专利摘要

本发明公开了一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法。以割草机汽油发动机空燃比动力学模型为基础，计算与空燃比目标值对应的状态向量稳态目标值和发动机喷油量稳态目标值，结合状态空间模型极点配置技术，设计空燃比自动调节控制器。本发明的最重要的特征是在汽油发动机偏离空燃比目标值时能实现空燃比的自动调节控制，使汽油发动机在稳态和瞬态运行时都能尽可能将空燃比保持在理论目标值处，提高了燃油效率，减少了CO、NOX等有害气体的排放，极大地提高汽油发动机系统运行的控制水平。

权利要求

1.一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，其特征是，包括如下具体步骤：

1)根据状态向量以及割草机汽油发动机在t时刻的喷油量和空燃比，建立割草机汽油发动机的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型；

2)根据割草机汽油发动机的空燃比控制的目标值，定义状态向量的稳态目标值；

3)定义割草机汽油发动机喷油量的稳态目标值；

4)根据步骤1)、2)和3)得到一个等价的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型；

5)给定步骤4)中等阶的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型一组期望闭环极点，并定义割草机汽油发动机在t时刻喷油量的一个自动调节控制器；

6)在线测量割草机汽油发动机的实际空燃比值，根据步骤5)实时计算割草机汽油发动机的喷油量，根据喷油量的计算结果实时调整进入割草机汽油发动机气缸内的喷油量，如此周而复始，实现割草机汽油发动机空燃比对控制的目标值的自动调节。

2.根据权利要求1所述的一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，其特征是，在步骤1)中，建立割草机汽油发动机的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学扰动模型，参见式(1)：

$\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}\left(t\right)=Ax\left(t\right)+Bu\left(t\right)\\ y\left(t\right)=Cx\left(t\right)\end{array}---\left(1\right)$

其中，符号t是式(1)的时间变量；u(t)为发动机在t时刻的喷油量；y(t)为发动机在t时刻的空燃比；列向量x(t)＝[x₁(t)；x₂(t)；x₃(t)]称为状态向量；矩阵A∈R^3×3，B∈R^3×1和C∈R^1×3分别称为状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，其特征是，在步骤2)中，根据割草机汽油发动机的空燃比控制的目标值为y_r，定义状态向量的稳态目标值x_r，参见式(2)：

y_r＝Cx_r(2)。

4.根据权利要求3所述的一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，其特征是，在步骤3)中，定义割草机汽油发动机喷油量的稳态目标值u_r，参见式(3)：

u_r＝-(B^TB)^-1B^TAx_r(3)

其中，符号T表示矩阵的转置。

5.根据权利要求4所述的一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，其特征是，在步骤4)中，结合式(2)和式(3)，定义符号z＝x-x_r和v＝u-u_r，代入式(1)中，整理得到一个等价的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型，参见式(4)：

$\begin{array}{c}\stackrel{·}{z}\left(t\right)=Az\left(t\right)+Bv\left(t\right)\\ y\left(t\right)=Cz\left(t\right)+y_r\end{array}---\left(4\right).$

6.根据权利要求5所述的一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，其特征是，在步骤5)中，给定式(4)的一组期望闭环极点(λ₁，λ₂，λ₃)，并定义割草机汽油发动机在t时刻喷油量的一个自动调节控制器，参见式(5)：

u(t)＝-K(x-x_r)+u_r(5)

其中，矩阵K∈R^1×3称为自动调节控制器增益矩阵。

7.根据权利要求6所述的一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，其特征是，所述的自动调节控制器增益矩阵由式(6)计算确定：

K＝[001][BABA²B]^-1φ(A)(6)

其中，φ(A)＝(A-λ₁I)(A-λ₂I)(A-λ₃I)，I为3×3的单位矩阵。

说明书

技术领域

本发明涉及汽油发动机相关技术领域，尤其是指一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法。

背景技术

随着经济的发展和人们生活水平的提高，我国城镇化建设不断扩展，城郊区的绿化程度也随之提高。大量的公园草坪、足球草坪、高尔夫球场草坪等公共绿地均需要进行草皮修剪等维护，割草机的市场需求不断增加。为保证使用汽油的割草机可靠、经济、低污染运行，一个关键技术是尽可能保持汽油发动机的空气与燃料比例(简称空燃比)在理论值附近。在割草机实际割草过程中，当发动机转速变化时，汽油内燃机瞬态空燃比会发生变化，这对燃料利用率和排放性能都有很大的影响。因此，空燃比是割草机汽油发动机控制的一个非常重要的过程参数。

