CN101285427B - 组合脉谱对发动机进气系统控制的方法 - Google Patents

Abstract

组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，属于汽车发动机控制领域。包括基本进气脉谱参数和动态进气脉谱参数，基本进气脉谱参数是经过台架标定或经过台架及道路参数优化标定的脉谱参数，动态进气脉谱参数是自适应生成的发动机在线自标定和自优化的可刷新的脉谱参数，基本进气脉谱参数和动态进气脉谱参数构成组合脉谱参数，组合脉谱参数通过控制系统按控制策略对汽油发动机进气系统进行自适应控制。由于采用了以自适应学习方法合成的组合脉谱控制方式，使得被控系统发生改变和未知变化对发动机的影响得到了修正，从而提高了开环控制精度和速度，提高了控制的实时性。

Description

组合脉谱对发动机进气系统控制的方法

技术领域

组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，属于汽车汽油发动机控制领域。

背景技术

车用汽油发动机的控制分为喷油控制、点火控制、进气控制和排放控制以及其它辅助控制系统；其中喷油和进气相关而决定空燃比控制，点火控制为点火提前角和点火闭合率控制，EGR率应用于排放控制。

在控制过程中，控制单元根据基本控制条件查基本控制脉谱，并且根据各传感器反映的发动机状态条件对控基本制脉谱进行修正输出，控制各执行器对目标进行控制。控制分为开环控制和闭环控制。

发动机的进气控制分为VTEC控制(可变气门正时系统)、涡轮增压控制、可变进气管长度与可变进气歧管长度控制、谐振腔进气惯量控制等。发动机进气控制系统中的VTEC控制是机械控制系统，其作用是将固定的气门行程改成随发动机转速改变而改变的可变行程；涡轮增压控制是对进气可变截面增压控制；可变进气管长度与可变进气歧管长度控制以及谐振腔进气惯量控制利用进气压力波特性的气波惯量增压控制。

上述控制方法在汽油发动机上得到很好的应用，但现有的脉谱控制策略对下列问题无能为力：

(1)各传感器及执行器件的制造偏差及使用一段时间的磨损及老化引起的工作特性改变，更换配件引起的匹配偏差等，从而使控制精度变差；

(2)环境、季节的改变，各种工作介质的的变化(如机械油的粘度改变等)、各种电器及辅助动力的接入改装、对发动机的操控等引起的负荷变化；

(3)在台架对控制单元优化时测量仪器及处理手段引起的的测量偏差以及未曾考虑在内的其它未知因素等；

(4)各传感器的信号传递时滞、控制单元的运算过程时滞、执行器件的运动时滞等带来的控制实时性偏差等。

以上这些因素的影响只应用样机台架优化的基本脉谱显然在以上情况变化时偏离控制目标；以各传感器反馈的各种状态信号由于各种时滞效应只能对控制数据修正局部的偏差，而不能完全控制目标偏差，使发动机未能达到合理的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前汽油发动机的控制方式所存在的问题，提供一种能在工作过程中根据发动机相关特性改变和发动机使用条件改变而自适应生成动态脉谱参数的策略，进而提供一种动态脉谱参数与原有样机台架标定的基本脉谱参数组合控制的组合脉谱对发动机进气系统控制的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，其特征在于：包括基本进气脉谱参数和动态进气脉谱参数，基本进气脉谱参数是经过台架标定和经过台架及道路参数优化标定的脉谱参数，动态进气脉谱参数是自适应生成的发动机在线自标定和自优化的可刷新的脉谱参数，基本进气脉谱参数和动态进气脉谱参数构成组合脉谱参数，组合脉谱参数通过控制系统按控制策略对汽油发动机进气系统进行自适应控制，控制策略包括进气系统组合控制策略和修正控制策略或其他控制策略，

动态进气系统参数的生成方法是，根据工况条件和使用条件的变化以及发动机自身因素变化学习生成的一系列进气系统自适应参数，该进气系统自适应参数在工作过程中按工况依据条件变化对进气系统的各个控制目标进行自适应学习和经验聚类，反复应用和实时修正而不断刷新；

动态进气脉谱参数的生成方法由以下几个步骤产生：

a、确定动态进气脉谱生成区域：按不同模式空燃比给定调整时：以某一工况条件下的控制喷油脉宽和控制进气机构的基本修正脉谱，以及表征此刻工况条件的相关各特征信号值为数据节点，以该节点的基本修正脉谱参数y为中心值，以期望空燃比和推定空燃比偏差为基本参考半径，找出动态脉谱生成区域(y-Δy，y+Δy)；

通过小脑关节控制器CMAC调整特征信号影响权值而分别定出动态进气系统子脉谱旁通进气电磁阀控制脉谱、调速电控压气机控制脉谱、比例电磁阀控制脉谱生成区域；

以上喷油脉宽基本修正脉谱与进气机构基本修正脉谱是一个多因素相关过程，本发明采用进气机构相关特征信号并加入喷油脉宽信号的测量和对氧传感器信号变化率的特殊处理，对进气系统辅助调整；同时利用空燃比相关各特征信号对空燃比进行软测量推定；

以上对空燃比推定的理论依据为：

将空燃比y表示为喷油脉宽T与进气流量L的门函数，即y＝f(T，L)，分别给出T和L的拟合模型及y的模型，根据相关特征信号多因素拟合为可微曲面方程，有：

则动态脉谱生成区域

按不同模式对点火提前角作用时：此时的相关特征信号值的特征表象主要是进气系统对缸内燃烧的影响，因而进气调整即通过引射器对湍流火焰传播速度影响；比如我们确定准维燃烧摸型对点火角推定时，采用的实验依据为发动机产生最大扭矩相对的提前角时，缸内燃烧介质充量在上止点后10℃A燃烧约一半；将有如下关系式反映点火角的推定(式中，K₁和K₂是按发动机与燃烧相关给出的经验常数，p为进气压力，D为缸径，v_t为湍流火焰传播速度，ω为曲轴转角速度，10为上止点后℃A)：

