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内燃机怠速控制的模型和方法设计


内燃机怠速控制的模型和方法设计
D. Hrovat and Jing Sun Ford Research Laboratory, P.O. Box 2053, MDI170 SRL, Dearborn, MI48121, USA (Received March 1997; in final form June 1997)

摘要:本文调查应用于怠速控

制(ISC)的不同的内燃发动机模型和控制设计方 法。 发动机线性模型用于控制系统的分析与综合,非线性模型用于计算机的仿真 和控制的设计验证。 调查内容包括在生产中经常出现经典设计及那些基于先进控 制理论等,例如 H ? 和 l1 控制列出 50 余篇参考文献。 版权?思唯尔出版公司 1997 关键词:汽车控制;怠速控制;发动机模型;LQG 控制;鲁棒控制;前馈控制。

1. 引言
怠速控制(ISC)是最通用和基本的汽车控制问题,它是汽车控制研究人员 和从业者面临典型的难题。车辆在城市怠速工况(Jurgen,1995)平均燃料消耗 约 30%,在未来增加的交通负荷将进一步增加油耗百分比。因此,在空载时优 化车辆和传动系统的运行是很重要的,特别是在与进燃料经济性,降低排放量, 保证燃烧稳定性好,噪声,振动和舒适性(NVH)方面的需求相矛盾。 通常为了更好的燃油经济性, 应该把发动机的转速调得尽可能低。 经验表明, 定容循环(CVS)怠速每降低 100 转近似于每加仑可以多行一英里以促进燃油经 济性。速度不应过低以至于影响汽车 NVH,附件(例如,发电机, )性能,燃烧 质量。例如,必须防止发动机熄火可能性的所有操作。此外,怠速附近的过渡工 况应平稳控制。 发动机怠速控制的主要目标是尽管有空调,动力转向,发电机等附件负载扰 动和突增的汽车传动动力使转矩不均匀时也要维持所需的转速。 此外,针对大批 量生产的发动机工作在不同的怠速条件(荷载,温度)应能有效的控制,包括不 同运行年限,不同的驾驶客户,在千里之外巨变环境条件。 怠速控制器的主要是输入量是发动机转速。 其他的的输入量还包括节气门位 置,车辆速度,自动变速器负荷不同的前馈指标,空调,动力转向和电池充电系 统和其他测量量,如发动机冷却液温度和气压,反映环境的操作条件。主控输出 或执行方案通过控制发动机空气供给量。空气的控制是通过一个节流旁通阀,顾 名思义,大多数供给的实现是空气流绕过进气歧管主节流板(关闭) 。旁路阀还 在启动时提供空气, 并突然减速时作为一个电子缓冲器。这可以防止熄火和有利 于从高转速到怠速的平稳过渡。 在一些供给系统中,旁通阀的补充由一些不同的 负载信号触发电磁阀供给(Probst,1993) 。作为一种替代旁路阀(S) ,它可以 由油门直接控制(简称电子节气门控制) ,通过直流或步进电机代替传统的机械 控制。 当空气控制路径提供大量的控制权限,其缺点是相关性降低,由于进气歧管 动力学和附随从进气到做功的延迟。一个更快的执行路径是通过点火控制。这通 常是推迟点火伴与它的最大扭矩生产能力有关。为了实现扭矩降低和增加控制, 进入 (怠速) ISC 模式时点火往往是提前一定的角度。 点火控制的缺点是有限的, 因为过多的延迟会导致燃烧的不稳定性,催化剂过热,发动机熄火。由于点火线 圈的限制点火时刻变化也是有限制因素的。 空燃比有时也作为第三个输入变量控

制发动机怠速(Baumgartner 等人,1986) 。然而在大多数情况下,空燃比这个 变量是为实现排放控制的目的, 而不是用于速度调节。 因此, 一个好的怠速 (ISC) 设计会巧妙地利用空气和点火的优势互补控制路径。 ISC 的问题是非常适合闭环控制并可为评估不同的先进控制方法的一个基 准。本论文的环顾不同的发动机怠速(ISC)模型和相应的控制技术。包括基于 常见的生产车辆的传统设计方法,以及不同于“现代”控制的替代品,如 LQ,

H ? ,μ ~综合,和 l1 ~优化为基础的方法。本文的重点将是在福特汽车公司。不
同的 ISC 模型和控制策略的相关经验进行了总结而且, 以比较评估相对的优点和 可能的缺点。此外,福特公司外有代表性的例子也简要讨论。

2.

