一種精確的基于扭矩發(fā)動機模型

1、摘要： 最近幾年，集成車輛控制系統(tǒng),已經(jīng)發(fā)展到用來提高燃油的經(jīng)濟性和安全性。因此,發(fā)動機控制系統(tǒng)變換成由油門/燃料/點火控制來實現(xiàn)發(fā)動機扭矩需求的系統(tǒng)。本文介紹了基于扭矩的發(fā)動機控制技術(shù)(火花點火引擎提高轉(zhuǎn)矩控制精度利用反饋控制算法和一種氣流傳感器。1、簡介電子控制已廣泛應(yīng)用于電動汽車系統(tǒng),它不僅在發(fā)動機控制系統(tǒng),而且在整車控制里也用到。圖1顯示了電子的發(fā)展趨勢的汽車控制系統(tǒng)。電子發(fā)動機控制,如點火控制和燃料控制技術(shù)最先引進是在20世紀(jì)70年代末，發(fā)動機控制則在接下來的十年形成了電子控制。在20世紀(jì)90年代,組合的發(fā)動機和傳動控制產(chǎn)生了。此外,大量的混合動力電動汽車（HEV）生產(chǎn)開始了,由一個

2、引擎和一個驅(qū)動電機安裝組成。另一方面,電動車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)（比如ABS和循環(huán)控制系統(tǒng)）也隨之產(chǎn)生了。這些系統(tǒng)用于集成車輛控制包括引擎、制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合控制。圖1 汽車控制系統(tǒng)趨勢圖2顯示的是一個集成車輛控制系統(tǒng)。主控制器通過網(wǎng)絡(luò)完全控制發(fā)動機、變速箱、電機、電池、以及剎車系統(tǒng),并且考慮到系統(tǒng)的安全、環(huán)境和舒適。車輛的控制信號是基于扭矩的與牽引轉(zhuǎn)矩和制動扭矩相似。這就是為什么在這個系統(tǒng)中,作為致動器引擎產(chǎn)生牽引扭矩。因此,基于扭矩(扭矩需求)的發(fā)動機控制是一種重要的技術(shù),廣泛應(yīng)用于OEMs和大學(xué)。作者試著改進轉(zhuǎn)矩的控制精度,通過混合控制進氣反饋控制與學(xué)習(xí)地圖控制。圖2集成車輛控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)地

3、圖控制被廣泛地使用著。特別值得注意的是,為滿足排放的規(guī)定,該精確控制地圖在A/F控制（空燃控制）中是必不可少的。另一方面,如此精確的控制技術(shù)沒有被應(yīng)用于轉(zhuǎn)矩控制(進氣控制)是因為社會和工藝的原因。其中一點是一個引擎轉(zhuǎn)矩控制的錯誤是不受法律約束如廢氣排放控制。另一點是很難實現(xiàn)學(xué)習(xí)地圖控制因為進氣和油門的位置是高度非線性的。但是,從操作性能和集成車輛操控系統(tǒng)的角度看，現(xiàn)在對發(fā)動機扭矩控制精度已經(jīng)變得越來越重要了。因此,本文詳細描述了改進學(xué)習(xí)地圖控制技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)矩控制中。2、基于扭矩的發(fā)動機控制2.1 基于扭矩的發(fā)動機控制的概念圖3 基于扭矩的發(fā)動機控制基于扭矩的發(fā)動機控制常用在今天的汽車。圖3顯示

4、的是基于扭矩的發(fā)動機控制的結(jié)構(gòu)。在這個系統(tǒng)中,發(fā)動機扭矩是由一個目標(biāo)節(jié)流閥的位置、許多燃油截止缸、點火時間，這些參數(shù)是由以下程序來決定。(1)基于位置傳感器的油門踏板 ,驅(qū)動程序需要獲得的發(fā)動機扭矩。(2)一個理想的扭矩在安全、車內(nèi)舒適方面選擇所需的扭矩的外部設(shè)備,如牽引力控制系統(tǒng)和巡航控制,和扭矩要求的驅(qū)動。選定的扭矩為發(fā)動機的目標(biāo)扭矩。（3）一個目標(biāo)油門的位置,許多燃油截止缸,點火時間是確定的，因此發(fā)動機扭矩與先前設(shè)定的目標(biāo)過程是相同的。這三個變量被轉(zhuǎn)移到相配的制動器。圖4進氣控制算法(改進前的,僅F / F控制)圖5 表速轉(zhuǎn)矩和進氣的關(guān)系進氣控制在控制發(fā)動機扭矩中應(yīng)用電子控制的油門是有必

