吳 磊，陳 浩

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528437；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

0 前言

過(guò)渡孔的精度對(duì)化油器各負(fù)荷點(diǎn)的空燃比有很大的影響[1]。宋雪濤通過(guò)研究認(rèn)為過(guò)渡孔相對(duì)于節(jié)氣門尺寸是影響過(guò)渡孔分擔(dān)率的重要因素[2]。因此，過(guò)渡孔的位置精度要求高，但其加工難度卻很大。

在我國(guó)的怠速排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之前，加工過(guò)渡孔一般都是以節(jié)氣門軸定位。李培基等人對(duì)本體過(guò)渡孔加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，本體過(guò)渡孔加工以節(jié)氣門軸孔為基準(zhǔn)用高速臺(tái)鉆進(jìn)行加工。首先對(duì)原有加工設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，然后對(duì)加工夾具進(jìn)行改造，使之能適用于分度頭加工，這樣可避免多次裝拆造成的重復(fù)定位精度問(wèn)題，又能保證節(jié)氣門軸孔與過(guò)渡孔的位置關(guān)系，加工質(zhì)量得到很大提高，合格率達(dá)95%以上[3]，但是由于節(jié)氣門軸、節(jié)氣門片以及本體等零件諸多的孔、軸的幾何精度產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致裝配以后節(jié)氣門片上沿到過(guò)渡孔上端的尺寸鏈積累誤差達(dá)0.5 mm以上[4]，無(wú)法滿足排放要求。

現(xiàn)有的過(guò)渡孔定位方式多采用節(jié)氣門定位方式，當(dāng)節(jié)氣門開(kāi)度和進(jìn)氣管真空度確定以后，怠速油孔和過(guò)渡孔的形狀以及節(jié)氣門與過(guò)渡孔的相對(duì)位置就可以確定[4]。根據(jù)這個(gè)理論，大部分生產(chǎn)廠家在加工過(guò)渡孔，尤其是主腔過(guò)渡孔時(shí)都是在裝完節(jié)氣門后，用節(jié)氣門上沿定位進(jìn)行加工[5]。但是，由于過(guò)渡孔與節(jié)氣門在位置上產(chǎn)生的干涉，需要先用節(jié)氣門上沿進(jìn)行預(yù)定位.確定好過(guò)渡孔的位置，然后打開(kāi)節(jié)氣門，二次裝夾定位加工過(guò)渡孔，這樣會(huì)產(chǎn)生二次裝夾定位誤差，影響過(guò)渡孔的加工精度。胡遠(yuǎn)忠、丁建武研究表明化油器過(guò)渡孔位置尺寸不穩(wěn)定主要原因是沖窩點(diǎn)位置不準(zhǔn)，并重新設(shè)計(jì)了沖窩控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)[6]。但是該方法對(duì)夾具的調(diào)整要求很高。本文提出了一種新的定位方法，即采用模擬化油器工作狀態(tài)的過(guò)渡孔定位方法，并采用模糊PID控制對(duì)過(guò)渡孔進(jìn)行定位控制。

1 化油器過(guò)渡孔加工設(shè)計(jì)

1.1 化油器過(guò)渡孔加工模型

化油器實(shí)際上就是一根圓管，管中間有一塊稱為節(jié)氣門板的可調(diào)板，用于控制通過(guò)管的空氣流量?；推髂Ｐ秃?jiǎn)化如圖1所示。

圖1 化油器模型

1.2 定位原理

采用模擬化油器工作時(shí)定位過(guò)渡孔方法.因?yàn)榛推魈囟ㄎ恢玫呢?fù)壓值與它所處位置存在一定函數(shù)關(guān)系[7-8]，當(dāng)負(fù)壓值為過(guò)渡孔性能要求值時(shí)，節(jié)氣門頂點(diǎn)在X軸的坐標(biāo)即為過(guò)渡孔位置，如圖2所示。用音速噴嘴和真空泵給化油器腔內(nèi)提供單位時(shí)間恒流量的氣流[9]，以節(jié)氣門閉合時(shí)節(jié)氣門上沿頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)氣門，節(jié)氣門角度變化，化油器特定位置的真空度發(fā)生變化，通過(guò)傳感器測(cè)量該負(fù)壓值。當(dāng)負(fù)壓值達(dá)到過(guò)渡孔性能要求值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)氣門，以此時(shí)節(jié)氣門上沿頂點(diǎn)在X軸方向坐標(biāo)即為過(guò)渡孔位置。

