CN100429390C - 用于改进可变几何形状涡轮增压器中的瞬态响应的控制系统 - Google Patents
用于改进可变几何形状涡轮增压器中的瞬态响应的控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种可变几何形状涡轮增压器所用的控制系统包括管理程序逻辑(12)，用于为超过差值阈值的所需与先前控制信号输入的较大变化选择脉冲控制输出(24)，而为较小的控制信号输入变化选择正常控制信号(26)。控制系统根据输入控制信号变化或涡轮增压器中的可变几何形状系统的实际与所需位置的对比来计算脉冲控制输出的振幅和持续时间。
Description
本申请对2002年6月28日提交的序号为60/392,923的美国临时专利申请和2003年6月24日提交的美国非临时申请(序号还未得到)的权益提出要求，其在此引入作为参考。
技术领域
本发明整体涉及涡轮增压器控制系统领域，尤其涉及一种用于改进可变几何形状涡轮增压器的瞬态响应时间的系统和方法。
背景技术
需要涡轮增压器在较宽范围的发动机速度和负载下运行。此前已经开发了用来通过控制提供给涡轮增压器的涡轮的废气而精确地控制由涡轮增压器提供的助推力的系统。一般地，用于控制由涡轮增压器提供的助推力大小的控制机构包括某些类型的能有效地改变涡轮入口喷嘴的几何形状的可变几何形状机构。举例来说，这种机构可包括位于喷嘴中的多个可动式空气动力导流片，或者带有或不带叶片的活塞，其包括可相对于固定式喷嘴壁沿轴向运动的喷嘴的一个壁。对这些机构的控制随应用情况而变，并且可包括气动、机电、液压和电动液压致动系统。对致动系统的控制可为开环或闭环或开环和闭环的组合。
对涡轮增压器的控制由于发动机排气系统中的固有滞后和可变几何形状机构的机械元件的瞬态响应时间而变得复杂。
如公开于美国专利No.6,269,642中的可变几何形状涡轮增压器(VGT)利用叶片来引导涡轮喷嘴中的气流以及调节喷嘴的流通面积以便减小涡轮滞后和改进发动机的加速。VGT使用电动液压致动系统，这种电动液压致动系统利用电控制信号来启动滑阀，该滑阀控制着发动机油流入和流出致动器活塞汽缸的情况。所产生的用于旋转叶片的致动器力与致动器活塞汽缸上的压差成比例。叶片的动态响应为油流和油压的函数，并且将根据如供给压力、液压流体温度、环境温度和阀加载以及其它参数之类的运行条件而改变。这些影响足以减慢涡轮增压器叶片的动态响应。使用许多不同的方法来获得更快的动态响应。可以调节内部阀参数(例如喷嘴和孔口尺寸、弹簧刚度、滑阀直径、滑阀位移、等等)来产生更快的响应。这些变化需要额外的设计、试验和成本来适应变化的应用要求。
涡轮增压器应用中的废气门以及其它可变几何形状装置也会产生类似的控制问题。
因此，就需要具有一种改进了涡轮增压器中的可变几何形状机构的动态响应的控制系统。
还需要具有一种可在无需改动已有部件的情况下应用于现有的可变几何形状机构的控制系统。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于控制发动机所用的涡轮增压器中的可变几何形状机构的控制系统，包括：逻辑设置结构，其结构设置成用于取样代表其中涡轮增压器所要运行于的所需运行条件的所需控制值，以及取样代表在先前取样周期中确定的所需控制值的先前所需控制值，逻辑设置结构还结构设置成用于确定第一差值参数，其为所需控制值与先前所需控制值之间的差值，以及根据所述第一差值参数产生控制信号输出，以便使得控制信号输出在所述第一差值参数大于预定第一阈值时具有第一值，而在所述第一差值参数不大于预定第一阈值时具有不同于第一值的第二值，并且其中逻辑设置结构还结构设置成用于提供作为具有预定振幅和持续时间的脉冲的第一值，其中逻辑设置结构的结构设置成用于随所述第一差值参数而变地确定脉冲的振幅和持续时间。