5、要的。圖4說明了一個標(biāo)準(zhǔn)正反饋(F / F)操作裝置將會在以后有所改進?？刂朴袃蓚€地圖功能。首先是為了獲得目標(biāo)進氣流量從目標(biāo)轉(zhuǎn)矩根據(jù)試驗結(jié)果在一個A/F= 14.7和點火時間= MBT(最好扭矩的最小的增長)如圖5。另一個是獲得目標(biāo)節(jié)氣閥的位置從標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)進氣流量在試驗基礎(chǔ)上的速度如圖6。該控制算法處理圖4顯示如下:-目標(biāo)轉(zhuǎn)矩被轉(zhuǎn)換成示意圖1中的目標(biāo)進氣量的比率，示意圖1正是基于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化效率對于空氣燃油混合比和點火提前角的要求的修正（比如，在認(rèn)識燃燒運行方式時，催化劑加熱就可以應(yīng)用于點火提前角的延遲）- 目標(biāo)進氣在給定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速獲得歸一化進氣流動下以最大氣流被分開。- 從規(guī)范進氣和發(fā)動機轉(zhuǎn)

6、速來看,目標(biāo)油門的位置通過地圖功能二來估算。圖6 進氣歸一化以及油門位置的關(guān)系在發(fā)動機控制里，外部設(shè)備的接口是轉(zhuǎn)矩如前所述的基于扭矩的發(fā)動機控制是與外部設(shè)備高度兼容的，并能很容易地并入集成底盤控制系統(tǒng)?；谂ぞ氐陌l(fā)動機控制,也能改善操作靈活性如果目標(biāo)轉(zhuǎn)矩預(yù)計鎮(zhèn)壓底盤振動（取決于加速或減速）。2.2 基于扭矩的發(fā)動機控制的發(fā)展目標(biāo)（趨勢）基于扭矩的發(fā)動機控制過程如圖3是由目標(biāo)轉(zhuǎn)矩計算和扭矩轉(zhuǎn)換。前者要產(chǎn)生最理想的目標(biāo)扭矩才能達到一個舒適的乘車。后者產(chǎn)生的指令是與啟動器有關(guān)的引擎扭矩導(dǎo)致發(fā)動機的扭矩輸出與目標(biāo)的扭矩相同。在這篇文章中我們集中于改善后后一進程的準(zhǔn)確性,因為轉(zhuǎn)矩控制里的誤差折衷于最優(yōu)目

7、標(biāo)扭矩。轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)是:-指示扭矩誤差少于5Nm-制動扭矩誤差小于10Nm3 提高扭矩控制的精度分析的扭矩控制的誤差因素基于扭矩的發(fā)動機控制中的扭矩誤差控制已經(jīng)被實驗驗證。轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)精確的控制著制動扭矩。另一方面,制動力矩是通過減少指定的扭矩燃燒所產(chǎn)生的摩擦力矩中獲得的。因此,我們首先要關(guān)注表明扭矩。通過燃燒壓力傳感器來測量表明扭矩安裝如圖7。表1列出了發(fā)動機規(guī)格試驗車輛。燃燒壓力傳感器放在一個汽缸里，它的信號是由Pi 儀表來處理。結(jié)果表明,平均有效壓力被轉(zhuǎn)化為表明轉(zhuǎn)矩：Ti = PiV/4Ti：表明扭矩Nm) Pi:表示平均有效壓力PaV:發(fā)動機位移(m)圖7 表明轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)切記,燃