圖2 定位原理圖

1.3 化油器過(guò)渡孔加工控制原理

化油器過(guò)渡孔加工控制通過(guò)氣壓傳感器、角位移傳感器、控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)與節(jié)氣門實(shí)現(xiàn)。其中，氣壓傳感器測(cè)量化油器特定位置的負(fù)壓、角位移傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角位移、控制系統(tǒng)的作用是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向[10]、電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)節(jié)氣門閥芯旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制節(jié)氣門的開(kāi)口面積，達(dá)到調(diào)節(jié)化油器負(fù)壓的目的，如圖3所示[11]。

圖3 化油器過(guò)渡孔加工控制原理圖

控制系統(tǒng)包含函數(shù)關(guān)系x=f(p)，x代表節(jié)氣門上沿水平位移給定量，p代表模糊PID復(fù)合控制器輸出的負(fù)壓。

控制系統(tǒng)的作用在于對(duì)化油器負(fù)壓與節(jié)氣門上沿水平位移的閉環(huán)控制，其中負(fù)壓閉環(huán)控制采用了模糊PID復(fù)合控制算法。給定負(fù)壓與氣壓傳感器所測(cè)實(shí)際負(fù)壓信號(hào)相減后得到負(fù)壓偏差量。負(fù)壓偏差量經(jīng)過(guò)模糊PID復(fù)合控制器后轉(zhuǎn)換為負(fù)壓控制量，再通過(guò)函數(shù)x=f(p)得到節(jié)氣門上沿水平位移給定量x。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角位移信號(hào)進(jìn)入到控制系統(tǒng)后乘以系數(shù)k，轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門上沿水平實(shí)際位移x′，x-x′為節(jié)氣門上沿水平位移偏差量。通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）控制輸出電壓大小，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[12]。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，節(jié)氣門上沿所對(duì)的位置即為過(guò)渡孔加工位置。

1.4 氣壓傳感器測(cè)量位置的選取

采用CFX仿真的方式判斷氣壓傳感器的測(cè)量位置，節(jié)氣門上沿水平實(shí)際位移x為2 mm，氣流量為14.4 kg/h，化油器中心截面負(fù)壓分布仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 化油器負(fù)壓分布仿真結(jié)果

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)及實(shí)際加工情況，氣壓傳感器測(cè)量位置應(yīng)在A或者B區(qū)域，A區(qū)域的負(fù)壓值從3 613 Pa升至42 020 Pa，其升幅達(dá)到1060%；而B(niǎo)區(qū)域負(fù)壓值從45 530 Pa降至44 580 Pa，降幅為2.08%。因而B(niǎo)區(qū)域的負(fù)壓相對(duì)穩(wěn)定，方便負(fù)壓值的測(cè)量，因而選取B區(qū)域的中心點(diǎn)作為氣壓傳感器測(cè)量位置。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

控制系統(tǒng)中包含節(jié)氣門上沿水平位移x與氣壓傳感器測(cè)量位置的負(fù)壓p的函數(shù)關(guān)系x=f(p)，根據(jù)過(guò)渡孔的加工要求，其位置偏差應(yīng)在±0.05 mm，為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，確定函數(shù)x=f(p)非常重要。由于節(jié)氣門的開(kāi)口形狀復(fù)雜，難以用現(xiàn)有的物理公式進(jìn)行推導(dǎo)，因而采用CFX仿真的形式進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2.1 氣流流量與負(fù)壓的函數(shù)關(guān)系

采用控制變量法確定氣流流量與負(fù)壓的關(guān)系，即保持位移x不變，通過(guò)仿真讀取不同恒定流量q下選定位置的負(fù)壓值，仿真采用的邊界條件為無(wú)滑移絕熱壁面，流體域采用25℃空氣，根據(jù)仿真結(jié)果，圖5給出不同位移x下，不同恒定流量q下特定位置的負(fù)壓值。根據(jù)表格數(shù)據(jù)負(fù)壓值與流量平方成正比。

因而氣流流量與負(fù)壓的函數(shù)模型應(yīng)為：

圖5 流量與負(fù)壓值關(guān)系的仿真結(jié)果

其中，q的單位為kg/s。

2.2 位移與負(fù)壓的函數(shù)關(guān)系

同樣采用控制變量法確定位移與負(fù)壓的關(guān)系，即保持氣流流量為0.004 kg/s，通過(guò)仿真讀取不同位移x下選定位置的負(fù)壓值。由于PID控制涉及到傳遞函數(shù)，為方便數(shù)學(xué)模型的拉氏變換，采用指數(shù)函數(shù)形式對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，氣流流量q為0.004 kg/s時(shí)，該氣壓傳感器所測(cè)位置負(fù)壓p與位移x的擬合函數(shù)模型為：