怠速模型

除了神经网络和基于模糊逻辑控制器以外, 由于 ISC 的设计模型的需要以布 置动力学有关控制技术被大量应用。因为在 ISC 控制主要有利发动机本身布置。 本次调查将主要集中在火花点火式,四冲程,内燃机,怠速运行工况。怠速工况 是发动机转速较低时(通常是 在 500 到 1000 转每分) ,发动机转矩在小转矩到中转矩之间,节气门关闭。 第一个 ISC 发动机研究模型由 Powell(1979) ,Dobner(1980) ,Powell 和 Powers (1981) 和 Coats 和 fruechte (1983) , 基于前辈 Hazell 和 Flower (1971) 模型的简化。 典型发展过程是模型从一个非线性发动机燃烧扭矩动力学 (平均值) 的发展。这样的模型是一系列原理混合导出,包括物理定律,使用经验获得的动 态响应鉴别技术,发动机的空气质量流量(MAF)的稳态数据,速度和扭矩的函 数关系, 节气门和旁通阀开度, 歧管压力 (绝对) MAP, 空燃比和点火 (Powell and Cook,1987;Powell,1987) 图 1 所示 Butts 等人(1995)开发一个典型的非线性的发动机转矩控制模型。该 模型包括: ● 一个非线性函数关 f1 系位于的稳态质量流量 m 和控制输入信号旁通 阀占空比 ?1 之间。 ● 歧管充填动力学产生一个平均压力 P,假定整个流体分布均匀。 ● 空气和燃油变化使扭矩延迟。
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● 发动机泵气效率 f 2 与转速N和进气歧管压力P有一个非线性函数关 系。 ● 稳态动态测量的发动机扭矩 f3 与缸内质量流量 m ,发动机转速N, 空燃比A/F,点火提前角SA为一个函数关系。 ● 发动机的转动动力学包括飞轮和叶轮的惯性。 该模型不包括废气再循环(EGR)动力学,由于 EGR 在怠速时不使用。同时, 燃料通道壁润湿的影响已忽视的, 假设他们通过一个单独的瞬态燃油策略适当补 偿。它也假定操作阀在亚声速流动区域(典型的低负荷运行条件),其中的流动 率与通过阀门的压降无关,而只与阀门的开度有关的函数。 以上模型可以简化为一个的线性模型很得到一个恒定因子空燃比的方程, (sobolak,1983;Takahashi 等人,1985;Jackson,,1988;Mills,1992) 。 相应的模型如图 2 所示, 以 5.0L V8 发动机与位于空挡的传动系统和空调 (Mills, 1992) 。很好的得到了与怠速工况下宽范围的的实验测试数据的关系,随着占主 导地位的模式的频率从 2.15 变化到 4.弧度/秒和相应的阻尼比从 0.27 到 0.46。 由于假设为线性结构模型和一个恒定的空燃比一些计算模型的调整参数是必需 的(通常在 10-20%) , (Mills,1992) 。 进一步的模型简化是可能的,注意到图 2,从旁通阀输入到发动机的输出转 速N有一个二阶传递函数延迟期。二阶动力学是由于两个一阶动态要素:流体充 填动力学和发动机旋转动力学。 纯延迟项是由于进气到做功行程的延误,通常是 约 180 到 360 度曲轴转角,对于一些燃油喷射方案的值可能甚至更大(Hrovat 等人,1996) 。这种延迟在 ISC 的问题不应该被忽略,因为它往往构成闭环动力 学系统主要组成。 一个线性离散模型的模型被莫里斯等人(1981)使用,它作为一个基于“灰 箱”的基础上的开发模型(SanS,1988) 。更具体地,模型构建基于基本物理、 参照辨识技术用于在发动机测功机上获得相关参数的 Landau 模型。此外,作者 改变独立变量时间为曲轴转角。 这减少与发动机的转速有关的模型参数变化,尽 管发动机 ISC 工况下转速变化相对较小。
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相似的用点火控制转速的控制路径,减少延迟时间,并没有其他因素增加。 简化模型如图 3 所示。它的作用路径通过类似点火提前,它会有负载转矩扰动,

不会有延迟时间。该模型由 Williams 等人(1989)开发用于发动机台架试验的 动态监测相应的发动机参数。 参数估计方法, 特别是预测误差方法 (Ljung, 1987) 能提供良好的模型拟合。

