發(fā)動機怠速進氣量計算控制策略的實現(xiàn)

朱 敏，鄭建波，徐 鳳，王 愷，張春嬌，張凡武，田豐民

(東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430056)

前言

怠速是發(fā)動機運行時的一種重要工況，汽車在交通密度大的道路上行駛時，約有30%的燃油消耗在怠速工況，在汽車工況法排放測試中，怠速排放的CO和HC通常占總排放量的70%左右，因此怠速控制的好壞直接關(guān)系到車輛性能的高低。怠速轉(zhuǎn)速過高，將使燃料消耗增加，造成不必要的浪費;而怠速轉(zhuǎn)速過低，則使廢氣對缸內(nèi)混合氣的稀釋作用明顯增強，若負荷或阻力稍有變化將導(dǎo)致發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定甚至熄火。對怠速工況進行有效的控制，不僅可降低尾氣排放，還能提高汽車的燃油經(jīng)濟性［1］。

目前發(fā)動機怠速控制多為電子控制系統(tǒng)，主要通過控制進氣量、點火角和噴油量使發(fā)動機怠速穩(wěn)定，本文中介紹了一種怠速進氣量的閉環(huán)控制算法，通過進氣量控制節(jié)氣門的開度，使發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速一致。

1 怠速進氣量的工作原理

怠速控制主要包括發(fā)動機起動控制、正常怠速控制(無負荷運行)和負荷變化時的怠速控制。本文的控制策略以使用電子節(jié)氣門的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，首先計算正常怠速下的進氣量，并由電控系統(tǒng)將算得的怠速進氣量轉(zhuǎn)換為發(fā)動機有效轉(zhuǎn)矩輸出比，然后通過各種電氣負荷和點火角的修正得到請求的轉(zhuǎn)矩輸出比，請求轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)速共同決定節(jié)氣門開度［2］，使實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速一致。

具體的工作原理見圖1，其中有效轉(zhuǎn)矩輸出比、請求轉(zhuǎn)矩輸出比和節(jié)氣門目標開度的確定可通過發(fā)動機標定得到，這里只進行進氣量的計算分析。

2 怠速進氣量計算的系統(tǒng)設(shè)計

正常怠速進氣量主要通過閉環(huán)控制，由基本進氣量、PID修正和自學習修正3部分組成。其中基本進氣量根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)(冷卻水溫、進氣溫度等)確定;PID修正由發(fā)動機轉(zhuǎn)速的波動決定，主要功能是使實際轉(zhuǎn)速跟隨目標值的變化而變化;此外，為減小發(fā)動機零部件和制造過程差異帶來的進氣量需求偏差，增加了進氣量自學習的過程，從而減小靜態(tài)誤差。具體的實現(xiàn)過程如圖2所示。

其中學習值的計算過程基于閉環(huán)控制中的I項，主要學習過程是根據(jù)實際轉(zhuǎn)速偏移目標轉(zhuǎn)速的差值，在I項的基礎(chǔ)上按照一定的步進量對進氣量進行累加或遞減，修正制造和零部件差異，從而減小I項的波動，學習值的計算流程如圖3所示。

3 基于Simulink的功能實現(xiàn)

根據(jù)上述進氣量的計算過程，基于Simulink設(shè)計了一套怠速進氣量計算的控制策略。在整個過程中首先確定閉環(huán)控制的使能條件，然后根據(jù)實際轉(zhuǎn)速和目標值的差值進行PID調(diào)節(jié)和自學習值修正。

3.1 閉環(huán)控制使能條件

進氣量閉環(huán)使能至少須滿足下列任何一個條件:(1)加速踏板處于釋放狀態(tài)(APPS_r=APPS_rRelease)且發(fā)動機轉(zhuǎn)速(Eng_n)與其目標值(Eng_nDes)的差值在一定范圍內(nèi);(2)加速踏板處于釋放狀態(tài)且車速(VSS_vs)低于某個范圍。

禁止閉環(huán)控制至少須滿足下列任何一個條件:(1)制動踏板踩下;(2)ABS使能;(3)系統(tǒng)處于斷油狀態(tài);(4)不滿足閉環(huán)使能條件。

