【文章內(nèi)容簡介】 來分析故障產(chǎn)生的原因，因此研究車用汽油機(jī)的智能故障診斷技術(shù)具有實(shí)際意義。隨著我國汽車保有量的急劇增加，汽車的安全運(yùn)行問題越來越突出，加強(qiáng)汽車的安全技術(shù)檢測，成為整個社會有待研究解決的重要課題。作為汽車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)中的重要部分，軟件是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制功能的核心，體現(xiàn)了電控系統(tǒng)科技含量的主要部分，軟件的實(shí)現(xiàn)過程是經(jīng)過長時間的經(jīng)驗(yàn)積累以及大量的研究后得到的。但電控系統(tǒng)的軟件作為系統(tǒng)的核心機(jī)密，其保密工作非常嚴(yán)格，因此對于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略和控制方式的研究是非常必要的。電控車用汽油發(fā)動機(jī)的先進(jìn)控制策略及故障診斷技術(shù)是隨著汽車行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的，其意義和作用可歸納為如下幾點(diǎn)：1）開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)。由于目前國內(nèi)發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)大多采用國外的產(chǎn)品或外國技術(shù)，自主設(shè)計的電控系統(tǒng)，僅有少量的在國產(chǎn)汽車上應(yīng)用，所以開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)不僅可以節(jié)省大量外匯，而且可以有效地促進(jìn)我國汽車工業(yè)的發(fā)展。2）傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車電子控制的要求。傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般采用靜態(tài)預(yù)定最優(yōu)控制方式和PID控制方法。靜態(tài)預(yù)定最優(yōu)控制方式依據(jù)預(yù)先對汽油機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行離線優(yōu)化而得的脈譜圖，采用開環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對空燃比和點(diǎn)火提前角特性的調(diào)整，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立汽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，由此模型給出汽油機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)與工況及空燃比、點(diǎn)火提前角等控制參數(shù)之間的關(guān)系，然后根據(jù)汽油機(jī)性能的要求，確定優(yōu)化準(zhǔn)則，采用一定的優(yōu)化方法，求出各種工況下汽油機(jī)各項(xiàng)性能綜合達(dá)到最優(yōu)的空燃比和點(diǎn)火提前角。這種方法的最大特點(diǎn)是控制的實(shí)時性強(qiáng)、響應(yīng)速度快。當(dāng)汽油機(jī)工況發(fā)生變化時，無需尋優(yōu)調(diào)節(jié)過程，而直接通過查表即可作出決策。然而這種方法需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，另外從發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)中制取的脈譜圖不一定對所有的汽油機(jī)控制均最佳。傳統(tǒng)的PID控制方法是一種基于精確數(shù)學(xué)模型的設(shè)計方法，自適應(yīng)能力差，一旦被控對象的工況發(fā)生變化，或?qū)τ诓煌陌l(fā)動機(jī)，其控制品質(zhì)將隨之下降。盡管，在傳統(tǒng)的控制策略中，也有自學(xué)習(xí)過程，但它的適應(yīng)范圍很小，且僅使用于穩(wěn)定工況下。但實(shí)際上汽油機(jī)工作過程具有復(fù)雜的不確定性、時變性和非線性。因此采用傳統(tǒng)的PID控制很難適應(yīng)控制環(huán)境、控制對象的高度復(fù)雜性和高度不確定性，達(dá)不到越來越高的控制要求。3）由于我國石油和天然氣短缺，但煤炭資源比較豐富，使用替代燃料受到國家的鼓勵和支持。目前使用混合燃料（如汽油＋甲醇，汽油＋乙醇）的發(fā)動機(jī)越來越多，我國東北、河南等地廣泛使用乙醇汽油；而山西、陜西等地正在大力推廣甲醇汽油。汽油摻燒醇類的比例范圍很大，如山西在汽油中摻燒甲醇的比例達(dá)1540%。