$y=[(\frac{K_1}{p}+K_2)+\frac{D}{4}\frac{1}{v_t}]\mathrm{\ω}-10.$

将点火提前角y表示为进气压力p与曲轴转角速度ω的函数，即y＝f(p，ω)，分别给出p和ω的拟合模型，以及y的模型，并充考虑到爆震的概率影晌，根据相关特征信号多因素拟合为可微曲面方程，有：

则动态脉谱生成区域 $(y-\frac{\∂y}{\∂p}\mathrm{\Δp}-\frac{\∂y}{\∂\mathrm{\ω}}\mathrm{\Δ\ω},y+\frac{\∂y}{\∂p}\mathrm{\Δp}+\frac{\∂y}{\∂\mathrm{\ω}}\mathrm{\Δ\ω});$

对于y模型中的v_t的确定，根据燃烧理论，将按柯尔莫戈洛夫尺度与湍流积分尺度，并考虑层流速度的影响，我们根据实验取经验估值；

以上是动态进气脉谱的生成区域，本发明根据以上从对空燃比和点火提前角控制两方面综合考虑，通过首先判定动态空燃比脉谱生成区域和动态点火角生成脉谱区域的办法，以相关特征信号作用强弱为出发点，通过小脑关节控制器CMAC调整特征信号影响权值而分别定出动态进气系统子脉谱(旁通进气电磁阀控制脉谱、调速电控压气机控制脉谱、比例电磁阀控制脉谱)生成区域；

b、确定动态进气脉谱生成的寻优区域：在同维空间区域利用该数据节点中表征该工况与进气系统相关的各特征信号值的变化率大小进行动态进气脉谱生成趋势判定，从而判定更小的区域是在(y-Δy)还是在(y+Δy)一边，确定后以(y-Δy)或(y+Δy)区域的中值为目标逼近后的新节点，并且以该目标为中心，确定新的逼近后的动态进气脉谱生成区域，如此反复，不断逼近，直到最小的区域min(y-Δy，y+Δy)出现，该区域为寻优区域；

c、动态进气脉谱的生成：当表征该工况的相关各特征信号值趋近于一个近似于零的常数ε时，以及进行概率统计处理的相关特征信号的概率分布在允许的范围内，确定min(y-Δy，y+Δy)中的中值点y_m，该点即为生成的动态进气脉谱参数；

d、确定动态进气脉谱：重复以上过程a-c，并且在全过程小脑关节控制器CMAC对进气系统控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和进行经验聚类，当相关各特征信号值的变化率ε及相关特征信号的概率分布稳定在一个允许的变化范围内时，确定该动态进气脉谱参数，存入铁电存储器，此时，确定的动态进气脉谱参数和所对应的进气系统相关各特征信号值为一组数据节点，该节点即为动态进气脉谱参数，该动态进气参数的集合构成动态脉谱；

e、对动态进气脉谱的刷新：生成的动态进气脉谱在控制过程中，由于发动机自身特性及使用环境改变，以及喷油器与进气机构之间的匹配，使其进气系统控制目标也有所变化，其所组成的数据节点在进行a-d的过程时，当相关各特征信号值的变化率ε及相关特征信号的概率分布稳定在一个不允许的变化范围内时，重新生成新的动态进气脉谱参数，经小脑关节控制器CMAC对旁通电磁阀、压气机、比例电磁阀控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和经验聚类确定，对原来数据节点地址单元刷新；

进气系统组合控制策略和修正控制策略：

a、组合作用对象：作用于组合进气脉谱，对应于相同或非常相近的进气系统目标查表条件，既有基本进气脉谱，又有生成的动态进气脉谱时，即作用条件是该工况所对应的控制目标具有动态进气脉谱；

b、组合原则：同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件，即数据节点既有存在于基本进气脉谱的，也有存在于动态进气脉谱的，当组成数据节点的元素中，相关各特征信号值相同而目标参数不同时，选动态进气脉谱参数；进气系统相关各特征信号值不完全相同但目标参数相同时，对该不相同特征信号值分别按前一循环值与当次循环值计算变化率，比较该变化率，取小判优，确定进气组合脉谱参数；相关各特征信号值相同而目标参数相差较大时，取两目标中值按动态进气脉谱生成策略进行逼近生成新的动态进气脉谱参数插入动态进气脉谱中；

c、组合方法：从动态进气脉谱中选择动态进气脉谱参数后，原同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件下的基本进气脉谱参数被屏蔽；动态进气脉谱参数对控制目标进行控制，当被确定使用的动态进气脉谱参数在对进气系统目标控制时，相关各特征信号值的变化率无法稳定在允许范围内时，放弃该动态进气脉谱参数，回到该工况、该条件下的基本进气脉谱，应用动态进气脉谱生成策略重新学习生成；

d、以上组合作用下，通过对部分控制目标的动态进气脉谱参数应用，对同一工况，或代换一部分基本进气脉谱参数，或取代该工况下的全部基本进气脉谱；

在纠偏逼近中，使用的修正控制策略是：

该修正策略由常规修正策略和小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略组成：常规修正策略是来自反映发动机工况的相关各传感器的特征信号值对基本进气脉谱的修正，这一部分在常规控制方式下输出修正基本进气脉谱通过进气机构的执行器对进气目标进行控制；小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略中，一是采用新的相关各传感器的特征信号处理方式对不可直接测得量进行软测量方法推断，以及模糊推断而得到软测量特征信号值对基本进气脉谱进行修正；二是利用小脑关节控制器CMAC通过期望目标对实际目标进行纠偏，并在纠偏过程中进行权值匹配而自适应学习相关各传感器的特征信号值对基本进气脉谱进行修正，三是通过各传感器给出的特征信号变化率，以及软测量推定的特征信号变化率确定逼近范围，不断按变化率逼近最小偏差范围对基本进气脉谱进行修正。