根据本发明，还提供了一种用于可变几何形状涡轮增压器的控制系统，包括：具有第一输入、第二输入和输出的逻辑电路，逻辑电路的结构设置成用于计算第一与第二输入之间的差值并且根据所述差值的值来按照选择向输出提供第一值或第二值，逻辑电路还结构设置成用于产生脉冲控制信号；用于向第一输入提供所需控制信号的装置；用于向第二输入提供先前控制信号的装置；结构设置成用于提供正常控制信号的控制器；接收正常控制信号和脉冲控制信号并且具有开关输出的开关，开关对逻辑电路输出做出响应，响应于逻辑电路输出的第一值向开关输出提供脉冲控制信号，响应于逻辑电路输出的第二值向开关输出提供正常控制信号；以及连接于开关输出上的致动器，致动器可用于调节涡轮增压器的可变几何形状机构；其中逻辑电路的结构设置成用于提供一基于第一差值参数的脉冲控制信号，该第一差值参数为所需控制值与先前所需控制值之间的差值，以便使得控制信号输出在所述第一差值参数大于预定阈值时具有第一值，而在所述第一差值参数不大于预定第一阀值时具有不同于第一值的第二值，所述第一值以具有预定振幅和持续时间的脉冲的形式提供，所述脉冲的振幅和持续时间是所述第一差值参数的函数。
根据本发明，还提供了一种用于控制发动机所用的涡轮增压器中的可变几何形状机构的方法，包括以下步骤：取样代表其中涡轮增压器所要运行于的所需运行条件的所需控制值；取样代表在先前取样周期中确定的所需控制值的先前所需控制值；确定第一差值参数，其为所需控制值与先前所需控制值之间的差值；以及根据所述第一差值参数向可变几何形状机构所用的致动器提供控制信号输出，以便使得控制信号输出在所述第一差值参数大于预定第一阈值时具有第一值，而在所述第一差值参数不大于预定第一阈值时具有不同于第一值的第二值，提供的所述第一值呈具有预定振幅和持续时间的脉冲的形式，其中脉冲的振幅和持续时间作为所述第一差值参数的函数被决定。
附图说明
以上概括地对本发明进行了如此描述，现在将参看附图，这些附图并不一定按比例绘制，其中：
图1为一种闭环系统所用的使用本发明的控制系统的实施例的示意图；
图2为图1中的发明实施例所使用的闭环控制逻辑的流程图；
图3为一种开环系统所用的使用本发明的控制系统的实施例的示意图；
图4为图3中的发明实施例所使用的开环控制逻辑的流程图；
图5为正差值所用的通过使用本发明的控制系统所建立的时变脉冲的图；
图6为负差值所用的通过使用本发明的控制系统所建立的时变脉冲的图；
图7为由控制系统计算的图5和6的脉冲的振幅和持续时间值的图形表示；
图8是作为时间的函数的控制信号和在可变几何形状涡轮增压器中产生的所得到的致动器位移的曲线，覆盖致动器行程的全范围，既包括正常控制信号又包括根据本发明的脉冲控制信号；以及
图9是作为时间的函数的控制信号和在可变几何形状涡轮增压器中产生的所得到的致动器位移的曲线，覆盖致动器行程的小范围，既包括正常控制信号又包括根据本发明的脉冲控制信号。
具体实施方式
在下文中将参看附图对本发明进行更充分地描述，在这些附图中示出了本发明的某些但非全部实施例。实际上，这些发明可按照许多不同形式来实现而不应被理解为限定于此处所述的实施例；相反，通过提供这些实施例，因此使得本公开内容将满足适用的法律要求。相同的数字自始至终指的是相同的元件。
本发明的控制系统包括管理程序逻辑，其监控着用以调节可变几何形状机构的控制信号的变化。管理程序逻辑在正常控制信号输出与快速脉冲响应控制信号输出之间进行选择以便调节可变几何形状机构。对于预定阈值之上的控制信号的较大变化，管理程序逻辑选择快速脉冲响应控制输出，从而提供具有计算而得的振幅和持续时间的脉冲来启动可变几何形状喷嘴的运动。脉冲可包括控制信号的实际阶跃变化，通过这种阶跃变化而变为超过了通常在没有管理程序逻辑的情况下所应用的正常控制信号值的值。脉冲的振幅作为差值参数的函数而确定。差值参数可为所需(即正常)控制信号值与在控制逻辑的先前迭代中所确定的先前控制信号值之间的差值；替代地，差值参数可为所需控制信号与实际(测量或估计)控制信号之间的差值。只要控制信号的变化低于预定阈值，则管理程序逻辑就提供正常控制信号来调节可变几何形状机构。
在本发明的某些实施例中，脉冲的振幅(或高度)和持续时间(或宽度)还可为环境条件的函数。举例来说，这可有利于解决较冷环境温度条件的问题并且相应地调节阀的响应。
本发明的一个实施例可应用于例如先前所引用的标题为“可变几何形状涡轮增压器”的美国专利6,269,642中所限定的可变喷嘴涡轮增压器中，该专利与本申请为共同受让人，其公开内容在此引入作为参考。