由于甲醇、，因此在以醇類混合燃料作為發(fā)動機(jī)燃料的控制系統(tǒng)中，目標(biāo)空燃比一般根據(jù)混合燃料的混合比不同而變化，通常甲醇（或乙醇）的比例越高，最佳空燃比越小，也即系統(tǒng)的目標(biāo)空燃比越小。一般情況下，醇類混合燃料的最佳空燃比變化范圍為：。另外，當(dāng)隨著發(fā)動機(jī)設(shè)計技術(shù)的日臻成熟，采用稀薄燃燒（空燃比大于17）技術(shù)的發(fā)動機(jī)應(yīng)用將會越來越普遍。因此為了使系統(tǒng)的目標(biāo)空燃比可在所要求的某一范圍內(nèi)靈活設(shè)定，必需研究一種能在某一范圍內(nèi)靈活改變設(shè)定值的控制方法，以滿足當(dāng)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燒技術(shù)。顯然傳統(tǒng)的采用靜態(tài)預(yù)定最優(yōu)控制方式和PID控制方法已難滿足此要求。4）在高科技飛速發(fā)展的今天，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車的安全性、動力性、經(jīng)濟(jì)性、操作性、舒適性等方面的要求不斷提高，對汽油機(jī)電控技術(shù)的要求也越來越高，特別是對排放法規(guī)的要求也越來越嚴(yán)，以及隨著混合燃料（如汽油＋甲醇）發(fā)動機(jī)和具有稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動機(jī)使用，傳統(tǒng)的控制方法已很難滿足現(xiàn)代汽車控制的要求。這勢必要求人們不斷提出新的控制理論和控制方法，這種方法不僅要求控制精度高，而且要求計算速度快，能靈活設(shè)定目標(biāo)空燃比。目前自適應(yīng)控制、專家控制、模糊控制、預(yù)測控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代智能控制理論，在汽油機(jī)控制中的應(yīng)用已成為一個研究熱點(diǎn)。但是這些研究工作大多僅在特定工況點(diǎn)證明了控制理論應(yīng)用的可能性，目前這些較新的控制方法在成熟產(chǎn)品中的應(yīng)用仍較少。一方面，是這些方法在某些方面還或多或少存在一些問題，特別是在綜合性能方面，還不能整體達(dá)到要求，如存在快速性與魯棒性之間的矛盾、實(shí)時性與精確性之問的矛盾等。另一方面，各種智能控制方法，都有其優(yōu)缺點(diǎn)，一般僅對問題的某些方面有效，如自適應(yīng)控制研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，通常被描述對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型是不完全確定的，包含有一些未知因素和隨機(jī)因素。模糊控制技術(shù)的最大特點(diǎn)是不需要精確的數(shù)學(xué)模型，能充分模擬人類處理結(jié)構(gòu)化知識。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性映射能力，可用來逼近非線性系統(tǒng)模型。預(yù)測控制具有在線辨識系統(tǒng)參數(shù)功能，可克服系統(tǒng)時變，延時等特性。再者，現(xiàn)代智能控制理論一般都比較復(fù)雜，程序占用內(nèi)存多，運(yùn)行時間較長，實(shí)時性較差、難以滿足象發(fā)動機(jī)這種快速反應(yīng)的多變量非線性時變系統(tǒng)。盡管，目前國外已在少數(shù)高級汽車上，采用了較先進(jìn)的發(fā)動機(jī)智能控制技術(shù)。但由于發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)含金量高，電控單元的軟硬件開發(fā)技術(shù)作為電控系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，國外各公司對其核心技術(shù)都實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保密，公開的資料很少，基本上都是以系統(tǒng)集成供貨。因此，我們當(dāng)前的主要任務(wù)是研究一種具有很好的自適應(yīng)性、魯棒性和快速性，且結(jié)構(gòu)簡單，占用內(nèi)存少，運(yùn)算速度快，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，可無差跟蹤系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值和在一定范圍內(nèi)可靈活設(shè)定目標(biāo)空燃比的控制方法，以適應(yīng)我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展。5）故障診斷是改革汽車維修制度，為實(shí)現(xiàn)功能視情維修提供必要的保障。