基于扭矩協(xié)調(diào)的GDI汽油機控制系統(tǒng)研究與開發(fā)

陳 杰 張 瀛 趙玉靜 趙曉飛 吳 鏑 李亞丹

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 前言

隨著被控對象不斷增加與控制精度不斷提高，汽車電子控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，控制難度也越來越大?；谂ぞ氐陌l(fā)動機控制系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)發(fā)動機控制系統(tǒng)的缺點，能有效協(xié)調(diào)整個車輛系統(tǒng)的內(nèi)、外部扭矩需求，使發(fā)動機工作在最佳狀態(tài)[1]。

德國BOSCH公司的Gerhardt J等人提出了基于扭矩的車用發(fā)動機控制系統(tǒng)架構(gòu)[2]，以物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過簡化提煉，得到了以車輛扭矩為核心的發(fā)動機控制策略模型，對發(fā)動機控制策略的開發(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)，并沒有實際應(yīng)用于發(fā)動機臺架測試和驗證中。英國Ricardo公司的Heintz N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)計思想，為未來功能的擴充提供了足夠空間[3]。張凡武在基于扭矩的思想上開發(fā)出了控制系統(tǒng)模型并將其運行于自主研發(fā)的ECU系統(tǒng)中[4]。本文介紹了自主研發(fā)的控制算法，包括進氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、怠速控制等，并結(jié)合WoodWard公司的MotoTron快速原型進行臺架測試。

2 發(fā)動機控制系統(tǒng)

發(fā)動機電子控制系統(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)動機的運行工況。傳統(tǒng)的發(fā)動機電子控制系統(tǒng)由于沒有統(tǒng)一接口，各子系統(tǒng)的工作均會對發(fā)動機控制參數(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)先級不得不在每個子系統(tǒng)中單獨定義，因此易導(dǎo)致同時出現(xiàn)相互矛盾的要求。各個扭矩需求缺乏中心協(xié)調(diào)會造成不同的扭矩需求之間產(chǎn)生相互影響，特別是在工況點切換的過程中，最終導(dǎo)致不同子系統(tǒng)的標定數(shù)據(jù)之間具有很強的相互依賴性。

在基于扭矩協(xié)調(diào)的發(fā)動機電子控制系統(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)先級并進行協(xié)調(diào)，最終優(yōu)先實現(xiàn)最重要的扭矩需求。其中，加速踏板開度信號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，最終計算出目標節(jié)氣門開度。此外，還可以通過扭矩的測量，對指示扭矩進行閉環(huán)控制，或利用發(fā)動機平均值模型設(shè)計一套扭矩在線估算算法對扭矩進行估算，從而實現(xiàn)發(fā)動機扭矩閉環(huán)控制。

基于扭矩的控制系統(tǒng)主要包含兩個核心的協(xié)調(diào)功能，即扭矩需求管理和扭矩轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，如圖1所示。

扭矩需求管理器的主要任務(wù)是優(yōu)先級處理，通過某種對最小值/最大值的選擇來實現(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)化實現(xiàn)的功能中，將目標扭矩需求轉(zhuǎn)化成有效的控制輸出，這些輸出主要包括節(jié)氣門開度、點火正時和噴油正時（包括各缸獨立斷油）等。此外，采用渦輪增壓的發(fā)動機還需要考慮對廢氣閥的控制。

3 基于扭矩的控制策略及模型

發(fā)動機內(nèi)部需求扭矩主要來自最高轉(zhuǎn)速限制、怠速控制、爆震控制、部件保護等；而外部需求扭矩主要來自與整車相關(guān)的需求扭矩，如踏板扭矩、巡航控制扭矩、變速器、整車附件等。內(nèi)部和外部的需求扭矩進行協(xié)調(diào)后，得到總的需求扭矩。需求扭矩經(jīng)過協(xié)調(diào)后分為氣路扭矩和火路扭矩，氣路扭矩主要是通過改變氣缸內(nèi)進氣充量來實現(xiàn)，由氣路扭矩計算得到期望進氣量，再由期望進氣量計算節(jié)氣門開度，同時計算各缸實際噴油量，從而實現(xiàn)對氣路的控制；火路扭矩通過曲軸正時控制器計算期望點火角，當(dāng)扭矩干涉點火角的標志位置高時，期望點火角就會被設(shè)置為最終的點火角而輸出。

所搭建的基于扭矩的GDI汽油機控制模型以扭矩為中間協(xié)調(diào)模型，將汽油機各個變量參數(shù)如節(jié)氣門位置、空燃比、點火提前角、轉(zhuǎn)速等聯(lián)系起來，進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。本模型采用Matlab/Simulink軟件搭建。