基本进气脉谱参数的组成是不同工况分区的若干个子脉谱参数区域之和，包括旁通进气电磁阀控制脉谱、调速电控压气机控制脉谱、比例电磁阀控制脉谱，每个区域都按该区域的进气系统控制目标值分为闭环控制目标区域和开环控制区域。

控制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、传感器信号、信号调理电路、电源检测、功率驱动电路、进气控制系统，传感器信号通过信号调理电路与微处理器相连，铁电存储器与小脑关节控制器CMAC互联，小脑关节控制器CMAC与微处理器互联，微处理器与功率驱动电路相连，功率驱动电路与进气控制系统相连。

进气控制系统包括进气管、空气滤清器、稳压箱、辅助稳压箱、电子节气门控制器、引射腔、引射空气喷射口、旁通管，空气滤清器安装在进气管与稳压箱之间，进气流量检测仪安装在稳压箱与电子节气门控制器之间，旁通管进口在稳压箱下端，出口为安装在引射腔入口端的引射空气喷射口，旁通管中部设有辅助稳压箱，控制器分别与安装在进气系统的进气温度传感器、进气流量检测仪、电子节气门控制器、旁通进气电磁阀、发动机进气口、喷油器、氧传感器、油门踏板位置信号、节气门力矩电机驱动信号、油门操纵信号、比例电磁阀相连。

控制机理是：第一个方面，由于旁通管气路的作用，使一部分进气绕过了进气流量检测仪和电子节气门控制器，一定量的空气在调速电控压气机、比例电磁阀、引射空气喷射口、和引射腔的作用下流过该通道，强制调整了空燃比，使进气得到了补偿控制；第二个方面是由于使用稳压箱和辅助稳压箱，并且在不同的工况条件下不同程度的并联使用，由于稳压箱具有亥姆赫兹谐振器的效应，进气通过稳压箱起到进气管内压力波的幅值和相位调整作用，由此改变了惯性气波增压效果；而且也降低了调速电控压气机和进气系统带来的噪音；第三个方面是，通过调速电控压气机、引射空气喷射口和引射腔、比例电磁阀的作用对进入进气歧管的气流进行了涡流强度调整，改善喷油雾化和燃烧效果。

进气系统相关各传感器的特征信号包括油门踏板信号，发动机的曲轴位置及转速信号、上止点信号、转矩信号、喷油脉宽信号、节气门位置信号、氧传感器信号、燃油温度信号、供电回路电压信号、水温传感器信号、进气压力信号，空燃比信号、EGR率信号、爆震信号、火焰离子信号和排气温度信号。

控制系统根据发动机与进气系统相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋势对部分时滞偏差过大的控制目标进行给定进气系统期望值预测控制，同时以预测控制目标值为数据节点，利用小脑关节控制器CMAC的自适应逼近调整能力和学习能力，降低或消除各方面信号滞后带来的误差；

控制系统还根据发动机与进气系统相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋势进行经济模式、动力模式、正常模式判定，在不同的控制模式下自适应选定不同的进气系统闭环控制目标进行控制；在控制过程中，通过控制和学习交替进行，对模式目标进行优化，并在今后的控制中依据条件的改变，不断修改和被优化。

工况是指中小负荷工况、大负荷工况，起动工况、加减速工况以及怠速工况。

与现有技术相比，本发明组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，所具有的有益效果是：由于采用了以自适应学习方法合成的组合脉谱参数控制方式，使得被控系统发生改变和未知变化对发动机的影响得到了修正，从而提高了开环控制时的控制精度和速度。也利用动态脉谱参数的规划和生成，对闭环控制目标进行了修正和选定，改善了发动机自身条件变化时反馈信号确定单一造成的发动机控制系统无法响应，通过自适应学习控制产生动态脉谱参数的策略提前预测控制，最大可能的修正了各种时滞效应带来的控制滞后，提高了控制的实时性。

附图说明

图1本发明控制系统电路原理框图；

图2进气控制系统结构示意图；

图3自适应控制策略示意图；

图4实现控制过程程序流程框图；

图5控制电路原理图。

图1-5是本发明的最佳实施例。图2中：1进气管、2空气滤清器、3进气温度传感器、4稳压箱、5进气流量检测仪、6电子节气门控制器、7旁通管、8旁通进气电磁阀、9调速电控压气机、10控制器、11引射空气喷射口、12辅助稳压箱、13引射腔、14发动机、15喷油器、16排气管、17氧传感器、18油门踏板位置信号、19节气门力矩电机驱动信号、20油门操纵信号、21比例电磁阀、22其他传感器信号。

图5中：U1微处理器、U2缓存器、U3锁相环、U4、U6运算放大器、U5对数放大器、U7比较器、U8磁变换器、U9运算放大器、U10反相器、U11门电路、U12CAN通信接收器、U13时基电路、U14微处理器、U15锁存器、U16动态储存器、U17存储器、U18扩展口OP1-OP3光电耦合器、R1-R17电阻、VR1-VR2可调电阻、C2-C24电容、D1-D2二极管、Q1三极管、Y1-Y2晶振、S1开关。

具体实施方式

实施过程：

本发明提出的组合脉谱对发动机进气系统控制的方法通过常规控制器(中央控制器ECU)和小脑关节控制器CMAC构成的控制系统和新设计的进气装置进行调整以实现该系统对工况空燃比的强制调整和对燃烧过程的影响；达到经济空燃比和功率空燃比区分精确控制的目的，以下结合附图1-5对实施过程详细说明。