上述 ISC 模型只包含发动机进气和扭矩动态分析。 本模型可以扩大到旁通阀 (执行器)和附件负载(扰动)的动态分析(Inoue 和 Washino,1990) 。进一 步扩展的可能包括发动机到变速箱的动态分析;身体灵活度,转向柱的振荡模式 (Radcliffe 等人,1983;Nishimura 和 Katsuyuki,1986) ;多速采样特性(Powell 等人,1987) 。更智能的模型应 包括发动机循环过程和缸与缸的变化的动力学, 它用于降低怠速转速波动控制系 统的设计,这种转速波动是由于单缸的可变性影响的。 ( Shim, 等人 ,1995; Connolly 和 Yagle, 1992)。

3.

控制方法

完整的怠速控制(ISC)问题包含数不同控制阶段,如从/到怠速的过渡,目 标速度跟踪,和调节所需的发动机转速,这是控制的主要目标。本节将主要集中 在使用不同的控制技术调节怠速转速。 就像前面说的, 点火提前提供了一个更快控制路径,这特别有利于发动机负 荷突然变化后获得转速下降 (Powell 和 Powers,, 1981) 。 这在图 4 中可以看到, 图 4 显示没有控制的情况下、进气控制、联合空气旁通阀/点火控制三种情况的 仿真和实际的车辆之间的数据的比较(Morris 和 Powell,1983 ) 。增加点火控 制降低了转速持续时间从 2 秒(40 次燃烧)左右的下降仅 1 秒。相应的转速减 少幅度从原先的 150~200 到 100 转。

通过根获得轨迹分析(Morris 等人,1982;Morris andPowell,1983) 。 ,发 动机转速误差反馈点火内部回路导致增加发动机旋转模式的阻尼, 从而有实现外 部回路高增益控制的使用, 旁通阀的控制路径。 点火反馈回路具有良好的性能是 的它被用于生产。 典型的生产控制策略包括对于空气回路控制,点火比例反馈控制,附件负载 信息使用前馈控制和温度、气压的其他补偿控制方案,其他环境条件的 PID。因 为怠速(ISC)的首要目标是通过操纵旁通阀,PID 控制,特别是重要组成部分 使系统随着一个恒定的所需速度,这是 ISC 策略考虑的核心。调整怠速 PID 控制 器的有效方式是通过提供一个灵敏的指导设计(Kokotovic 和 Rhode,1986) ; Hrovat 和 Johnson, 1991) 。 控制的灵敏度是基于发动机转速误差的最小化的成 本函数。该方法用于一个固定的控制结构,其他基于优化的方法将在下面讨论。 基于 LQ 优化方法被大量作者应用(Powell and Powers,1981,Powers 等人, 1983; Morris 和 Powell, 1983; Takahashi 等人, 1985; baumgarmer 等人, 1986; Abate and DiNunzio,1990;Fraser 等人,1992) 。Powell and Powers(1981) 使用五个状态, 连续时间的发动机模型建立增加点火反馈的潜在优势, Abate and DiNunzio (1990) 通过实验证明 LQ 控制比基于 PID 的传统控制实现更有优越性。

H ? 方法也适用于作为一个 LQ (或 H2 )技术自然延伸向鲁棒控制设计
(Williams 等人,1989;Carnevale 和 Moschetti,1993) 。该方法需要反复尝 试频率加权误差函数调整致动器的过度执行和系统的灵敏度。 由此产生通过旁路 阀的控制频率形 PI 控制和一个点火 PD 控制的回落。通过实验比较,Carnevale 和 moschetti(1993)开发 H ? 控制与LQ控制相比稍快,但噪声响应更大。虽 然作者分析时忽视的进气到燃烧的延迟, 他们认为如果考虑这段延迟仍能达到这 种结果。 虽然由 Williams 等人开发的 H ? 控制提高相对于“优化”的 PID 控制于鲁棒 性(Hrovat and Powers,1990) ,但它不能保持大引擎模型变量的稳定。为了明 确这些扰动或“不确定性”Hrovat 和 Bodenheimer (1993)使用μ 综合技术。 由此产生的控制器能够包含两个非常极端的怠速工况点。 相应的闭环响应的扭矩