汽車檢測維修制度發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段：從事后維修制、定期維修制到視情維修制。事后維修制是指故障發(fā)生后才對設(shè)備進(jìn)行維修，這種方式隱含著威脅人身安全和造成重大經(jīng)濟(jì)損失的危險。定期維修制以零件的磨損規(guī)律或零件的壽命為基礎(chǔ)，其結(jié)果是往往與汽車的實(shí)際技術(shù)狀況不符，造成盲目修理或失修的現(xiàn)象。視情維修制是利用診斷設(shè)備定期地檢測汽車的技術(shù)狀況，根據(jù)檢測的結(jié)果，按照實(shí)際需要對電控汽油機(jī)進(jìn)行針對性的修理，它是以一定的檢測診斷為基礎(chǔ)的。6）研究車用汽油機(jī)故障診斷技術(shù)可以提高維修效率，加快維修速度，降低維修費(fèi)用，是提高維修質(zhì)量的需要。近幾年來，汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車數(shù)量迅速增加，修理的任務(wù)也相應(yīng)加大。汽車電子技術(shù)的迅速發(fā)展造成熟練的維修工嚴(yán)重不足，并且手工業(yè)式、單憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修理已不能適應(yīng)現(xiàn)代化修理的要求，這就需要采用新技術(shù)，發(fā)展故障診斷設(shè)備，提高維修效率。7）有利于加強(qiáng)對汽車安全技術(shù)的檢測，保證車輛安全行駛，并能減少公路交通事故造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和汽油機(jī)排放、噪聲等污染。能及時地、正確地對汽油機(jī)的各種異常狀態(tài)和故障狀態(tài)作出診斷，預(yù)防和消除故障，對汽油機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行必要的指導(dǎo)，提高汽油機(jī)的工作性能，以期把故障的損失減少到最低程度。將汽油機(jī)故障診斷方面的維修專家的經(jīng)驗(yàn)及時地保留下來，使一般的維修人員也能像維修專家一樣解決問題。車用發(fā)動機(jī)是一個多工況的、多變量復(fù)雜的非線性時變控制系統(tǒng)，不同的工況需要不同的控制策略，本文將研究各種工況下汽油機(jī)電控系統(tǒng)的智能控制策略及電控汽油機(jī)的故障診斷技術(shù)。本文首先在了解電子控制汽車發(fā)動機(jī)組成及工作原理的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前我國車用汽油機(jī)的現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)電控化和降低排放污染物、減少故障的首要任務(wù)，通過對國內(nèi)外汽油機(jī)電控系統(tǒng)相關(guān)資料進(jìn)行分析，結(jié)合我國的實(shí)際狀況以山西淮海機(jī)械廠生產(chǎn)的465Q電控汽油機(jī)作為研究對象，選擇車用汽油機(jī)電控系統(tǒng)的噴油、點(diǎn)火和怠速系統(tǒng)的智能控制策略作為主攻方向。并針對車用汽油機(jī)故障的復(fù)雜性、多樣性以及診斷信息存在模糊性的特點(diǎn)，將專家思想和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到故障診斷中來，主要完成了以下幾方面的研究工作：1）本文首先對電子控制車用汽油機(jī)的構(gòu)造、原理及其故障的種類、原因等進(jìn)行了介紹；詳細(xì)分析了465Q汽油機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、功能、工作原理和控制策略，為下一步電控汽油機(jī)系統(tǒng)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)；2）為了本課題研究工作需要，必須測出現(xiàn)有465Q汽油機(jī)脈譜圖，因此設(shè)計了465Q汽油機(jī)脈譜圖測量系統(tǒng)，測取了汽油機(jī)的最佳點(diǎn)火和最佳噴油脈譜圖；3）根據(jù)465Q汽油機(jī)最佳點(diǎn)火和最佳噴油的脈譜圖，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了465Q汽油機(jī)在多種工況下的點(diǎn)火和噴油系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以便對其實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和噴油控制的研究；4）針對車用汽油機(jī)怠速控制系統(tǒng)不易建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，研究了利用模糊控制理論控制汽油機(jī)怠速的實(shí)