第一篇
1LPG汽车废气再循环控制系统构建
1.1LPG汽车发动机废气再循环控制系统设计对于NOx排放量如此严格的要求，如果不采取新的方法和技术改进措施，即使具有“绿色汽车”之称的LPG燃气汽车也无法满足日益严格的法规要求。设计和安装汽车废气再循环装置是降低NOx排放的重要手段，发动机在部分工况下运转时，从排气管中引入少量的废气进入到进气管，使废气和进气歧管的可燃混合气能够一起进入到燃烧室。由于废气中不含有氧化剂和燃料，属于不可燃气体，在燃烧室里面不会参与燃烧过程，因此它能够有效的吸收经过燃烧产生的热量，从而降低燃烧的压力和温度，NOx的生成量也得以有效减少。但引入废气的量需要根据不同的汽车发动机负荷精确控制，废气引入太多，就会减小混合气燃烧的稳定性，从而影响发动机的动力性，尤其是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，过多的引入废气会明显地影响发动机性能，甚至会导致发动机熄火；废气引入太少，又不能明显的降低氮氧化物，起不到应有的作用［2］。本文采用安装电磁式废气再循环阀的控制系统，与传统机械式真空膜片废气再循环阀相比，电磁阀在先进控制算法的应用和可靠性等方面均有了较大的提高，电磁阀的控制不需要真空度调节，能够独立、线性、连续、精确调节引入的废气再循环量。线性废气再循环电磁阀是一种响应速度较快的执行器，有利于采用高可靠性和鲁棒性的控制方法，其结构示意图如图2所示。电磁式废气再循环控制系统工作时，电控单元采集汽车上的各种传感器信号，判断当前工作状况，由控制器向执行器发送命令，电磁阀的线圈导通，线圈会产生磁力，并作用在衔铁上，从而带动枢轴向上移动，阀门被打开，使得废气从排气管流入到进气管中。废气再循环的流量是通过控制器发出驱动信号来调节，即输出的电压信号占空比，可以精确控制汽车各种工作状况下的废气再循环最佳量。电磁式废气再循环系统还安装了枢轴位置传感器，位置传感器与枢轴相连接，传感器输出信号能够随枢轴的位置移动而发生变化，位置传感器信号向控制器提供了枢轴实际当前位置状态的反馈量。在汽车实际工作和使用过程中，会产生电压的波动、排气压力的波动、电磁阀门的磨损等异常状态和干扰，废气再循环系统的枢轴位置有可能会偏离最佳理想值，如果不根据实际位置进行适当的调整和修正，废气再循环的效用就会降低。因此控制器不断接收枢轴位置传感器输出信号，以此作为反馈量对控制参数进行相应的优化与修正，也可以通过对此传感器的输出信号进行分析，实现废气再循环系统的故障诊断和在线监测。1.2LPG汽车废气再循环控制系统软硬件结构本文设计的废气再循环系统安装在LPG燃气汽车NJ415P上，EGR控制系统结构和位置布局如图3所示。控制器通过采集进气歧管压力传感器、节气门位置传感器、转速传感器、冷却水温度传感器等输出信号，分析并确定燃气汽车发动机当前所处的工况和运行状态；按照相应的控制方法和策略，输出不同占空比的脉冲信号，驱动废气再循环系统装置中的电磁阀，最终在各种不同工况下获得最佳的EGR率，控制排气中的适量废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。本文通过大量的发动机台架试验和整车试验，获取了EGR控制脉谱图，根据发动机转速、负荷、冷却液温度及废气温度的不同，实时和精确调节参与再循环的废气量，以达到废气中的NOx最低。本文设计的控制系统核心为ATmega161，是一块RISC结构的高性能微控制器，FlashEEPROM为16K字节，SRAM为1K字节，EEPROM为512字节，它内置了8个通道、10位的AD转换器，完全能够满足LPG汽车废气再循环控制实时性的需求。控制系统硬件单元由电源部分、信号预处理部分、微控制器部分和驱动部分组成。电源模块从汽车蓄电池取电，经过隔离和稳压以后供给控制单元。进气管压力传感器、温度传感器、节气门位置传感器和EGR阀位置传感器的输出信号经过设计的隔离保护电路、高阻输入电路之后，根据信号特点进行相应的滤波处理，消除了高频产生的电磁干扰，隔离和放大以后，到ATmega161内部的AD转换，转换为数字信号，进行相应的计算和分析。转速传感器的输出为脉冲信号，需要进行整形处理、隔离放大后进入微控制器，对相应的引脚进行捕捉并精确测量转速。微控制器计算出不同汽车运行工况所需要的目标占空比，通过PWM输出，驱动废气再循环电磁阀的打开与关闭，从而达到实时调节EGR率的目的。EGR控制系统软件结构如图4所示。经实际台架试验、整车试验及可靠性试验表明，系统软、硬件工作良好，无故障产生。为了方便废气再循环控制系统参数的在线修正、传感器信号的监控以及制取脉谱图过程中对EGR阀开启率的精确调整，电控单元还可以通过串口与计算机通讯，对发动机运行参数实时监控。