如图1所示：控制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、传感器信号、信号调理电路、电源检测、功率驱动电路、进气控制系统，传感器信号通过信号调理电路与微处理器相连，铁电存储器与小脑关节控制器CMAC互联，小脑关节控制器CMAC与微处理器互联，微处理器与功率驱动电路相连，功率驱动电路与进气控制系统相连。

相关传感器信号主要有：进气压力信号、氧传感器信号、节气门位置信号、油门踏板信号、进气温度信号、冷却水温度信号、曲轴位置信号、喷油脉宽信号、转速信号、电压检测信号等。

传感器的数字信号通过输入调理缓冲电路转换为微处理器能接收的输入信号；输入调理缓冲电路的作用是对传感器数字信号的幅度、波形及干扰进行处理，即滤波处理。

微处理器由32位的CPU内核，内置常规控制器控制策略和算法、各类脉谱及其它相关控制目标数据及通信总线处理器等。

小脑关节控制器CMAC由另一片32位微处理器为内核，与外部电路构成；其内置自适应学习算法及控制策略，与主微处理器共同组成控制系统核心，接受外部信号变化，根据策略及时作出决策，进行自适应学习聚类刷新动态脉谱参数，发出指令控制外部执行机构动作和运行。

铁电存储器对系统基本进气脉谱参数进行备份，经自适应学习后参与工况控制后被判定为使系统按要求稳定工作的那部分动态进气脉谱参数也会作为经验数据存入其中。微处理器判定系统失控时会自动将基本进气脉谱参数从铁电存储器写入微处理器中。

电瓶电压信号通过电源检测处理后接入微处理器，电源检测及稳压电路由DC/DC转换器、过流过压保护器、电压变化信号变送器及抗干扰电路组成。

大功率驱动控制电路采用专用控制驱动芯片和外围电路，控制驱动旁通进气阀、电控调速压气机、比例电磁阀等进气系统。

在这里特别说明的是，为便于区别新的控制方法，本发明将传统处理方式和方法，如PID控制策略的使用等，均定义为常规控制器，常规控制器作为控制系统一部分，控制系统的另一部分称之为小脑关节控制器CMAC。

如图2所示：发动机进气通过进气管1和空气滤清器2、稳压箱4，通过进气流量检测仪5和电子节气门控制器6和引射腔13，经进气歧管进入发动机14；当对空燃比目标强制调整时，经过进气管1和空气滤清器2到达稳压箱4的进气还要通过旁通管7和旁通进气电磁阀8进入辅助稳压箱12，通过调速电控压气机9、比例电磁阀21或引射空气喷射口11，经引射腔13和进气歧管进入发动机14。

实施过程中，控制器10根据进气温度传感器3信号、油门踏板位置信号18、电子节气门控制器6的位置信号、喷油器15的喷油脉宽信号、氧传感器17信号以及来自发动机14的其它进气相关状态信号22(如转速信号、进气压力信号、水温信号、火焰信号传导角等)，控制进气系统执行器，如旁通进气电磁阀8、调速电控压气机9、比例电磁阀21对发动机14进行进气控制。

控制机理是：第一个方面，由于旁通管7气路的作用，使一部分进气绕过了进气流量检测仪5和电子节气门控制器6，一定量的空气在调速电控压气机9、比例电磁阀21、引射空气喷射口11、和引射腔13的作用下流过该通道，强制调整了空燃比，使进气得到了补偿控制；第二个方面是由于使用稳压箱4和辅助稳压箱12，并且在不同的工况条件下不同程度的并联使用，由于稳压箱具有亥姆赫兹谐振器的效应，进气通过稳压箱4起到进气管内压力波的幅值和相位调整作用，由此改变了惯性气波增压效果；而且也降低了调速电控压气机9和进气系统带来的噪音；第三个方面是，通过调速电控压气机9、引射空气喷射口11和引射腔13、比例电磁阀21的作用对进入进气歧管的气流进行了涡流强度调整，并且对喷油雾化和燃烧起到了有益的作用。

控制过程中，控制器10根据以上相关控制信号和油门操纵信号20输出旁通进气电磁阀8控制信号、电子节气门控制器6控制脉谱、调速电控压气机9控制脉谱、比例电磁阀21控制脉谱，以上控制量经电子节气门控制器6的位置传感器信号、喷油器15的喷油脉宽信号、氧传感器17信号，以及其它如进气压力、温度和水温等信号通过控制器10的常规控制器对输出信号和输出脉谱进行修正输出，输出过程由控制器10的小脑关节控制器CMAC自适应跟踪学习并根据曲轴位置加速度、喷油脉宽变化率、氧传感器17信号变化率、进气压力和进气流量变化率进行图1到图3的控制和学习过程；当产生动态控制脉谱时，控制器10根据内置控制策略以及组合控制策略输出组合脉谱对以上执行器进行控制。