8、料與扭矩密切相關(guān),燃油量的注射由適當(dāng)比例的進氣流（由空氣流量傳感器來判斷）來決定,因為在測試車輛里的燃油噴射系統(tǒng)是基于L型葉特朗尼克(L-Jetronic)系統(tǒng)。因此,一個測量進氣流量的誤差能預(yù)料對指示的扭矩可產(chǎn)生巨大影響。為闡明這一影響,我們還測量了除了表明轉(zhuǎn)矩之外的進氣流;其結(jié)果如圖8。進氣流和標(biāo)明扭矩都有超過目標(biāo)10%的誤差。指示扭矩的最大誤差大約15Nm,大大超過目標(biāo)5海里)。盡管如此,這兩個錯誤在趨勢和振幅方面都是相似的。這意味著顯示扭矩誤差源于進氣誤差,從而改善進氣控制對目標(biāo)扭矩的精度是非常重要的。圖8 試驗結(jié)果表明前轉(zhuǎn)矩控制算法的改進3.2 進氣控件的誤差因素分析進氣控制的一個誤

9、差因素分析如圖9。進氣控制困難在這里被認(rèn)為有兩個原因。一是進氣與油門位置是強非線性,使確定一個目標(biāo)油門的位置困難。如圖6,當(dāng)油門的位置是少于20,歸一化的進氣改變會影響節(jié)流閥位置的微弱改變,這種反應(yīng)是在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時是值得強調(diào)的。因此,當(dāng)目標(biāo)油門的位置是設(shè)定為示意圖功能在第二章節(jié)所提到的,大小和解決網(wǎng)格等示意圖上的功能必須設(shè)置,改變地圖的數(shù)據(jù)，甚至在圖6的敏感地區(qū)都不能使控制的精度惡化,。目標(biāo)油門的位置也可依物理模型以進氣多樣化代替地圖功能。在這種情況下,一個準(zhǔn)確的模型能描述這種非線性如圖6是必要的。進氣控制困難的第二個原因是空氣密度隨溫度和壓力有所改變。同樣的油門的位置,進氣的質(zhì)量可以不同

10、（取決于天氣或駕駛狀態(tài)）。即使在給定的時間和地點來足夠精確的調(diào)諧地圖函數(shù)和物理模型, 當(dāng)環(huán)境改變的情況下進氣控制的誤差會發(fā)生。圖9 進氣控制的錯誤因素分析3.3 改善進氣控制為了處理這些因非線性和環(huán)境的變化造成的進氣控制困難的,前饋單獨控制并不能充分滿足這個扭矩目標(biāo)的精度。所以,我們提出了一種新的進氣控制方法：加入反饋控制。圖10闡明了我們的研究的三種不同的組合前饋-回饋控制。想法C是被推薦的控制。想法A是用燃燒壓力傳感器測量指示扭矩?；谀繕?biāo)扭矩誤差，反饋控制為目標(biāo)油門的位置計算修正數(shù)據(jù)。然而,燃燒壓力傳感器不常用在生產(chǎn)汽車,主要取決于費用問題3。想法B是用空氣流量傳感器代替燃燒壓力傳感器,

11、 空氣流量傳感器廣泛地用于發(fā)動機控制。因此反饋控制精通于進風(fēng)流而不是扭矩。圖10 改善進氣控制的方法圖11 估計顯示轉(zhuǎn)矩和進氣的關(guān)系圖11是描述了每循環(huán)進氣的指示扭矩散點圖,顯示空燃比A/F設(shè)置成MBT。這個圖揭示了線性的和魯棒性以及指示扭矩可以精確預(yù)估之間的關(guān)系。因此,更換傳感器是合情合理的。一個值得關(guān)心的問題是很難設(shè)計一個反饋控制的收益,不正確的收益會引起扭矩錯誤,或在最糟糕的情況下調(diào)速不勻。為彌補反饋控制的缺點,我們在想法B中增加了一個地圖功能。這個地圖功能可以即時的更新通過學(xué)習(xí)檢索中使用的測試值和插值 . 想法C是被推薦的控制,它將在下一章節(jié)作詳細的討論。4 所推薦的操作裝置和實驗結(jié)果

