基于扭矩協(xié)調(diào)的gdi汽油機(jī)控制策略研究

1基于扭矩的電控系統(tǒng)架構(gòu)隨著控制對(duì)象的增加和控制的精細(xì)化，電子汽車(chē)控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，控制的難度也越來(lái)越大?；谂ぞ氐陌l(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn),能有效協(xié)調(diào)整個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)的內(nèi)、外部扭矩需求,使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)。德國(guó)BOSCH公司的GerhardtJ等人提出了基于扭矩的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu),以物理系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過(guò)簡(jiǎn)化提煉,得到了以車(chē)輛扭矩為核心的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略模型,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義,但他們僅從理論上闡述了基于扭矩的控制系統(tǒng),并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試和驗(yàn)證中。英國(guó)Ricardo公司的HeintzN等人提出了一種協(xié)調(diào)所有扭矩需求的框架結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,為未來(lái)功能的擴(kuò)充提供了足夠空間。張凡武在基于扭矩的思想上開(kāi)發(fā)出了控制系統(tǒng)模型并將其運(yùn)行于自主研發(fā)的ECU系統(tǒng)中。本文介紹了自主研發(fā)的控制算法,包括進(jìn)氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、怠速控制等,并結(jié)合WoodWard公司的MotoTron快速原型進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試。2扭矩需求缺乏中心協(xié)調(diào)分析發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中存在著多種內(nèi)、外部的影響因素,如駕駛員需求、怠速控制、巡航控制、附件需求等,這些因素都直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)由于沒(méi)有統(tǒng)一接口,各子系統(tǒng)的工作均會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)的輸出產(chǎn)生影響。即不論是內(nèi)部功能需求還是外部功能需求,其優(yōu)先級(jí)不得不在每個(gè)子系統(tǒng)中單獨(dú)定義,因此易導(dǎo)致同時(shí)出現(xiàn)相互矛盾的要求。各個(gè)扭矩需求缺乏中心協(xié)調(diào)會(huì)造成不同的扭矩需求之間產(chǎn)生相互影響,特別是在工況點(diǎn)切換的過(guò)程中,最終導(dǎo)致不同子系統(tǒng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)之間具有很強(qiáng)的相互依賴性。在基于扭矩協(xié)調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中,首先ECU采集所有的扭矩需求,然后確定不同的扭矩需求優(yōu)先級(jí)并進(jìn)行協(xié)調(diào),最終優(yōu)先實(shí)現(xiàn)最重要的扭矩需求。其中,加速踏板開(kāi)度信號(hào)反映了駕駛員的駕駛意圖,ECU在協(xié)調(diào)完其它扭矩需求后,最終計(jì)算出目標(biāo)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。此外,還可以通過(guò)扭矩的測(cè)量,對(duì)指示扭矩進(jìn)行閉環(huán)控制,或利用發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型設(shè)計(jì)一套扭矩在線估算算法對(duì)扭矩進(jìn)行估算,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩閉環(huán)控制?；谂ぞ氐目刂葡到y(tǒng)主要包含兩個(gè)核心的協(xié)調(diào)功能,即扭矩需求管理和扭矩轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn),如圖1所示。扭矩需求管理器的主要任務(wù)是優(yōu)先級(jí)處理,通過(guò)某種對(duì)最小值/最大值的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入扭矩管理器的參數(shù)都是內(nèi)部和外部的需求,其可以被定義為扭矩值或效率值。在扭矩轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的功能中,將目標(biāo)扭矩需求轉(zhuǎn)化成有效的控制輸出,這些輸出主要包括節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、點(diǎn)火正時(shí)和噴油正時(shí)(包括各缸獨(dú)立斷油)等。