参看附图，图1中示出了根据本发明的控制系统的第一实施例。快速改进脉冲(RIP)控制器10包括从发动机系统接收代表所需控制值的输入14的管理程序逻辑电路或设置结构12。在各种应用中，所需控制值作为VGT控制系统的位置、所需助推力水平或控制电流而建立。存储器16存储着先前取样周期的先前所需控制值。在替代实施例中，存储器包括用于调制所存储的控制值的过滤功能。先前控制值作为管理程序逻辑的第二输入18而提供。对输入信号进行分析，关于这点将在下文中进行更详细地描述，并且向开关22提供开关选择信号20以便选择脉冲控制信号24或正常控制信号26，其由VGT位置控制器28确定。所选择的控制信号被提供至致动器30以便调节可变喷嘴叶片位置。对于图1的实施例中的闭环控制系统，传感器32或基于模型的估计器检测或者估计涡轮增压器的实际运行条件，例如电流、可变几何形状构件位置、或助推力，并且向管理程序逻辑的第三输入34以及向反馈控制器的反馈加法器36提供代表实际测量或估计值的反馈信号，该反馈加法器36计算被输入至VGT位置控制器28的误差信号37。
图1的RIP控制器中所使用的逻辑示于图2中。对于每个取样周期，管理程序逻辑12在步骤200中读取所需控制值。如前所述，该值可为所需的可变几何形状构件位置、所需的控制电流、或者所需的助推力值，根据所使用的逻辑和电路而定。在步骤202中，管理程序逻辑计算第一参数德尔塔，其为新的所需控制值与先前所需值(存储于存储器16中)之间的差值。在步骤204中，将预定阈值伽马(其为正数)与德尔塔进行比较，如果德尔塔并不大于+伽马，则在步骤206中确定德尔塔是否小于-伽马。如果步骤204或步骤206产生了肯定结果，则在步骤208中，管理程序逻辑确定第二参数阿尔法，其为新的所需控制值减去实际测量(估计)值。在步骤210中，管理程序逻辑测试阿尔法是否大于+捷塔(第二预定阈值)；如果为否，则在步骤212中，逻辑测试阿尔法是否小于-捷塔。如果步骤210或步骤212产生了肯定结果，则管理程序逻辑在步骤214中确定RIP脉冲振幅和持续时间(也分别称作信号高度和宽度)的值。在步骤216中，RIP脉冲控制信号24被提供至开关22，对开关22进行定位以便向致动器30提供脉冲信号。在脉冲结束处，或者在第一和第二参数德尔塔和阿尔法各自未超过阈值伽马和捷塔的任何取样周期中，开关22被定位至正常控制器输入26。举例来说，如果步骤206产生了否定结果(意思是德尔塔并不小于-伽马)，则逻辑返回至步骤200，以便使得在该取样周期中，由开关提供的控制信号将为正常控制信号26。类似地，如果步骤212产生了否定结果(意思是阿尔法并不小于-捷塔)，则逻辑返回至步骤200。
在开环系统中使用本发明的控制系统的实施例示于图3中。在大多数开环系统中，涡轮增压器的控制输入根据发动机速度(N)和发动机负载的百分比或燃料流率的函数来限定，它们为总体上表示为元件28’的检查表或其它传递函数发生器中的变量。包括管理程序逻辑12、先前控制信号存储器16以及开关22在内的RIP控制器的元件的运行方式如前文结合图1所述。开环RIP控制器所使用的逻辑示于图4中。
对于每个取样周期，管理程序逻辑在步骤400中读取控制信号。如前所述，该值可为发动机速度和百分比负载或燃料加注速度的函数。在步骤402中，管理程序逻辑计算控制参数德尔塔，其为新的控制信号与先前控制信号之间的差值。在步骤404中，对预定阈值伽马进行比较，如果德尔塔并不大于+伽马，则在步骤406中确定德尔塔是否小于-伽马。如果任何之一为真，则在步骤408中，管理程序逻辑确定RIP脉冲振幅(或者说高度)和持续时间(或者说宽度)的值。开关22被定位至脉冲输入并且向致动器30提供脉冲信号。在脉冲结束处，或者在参数德尔塔未超过阈值伽马的任何取样周期中，开关22被定位至正常控制器输入26。
在所示实施例中所指的逻辑可利用微处理器、可编程序逻辑阵列(PLA)、模糊逻辑、神经网络或其它离散逻辑按照各种计算、硬件或固件形式实现。
由RIP控制器提供的脉冲输出的实例示于图5中，为由超过+伽马阈值的正德尔塔值产生的正脉冲。图6示出了超过-伽马阈值的负德尔塔值的脉冲。在每种情况中，脉冲的高度和宽度都在管理程序逻辑中作为开环系统的德尔塔参数或闭环系统的阿尔法参数的函数来确定。举例来说，图7示出了各为阿尔法或德尔塔的线性函数的脉冲宽度和脉冲高度(分别根据系统为闭环或开环而定)。控制器中的脉冲产生函数的实现方式可使用存储于存储器中的表来通过查表进行；替代地，脉冲产生可通过根据方程式或传递函数计算脉冲特征来实现以便获得送往叶片控制系统的所需启动脉冲。
脉冲持续时间或宽度还可作为所需与测量或估计控制值之间的误差37的函数来确定，如图1中所示。