进气系统对空燃比以及进气充量的影响与实施：发动机14工作过程中，当旁通进气电磁阀8关闭时，该进气装置与常用的发动机进气系统无太大区别，对进气略有影晌的只是进气管1、空气滤清器2、稳压箱4和旁通管7在旁通进气电磁阀8之前的部分；当旁通进气电磁阀8打开时，由于稳压箱4和辅助稳压箱12的串联作用使进气通道的容积改变，由于亥姆赫兹谐振器效应，从而使进气压力波相位和幅度得以不同程度的改变，在不同的转速下，对发动机的性能均有不同的影响，特别是发动机低转速下影响较大(小于2500转/分)，高转速下影响较小，如扭矩、油耗；当针对调速电控压气机9和比例电磁阀21在不同工况下按相关传感器信号(如转速及变化率、喷油脉宽及变化率、进气管压力及变化率等)自适应控制时，与喷油脉宽和节气门控制相结合，并且以台架实验的不同转速和负荷下最佳充量系数为数据节点，将调速电控压气机9的转速和比例电磁阀21的位置以最小区域逼近调整到最优，同时控制器10中的小脑关节控制器CMAC在控制中自适应学习和经验聚类而生成进气系统对调速电控压气机9的转速和比例电磁阀21开度的动态控制脉谱，在组合策略作用下构成组合脉谱控制进气。这种方式，特别是调速电控压气机9的调速作用，在按模式要求给定期望空燃比控制或预测控制时，使空燃比在全转速范围内得到较好的强制调节。

进气系统对点火提前角的影响与实施：根据燃烧理论，点火提前角基本脉谱参数的台架确定是考虑着火延迟角和燃烧持续角以及上止点后的角度。这两个角均与进气密切相关，尤其是燃烧持续角，其取决于火焰传播速度和传播距离，因而进气湍流对其影响极大；着火延迟角主要受发动机转速和负荷以及空燃比影响，因而进气压力与其直接相关；以上两方面都直接影响到曲轴转角速度。当从发动机14反映工况的进气相关状态信号22反馈到控制器10，如曲轴位置信号和由此得出的转速与曲轴转角加速度、进气压力及变化率、火焰传导角阈值及爆震信号的概率分布、EGR率等，控制器10通过控制策略调用调速电控压气机9的转速、和比例电磁阀21的开度控制脉谱，并修正输出，以调节引射空气喷射口11的喷气压力，该引射进气通过引射腔13与喷油器15喷出的油雾一同进入气门而到达缸内，点火燃烧；由于其调整作用，使湍流火焰传播速度受到影响，从而改变了燃烧持续角，通过曲轴加速度的反馈使燃烧持续角得到自适应控制；由于进气压力的变化引起着火延迟角的改变，通过进气压力和曲轴加速度的反馈使着火延迟角得到自适应控制；由此，点火提前角受进气系统各执行器作用的修正。小脑关节控制器CMAC在控制器10的调整过程中，参与状态的偏差及偏差变化率以及变化率跟踪和学习控制，并产生动态控制脉谱对进气系统控制。

如图3所示：按照本发明组合脉谱对发动机进气系统控制的方法的自适应控制策略，一但投入使用的发动机，除开始是通过经台架试验优化的基本进气脉谱参数工作外，由于自适应策略的作用，不断自适应产生新的优化动态进气脉谱参数，因而工作一段时间的发动机，其基本进气脉谱参数已或多或少发生改变，即是同时投入使用和经过相同工作时间后的发动机，其同控制目标的基本进气脉谱参数也改变的不再相同；这是因为器件的制造偏差、安装的工艺以及器件本身特性的差异，发动机使用环境的不同，使用条件的不同，操纵方法的差异等。

控制单元对不同的目标实施控制将应用不同的基本进气脉谱参数，该基本进气脉谱参数的控制目标为空燃比修正和点火正时修正；在修正过程中针对不同的目标分别对旁通进气电磁阀、比例电磁阀、调速电控压气机转速进行控制。

使用小脑关节控制器CMAC，结合传统PID控制的自适应控制策略从二方面实施控制，一方面针对控制目标的偏差进行自适应控制，即确保系统稳定的自适应控制和保证控制目标性能最优的自校正自适应控制(在线辨识系统)，另一方面是对控制目标的相关传感器信号进行变化率跟踪的自适应学习控制，即本发明给出的控制策略，即采集传感器反馈量变化率趋势判定与系统稳定性聚类逼近，以及稳定目标后的自学习调整时滞性的预测实时控制。

图3中，

(1)设被控制输出量y_j(j＝1，2，3…)，在此条件下连续测量发动机n个工作循环的时间t_i和转速信号、节气门位置信号、喷油脉宽信号、进气压力信号、氧传感器信号、爆震信号、大气压力信号、水温信号、燃油温度信号、机油温度与机油压力信号、EGR阀开度信号、蓄电池电压信号以及以上各信号的变化率，并特别处理氧传感器、火焰离子传感器和爆震传感器信号，如根据氧传感器反馈量变化率的变化趋势进行软测量方式的目标空燃比控制；根据爆震传感器信号经选频检波器作用后按n个循环爆震发生的概率在2％-5％以内为最佳点火调整阈值，而取代传统的爆震安全角距离。

以上信号经控制系统并以以下公式

${\mathrm{Na}}_0+a_1\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i=0,$ $a_0\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i+a_1\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^2-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i=0$

进行拟合计算处理，得到基本控制目标y_i

公式中，a₀为基本脉谱值或传感器信号值，a₁为控制目标变化率或传感器信号变化率；t_i第i个循环时间；y_i第i个循环的控制目标平均变化量。

(2)通过拟合的数据再利用关系

拟合，式中，d1/dt，d2/dt，…，dn/dt，分别为相关测值变化率；将被控制输出量改变为y_j＝y_j-1+Δy，(i＝1，2，3…)；

(3)设计控制律逻辑确定被控制输出量由y_j-1改为y_j之后，发动机各被测量的变化率趋近于零，该趋近于零的值ε被视为最佳条件，该条件下的目标值y被优化选出成为新的控制目标，以及对应的查表条件改变。