此外,采用渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)還需要考慮對(duì)廢氣閥的控制。3基于扭矩的3gdgi汽油控制系統(tǒng)建模發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部需求扭矩主要來(lái)自最高轉(zhuǎn)速限制、怠速控制、爆震控制、部件保護(hù)等;而外部需求扭矩主要來(lái)自與整車(chē)相關(guān)的需求扭矩,如踏板扭矩、巡航控制扭矩、變速器、整車(chē)附件等。內(nèi)部和外部的需求扭矩進(jìn)行協(xié)調(diào)后,得到總的需求扭矩。需求扭矩經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)后分為氣路扭矩和火路扭矩,氣路扭矩主要是通過(guò)改變氣缸內(nèi)進(jìn)氣充量來(lái)實(shí)現(xiàn),由氣路扭矩計(jì)算得到期望進(jìn)氣量,再由期望進(jìn)氣量計(jì)算節(jié)氣門(mén)開(kāi)度,同時(shí)計(jì)算各缸實(shí)際噴油量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路的控制;火路扭矩通過(guò)曲軸正時(shí)控制器計(jì)算期望點(diǎn)火角,當(dāng)扭矩干涉點(diǎn)火角的標(biāo)志位置高時(shí),期望點(diǎn)火角就會(huì)被設(shè)置為最終的點(diǎn)火角而輸出。所搭建的基于扭矩的GDI汽油機(jī)控制模型以扭矩為中間協(xié)調(diào)模型,將汽油機(jī)各個(gè)變量參數(shù)如節(jié)氣門(mén)位置、空燃比、點(diǎn)火提前角、轉(zhuǎn)速等聯(lián)系起來(lái),進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。本模型采用Matlab/Simulink軟件搭建。3.1偏離需求分別以怠速控制和踏板扭矩為例,闡述系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部扭矩需求的。3.1.1怠速扭矩對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制,首先需要通過(guò)查表的方式由發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前溫度計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速值,既把發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成怠速扭矩需求。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于跛行回家模式、空調(diào)開(kāi)關(guān)打開(kāi)、油門(mén)踏板出現(xiàn)錯(cuò)誤及轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)開(kāi)啟等情況時(shí),需要考慮其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速值的影響,進(jìn)而采取措施對(duì)其加以修正。當(dāng)?shù)玫桨l(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速值后,通過(guò)怠速PID控制器,得到最終的怠速扭矩需求。怠速扭矩分為火路扭矩和氣路扭矩兩部分:a.火路扭矩是由油門(mén)踏板開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的初始火路扭矩需求,經(jīng)一系列扭矩協(xié)調(diào)后,將扭矩轉(zhuǎn)化為目標(biāo)點(diǎn)火角,并最終輸出點(diǎn)火提前角的全過(guò)程扭矩。b.氣路扭矩是由油門(mén)踏板開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的初始?xì)饴放ぞ匦枨?經(jīng)一系列扭矩協(xié)調(diào)后,將扭矩轉(zhuǎn)化為期望進(jìn)氣量,并最終指導(dǎo)節(jié)氣門(mén)閥片動(dòng)作過(guò)程的全部扭矩。通過(guò)怠速PID控制器得到的積分扭矩(I部扭矩)是相同的,而這兩路的差分扭矩(P部扭矩)則是不同的。I部扭矩主要由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值積分計(jì)算得到;P部扭矩主要由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值乘以標(biāo)定系數(shù)計(jì)算得到。I部怠速扭矩為:式中,KI為I部分的比例系數(shù);ntarget為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值;nactual為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速當(dāng)前值。P部的火路扭矩為:式中,Ksetp為P部分的比例系數(shù)。由式(1)和式(2)計(jì)算得到怠速的火路扭矩:P部的氣路扭矩:式中,kleadp為P部分的比例系數(shù)。由式(1)和式(4)計(jì)算得到怠速的氣路扭矩:怠速的氣路扭矩和火路扭矩經(jīng)扭矩協(xié)調(diào)管理器處理后影響最終的相對(duì)充氣量和點(diǎn)火角。