根据本发明的RIP控制器实现于基本上类似于此前所引用的美国专利No.6,269,642中所示的涡轮增压器系统中。涡轮增压器的控制系统使用闭环控制来控制涡轮入口喷嘴中的可变叶片的位置。图8示出了与正常输入控制相比，使用本发明的RIP控制器所实现的全范围位移(完全封闭或者完全开放)的控制叶片位移中的改进响应。由RIP控制器所产生的脉冲被标以“□”符号，而正常控制信号输出被标以“X”符号。对于RIP脉冲输入信号，所得到的作为时间函数的叶片位移在标以“◇”符号的曲线上表示；标以“0”符号的曲线示出了利用正常控制输入信号所获得的叶片位移。叶片的瞬态响应时间得到了显著的减小。
图9为与图8相同类型的曲线，但是示出的是较小范围的叶片位移的控制信号和涡轮增压器叶片的瞬态响应。应当指出，在位移的响应中存在某些过调。过调的量可通过选择脉冲控制信号的振幅和持续时间来控制。过调可比较有利，因为其能加快易于相对于叶片位置发生滞后的助推压力的响应。因此，通过有意地将叶片位移过调，就能够使得助推压力更迅速地到达所需水平。
因为RIP脉冲输入信号在短时期内充分地过调了与可变几何形状叶片的实际所需位置相对应的水平，所以瞬态响应时间的减小得以实现。因此，对于该短时期而言，就使得致动器基本上按照其最大可能的速度朝着与RIP脉冲信号的振幅相对应的位置运动。按照这种方式，叶片就能比在正常输入信号被供向致动器的情况下更快地到达实际所需位置。在正常控制信号的情况下，就使得致动器以低于其最大可能速度的速度运动并且在叶片到达所需位置所用的整个时期内速度基本上恒定。
本发明的控制系统可应用于涡轮增压器应用中的废气门控制系统以及其它可变几何形状构型。
本发明所属领域的普通技术人员将会理解此处所述的本发明的许多改动和其它实施例，它们具有以上描述和相关附图中所提出的教义的权益。因此，应当理解，本发明并不限于所公开的特定实施例，并且各种改动和其它实施例也意欲包括于所附权利要求的范围内。尽管此处使用了特定术语，但它们只用于一般描述意义，而非用于进行限制。
Claims (24)
1.一种用于控制发动机所用的涡轮增压器中的可变几何形状机构的控制系统，包括：
逻辑设置结构，其结构设置成用于取样代表其中涡轮增压器所要运行于的所需运行条件的所需控制值，以及取样代表在先前取样周期中确定的所需控制值的先前所需控制值，逻辑设置结构还结构设置成用于确定第一差值参数，其为所需控制值与先前所需控制值之间的差值，以及根据所述第一差值参数产生控制信号输出，以便使得控制信号输出在所述第一差值参数大于预定第一阈值时具有第一值，而在所述第一差值参数不大于预定第一阈值时具有不同于第一值的第二值，并且其中逻辑设置结构还结构设置成用于提供作为具有预定振幅和持续时间的脉冲的第一值，其中逻辑设置结构的结构设置成用于随所述第一差值参数而变地确定脉冲的振幅和持续时间。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中逻辑设置结构的结构设置成用于随环境条件而变地确定脉冲的振幅和持续时间。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中逻辑设置结构的结构设置成用于使得控制信号输出在脉冲持续时间终止时具有第二值。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中逻辑设置结构包括开关，开关的结构设置成用于在第一与第二条件之间转换，在第一条件中，开关输出具有第一值的控制信号输出，在第二条件中，开关输出具有第二值的控制信号输出，逻辑设置结构的结构设置成用于向开关提供开关信号以便在第一与第二条件之间转换。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其中控制信号输出的第二值包括正常控制信号，并且还包括控制器，控制器的结构设置成用于产生正常控制信号以便驱动涡轮增压器从当前运行条件转向所需运行条件。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其中控制器包括开环控制器。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中开环控制器的结构设置成用于随发动机速度和发动机上的加载程度而变地产生正常控制信号。
8.根据权利要求6所述的控制系统，其中开环控制器的结构设置成用于随发动机速度和发动机的燃料加注速度而变地产生正常控制信号。