其中，p的單位為kPa，x的單位為mm。

2.3 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型

結(jié)合（1）（2），氣壓傳感器所測(cè)位置負(fù)壓p與位移x及空氣恒定流量q的函數(shù)模型為：

此次加工采用的空氣流量q恒定為0.004 kg/s，故由（3）可導(dǎo)出控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型：

為方便加工過(guò)程的仿真，由（3）導(dǎo)出位移位移x在空氣流量q恒定為0.004 kg/s時(shí)與負(fù)壓p的近似關(guān)系式：

圖6 模糊PID復(fù)合控制仿真模型

3 模糊PID復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

PID控制器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用，并成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一[13]。模糊控制的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性強(qiáng)[14]，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱[15]。模糊PID復(fù)合控制系統(tǒng)是根據(jù)誤差的大小來(lái)選擇模糊控制或PID控制，當(dāng)誤差絕對(duì)值較大時(shí)，采用模糊控制，提高響應(yīng)速度，當(dāng)誤差絕對(duì)值較小時(shí)，采用PID控制，提高控制精度。

模糊控制器采用二維模糊控制機(jī)構(gòu)，雙輸入單輸出模型[16]。輸入分別為負(fù)壓誤差e和負(fù)壓誤差變化率ce，輸出為負(fù)壓控制量u。模糊控制器的輸入量和輸出量需要用量化因子ke、kce和ku分別把語(yǔ)言變量誤差、誤差變化率和輸出的語(yǔ)言值轉(zhuǎn)化到模糊子集上。設(shè)定輸入變量e、ce及輸出控制量u的語(yǔ)言值的模糊子集均為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，分別簡(jiǎn)記為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，假設(shè)誤差和誤差變化率的基本論域均為[-6，6]。

而實(shí)際負(fù)壓的穩(wěn)定值為45.56 kPa，因而誤差的實(shí)際論域范圍大約為[-50，70]，誤差變化率的實(shí)際論域范圍大約為[-120，120]。根據(jù)量化因子的選擇原則，量化因子ke、kce應(yīng)滿足如下：

故取ke為0.075，kce為0.03.經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)，ku取值為1.35。

3.2 模糊PID復(fù)合控制仿真模型

使用Matlab中Simulink的Fuzzy logic toolbox工具箱來(lái)建立模糊控制仿真模型，在大偏差時(shí)采用模糊控制，提高響應(yīng)速度，在小偏差時(shí)采用PID控制，提高控制精度。圖6為模糊PID復(fù)合控制仿真模型，其中，負(fù)壓誤差絕對(duì)值分界線取1 kPa。

4 仿真研究

4.1 階躍響應(yīng)分析

分別對(duì)模糊PID復(fù)合控制及PID控制進(jìn)行階躍響應(yīng)，經(jīng)對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)試，確定比例放大系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)分別為：2.2、0.001、0.000 01，響應(yīng)曲線如圖7所示。圖7表明模糊PID復(fù)合控制與PID控制都能較好的使負(fù)壓穩(wěn)定在理想值附近，但相對(duì)于PID控制，模糊PID復(fù)合控制的響應(yīng)速度更加快，調(diào)節(jié)時(shí)間短。

4.2 加工過(guò)程仿真

對(duì)過(guò)渡孔加工過(guò)程進(jìn)行模擬，化油器內(nèi)的負(fù)壓值從1個(gè)大氣壓開(kāi)始調(diào)節(jié)至設(shè)定氣壓，結(jié)合公式（5），得出加工過(guò)程的仿真曲線如圖8所示。仿真表明位移最終位置在x=1.982 3 mm，誤差為0.017 7 mm，要求在0.05 mm以內(nèi)，符合加工要求。

5 結(jié)論

圖7 階躍響應(yīng)曲線

圖8 加工過(guò)程的仿真曲線

本文通過(guò)模擬化油器工作原理，提出了一種新的定位方法，采用模擬化油器工作時(shí)定位過(guò)渡孔方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的化油器過(guò)渡孔加工控制原理。采用CFX仿真確定了氣壓傳感器的測(cè)量位置，并在CFX仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出化油器負(fù)壓與空氣流量以及節(jié)氣門上沿位移之間的函數(shù)擬合關(guān)系，進(jìn)一步得出傳遞函數(shù)這一控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在Matlab的Simulink模塊設(shè)計(jì)了模糊PID復(fù)合控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的模擬仿真。結(jié)果表明模糊PID控制相對(duì)于PID控制具有響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)。加工過(guò)程模擬也表明過(guò)渡孔的定位也在誤差范圍內(nèi)，因而符合此次的設(shè)計(jì)要求。

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