2三维脉谱图线性插值方法
废气再循环脉谱图通常是在发动机台架上依靠大量的标定试验获得，将脉谱图中的数据存入电控单元微控制器的ROM中，就可以在发动机运转时依靠插值的方法给出不同转速和负荷的最佳废气再循环率，实时地把废气再循环控制在最佳状态。最佳废气再循环率存储在电控单元微控制器的存储器ROM，一般通过查表法可以获得。在实际应用中，如果在某一工况下，采集得到的负荷与转速处于所存储的数据之外，则可以利用线性插值法计算，插值示意图如图5所示［3］。设n代表发动机转速，P代表发动机负荷，（N0，P0）为需要插值的点，（N1，P1）、（N2，P2）、（N3，P3）、（N4，P4）为（N0，P0）的四个相邻点，它们对应的最佳废气再循环率Z11、Z12、Z21、Z22是已知的，已通过发动机台架试验获取，因此可以在图中直接插值得到（N0，P0）对应的最佳废气再循环率Z0，插值计算方法如下：设T1为Z11与Z21之间的插值：W11、W12、W21、W22作为输入量Z11、Z12、Z21、Z22的权系数。
3基于递推最小二乘(RLS)算法废气再循环系统的优化研究
LPG燃气汽车在长时间工作和使用过程中，不可避免会出现电压的波动、排气压力的波动、阀座的积碳、阀门的磨损等状况，这些会造成废气再循环系统中电磁阀的枢轴部分偏离脉谱图最佳理想位置，从而改变引入的废气流量，如图6所示，导致废气再循环装置不能精确按照脉谱图中的最佳废气再循环率进行相应的控制，使得汽车出现油耗上升、动力性下降、排放性恶化。因此需要采取在线优化的措施，提高控制系统鲁棒性，实时补偿和优化出现的位置偏差。微控制器通过检测EGR阀位置传感器的输出信号，确定当前枢轴所处的实际位置，如果在正常的情况下，指令位置与实际位置应当一致，当汽车的工况发生变化时，其位置会随指令而相应变化，但是如果有一定的偏差，则表明控制系统需要在线修正和优化［4］。本文采用的递推最小二乘算法(RLS)是自适应滤波常用的一种算法。自适应滤波具有很多优点，比如能消除特性随时间而变化的噪声，它能利用输出信号与目标信号间的误差，对滤波器参数进行相应的调整，并使它收敛到最佳值。根据自适应滤波原理，本文构建了递推最小二乘算法的废气再循环系统自适应修正。基于脉谱图控制的废气再循环系统可以表示为一个闭环自适应的系统，图6中的Z11、Z12、Z21、Z22作为基本采样信号，而W11、W12、W21、W22可以作为滤波器权系数，对闭环系统的输出结果与目标值进行比较，根据其偏差实时地更新脉谱图的插值权系数，与自适应滤波原理相类似［5］。基于RLS算法废气再循环控制系统的结构如图7所示。由于递推最小二乘算法的收敛速度较快，收敛时间短，完全可以满足系统优化的需要，它所需要的信息包括前一时刻采样的输入信号，设输入信号为三维脉谱图插值相邻的4个点：X（k）=［x（k），x（k-1），x（k-2），x（k-3）］（5）输入量权系数是：W（k）=［w0（k），w1（k），w2（k），w3（k）］T%（6）误差信号是废气再循环电磁阀枢轴的指令位置与实际位置之间的偏差：e（k）=d（k）-WT（k）X（k）（7）为了最小化误差信号的平方和，使J（k）=ki=1∑d（i）－WT（k）X（i）∑∑%2对W（k）的导数为零，则可以得出脉谱图权系数的最优向量：WT（k）ki=1∑XT（i）d（i）ki=1∑X（i）XT（i）=Cxd（d）Cxx（k）（8）可以推出权系数的递归关系式：W（k）=W（k-1）+C-1xxX（k）［d（k）-XT（k）W（k-1）］e（k+1）=d（k+1）－wT（k）X（k+1∑）（9）为了根据输入信号的变化进行有效调节，采用修正RLS算法，可以总结为如下递推方程式：W（k）=W（k－1）+g（k）［d（k）－WT（k-1）X（k）］e（k）=d（k）－WT（k-1）X（k）g（k）=λ-1C-1xx（k-1）X（k）1+XT（k）C-1xx（k-1）X（k）C-1xx（k）=λ-1［C-1xx（k-1）－g（k）%XT（k）%C-1xx%（k-1）］其中λ为遗忘因子，根据实际需要，这里选为0.95。