驗(yàn)，并提出了一種新的控制思想，即在怠速控制系統(tǒng)中，采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的思想，其中利用模糊控制實(shí)現(xiàn)宏觀調(diào)節(jié)達(dá)到快速控制，利用PID實(shí)現(xiàn)微觀調(diào)節(jié)達(dá)到精確控制，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并在MATLAB下進(jìn)行了仿真研究；5）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息的處理具有自學(xué)習(xí)、分布記憶、自聯(lián)想、容錯性和高度非線性的這一優(yōu)勢，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于車用汽油機(jī)的點(diǎn)火和噴油控制中，提出了多種對于汽油機(jī)這種高度非線性系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火和噴油控制的新方法和新策略，特別要提出一種控制方法，既可以用在以汽油作為燃料的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中，以滿足系統(tǒng)在不同工況下對空燃比的要求，也可用在以混合燃料（如汽油＋甲醇）作為動力的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中，以滿足系統(tǒng)在汽油與甲醇不同的混合比下，對空燃比在某一范圍內(nèi)任意連續(xù)設(shè)定的要求，靈活地設(shè)定其目標(biāo)空燃比，同時也能適用于當(dāng)前具有稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中，并在MATLAB下進(jìn)行了仿真研究；6）針對車用汽油機(jī)具有非線性、時變性、不確定性及不易建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，研究了預(yù)測控制理論在汽油機(jī)噴油及點(diǎn)火控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過提出多種有效的自適應(yīng)控制方式使汽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了空燃比及爆震控制的要求，并在MATLAB下進(jìn)行了仿真研究；7）根據(jù)車用電控汽油機(jī)故障，應(yīng)用改進(jìn)的ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對汽油機(jī)進(jìn)行故障診斷，并利用MATLAB進(jìn)行仿真研究；8）由于車用汽油機(jī)故障具有復(fù)雜性、多樣性、模糊性的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的以布爾代數(shù)為基礎(chǔ)的二值邏輯顯得過于粗糙不精確，因此在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對汽油機(jī)進(jìn)行故障診斷的基礎(chǔ)上，引入模糊邏輯的概念，采用模糊隸屬函數(shù)來描述這些故障的程度，將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，構(gòu)造了一個模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過該系統(tǒng)對汽油機(jī)故障的診斷，表明了這種結(jié)合的可行性和優(yōu)越性，并對其在MALLAB中介紹了專家系統(tǒng)的基本概念，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很好的融合到專家系統(tǒng)中，構(gòu)造基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。并運(yùn)用MATLAB的圖形用戶界面（GLⅡ）功能，設(shè)計了一種全新的模糊神經(jīng)智能故障診斷專家系統(tǒng)及其人機(jī)交互界面，增加系統(tǒng)的易操作性，方便用戶使用，系統(tǒng)升級簡單直觀。2 電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展、社會的需求，集中控制似乎成為了必然的趨勢，只有集成了集成了噴油、點(diǎn)火、怠速、廢氣再循環(huán)EGR(Exhaust Gas Recirculation)碳罐閥控制等功能于一體的發(fā)動機(jī)集中管理系統(tǒng)EMS(Engine Management System)才能較好的解決各種控制功能相互關(guān)聯(lián)相互影響的問題。