3.1.2緩沖區(qū)性能通過(guò)查表方式由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及踏板開(kāi)度計(jì)算得到踏板需求扭矩:3.2按重要順序安排不同扭矩需求對(duì)于扭矩協(xié)調(diào)管理器,當(dāng)接收到不同的扭矩需求時(shí),首先要參考火路扭矩需求的大小以對(duì)氣路扭矩需求加以限制,從而保證氣路扭矩需求處于火路扭矩需求與最大扭矩之間,然后考慮怠速扭矩儲(chǔ)備的需求,最終按重要順序來(lái)協(xié)調(diào)各種扭矩需求。完整的氣路扭矩需求協(xié)調(diào)過(guò)程如圖2所示,其中MIN為計(jì)算輸入量的最小值,MAX為計(jì)算輸入量的最大值。對(duì)于火路扭矩需求協(xié)調(diào),其過(guò)程與氣路扭矩協(xié)調(diào)類(lèi)似,因此不再贅述。3.3火路扭矩需求經(jīng)扭矩協(xié)調(diào)后的變量分為氣路和火路兩路,氣路扭矩用來(lái)計(jì)算氣路扭矩需求和扭矩預(yù)留值;火路扭矩需求按照標(biāo)志位信息分為點(diǎn)火扭矩需求和斷油扭矩需求。扭矩需求通過(guò)查表得到期望進(jìn)氣量和期望點(diǎn)火角,其用于進(jìn)氣系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、點(diǎn)火系統(tǒng)的干涉。4控制算法的實(shí)現(xiàn)快速原型仿真是實(shí)時(shí)仿真的一種,其處于產(chǎn)品研發(fā)的算法設(shè)計(jì)階段與具體實(shí)現(xiàn)階段之間,是產(chǎn)品研制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)?？焖僭蜏y(cè)試的基本原理是用快速原型控制器硬件替代產(chǎn)品控制器硬件,通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)將建模與仿真階段所形成的控制算法模型下載到快速原型控制器中,并連接實(shí)際被控對(duì)象而進(jìn)行控制算法的實(shí)物驗(yàn)證。本文基于扭矩的控制算法都是利用Simulink軟件實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)Simulink模型連接傳感器、控制器和執(zhí)行器,將傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。圖3為傳感器、控制器和執(zhí)行器3者的關(guān)系簡(jiǎn)圖,其中不體現(xiàn)時(shí)間調(diào)度、繼電器控制以及CAN總線標(biāo)定協(xié)議(CCP協(xié)議)等外圍控制條件等。模型完成后,按照定制的配置要求使用RTW自動(dòng)生成代碼,由gcc編譯器將代碼轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行文件,其中包括3個(gè)文件即程序文件(SRZ格式)、數(shù)據(jù)文件(A2L格式)和庫(kù)文件(DLL格式)。將此3個(gè)文件下載到MotoTron快速原型中,然后將發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器和執(zhí)行器通過(guò)線束連接到快速原型上,即可到臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試。利用數(shù)據(jù)采集工具記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)狀態(tài)、怠速狀態(tài)以及踏板開(kāi)度為3%時(shí)的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù),主要監(jiān)控噴油脈寬和點(diǎn)火起始角。5試驗(yàn)設(shè)備及結(jié)果分析5.1試驗(yàn)用車(chē)輛將模型下載到ECU中后,就可以在臺(tái)架上對(duì)控制器進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。5.2驗(yàn)證控制器中代碼運(yùn)行的準(zhǔn)確性在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段、怠速階段和加速階段工況下,對(duì)比噴油脈寬和點(diǎn)火提前角在臺(tái)架試驗(yàn)和模型仿真中的結(jié)果,從而驗(yàn)證控制器中代碼運(yùn)行的正確性。5.2.1噴油脈寬誤差的控制圖4為起動(dòng)時(shí)噴油脈寬試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比?？梢钥闯?在起動(dòng)階段噴油量呈逐漸減少的趨勢(shì),其中工況點(diǎn)1為起動(dòng)開(kāi)始瞬間,其值近似為8ms。圖5為起動(dòng)時(shí)噴油脈寬試驗(yàn)值與仿真值差值百分比,該值計(jì)算公式(該公式也適于怠速時(shí)及踏板動(dòng)作時(shí)噴油脈寬的偏差百分比計(jì)算)為:式中,tiEXP為噴油脈寬試驗(yàn)值;tiSIM為噴油脈寬仿真值。從圖4和圖5可以看出,在起動(dòng)初始階段,誤差較大,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況趨于穩(wěn)定,誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。