按上述修正RLS算法对脉谱图中预存数据的权系数实时更新，就可以补偿由枢轴位置变动导致废气再循环控制效果的降低。
4试验结果
在NJG415P燃气汽车上安装了本文开发的废气再循环控制系统，在汽车发动机的不同负荷、不同转速下做了大量的台架试验，通过试验研究废气再循环的实际控制效果及其对动力、排放性能的影响。对不带废气再循环和带电控废气再循环的NO排放分别进行了试验和对比分析，图8为转速2400r/min下的对比图，图9为不同负荷和转速下的试验结果。从以上结果可以看出：NO的生成量与燃气汽车发动机的转速和负荷均有较大的关系，在中等负荷、大负荷下运行时NO的排放量比小负荷工况运行时要明显增多，这主要是由于大、中负荷下燃烧气体压力升高，燃烧室温度升高，导致NO排放增多；但是在不同转速下，不带EGR与带EGR电控系统有很大的差别，如图所示，不同负荷的NO能降低约50%，这表明所设计的电控EGR系统及其控制优化策略合理，电控单元工作可靠，能够对NO的排放起到较强的抑制作用。
5结论
本文深入研究了LPG燃气汽车废气再循环的特性和结构，对控制系统的软硬件进行了设计，采用线性电磁阀和三维脉谱图线性插值方法实现了对燃气汽车废气再循环率的精确控制。通过大量的燃气汽车发动机台架试验，获得在各种汽车运行工况下废气再循环电磁阀的最佳开度，深入研究了LPG汽车废气再循环的控制与优化策略，对于在实际使用过程中产生的枢轴位置偏差，利用修正RLS算法进行了在线优化。在NJG415P汽车发动机上，对不带EGR和带电控EGR时NO排放进行对比分析，试验结果表明，电控EGR系统控制与优化策略合理，电控单元工作正常，大幅降低了燃气汽车NOx的排放，提高了燃料经济性。
作者：崔宏巍 单位：深圳职业技术学院汽车与交通学院
第二篇
1结构与工作原理
1.1组成结构甜菜收获机自动对行系统的设计目的是实现作业中偏移量的检测及纠正功能，其主要组成如图1所示。机具前行作业时，探测机构3的左右探测杆感知垄上甜菜块根的左右偏移，并将偏移量通过安装在探测机构上的角度传感器转换成脉冲信号并传输给控制器，控制器控制液压转向机构4进行转向，带动挖掘铲作相应甜菜偏移量的左右偏移，实现自动对行挖掘收获。牵引机构5与拖拉机相连，为机具提供前行动力。1.2工作原理探测机构工作原理如图2所示。甜菜收获机收获时，探测机构的左右探测杆4与偏移的甜菜块根接触碰撞，产生偏离位移±H，四连杆机构1将位移变化量±H转化为角度传感器2的角度变化量±α(设逆时针为正)，并传输给控制器。α=arcsin(H/R)(1)式中：α———传感器角位移，(°)；H———甜菜块根偏移量，mm；R———探测杆摆动半径，mm。其中角度传感器采用美国EPC公司的三相方波输出光电增量式编码器VLH11，响应频率100kHz，启动力矩1.5×10-5N·m，最高转速7500r/min，分辨率选用1024P/R，且具有角度变化方向指示。当角度传感器2转过角度α时，对应产生N个脉冲，并传输给控制器。α=360N/1024(2)式中：N———角度传感器转过α角度时输出的脉冲数。由式1和式2可知：N=1024arcsin(H/R)/360(3)即当甜菜偏离行中心距离H时，角度传感器输出N个脉冲。为了实现收获机前进时的自动对行挖掘，当偏移的甜菜块根使探测杆产生±H的偏移量时(如图2所示)，控制系统应输出控制信号使液压转向机构带动挖掘铲产生相应的偏移量±H，以保证挖掘铲能够对行挖起甜菜。此时液压转向机构也产生一定的角位移β，如图3所示。β=arcsin(H/L)(4)式中：β———反馈传感器角位移，即液压转向机构产生的角位，(°)；H———甜菜块根偏移量，mm；L———牵引杆长度，mm。