3.1 扭矩需求

分別以怠速控制和踏板扭矩為例，闡述系統(tǒng)是如何實現(xiàn)內(nèi)部和外部扭矩需求的。

3.1.1 怠速控制

對于發(fā)動機怠速控制，首先需要通過查表的方式由發(fā)動機當(dāng)前溫度計算出發(fā)動機怠速目標轉(zhuǎn)速值，既把發(fā)動機怠速目標轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成怠速扭矩需求。當(dāng)發(fā)動機處于跛行回家模式、空調(diào)開關(guān)打開、油門踏板出現(xiàn)錯誤及轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)開啟等情況時，需要考慮其對發(fā)動機怠速目標轉(zhuǎn)速值的影響，進而采取措施對其加以修正。當(dāng)?shù)玫桨l(fā)動機怠速目標轉(zhuǎn)速值后，通過怠速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. 火路扭矩是由油門踏板開度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速決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)化為目標點火角，并最終輸出點火提前角的全過程扭矩。

b.氣路扭矩是由油門踏板開度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定的初始氣路扭矩需求，經(jīng)一系列扭矩協(xié)調(diào)后，將扭矩轉(zhuǎn)化為期望進氣量，并最終指導(dǎo)節(jié)氣門閥片動作過程的全部扭矩。

通過怠速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部扭矩主要由目標轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值積分計算得到；P部扭矩主要由目標轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值乘以標定系數(shù)計算得到。

I部怠速扭矩為：

式中，KI為I部分的比例系數(shù)；ntarget為發(fā)動機轉(zhuǎn)速目標值；nactual為發(fā)動機轉(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充氣量和點火角。

3.1.2 踏板扭矩

通過查表方式由發(fā)動機轉(zhuǎn)速及踏板開度計算得到踏板需求扭矩：

式中，Lookup2D為二維查表的計算方法；αpedal為踏板開度；γDT為主減速比；Torqueaccessories為附件補償扭矩。

3.2 扭矩協(xié)調(diào)

對于扭矩協(xié)調(diào)管理器，當(dāng)接收到不同的扭矩需求時，首先要參考火路扭矩需求的大小以對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備的需求，最終按重要順序來協(xié)調(diào)各種扭矩需求。完整的氣路扭矩需求協(xié)調(diào)過程如圖2所示，其中MIN為計算輸入量的最小值，MAX為計算輸入量的最大值。

對于火路扭矩需求協(xié)調(diào)，其過程與氣路扭矩協(xié)調(diào)類似，因此不再贅述。

3.3 扭矩實現(xiàn)

經(jīng)扭矩協(xié)調(diào)后的變量分為氣路和火路兩路，氣路扭矩用來計算氣路扭矩需求和扭矩預(yù)留值;火路扭矩需求按照標志位信息分為點火扭矩需求和斷油扭矩需求。

扭矩需求通過查表得到期望進氣量和期望點火角，其用于進氣系統(tǒng)和點火系統(tǒng)的計算，實現(xiàn)對發(fā)動機噴油、點火系統(tǒng)的干涉。

4 快速原型的測試

快速原型仿真是實時仿真的一種，其處于產(chǎn)品研發(fā)的算法設(shè)計階段與具體實現(xiàn)階段之間,是產(chǎn)品研制過程中的重要環(huán)節(jié)[5,6]?？焖僭蜏y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，通過自動代碼生成技術(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，并連接實際被控對象而進行控制算法的實物驗證。

本文基于扭矩的控制算法都是利用Simulink軟件實現(xiàn)的，通過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經(jīng)過控制器的運算，實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制，進而實現(xiàn)對發(fā)動機的控制。圖3為傳感器、控制器和執(zhí)行器3者的關(guān)系簡圖，其中不體現(xiàn)時間調(diào)度、繼電器控制以及CAN總線標定協(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自動生成代碼[7]，由gcc編譯器將代碼轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行文件，其中包括3個文件即程序文件（SRZ格式）、數(shù)據(jù)文件（A2L格式）和庫文件（DLL格式）。將此3個文件下載到MotoTron快速原型中，然后將發(fā)動機的傳感器和執(zhí)行器通過線束連接到快速原型上，即可到臺架上進行測試。利用數(shù)據(jù)采集工具記錄下發(fā)動機起動狀態(tài)、怠速狀態(tài)以及踏板開度為3%時的相關(guān)測試數(shù)據(jù)，主要監(jiān)控噴油脈寬和點火起始角。

5 試驗設(shè)備及結(jié)果分析

5.1 試驗用發(fā)動機

將模型下載到ECU中后，就可以在臺架上對控制器進行驗證。試驗用發(fā)動機性能參數(shù)見表1。

表1 試驗發(fā)動機性能參數(shù)

5.2 試驗結(jié)果分析

在發(fā)動機起動階段、怠速階段和加速階段工況下，對比噴油脈寬和點火提前角在臺架試驗和模型仿真中的結(jié)果，從而驗證控制器中代碼運行的正確性。

5.2.1 噴油脈寬試驗結(jié)果

圖4為起動時噴油脈寬試驗值與仿真值對比?？梢钥闯?，在起動階段噴油量呈逐漸減少的趨勢，其中工況點1為起動開始瞬間，其值近似為8 ms。圖5為起動時噴油脈寬試驗值與仿真值差值百分比，該值計算公式（該公式也適于怠速時及踏板動作時噴油脈寬的偏差百分比計算）為：