12、該進氣控制與學(xué)習(xí)地圖功能見插圖12和圖13。該控制的實驗結(jié)果如圖14。這個控制用圖形作了討論。圖12 進氣學(xué)習(xí)控制的流程圖(1)前饋控制基于圖11,目標(biāo)轉(zhuǎn)矩被轉(zhuǎn)化為目標(biāo)氣流,從目標(biāo)油門的位置獲得非線性地圖功能,如圖6 .前饋控制對上述誤差因素事比較敏感的。事實上,圖14的扭矩和進氣都偏離了目標(biāo)。(2)組合前饋-反饋控制只有當(dāng)轉(zhuǎn)速和進氣幾乎不變的情況下，反饋控制開始生效，聯(lián)合前饋-反饋控制才開始,。這個反饋控制有一個積分器,能微調(diào)目標(biāo)油門的位置。有了這個反饋控制,進氣和轉(zhuǎn)矩錯誤均能同時減少。為了避免震蕩,反饋控制開始1秒后（即使它沒有融合）終止。反饋控制的輸出在每次控制終止時被儲存在地圖功能上。

13、所以即使是它是在融合前終止,它也不能很好地補償進氣出錯,這張地圖功能在每次學(xué)術(shù)評價儲存時逐漸變得精確。(3)學(xué)習(xí)地圖功能反饋控制進行了修正油門位置的數(shù)據(jù),直到它被終止。當(dāng)反饋控制終止時,修正數(shù)據(jù)都被儲存在三維地圖功能，如圖13。地圖的坐標(biāo)軸是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負(fù)荷。兩者都有8個點,所以88矩陣有64個修正數(shù)據(jù)。價值標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)置在關(guān)于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷最近的地點。當(dāng)修正數(shù)據(jù)被用于地圖上的控制輸出功能，這個功能是一個有環(huán)繞4點的內(nèi)插值。(4)前饋控制的學(xué)術(shù)價值反饋控制完成后,糾正目標(biāo)油門位置是有學(xué)習(xí)地圖功能來完成的。校正值的恢復(fù)取決于引擎轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和添加到原先的目標(biāo)油門的位置（前饋控制而產(chǎn)生的）。通過該操作

14、裝置,進風(fēng)流和指示扭矩與他們的投放范圍的偏差減少了。前面提到的插值創(chuàng)造了一個順暢的油門位置,這意味著這個被推薦的控制對對操作靈活性有一點影響。圖14進氣學(xué)習(xí)控制的時間圖表學(xué)習(xí)地圖功能進氣流控制的實驗結(jié)果有圖15顯示了實驗結(jié)果表明所推薦的控制。這個目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的程序類似于圖8。然而完成學(xué)習(xí)地圖功能,測試員駕駛車輛在不同條件下對底盤動力計大約30分鐘進氣的偏差扭和指示扭矩與他們的目標(biāo)大幅度減少,從指示扭矩的錯誤降低到Nm),實現(xiàn)目標(biāo)5Nm)。在這個實驗中,油門目標(biāo)位置的最大糾正值是4。然而沒有轉(zhuǎn)矩震蕩來惡化舒適旅行,當(dāng)修正數(shù)據(jù)從地圖功能上恢復(fù)時多虧了插值。圖15 指示轉(zhuǎn)矩控制算法改進后試驗結(jié)果5

15、結(jié)論隨著大量電控油門及車輛控制汽車生產(chǎn)，基于扭矩發(fā)動機控制有望成為標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機控制。本文中我們討論了改善轉(zhuǎn)矩控制精度,是目前在基于扭矩控制中最重要的問題之一。(1)為獲得準(zhǔn)確的引擎制動器轉(zhuǎn)矩控制,我們針對指示力矩可以由電控油門及噴油嘴控制。實驗表明,指示轉(zhuǎn)矩和進氣是有線性關(guān)系的。因此,我們控制進氣而不是控制指示扭矩。(2)只利用前饋控制是很難準(zhǔn)確的控制進氣,因為進氣以及油門位置是高度非線性的,也因為溫度和壓力是隨著操作條件改變的。因此,我們推出了聯(lián)合前饋-反饋控制與學(xué)習(xí)的地圖。(3)所提出得聯(lián)合前饋-反饋控制與學(xué)習(xí)地圖有一個進氣的氣流傳感器反饋回路。在指示扭矩誤差小于5Nm的發(fā)展目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)了。參考1. T. Bertram, et al.：CARTRONIC- An OpenArchitecture for Networking the Control Systems ofan Automobiles, S