2控制系统总体设计
系统以AT89C51为控制核心。首先，探测机构探测到甜菜的偏离距离，角度传感器VLH11将α偏移量转换成脉冲信号并传送给单片机进行处理。控制器根据脉冲的数量计算转向机构目标转动角度并判断是否需要转动，如需要则打开液压电磁阀驱动转向油缸，带动挖掘铲的调整；同时，角度传感器VLH11实时监测转向机构角度β的变化，并反馈到单片机实时调整输出控制信号，硬件结构原理图如图4所示。
3控制系统硬件设计
3.1单片机最小系统模块单片机最小系统如图5所示。主要完成对角度传感器输入模块的扫描、识别以及内部程序处理，并输出电磁阀驱动模块的控制信号。P1.0~P1.6为角度传感器的输入接口，P2.0~P2.1为电磁阀驱动电路的控制输出接口，P2.2~P2.5为反馈角度传感器的输入接口。3.2电源模块田间收获作业时，控制器电源主要由拖拉机提供，目前拖拉机输出电源主要有12V和24V，为了适应不同的拖拉机，电源模块采用ZLG公司宽压输入隔离稳压单输出DC-DC电源模块ZY_UHBD-6W_DS。为了进一步稳定输入电源、减小输出纹波和噪声，在电源模块的输入和输出端增加了电容C1和C2。3.3钳位限流滤波模块由于角度传感器安装在探测机构和转向机构与机架的连接处，距离控制器比较远，为了避免外界干扰产生的瞬时高电压对单片机和角度传感器的影响，在角度传感器和单片机接口之间加入了钳位限流滤波电路，如图6所示。3.4电磁阀驱动模块电磁阀采用三位四通开关量电磁阀，驱动电路主要由光耦TLP817和场效应管2SK2931组成。为了消除电磁阀线圈反向续流，抑制浪涌，加入了二极管堆10GL2CZ47A，如图7所示。电磁阀供电电源电路如图8所示。
4控制系统软件设计
控制系统软件程序采用Keil软件C语言编写，采用面向对象的模块化程序设计方法，先对每个模块分别进行设计调试，再将所有模块进行联合调试。系统软件程序主要由角度传感器脉冲采集模块和电磁阀驱动模块等组成，其流程图如图9所示。为了增加抗干扰能力，减少液压转向机构调节的频率，软件采用了固定双死区阈值控制方法。从流程图9可知，只有当由甜菜块根偏移量Δα计算出的控制目标参数Δβ>2.5°时，控制器才输出控制信号，液压转向机构才动作，其余时刻则不动作。
5虚拟仿真试验
5.1试验指标由式1~式3可知，当甜菜块根偏离行中心线距离为H时，为了能够实现对行挖掘，液压转向机构则需带动挖掘铲偏离相应的距离H，角度传感器产生N个脉冲，液压转向机构需转动角度β。所以以液压转向机构转动角度β作为试验检测指标。考虑实际设计取R=350mm，L=790mm。5.2试验方法由于电源对整个控制系统的影响不大，因而在Proteus中采用激励源模式中的直流电源模拟实际中的供电电源。在Proteus中没有各种传感器、电磁阀和液压缸等模块，而由上述可知角度传感器输出的信号是脉冲，电磁阀是开关量电磁阀，液压缸实质是带动液压转向机构的角度变化，所以在Proteus中采用按键触发方式来产生不同偏移量时角度传感器输出的脉冲数、用步进电机来模拟液压缸带动转向机构旋转角度的变化、采用Switches&Relays模块来模拟电磁阀的开关、用ULN2003A来驱动步进电机、用PIC16F84A一直产生步进电机所需的脉冲来模拟液压泵一直为液压转向机构供油的过程[7]。由于Proteus中产生的信号比较规整，所以仿真时简化了探测角度传感器和反馈角度传感器与主控制单片机之间的钳位限流滤波电路，用电阻替代。具体仿真电路如图10所示。由软件设计：当按下K1代表甜菜偏离行中心距离150mm并产生对应数量的脉冲，按下K2代表甜菜偏离行中心距离100mm并产生对应数量的脉冲，以此类推，按下K7代表甜菜偏离行中心距离-150mm并产生对应数量的脉冲。5.3试验方案与结果在Keil中用C语言编写软件程序，调试成功后，生成.HEX文件，加载到仿真电路中单片机芯片上，运行仿真，方案和结果如表1所示。在Proteus中采用激励源模式中的直流电源模拟实际中的供电电源。