经过对现有关于割草汽油发动机空燃比调节控制方法文献的检索发现，目前汽油发动机空燃比控制方法主要有：查表方法、PID控制方法、基于模型的空燃比控制方法和基于人工智能的空燃比控制方法。查表方法简单，但只能处理几种工况，不满足现代割草机遇到的复杂工况；PID控制方法只能处理单个输入变量对单个输出变量的过程，当割草机汽油发动机的多个变量发生变化时很难实现空燃比的精确控制；基于模型的空燃比控制方法，包括自适应控制方法、内模控制方法、滑模控制方法等，利用发动机模型实现空燃比的精确控制，但发动机模型复杂、涉及的专业知识多，不合适于软硬件资源并不丰富的单片CPU计算机系统；基于人工智能的空燃比控制方法，包括模糊控制方法、神经网络控制方法、自学习控制方法、信息融合方法等，这类方法涉及的控制规则多、可调参数多、在线计算运算量大等问题。因此，尽管汽油发动机空燃比的调节控制研究取得了许多成果，但近十几年来，相关学者和工程专家对于这个具有挑战性的重要难题仍然进行了大量细致地研究和探讨，以满足当前割草机汽油发动机的高效、经济运行对于有效、简便地实现空燃比精确调节控制的迫切要求。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在割草机汽油发动机空燃比调节控制方法的操作复杂、投运困难、在线计算量大的不足，提供了一种设计简单、易于在线投运、在线计算量小的割草机汽油发动机空燃比自动调节方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，包括如下具体步骤：

1)根据状态向量以及割草机汽油发动机在t时刻的喷油量和空燃比，建立割草机汽油发动机的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型；

2)根据割草机汽油发动机的空燃比控制的目标值，定义状态向量的稳态目标值；

3)定义割草机汽油发动机喷油量的稳态目标值；

4)根据步骤1)、2)和3)得到一个等价的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型；

5)给定步骤4)中等阶的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型一组期望闭环极点，并定义割草机汽油发动机在t时刻喷油量的一个自动调节控制器；

6)在线测量割草机汽油发动机的实际空燃比值，根据步骤5)实时计算割草机汽油发动机的喷油量，根据喷油量的计算结果实时调整进入割草机汽油发动机气缸内的喷油量，如此周而复始，实现割草机汽油发动机空燃比对控制的目标值的自动调节。

本发明针对割草机汽油发动机的实际空燃比偏离最佳目标值的问题，建立割草机汽油发动机的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型，根据空燃比控制的目标值计算状态向量的稳态目标值和割草机汽油发动机喷油量的稳态目标值，进而建立一个等价的空燃比与喷油量连续时间三阶动力学模型，设计一个割草机汽油发动机在t时刻喷油量的自动调节控制器，实现割草机汽油发动机对空燃比控制的目标值的自动调节控制，这样设计达到了设计简单、易于在线投运、在线计算量小、在线实施简便、实用性强的目的；同时，割草机在工作过程中其汽油发动机的空燃比能实现自动调节控制，使汽油发动机在稳态和瞬态运行时都能尽可能将空燃比保持在理论目标值处，提高了燃油效率，减少了CO、NO_X等有害气体的排放，极大地提高汽油发动机系统运行的控制水平。

作为优选，在步骤1)中，建立割草机汽油发动机的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学扰动模型，参见式(1)：

$\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}\left(t\right)=Ax\left(t\right)+Bu\left(t\right)\\ y\left(t\right)=Cx\left(t\right)\end{array}---\left(1\right)$

其中，符号t是式(1)的时间变量；u(t)为发动机在t时刻的喷油量；y(t)为发动机在t时刻的空燃比；列向量x(t)＝[x₁(t)；x₂(t)；x₃(t)]称为状态向量；矩阵A∈R^3×3，B∈R^3×1和C∈R^1×3分别称为状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵。