y_j-y_j-1＞0时，有b_j-b_j-1＞ε，则y_j+1＝y_j+Δy  (Δy＞0)。

y_j-y_j-1＜0时，有b_j-b_j-1＜ε，则y_j+1＝y_j+Δy  (Δy＞0)。

y_j-y_j-1＞0时，有b_j-b_j-1＜ε，则y_j+1＝y_j-Δy  (Δy＞0)。

y_j-y_j-1＜0时，有b_j-b_j-1＜ε，则y_j+1＝y_j-Δy  (Δy＞0)。

(4)以上是以发动机各相关传感器测量值及其变化矢量为反馈参数的对y进行自适应控制的过程。该过程在n次工作循环中若使发动机平稳工作(各条件特征值参数变化不大，即有趋近于零的ε，概率分布在允许的范围内)，则控制目标y被定义在(y-Δy，y+Δy)力几何体区间内，得出控制目标的空间区域，并对区域内不断插值逼进极小空间区域而进行控制；此时表现出的发动机各参数即为发动机最优条件参数，该条件下的目标值即被优化选出的控制目标。此时该控制目标按规定被聚类写入动态进气脉谱参数区，该地址有不合条件的数据时被取代。

(5)当变化趋势在n次循环中稳定或最佳条件出现时，控制策略对控制单元及发动机的各时滞效应将按学习的模式进行预测消除，相同事件再次发生时联想控制；工况变化或同工况下条件变化时再按上述原则，如此反复；

(6)以上过程中，n以稳定的鲁棒性为界而确定，ε值为一多因素相关微小量常数。这两个参数在台架数据时反复验证并予以确认。

如图4所示：发动机进入工作时，控制系统根据不同的操作条件和各传感器的状态信号判定发动机当前的工况类别，即基本操作条件与当前相关传感器的状态构成控制系统选定工况的当前基本工况条件，控制系统根据上述条件确定当前工况，计算输出该工况下的基本进气脉谱。

如果此过程有经过自适应学习生成的动态进气脉谱存在，控制系统经稳定性优化判比，若该动态进气脉谱更优于基本进气脉谱，则输出的是新生成的动态进气脉谱参数。该动态进气脉谱参数被传感器的反馈信号进行当前修正，修正后的动态进气脉谱分别对各执行器控制，从而控制进气系统，以调整进气充量系数和空燃比，以及修正点火正时；这一过程进行的同时，一是通过各位置状态信号测量反馈上一循环的执行机构目标定位情况，控制系统将实际目标值与输出的修正目标值计算偏差及偏差变化率输入小脑关节控制器CMAC进行自适应权值修正，二是通过前馈方式训练和跟踪获得被控目标逆模型，若用x(k)表示系统状态，u(k)表示控制向量时，对执行机构的控制描述为x(k+1)＝g[x(k)，x(k)]；三是控制系统通过对与控制目标相关的传感器信号在规定循环周期内算出其信号量的变化率，通过变化率确定变化趋势，以确定控制方向，通过控制策略利用该变化趋势预测给出期望输出目标，通过与实测目标的偏差和偏差变化率计算，各相关传感器信号的变化率计算，不断修正权值，按各变化率趋近于零的稳定性趋势，逼近控制目标。

当系统自适应学习的经验聚类信号与基于变化率达到稳定阈值的偏差变化率最小以及偏差最小时，该预测控制目标被确定为将要选定的动态进气脉谱值。该脉谱值被送于暂存器中用于对控制目标的输出，重复前述的过程，不断计算前一循环的各相关变化率，在当前循环中控制和学习，在下一循环中预测输出。学习与控制交替进行。

当稳定性阈值出现时，该预测控制目标的动态脉谱参数即生成的动态脉谱，被存入铁电存储器中，稳定性阈值出现时的各传感器信号值也同时被确定为决定该脉谱输出的工况条件信号。同理，而与喷油目标共同构成数据节点，在条件发生变化时，重复以上过程，不断生成相对应的动态脉谱。

在学习与控制交替进行过程中，生成的动态进气脉谱和生成该动态进气脉谱时的各相关传感器的信号值按控制策略中的数据处理原则被聚类优化存储；优化的原则分两个方面，一是不断对基本工况条件和记忆的操作条件对动态进气脉谱参数按趋势找出寻优区域不断逼近控制，确定最优条件ε出现时的数据节点，这样减少了空间占用率，同时也缩短了动态进气脉谱的生成周期。二是采用紧凑型地址空间存储策略，避免多余单元重新分配地址，即采用统一地址求余运算得到训练存放权值的空间，以满足硬件实现要求。

例如，对空燃比强制调整时，在当前学习与控制阶段，控制系统中小脑关节控制器CMAC根据前一循环比例电磁阀的位置、相关的传感器信号变化率确定下一循环的预测输出。因而首先以前一循环的控制脉谱为中心，根据与之相关传感器信号变化范围(如曲轴加速度)及信号的变化率范围确定工况条件输入空间Ug＝[a，b]×[c，d]，根据预测目标和实际目标偏差范围及偏差变化率范围确定脉谱跟踪修正空间Um＝[e，f]×[g，h]，如比例电磁阀开度范围在0％到100％，其变化率在0到1，则标准乘积空间为Ug＝[0，100]×[0，1]；并选取合适的量化级数，给出初始权系数矩阵，以当前与之相关传感器信号变化及信号的变化率和当前执行器位置信号及信号变化率为节点，选取合适的参数和空间超几何体半径，根据给定的样本找出包含该点的空间超几何体，确定选择矩阵S，此时小脑关节控制器CMAC的输出定义在以激活节点为中心的超几何体上的基函数线性组合，即

其中：B(x_t)＝diag[b₁(x_t)，b₂(x_t)，…，b_m(x_t)]，q＝[q₁，q₂，，q_n]^T是权系数向量，s_m＝[s_t，m]_n×m为权系数选择向量，这样对于每个样本，只需局部调整权系数即可。这样经不断学习与控制，不断重复以上过程，学习与控制交替进行，生成符合要求的动态脉谱参数，对下一循环中比例电磁阀开度以及压气机转速进行预测控制，经过一段时间(多个循环过程)的学习经验聚类，通过多次逼近达到了实际目标值，最大能力的消除了时滞带来的控制偏差，从而使空燃比达到精确修正。