以下是某發(fā)動機(jī)的電控原理圖：圖21發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 燃油箱 燃油泵 噴油閥 節(jié)氣門體 火花塞活塞空氣濾清器空氣流量計廢氣渦輪增壓器 1廢氣閥 1TWC 1消聲器 1曲軸傳感器 1氧傳感器1廢氣再循環(huán)閥1爆震傳感器1油道1TPS信號燃油泵控制21。點(diǎn)火控制信號2可調(diào)氣門閥2TDC信號2怠速控制2噴油器脈沖信號2傳輸?shù)?速度傳感器2開關(guān)信號電池電壓 3自診斷接口 3通信接口從圖中可以看出，發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)由傳感器、電子空子單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)但部分組成。工作時，系統(tǒng)首先根據(jù)傳感器傳送過來的信號得到發(fā)動機(jī)當(dāng)前的各個參數(shù)電子控制單元通過對當(dāng)前的各個參數(shù)綜合分析確定發(fā)動機(jī)的運(yùn)行模式然后輸出信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)比如在起動工況時ECU(Electronic Control Unit)根據(jù)收到的點(diǎn)火開關(guān)位置轉(zhuǎn)速車速TP信號等知道處于起動工況當(dāng)采集到轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值ns時判定起動成功立即將旁通閥開度調(diào)到Hs然后再逐漸調(diào)節(jié)到正常怠速位置在這種工況下就要求系統(tǒng)能夠及時的采集綜合分析實(shí)時的輸出信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)類似的工況在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時很多。 各類傳感器的簡單介紹及主要作用。根據(jù)傳感器的工作原理可以將傳感器分為溫敏元件電位器信號發(fā)生器霍爾效應(yīng)元件熱線和電磁元件等六類表21電控系統(tǒng)常用傳感器列表類型傳感器示例溫度元件冷卻水溫度傳感器ECT進(jìn)氣溫度傳感器IAT電位器節(jié)氣門位置傳感器EGO信號發(fā)生器排氣氧傳感器EGO爆震傳感器KS進(jìn)氣管絕對壓力傳感器MAP霍爾效應(yīng)元件曲軸位置傳感器CPS熱線空氣質(zhì)量流量傳感器MAF電磁元件車速傳感器VSS 而在我們發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)中，主要采用了以下傳感器，即曲軸位置傳感器（CPS）、進(jìn)氣歧管絕對壓力（MAP）傳感器、空氣質(zhì)量流量（MAF）傳感器、冷卻水溫度（ECT）傳感器等。圖22汽油機(jī)電控系統(tǒng) 曲軸位置傳感器曲軸位置傳感器信號的作用是實(shí)時判斷曲軸的瞬態(tài)位置，以滿足ECU決定點(diǎn)火和噴油定時的需要。對于四沖程的發(fā)動機(jī)，由于每循環(huán)曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，ECU還需要進(jìn)行氣缸識別。曲軸位置傳感器除了可提供相對于活塞上止點(diǎn)位置的曲軸轉(zhuǎn)角信號以外，還能精確地測量汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速。汽油機(jī)轉(zhuǎn)速則由ECU根據(jù)其中一個信號的頻率計算給定。觸發(fā)輪與汽油機(jī)曲軸同步旋轉(zhuǎn)，在其外圓上加工了602齒，傳感器固定在變速箱離合器殼上。隨著汽油機(jī)旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)輪的齒依次通過磁頭，使磁隙不斷發(fā)生變化，通過感應(yīng)線圈繞組的磁通也不斷發(fā)生變化，從而在線鼴的兩端產(chǎn)生了交變的感應(yīng)電動勢，這一交流信號經(jīng)過濾波整形后形成方波送至ECU。觸發(fā)輪的兩齒空缺對應(yīng)著上止點(diǎn)前70度，ECU根據(jù)此信號確定曲軸的位置（G信號）和轉(zhuǎn)速（Ne信號）。當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為0～6400RPM時，它產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)速成正比的0－5V電壓輸出信號。該傳感器共有3根引線，分別為電源、信號和地線。如下圖所示：圖23曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu) 進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器進(jìn)氣歧管壓力傳感器在進(jìn)氣量采用進(jìn)氣歧管壓力作為計量方式的電控燃油噴射系統(tǒng)中是最重要