,1,_1,_1,_2, _2, _3, _4, _4, _4, _5, _5, _5); U[2] [i] = (3,2,0, _1,_2, _2, _3, _3, _3, _4, _5, _5, -5); U[3] [i] = (4,1,0,0, -1,-1,-2, -2, -2, -3, -5, -5, -5); U[4][i] = (4,l,0,0,0,-l,-2,-2,-2,-2,0,-5,-5; U[5][i] = (4,1,0,0,1,_1,_1,_1_2 _2_3_4_5); U[6][i] = (4,4,3,2,0,l,0,-l,-2,-2,-3,-4,-5); U[7][i] = (4,4,4,2,2,2,2,l,-l,-l,-2,-3,-4); U[8][i] = (4,4,4,4,3,3,3,2,0,-l,-2,-2,-3); U[9][i] = (5,5,5,4,4,4,3,2,2,l,-l,-l,-2); U[10][i] = (6,6,6,5,4,4,3,3,3,2,0,-l,-2); U[ll][i] = (6,6,6,5,5,4,4,4,4,2,l,-l,-2); U[12][i] = (6,6,6,6,6,5,4,4,4,2,0,-l,-2)。 其中i取值为从〇到12的整数。
6.根据权利要求1所述的发动机低温低气压环境测试装置的模糊控制方法,其特征在 于:根据模糊控制量U计算实际输出的方法为:u (k) = u (k-1) +KUU,其中Ku为模糊控制输 出从模糊论域变换到实际论域的比例因子:K U= (UMAX-UMIN)/12, [UMIN,UMAX]为输出增 量的基本论域。
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