作为优选，在步骤2)中，根据割草机汽油发动机的空燃比控制的目标值为y_r，定义状态向量的稳态目标值x_r，参见式(2)：

y_r＝Cx_r(2)。

作为优选，在步骤3)中，定义割草机汽油发动机喷油量的稳态目标值u_r，参见式(3)：

u_r＝-(B^TB)^-1B^TAx_r(3)

其中，符号T表示矩阵的转置。

作为优选，在步骤4)中，结合式(2)和式(3)，定义符号z＝x-x_r和v＝u-u_r，代入式(1)中，整理得到一个等价的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型，参见式(4)：

$\begin{array}{c}\stackrel{·}{z}\left(t\right)=Az\left(t\right)+Bv\left(t\right)\\ y\left(t\right)=Cz\left(t\right)+y_r\end{array}---\left(4\right).$

作为优选，在步骤5)中，给定式(4)的一组期望闭环极点(λ₁，λ₂，λ₃)，并定义割草机汽油发动机在t时刻喷油量的一个自动调节控制器，参见式(5)：

u(t)＝-K(x-x_r)+u_r(5)

其中，矩阵K∈R^1×3称为自动调节控制器增益矩阵。

作为优选，所述的自动调节控制器增益矩阵由式(6)计算确定：

K＝[001][BABA²B]^-1φ(A)(6)

其中，φ(A)＝(A-λ₁I)(A-λ₂I)(A-λ₃I)，I为3×3的单位矩阵。

本发明的有益效果是：设计简单、易于在线投运、在线计算量小、在线实施简便、实用性强的目的；同时，割草机在工作过程中其汽油发动机的空燃比能实现自动调节控制，使汽油发动机在稳态和瞬态运行时都能尽可能将空燃比保持在理论目标值处，提高了燃油效率，减少了CO、NO_X等有害气体的排放，极大地提高汽油发动机系统运行的控制水平。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法，包括如下具体步骤：

1)根据状态向量以及割草机汽油发动机在t时刻的喷油量和空燃比，建立割草机汽油发动机的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型，参见式(1)：

$\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}\left(t\right)=Ax\left(t\right)+Bu\left(t\right)\\ y\left(t\right)=Cx\left(t\right)\end{array}---\left(1\right)$

其中，符号t是式(1)的时间变量；u(t)为发动机在t时刻的喷油量，单位g/s；y(t)为发动机在t时刻的空燃比；列向量x(t)＝[x₁(t)；x₂(t)；x₃(t)]称为状态向量；矩阵A∈R^3×3，B∈R^3×1和C∈R^1×3分别称为状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵；

2)根据割草机汽油发动机的空燃比控制的目标值为y_r，定义状态向量的稳态目标值x_r，参见式(2)：

y_r＝Cx_r(2)；

3)定义割草机汽油发动机喷油量的稳态目标值u_r，参见式(3)：

u_r＝-(B^TB)^-1B^TAx_r(3)

其中，符号T表示矩阵的转置；

4)根据步骤1)、2)和3)得到一个等价的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型；结合式(2)和式(3)，定义符号z＝x-x_r和v＝u-u_r，代入式(1)中，整理得到一个等价的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型，参见式(4)：

$\begin{array}{c}\stackrel{·}{z}\left(t\right)=Az\left(t\right)+Bv\left(t\right)\\ y\left(t\right)=Cz\left(t\right)+y_r\end{array}---\left(4\right);$

5)给定步骤4)中等阶的空燃比与喷油量的连续时间三阶动力学模型一组期望闭环极点，并定义割草机汽油发动机在t时刻喷油量的一个自动调节控制器；给定式(4)的一组期望闭环极点(λ₁，λ₂，λ₃)，并定义割草机汽油发动机在t时刻喷油量的一个自动调节控制器，参见式(5)：

u(t)＝-K(x-x_r)+u_r(5)

其中，矩阵K∈R^1×3称为自动调节控制器增益矩阵；其由式(6)计算确定：

K＝[001][BABA²B]^-1φ(A)(6)