如图5所示：微处理器U1的31、32脚分别与存储器U16的29、24脚相连，40脚通过电阻R1接VCC高电平，通过电容C1接地，通过开关S1接地；微处理器U1的73、74脚之间接有晶振Y1，并且通过电容C2、C3接地；

进气压力、大气压力传感器的信号经过缓存器U2进入锁相环U3进行V/F转换处理后，通过光电耦合器OP1输入到微处理器U1的A/D口P50、P51脚，供微处理器U1进行分析计算处理。

氧传感器信号经运算放大器U4对其进行10倍放大后输入对数放大器U5，经对数放大器U5的放大后由对数放大器U5的10脚输出，经运算放大器U6进行I-V变换为5-0V电压信号输入到微处理器U1的A/D口P52脚，供微处理器U1对空燃比进行分析判定。

将冷却水温度信号、进气温度信号通过串接分压电阻转换为模拟电压信号供比较器U7比判，比较器U7依次输出数字信号输入到微处理器U1的A/D口P54、P55脚，供微处理器U1来分析判断发动机工况。

曲轴位置传感器信号输入到磁变换器U8进行转换处理后，输入到微处理器U1的A/D口P57脚，供微处理器U1进行分析计算处理。

节气门位置信号、油门踏板信号经降压后输入到运算放大器U9放大处理后，输入到微处理器U1的A/D口P46、P47脚，供微处理器U1进行分析计算处理。

反相器U10和门电路U11组成喷油信号脉冲鉴宽电路；喷油信号输入到微处理器U1的INTP0口P01脚，供微处理器U1进行分析计算处理。

转速信号经过时基电路U12调理后，通过光电耦合器OP3输入到微处理器U1的P20脚，供微处理器U1进行分析计算处理。

微处理器U13、锁存器U14、动态储存器U15构成小脑关节控制器CMAC，在微处理器U1的控制下，依据内置控制策略自适应学习，并对受空燃比目标值进行调节逼近；动态储存器U15是闪存存储器，其对类聚调节参数进行刷新存储，在微处理器U13的控制下参与新工况下的控制器控制。

由扩展口U17和存储器U16构成预备扩展闪存器，存储系统脉谱MAP数据。

微处理器U1驱动控制信号经光电耦合器OP4隔离处理后，通过三极管Q2放大后驱动功率管QE1，控制驱动旁通进气阀、电控调速压气机、比例电磁阀。

Claims (6)

1.组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，其特征在于：包括基本进气脉谱参数和动态进气脉谱参数，基本进气脉谱参数是经过台架标定和经过台架及道路参数优化标定的脉谱参数，动态进气脉谱参数是自适应生成的发动机在线自标定和自优化的可刷新的脉谱参数，基本进气脉谱参数和动态进气脉谱参数构成组合脉谱参数，组合脉谱参数通过控制系统按控制策略对汽油发动机进气系统进行自适应控制，控制策略包括进气系统组合控制策略和修正控制策略，

动态进气系统参数的生成方法是，根据工况条件和使用条件的变化以及发动机自身因素变化学习生成的一系列进气系统自适应参数，该进气系统自适应参数在工作过程中按工况依据条件变化对进气系统的各个控制目标进行自适应学习和经验聚类，反复应用和实时修正而不断刷新；

动态进气脉谱参数的生成方法由以下几个步骤产生：

a、确定动态进气脉谱生成区域：按不同模式空燃比给定调整时：以某一工况条件下的控制喷油脉宽和控制进气机构的基本修正脉谱，以及表征此刻工况条件的相关各特征信号值为数据节点，以该节点的基本修正脉谱参数y为中心值，以期望空燃比和推定空燃比偏差为基本参考半径，找出动态脉谱生成区域(y-Δy，y+Δy)；

通过小脑关节控制器CMAC调整特征信号影响权值而分别定出动态进气系统子脉谱旁通进气电磁阀控制脉谱、调速电控压气机控制脉谱、比例电磁阀控制脉谱生成区域；

b、确定动态进气脉谱生成的寻优区域：在同维空间区域利用该数据节点中表征该工况与进气系统相关的各特征信号值的变化率大小进行动态进气脉谱生成趋势判定，从而判定更小的区域是在(y-Δy)还是在(y+Δy)一边，确定后以(y-Δy)或(y+Δy)区域的中值为目标逼近后的新节点，并且以该目标为中心，确定新的逼近后的动态进气脉谱生成区域，如此反复，不断逼近，直到最小的区域min(y-Δy，y+Δy)出现，该区域为寻优区域；

c、动态进气脉谱的生成：当表征该工况的相关各特征信号值趋近于一个近似于零的常数ε时，以及进行概率统计处理的相关特征信号的概率分布在允许的范围内，确定min(y-Δy，y+Δy)中的中值点y_m，该点即为生成的动态进气脉谱参数；

d、确定动态进气脉谱：重复以上过程a-c，并且在全过程小脑关节控制器CMAC对进气系统控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和进行经验聚类，当相关各特征信号值的变化率ε及相关特征信号的概率分布稳定在一个允许的变化范围内时，确定该动态进气脉谱参数，存入铁电存储器，此时，确定的动态进气脉谱参数和所对应的进气系统相关各特征信号值为一组数据节点，该节点即为动态进气脉谱参数，该动态进气参数的集合构成动态脉谱；

e、对动态进气脉谱的刷新：生成的动态进气脉谱在控制过程中，由于发动机自身特性及使用环境改变，以及喷油器与进气机构之间的匹配，使其进气系统控制目标也有所变化，其所组成的数据节点在进行a-d的过程时，当相关各特征信号值的变化率ε及相关特征信号的概率分布稳定在一个不允许的变化范围内时，重新生成新的动态进气脉谱参数，经小脑关节控制器CMAC对旁通电磁阀、压气机、比例电磁阀控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和经验聚类确定，对原来数据节点地址单元刷新；