9.根据权利要求5所述的控制系统，其中控制器包括闭环控制器，其接收反馈信号并且根据反馈信号确定正常控制信号。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中逻辑设置结构的结构设置成用于取样代表涡轮增压器的实际运行条件的实际控制值，以及确定第二差值参数，其为所需控制值与实际控制值之间的差值，逻辑设置结构在第一差值参数大于第一阈值或者第二差值参数大于第二阈值时产生处于第一值的控制信号输出。
11.根据权利要求10所述的控制系统，还包括传感器，传感器可用于检测实际运行条件以及产生实际控制值并且向逻辑设置结构提供实际控制值。
12.根据权利要求1所述的控制系统，还包括存储器，存储器的结构设置成用于存储先前所需控制值以及向逻辑设置结构提供先前所需控制值。
13.根据权利要求11所述的控制系统，其中存储器的结构设置成用于过滤所存储的先前所需控制值。
14.根据权利要求1所述的控制系统，还包括用于调节可变几何形状机构的致动器，致动器的结构设置成用于从逻辑设置结构接收控制信号输出。
15.一种用于可变几何形状涡轮增压器的控制系统，包括：
具有第一输入、第二输入和输出的逻辑电路，逻辑电路的结构设置成用于计算第一与第二输入之间的差值并且根据所述差值的值来按照选择向输出提供第一值或第二值，逻辑电路还结构设置成用于产生脉冲控制信号；
用于向第一输入提供所需控制信号的装置；
用于向第二输入提供先前控制信号的装置；
结构设置成用于提供正常控制信号的控制器；
接收正常控制信号和脉冲控制信号并且具有开关输出的开关，开关对逻辑电路输出做出响应，响应于逻辑电路输出的第一值向开关输出提供脉冲控制信号，响应于逻辑电路输出的第二值向开关输出提供正常控制信号；以及
连接于开关输出上的致动器，致动器可用于调节涡轮增压器的可变几何形状机构；
其中逻辑电路的结构设置成用于提供一基于第一差值参数的脉冲控制信号，该第一差值参数为所需控制值与先前所需控制值之间的差值，以便使得控制信号输出在所述第一差值参数大于预定阈值时具有第一值，而在所述第一差值参数不大于预定第一阈值时具有不同于第一值的第二值，所述第一值以具有预定振幅和持续时间的脉冲的形式提供，所述脉冲的振幅和持续时间是所述第一差值参数的函数。
16.一种用于控制发动机所用的涡轮增压器中的可变几何形状机构的方法，包括以下步骤：
取样代表其中涡轮增压器所要运行于的所需运行条件的所需控制值；
取样代表在先前取样周期中确定的所需控制值的先前所需控制值；
确定第一差值参数，其为所需控制值与先前所需控制值之间的差值；以及
根据所述第一差值参数向可变几何形状机构所用的致动器提供控制信号输出，以便使得控制信号输出在所述第一差值参数大于预定第一阈值时具有第一值，而在所述第一差值参数不大于预定第一阈值时具有不同于第一值的第二值，提供的所述第一值呈具有预定振幅和持续时间的脉冲的形式，其中脉冲的振幅和持续时间作为所述第一差值参数的函数被决定。
17.根据权利要求16所述的方法，其中脉冲的振幅和持续时间为环境条件的函数。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括使得控制信号输出在脉冲持续时间终止时具有第二值的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，其中随发动机速度和发动机上的加载程度而变地确定第二值。
20.根据权利要求16所述的方法，其中随发动机速度和发动机的燃料加注速度而变地确定第二值。
21.根据权利要求16所述的方法，其中第二值根据反馈信号来确定。
22.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：
取样代表涡轮增压器的实际运行条件的实际控制值；
确定第二差值参数，其为所需控制值与实际控制值之间的差值；以及
在第一差值参数大于第一阈值或者第二差值参数大于第二阈值时产生处于第一值的控制信号输出。
23.根据权利要求16所述的方法，还包括将先前所需控制值存储于存储器中的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括过滤所存储的先前所需控制值的步骤。
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