其中，φ(A)＝(A-λ₁I)(A-λ₂I)(A-λ₃I)，I为3×3的单位矩阵；

6)在线测量割草机汽油发动机的实际空燃比值，根据步骤5)实时计算割草机汽油发动机的喷油量，根据喷油量的计算结果实时调整进入割草机汽油发动机气缸内的喷油量，如此周而复始，实现割草机汽油发动机空燃比对控制的目标值的自动调节。

本实施例为割草机汽油发动机空燃比控制过程，具体操作过程：

1、参数设置，包括模型参数和自动调节控制器参数：输入式(1)中矩阵A、B和C的值以及输入空燃比目标值y_r和期望闭环极点(λ₁，λ₂，λ₃)；具体如下：

$A=\left[\begin{array}{ccc}0.130& -2.365& 1.435\\ 11.435& -3.6950& -4.305\\ -8.080& 17.155& -7.435\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}-0.190\\ 21.545\\ 13.665\end{array}\right]$

C＝[0.4005-1.05410.2362]

输入发动机空燃比目标值y_r＝14.67；输入期望闭环极点(λ₁，λ₂，λ₃)；输入参数确认后，由控制计算机将设置的数据送入计算机存储单元RAM中保存在参数设置界面中。

2、离线调试：以割草机汽油发动机空燃比变化1个单位作为测试量，调整期望闭环极点(λ₁，λ₂，λ₃)，观察输出变量即空燃比和输入变量即喷油量的控制效果，由此确定一组能良好实现发动机空燃比跟踪控制的期望闭环极点；参数(λ₁，λ₂，λ₃)的取值规则：λ₁、λ₂和λ₃为负实数，λ₁和λ₂的绝对值小于λ₃的绝对值；参数(λ₁，λ₂，λ₃)的调整规则：增大λ₁和λ₂的绝对值将缩短空燃比响应的调整时间，但增大空燃比响应的超调量和喷油量；相反，减小λ₁和λ₂的绝对值将平缓空燃比响应和喷油量，但延长空燃比响应的调整时间，因此，实际调试参数(λ₁，λ₂，λ₃)时，应权衡空燃比响应的超调量、调整时间、阻尼效应和喷油量之间的综合性能；具体计算过程如下：

1)根据给定的期望闭环极点(λ₁，λ₂，λ₃)，利用极点配置公式计算自动调节控制器增益矩阵，如下：

K＝[001][BABA²B]^-1φ(A)

其中，φ(A)＝(A-λ₁I)(A-λ₂I)(A-λ₃I)，I为3×3的单位矩阵；

2)自动调节控制器增益矩阵K得到喷油量计算公式(5)，并以发动机空燃比变化1个单位作为测试量，根据参数(λ₁，λ₂，λ₃)的取值和调整规则，比较空燃比输出结果和喷油量计算结果，调试参数(λ₁，λ₂，λ₃)得到

λ₁＝-5，λ₂＝-7，λ₃＝-20；

3)利用调试得到的参数(λ₁，λ₂，λ₃)计算自动调节控制器增益矩阵K，得

K＝[-7.90270.03071.3784]

将计算结果保存到计算机存储单元RAM中。

3、在线运行：启动割草机汽油发动机，控制计算机的CPU读取发动机空燃比模型参数、空燃比控制的目标值和最佳闭环极点，并执行“割草机汽油发动机空燃比自动调节控制程序”，通过在线测量汽油发动机的实际空燃比，控制进入割草机汽油发动机气缸内的喷油量，实现割草机对汽油发动机空燃比的自动调节；在下一个调节周期到达时，在线测量割草机汽油发动机的实际空燃比，之后重复整个执行过程。如此周而复始，实现割草机汽油发动机对空燃比目标值y_r的自动调节控制。

与传统汽油发动机空燃比控制方法相比，本发明给出的割草机汽油发动机空燃比自动调节方法的最大特点是汽油发动机在偏离空燃比目标值时能实现空燃比的自动调节控制。具体实施方法以割草机汽油发动机为例说明本发明的实际效果，但本发明的应用范围并不以本实施例中的割草机汽油发动机空燃比控制为限。如前所述，本发明除了可以用于割草机汽油发动机外，还可用于车用汽油发动机、柴油机等各类油气内燃机空燃比的自动调节控制。

一种割草机汽油发动机空燃比自动调节方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。