式中，tiEXP為噴油脈寬試驗值；tiSIM為噴油脈寬仿真值。

從圖4和圖5可以看出，在起動初始階段，誤差較大，隨著發(fā)動機工況趨于穩(wěn)定，誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。起動時，噴油脈寬是根據(jù)相對燃油量與轉(zhuǎn)換因子相乘得到，其中轉(zhuǎn)換因子是在標定的轉(zhuǎn)換系數(shù)基礎(chǔ)上進行軌壓和油溫修正得到，而相對燃油量是由發(fā)動機溫度、噴射次數(shù)查表先得到加濃因子，再與充氣效率計算得到。經(jīng)過分析可知，產(chǎn)生誤差的主要原因是標定數(shù)據(jù)與實際情況存在一定偏差。

圖6和圖7分別為怠速時噴油脈寬的試驗值與仿真值對比及偏差百分比。可以看出，該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動機怠速時噴油脈寬進行較好的控制，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)并不是通過計算得到，而是采用查MAP表的方式獲取，因此MAP表數(shù)據(jù)的準確性非常關(guān)鍵。在現(xiàn)階段開發(fā)過程中，由于發(fā)動機本體設(shè)計還不完備，因此通過臺架試驗獲取的許多數(shù)據(jù)都存在一定偏差，進而造成怠速時噴油脈寬存在一定偏差。

圖8和圖9分別為踏板動作時噴油脈寬的試驗值與仿真值對比及偏差百分比，此時模擬車輛加速踏板開度為3%時的情況?？梢钥闯觯瑖娪兔}寬偏差呈逐步減小的趨勢并趨于穩(wěn)定。這是由于試驗時加速踏板目標值由之前的5%設(shè)定為3%后，其變化存在一定的時滯。工況點1對應(yīng)的實際加速踏板開度為3.5%，工況點3對應(yīng)的為3.1%，其后的工況點對應(yīng)的均穩(wěn)定在3%，這與偏差百分比的變化趨勢一致，從這一方面也驗證了本控制系統(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 點火提前角試驗結(jié)果

圖10和圖11分別為起動時點火提前角的試驗值與仿真值對比及偏差百分比。從圖10中可以看出，在起動初始階段，點火提前角較小，其后點火提前角迅速增大并趨于穩(wěn)定。其中工況點1為起動開始瞬間，其值近似為4°。這是由于在起動初始階段，催化器系統(tǒng)需要快速起燃，為達到正常工作所需的溫度需要采用較小的點火提前角。點火提前角的偏差百分比為：

式中，zwoutEXP為噴油脈寬試驗值；zwoutSIM為噴油脈寬仿真值。

從圖10、圖11中可以看出，在起動初始階段誤差較大，隨著發(fā)動機工況趨于穩(wěn)定，誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。起動時，點火提前角根據(jù)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機溫度查表計算得到。經(jīng)過分析可知，產(chǎn)生誤差的主要原因是由于標定數(shù)據(jù)與實際情況存在一定偏差，通過后期的標定工作，可以將偏差進一步縮小。

圖12和圖13分別為怠速時點火提前角的試驗值與仿真值對比及偏差百分比。可以看出，該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動機怠速時噴油脈寬進行較好控制，其偏差百分比控制在1%左右，能夠滿足開發(fā)目標要求。

圖14和圖15分別為踏板動作時點火提前角的試驗值與仿真值對比及偏差百分比，此時模擬車輛加速踏板開度為3%時的情況?？梢钥闯觯c火提前角的波動被控制在4%左右，取得了較好的控制效果。

6 結(jié)束語

在發(fā)動機控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，基于Simulink模型的算法完成后，用模型自動生成的可執(zhí)行文件下載到快速原型控制器中，并連接實際被控對象，進行控制算法的實物驗證。臺架測試的結(jié)果表明，所研發(fā)的控制策略可以使發(fā)動機穩(wěn)定起動，并在怠速和小負荷工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

1 Mencher B,Jessen H,Kaiser L,et al.Preparing for Cartronic interface and New Strategies for Torque Coordination and Conversion in a Spark Ignition Engine Management System.SAE Paper 2001-01-0268.

2 Gerhardt J,H?nninger H,Bischof H.A New Approach to Functional and Software Structure for Engine Management Systems-BOSCH ME7.SAE Paper 980801.

3 Heintz N,Mews M,Stier G,et al.An Approach to Torque-Based Engine Management Systems.SAE Paper 2001-01-0269.

4 張凡武.基于扭矩的汽油機控制模型開發(fā)及驗證.汽車科技，2010，（3）：16～21.

5 陳杰，李剛，仇玉林，等.基于Simulink模型的數(shù)據(jù)定標問題研究.汽車技術(shù)，2012,（11）:17～19.

6 雷葉紅，張記華，張春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平臺的實時仿真技術(shù)研究.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2005,（10）:131～135.

7 李強，王民鋼，楊堯.快速原型中Simulink模型的代碼自動生成.電子測量技術(shù)，2009,（2）：28～31.