在Proteus中没有各种传感器、电磁阀和液压缸等模块，而由上述可知角度传感器输出的信号是脉冲，电磁阀是开关量电磁阀，液压缸实质是带动液压转向机构的角度变化，所以在Proteus中采用按键触发方式来产生不同偏移量时角度传感器输出的脉冲数、用步进电机来模拟液压缸带动转向机构旋转角度的变化、采用Switches&Relays模块来模拟电磁阀的开关、用ULN2003A来驱动步进电机、用PIC16F84A一直产生步进电机所需的脉冲来模拟液压泵一直为液压转向机构供油的过程[7]。由于Proteus中产生的信号比较规整，所以仿真时简化了探测角度传感器和反馈角度传感器与主控制单片机之间的钳位限流滤波电路，用电阻替代。具体仿真电路如图10所示。由软件设计：当按下K1代表甜菜偏离行中心距离150mm并产生对应数量的脉冲，按下K2代表甜菜偏离行中心距离100mm并产生对应数量的脉冲，以此类推，按下K7代表甜菜偏离行中心距离-150mm并产生对应数量的脉冲。5.3试验方案与结果在Keil中用C语言编写软件程序，调试成功后，生成.HEX文件，加载到仿真电路中单片机芯片上，运行仿真，方案和结果如表1所示。
6验证试验
为了验证仿真虚拟实验的结果，制作了自动对行控制器，并将其嵌入到农业部南京农业机械化研究所研制的4LT―A型甜菜联合收获机上。为了便于试验数据的采集，在农业部南京农业机械化研究所研制的4LTSYT―A型甜菜机械化收获自动对行实验台上进行了台架验证试验。同时为了检验整个控制系统在实际田间的对行效果，在江苏省农业科学院试验地进行了田间验证试验。6.1试验器材及设备验证试验的设备主要有约翰迪尔1054型拖拉机、4LTSYT―A型实验台和4LT―A型甜菜联合收获机，他们的主要技术参数分别如表2、表3所示。主要器材有：变频器，卷尺(量程5m，精度1mm)，运动数码秒表，转速计(量程50m，精度1cm)，量角器。6.2试验设计6.2.1实验台试验设计台架试验时，实验台放置在甜菜联合收获机挖掘铲和探测机构的下方，探测杆能探测到实验台上的萝卜块根(甜菜用萝卜替代)，挖掘铲可以碰到偏离的萝卜块根。按表1试验编号依次做验证试验；完成后，再按原次序重复四遍验证试验。结果取五遍试验的平均值，实验台试验方案和结果如表4所示。6.2.2田间试验设计田间验证试验时，根据甜菜的种植模式进行起垄和栽种(甜菜用萝卜替代)，垄长150m，平均垄顶宽400mm，平均垄高85mm，平均株距300mm，偏离行中心距按照表3中的偏离距离(偏离距离为0的情况省略)，每个样本垄长20m。实验时按表1试验编号依次做验证试验，完成后，再按原次序重复四遍验证试验。结果取五遍试验的平均值，田间试验方案和结果如表5所示。6.3试验结果分析对表1和表4进行统计分析可知，虚拟试验结果和台架验证试验结果的最大误差为2.78%，平均误差为0.95%。对表1和表5进行统计分析可知，虚拟试验结果和田间验证试验结果的最大误差为2.60%，平均误差为1.30%。由以上分析结果可知，虚拟仿真试验结果与台架验证试验和田间验证试验结果的最大误差都在3%以内，平均误差都在2%以内，可以为实际设计研发提供参考。
7结论
1)用电子设计与仿真软件Proteus对甜菜自动对行控制系统电路图进行了设计，完成了电源电路、电磁阀驱动电路和钳位限流滤波电路的设计；利用keil软件编写了控制程序；并构建了虚拟仿真模型。对虚拟仿真模型进行了简化、模拟，尽可能与实际工作状况相符的模拟了自动对行控制过程。2)对自动对行控制系统进行虚拟试验，并将试验结果与实验台和田间验证试验数据进行了对比分析。结果表明，仿真试验的转动角度与实验台试验的转动角度最大误差为2.78%，平均误差0.95%；与田间试验的转动角度最大误差为2.60%，平均误差1.30%。3)试验结果表明，用Proteus软件进行甜菜收获机自动对行控制系统的设计、仿真与试验可以为实际控制系统的设计调试以及PCB板制作提供一种参考，这对提高控制系统的开发效率、降低成本起到了重要的作用。
作者：王申莹 胡志超 吴惠昌 彭宝良 王海鸥 吴峰 单位：农业部南京农业机械化研究所
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