单位阶跃扰动如图 5 所示 然而,上述μ -综合控制器引擎变得不稳定,当用点火提前为硬约束。为了 缓解这一问题,Hrovat 和 Zheng(1994)使用模型预测控制(MPC)技术。虽然 无约束的性能稍有恶化,但约束系统在极端操作条件都是稳定的(如图 5 所示, 虚线) 。 改进 ISC 可通过已知或可测量的扰动前馈控制,例如,空气空调和动力转向 载荷。 Powell 和 Powers (1981) 进行的研究表明前馈的潜在优势。 Butts 等 (1995) 解决了使用 l1 范式前馈最优控制问题,在 ISC 表现直接在时域中的表达。虽然相 关的计算有所涉及甚至 SISO 的情况下,该方法可以 ISC 通过前馈补偿实现提供 一个基准为了最好的性能。它还建议,实际执行中,一个相位超前补偿可以用来 代替 l1 前馈控制来实现类似的结果。 (Butts 等人,1995)所做的代表性的模拟结果如图 6 所示,前馈和更快的 驱动器的优势可以清楚地看到。 预先控制的进一步的改进是可能的,预先控制就 是要利用扰动的先进知识。例如 Fraser 等人. (1992) 和 Hrovat (1995)表明, 只有零点几秒转矩扰动提前知道可使峰值转速波动减少十倍。 同时,使用点火和 旁通阀的带宽可以大大减少。由于 ISC 系统扰动最多,如空调,电风扇等,也控 制通过发动机控制模块, 可以通过在怠速旁通阀协调附件负载使预先控制成为可

能。 ISC 设计的其他方法包括基于 QFT 鲁棒设计 (Jayasuriya 和 Franchek,1994; Hamilton 和 Franchek, 1996) ,Kharitonov 定理 (Olbort 和 Powell, 1989; Abate 等人.,1994),自适应控制(mihelc 和 Citron,1984) ,模糊逻辑((Mihelc 和 dosio;1990,Vachtsevanos,1993) ,和基于线性化输入到输出非线性设计 和滑模控制(kjergaard 等人,1994) 。然而,一些工作忽略了进气-燃烧延迟。 此外, 基于神经网络的方法也研究了 ISC (Puskorins 和 Feldkamp, 1993; 1994; Gorinevsky 和 Feldkamp,1995),它表明,大量的在基于 PID 的控制可以改善高 效的算法的实现。 进一步的在 ISC 的性能改进实现应考虑发电机动力学 (Jackson, 19881; Kouadio 等人, 1996) 。特别是后者参考报告改进的空燃比控制,通过可 逆同步发电机的控制防止发动机失速。

上述讨论的所有方法都是用转速信息作为反馈, 基于发动机扭矩控制方案也 被提出(Watanabe 等人., 1992)。替代直接控制引擎速度,这种设计强调维持转 矩提高怠速控制质量。然而,因为发动机转矩不是一个标准的测量变量,这方法 不得不依赖内部模型提供在线发动机扭矩评估,这就会使得从之策略更复杂。 发动机怠速控制的另一个重要方面是实现怠速和打开节气门操作的平稳过 渡。在典型的 ISC 策略中,这种过渡是从调速功能分离控制方案管理。有两种主 要方案设计的控制功能: 一是正确打开节气门旁通阀操作预定位,另一个是在关 闭主节流后和调速器接管控制之前实现从高速立即过渡到怠速。 由于发动机整个工作范围内实现平滑的过渡, 它是必须考虑更复杂的非线性 模型来达到设计和分析的目的。 此外,不像在调速情况下的发动机转速通常足以 表征控制系统的性能,在瞬态是由 NVH 品质,可导性和其他更多的主观属性。因 此,传统的控制变量如发动机转速,它更难表征性能。一个线性设计模型的不足 再加上不直接表征性能很难应用先进控制设计方法到 ISC 的过渡控制。因此,在 文献报道课题开篇很少有结果,且特别流行课题是被解决最多。

4.

结束语
虽然大多数生产发动机怠速控制(ISC)的实现仍基于传统规则,PID 控制

特点, 现代“控制”技术的应用促进了一些有用的指导和提示,已经促使性能改 进。这包括介绍的点火调节,灵敏度调节,鲁棒,自适应,前馈和预控制。这些 和类似的概念的明智的应用, 将进一步的促进 ISC 的性能和鲁棒性。今后的工作 应解决燃油控制的潜力,和一个从/到 ISC 过渡问题。

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