进气系统组合控制策略和修正控制策略：

a、组合作用对象：作用于组合进气脉谱，对应于相同或非常相近的进气系统目标查表条件，既有基本进气脉谱，又有生成的动态进气脉谱时，即作用条件是该工况所对应的控制目标具有动态进气脉谱；

b、组合原则：同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件，即数据节点既有存在于基本进气脉谱的，也有存在于动态进气脉谱的，当组成数据节点的元素中，相关各特征信号值相同而目标参数不同时，选动态进气脉谱参数；进气系统相关各特征信号值不完全相同但目标参数相同时，对该不相同特征信号值分别按前一循环值与当次循环值计算变化率，比较该变化率，取小判优，确定进气组合脉谱参数；相关各特征信号值相同而目标参数相差较大时，取两目标中值按动态进气脉谱生成策略进行逼近生成新的动态进气脉谱参数插入动态进气脉谱中；

c、组合方法：从动态进气脉谱中选择动态进气脉谱参数后，原同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件下的基本进气脉谱参数被屏蔽；动态进气脉谱参数对控制目标进行控制，当被确定使用的动态进气脉谱参数在对进气系统目标控制时，相关各特征信号值的变化率无法稳定在允许范围内时，放弃该动态进气脉谱参数，回到该工况、该条件下的基本进气脉谱，应用动态进气脉谱生成策略重新学习生成；

d、以上组合作用下，通过对部分控制目标的动态进气脉谱参数应用，对同一工况，或代换一部分基本进气脉谱参数，或取代该工况下的全部基本进气脉谱；

在纠偏逼近中，使用的修正控制策略是：

该修正策略由常规修正策略和小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略组成：常规修正策略是来自反映发动机工况的相关各传感器的特征信号值对基本进气脉谱的修正，这一部分在常规控制方式下输出修正基本进气脉谱通过进气机构的执行器对进气目标进行控制；小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略中，一是采用新的相关各传感器的特征信号处理方式对不可直接测得量进行软测量方法推断，以及模糊推断而得到软测量特征信号值对基本进气脉谱进行修正；二是利用小脑关节控制器CMAC通过期望目标对实际目标进行纠偏，并在纠偏过程中进行权值匹配而自适应学习相关各传感器的特征信号值对基本进气脉谱进行修正，三是通过各传感器给出的特征信号变化率，以及软测量推定的特征信号变化率确定逼近范围，不断按变化率逼近最小偏差范围对基本进气脉谱进行修正。

2.根据权利要求1所述的组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，其特征在于：基本进气脉谱参数的组成是不同工况分区的若干个子脉谱参数区域之和，包括旁通进气电磁阀控制脉谱、调速电控压气机控制脉谱、比例电磁阀控制脉谱，每个区域都按该区域的进气系统控制目标值分为闭环控制目标区域和开环控制区域。

3.根据权利要求1所述的组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，其特征在于：控制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、传感器信号、信号调理电路、电源检测、功率驱动电路、进气控制系统，传感器信号通过信号调理电路与微处理器相连，铁电存储器与小脑关节控制器CMAC互联，小脑关节控制器CMAC与微处理器互联，微处理器与功率驱动电路相连，功率驱动电路与进气控制系统相连。

4.根据权利要求1所述的组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，其特征在于：进气控制系统包括进气管(1)、空气滤清器(2)、稳压箱(4)、辅助稳压箱(12)、电子节气门控制器(6)、引射腔(13)、引射空气喷射口(11)、旁通管(7)，空气滤清器(2)安装在进气管(1)与稳压箱(4)之间，进气流量检测仪(5)安装在稳压箱(4)与电子节气门控制器(6)之间，旁通管(7)进口在稳压箱(4)下端，出口为安装在引射腔(13)入口端的引射空气喷射口(11)，旁通管(7)中部设有辅助稳压箱(12)，控制器(10)分别与安装在进气系统的进气温度传感器(3)、进气流量检测仪(5)、电子节气门控制器(6)、旁通进气电磁阀(8)、发动机(14)进气口、喷油器(15)、氧传感器(17)、油门踏板位置信号(18)、节气门力矩电机驱动信号(19)、油门操纵信号(20)、比例电磁阀(21)相连。

5.据权利要求1所述的组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，其特征在于：进气系统相关各传感器的特征信号包括油门踏板信号，发动机的曲轴位置及转速信号、上止点信号、转矩信号、喷油脉宽信号、节气门位置信号、氧传感器信号、燃油温度信号、供电回路电压信号、水温传感器信号、进气压力信号，空燃比信号、EGR率信号、爆震信号、火焰离子信号和排气温度信号。

6.根据权利要求1或3所述的组合脉谱对发动机进气系统控制的方法，其特征在于：控制系统根据发动机与进气系统相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋势对部分时滞偏差过大的控制目标进行给定进气系统期望值预测控制，同时以预测控制目标值为数据节点，利用小脑关节控制器CMAC的自适应逼近调整能力和学习能力，降低或消除各方面信号滞后带来的误差；

控制系统还根据发动机与进气系统相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋势进行经济模式、动力模式、正常模式判定，在不同的控制模式下自适应选定不同的进气系统闭环控制目标进行控制；在控制过程中，通过控制和学习交替进行，对模式目标进行优化，并在今后的控制中依据条件的改变，不断修改和被优化。

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