起動(dòng)時(shí),噴油脈寬是根據(jù)相對(duì)燃油量與轉(zhuǎn)換因子相乘得到,其中轉(zhuǎn)換因子是在標(biāo)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行軌壓和油溫修正得到,而相對(duì)燃油量是由發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、噴射次數(shù)查表先得到加濃因子,再與充氣效率計(jì)算得到。經(jīng)過(guò)分析可知,產(chǎn)生誤差的主要原因是標(biāo)定數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定偏差。圖6和圖7分別為怠速時(shí)噴油脈寬的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比。可以看出,該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)噴油脈寬進(jìn)行較好的控制,其偏差百分比控制在11%左右。產(chǎn)生偏差的主要原因是怠速階段許多參數(shù)并不是通過(guò)計(jì)算得到,而是采用查MAP表的方式獲取,因此MAP表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。在現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于發(fā)動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)還不完備,因此通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲取的許多數(shù)據(jù)都存在一定偏差,進(jìn)而造成怠速時(shí)噴油脈寬存在一定偏差。圖8和圖9分別為踏板動(dòng)作時(shí)噴油脈寬的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比,此時(shí)模擬車(chē)輛加速踏板開(kāi)度為3%時(shí)的情況?？梢钥闯?噴油脈寬偏差呈逐步減小的趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。這是由于試驗(yàn)時(shí)加速踏板目標(biāo)值由之前的5%設(shè)定為3%后,其變化存在一定的時(shí)滯。工況點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的實(shí)際加速踏板開(kāi)度為3.5%,工況點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的為3.1%,其后的工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的均穩(wěn)定在3%,這與偏差百分比的變化趨勢(shì)一致,從這一方面也驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)邏輯的正確性。最終噴油脈寬偏差百分比控制在7%左右,取得較好的控制效果。5.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)工況下點(diǎn)火提前角的控制圖10和圖11分別為起動(dòng)時(shí)點(diǎn)火提前角的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比。從圖10中可以看出,在起動(dòng)初始階段,點(diǎn)火提前角較小,其后點(diǎn)火提前角迅速增大并趨于穩(wěn)定。其中工況點(diǎn)1為起動(dòng)開(kāi)始瞬間,其值近似為4°。這是由于在起動(dòng)初始階段,催化器系統(tǒng)需要快速起燃,為達(dá)到正常工作所需的溫度需要采用較小的點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火提前角的偏差百分比為:式中,zwoutEXP為噴油脈寬試驗(yàn)值;zwoutSIM為噴油脈寬仿真值。從圖10、圖11中可以看出,在起動(dòng)初始階段誤差較大,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況趨于穩(wěn)定,誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。起動(dòng)時(shí),點(diǎn)火提前角根據(jù)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度查表計(jì)算得到。經(jīng)過(guò)分析可知,產(chǎn)生誤差的主要原因是由于標(biāo)定數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定偏差,通過(guò)后期的標(biāo)定工作,可以將偏差進(jìn)一步縮小。圖12和圖13分別為怠速時(shí)點(diǎn)火提前角的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比?？梢钥闯?該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)噴油脈寬進(jìn)行較好控制,其偏差百分比控制在1%左右,能夠滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)要求。圖14和圖15分別為踏板動(dòng)作時(shí)點(diǎn)火提前角的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比,此時(shí)模擬車(chē)輛加速踏板開(kāi)度為3%時(shí)的情