實現(xiàn)過程如圖4所示，在這個過程中為了防止系統(tǒng)在閉環(huán)和開環(huán)之間頻繁切換，當閉環(huán)使能的條件滿足后，要穩(wěn)定一段時間(ISC_tiCloseLoop)才能真正使能閉環(huán)控制，另外發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速的變化都引入了遲滯，同樣用于消除使能條件的頻繁跳變，使進氣量的控制變得更加平滑。

3.2 進氣量PID閉環(huán)控制的實現(xiàn)

PID控制過程如圖5所示，主要通過實際轉(zhuǎn)速和目標轉(zhuǎn)速的差值計算得到，其中P項(ISC_mProportional)的計算基于轉(zhuǎn)速的差值;D項的計算基于50ms內(nèi)轉(zhuǎn)速差值的變化量(Eng_nDelta50ms);I項的計算也是基于轉(zhuǎn)速的差值，為了精準控制，將轉(zhuǎn)速差值的范圍分為多個部分(Axis_nIdlSpd6)，同時按照實際轉(zhuǎn)速高于目標值還是低于目標值分別控制。如果需求進氣量大于最大值(ISC_mMax)或者小于最小值(ISC_mMin)，I項將不再增加，如果系統(tǒng)從開環(huán)進入閉環(huán)(ISC_stCloseTransit=1)則I項復(fù)位為積分基本值(ISC_mIntegBase)，防止積分量過大或飽和，導(dǎo)致閉環(huán)控制無法正常工作。3個修正量只在閉環(huán)情況下起作用，當系統(tǒng)開環(huán)時均遞減為0，PID控制為維持怠速的穩(wěn)定起到了重要的作用。

3.3 進氣量學習值算法的實現(xiàn)

為減小系統(tǒng)的靜態(tài)誤差在I項的基礎(chǔ)上進行進氣量的自學習，主要過程是通過發(fā)動機的負荷狀態(tài)，每過一定的時間，根據(jù)發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速和目標值的差值對氣量進行累加或者遞減。圖6為當發(fā)動機負荷狀態(tài)(ISC_stDelSel)不同時，選擇不同的進氣量的學習值作為最終學習值(ISC_mLrnFinal)。其中每一種工況的學習過程如圖7所示，當自學習使能條件滿足后(ISC_stLrn=1)，由轉(zhuǎn)速偏差得到兩個學習值的遞變量(ISC_mLrnDecrease、ISC_mLrnIncrease)，進而累計計算進氣量學習值，如果學習條件不滿足則學習值表示不變。當學習禁止轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習使能的瞬間狀態(tài)(ISC_stLrnTransit)，用于對學習值的初始化，初始值是基于積分量計算得到的。

自學習使能條件必須同時滿足:(1)閉環(huán)使能條件;(2)冷卻水溫大于設(shè)定值。

3.4 正常怠速下進氣量計算的實現(xiàn)

最終進氣量(ISC_mReq)通過基本進氣量(ISC_mBas)、PID修正和自學習修正求和得到。當求和結(jié)束后，為防止怠速進氣量無限增大或者減小導(dǎo)致的怠速失控，要對需求進氣量進行最大值和最小值的限定，如果超過限值表明標定或者控制算法不完善，須重新試驗和調(diào)試，主要實現(xiàn)過程如圖8所示。其中基本進氣量由冷卻水溫(CTS_t)和進氣溫度(MAT_s)決定。

3.5 策略驗證

為保證控制算法的正確性，進行了實車驗證，結(jié)果如圖9所示。

由圖可見，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在未踩加速踏板和松開踏板時能夠跟隨目標轉(zhuǎn)速運行，且靜態(tài)誤差較小，由非怠速向怠速變化的過程中轉(zhuǎn)速波動較小，實際值和目標值的差值小于50r/min，符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過對發(fā)動機正常怠速控制的分析，設(shè)計了正常怠速下計算進氣量的控制策略，并在實車上進行了驗證。結(jié)果表明，該控制策略能滿足設(shè)計要求，使發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定跟隨目標轉(zhuǎn)速運行，失速在合理的范圍內(nèi)。

［1］ 原霞，張翠平，楊慶佛．發(fā)動機怠速穩(wěn)定性控制方法的分析研究［J］．太原理工大學學報，2003，34(2):181 －183．

［2］ 韓玉敏，金延軍．基于80C196KC單片機的汽車發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．佳木斯大學學報(自然科學版)，2007，25(2):155－157．