CN101285428A - 组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法 - Google Patents

组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法 Download PDF

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Abstract

组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,属于汽车汽油发动机控制领域。包括基本节气门开度脉谱参数和动态节气门开度脉谱参数,基本节气门开度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,动态节气门开度脉谱参数是控制系统自学习在线自标定和自优化生成的脉谱参数,基本节气门开度脉谱参数和动态节气门开度脉谱参数构成组合脉谱参数,通过控制系统按节气门开度控制策略对汽油发动机节气门开度进行自适应控制。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,从而提高了控制的精度和速度,提高了控制的实时性。

Description

组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法
技术领域
组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,属于汽车汽油发动机控制领域。 背景技术
在发动机控制过程中,控制单元根据基本控制条件查控制脉谱参数,并且根据各传 感器反映的发动机状态条件对控制脉谱参数进行修正输出,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。
目前使用的节气门控制系统大多是用机械连接方式控制,但越来越多的电子节气门 正在以取代机械控制方式之势得到应用;机械的节气门是用拉线方式将油门踏板的位移 传递给节气门转换为节气门的开度,其误差是不言而喻的;对其进行电子控制主要是通 过控制怠速控制阀或怠速步进电机对怠速进行控制。电子节气门则由控制单元、油门踏 板体单元、节气门体单元构成,在整个开度范围内由直流力矩电机或步进力矩电机进行 闭环控制,控制机理是由油门踏板体单元输入反映操作意图的位移量,使节气门体通过 电子调节驱动电机将节气门控制到指定开度,通过油门踏板位置传感器测量的踏板位移 量而反馈实际操纵位置,通过节气门位置信号反馈节气门实际开度,使控制单元精确修 正节气门开度脉谱参数对电机精确控制。
电子节气门的控制核心是利用控制进气而控制转矩,因而还有怠速及与转矩相关的 巡航控制、车辆稳定控制、变速稳定控制等,还可以利用压力传感器信号进行海拔高度 补偿等。
上述控制方法在汽油发动机上得到很好的应用,但现有的脉谱参数控制策略对下列 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) 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仅应用台架优化的基本脉谱参数将偏离控制目标;以各传感器 反馈的各种状态信号由于各种时滞效应,使其修正的脉谱参数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确定的基本脉谱参数组 合控制的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法。
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电子节气门控制
的方法,其特征在于:包括基本节气门开度脉谱参数和动态节气门开度脉谱参数,基本 节气门开度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 节气门开度脉谱参数是控制系统自学习在线自标定和自优化生成的脉谱参数,基本节气 门开度脉谱参数和动态节气门开度脉谱参数构成组合脉谱参数,通过控制系统按节气门 开度控制策略对汽油发动机节气门开度进行自适应控制。
节气门开度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,每个区 域都按该区域的控制目标值闭环控制。
控制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、模拟信号、数字信 号、电源检测及稳压、H桥PWM驱动电路、功率驱动电路,模拟信号的一部分通过输入 调理电路、模拟信号通道与微处理器相连,模拟信号的另一部分通过输入调理缓冲电路、 数字信号通道与微处理器相连,数字信号经数字信号通道、输入调理缓冲电路与微处理 器相连,电源检测及稳压连接微处理器,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H桥PWM驱动电路相连,H桥PWM驱 动电路与节气门力矩电机相连,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。
与控制系统相连的信号包括油门踏板信号、节气门位置信号、发动机工况信号、电 源检测信号、及包括CAN收发器、自动巡航信号、车身稳定信号、ABS信号、变速器信 号的车身系统信号、H桥PWM驱动电路、节气门力矩电机、进气控制系统,油门踏板信 号、节气门位置信号、发动机工况信号、电源检测信号、及包括CAN收发器、自动巡航 信号、车身稳定信号、ABS信号、变速器信号的车身系统信号分别与控制系统相连,控 制系统通过H桥P寵驱动电路与节气门力矩电机相连,控制系统与进气控制系统相连。动态节气门开度脉谱参数的生成方法是,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自适应参数,该自适应参数在工作过程中按工况依据 条件变化自适应学习和经验聚类,反复应用和实时修正而不断刷新;
动态节气门开度脉谱参数的生成方法由以下几个步骤产生:
a、 确定动态节气门开度脉谱生成区域:以某一工况条件和控制模式下的基本修正
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,以期望扭矩和推定扭矩偏差、巡航控制速度期望目标和实际巡航速 度偏差按优先级选定基本参考半径,找出动态脉谱生成区域(y—Ay, y+Ay);
b、 确定动态节气门开度脉谱生成的寻优区域:在同维空间区域利用该数据节点中 表征该工况与节气门开度相关的各特征信号值的变化率大小进行动态节气门开度脉谱 生成趋势判定,从而判定更小的区域是在(y—Ay)还是在(y+Ay)—边,确定后以(y 一Ay)或(y+Ay)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 逼近后的动态节气门开度脉谱生成区域,如此反复,不断逼近,直到最小的区域min(y -Ay, y+Ay)出现,该区域为寻优区域;
c、 动态节气门开度脉谱的生成: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e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—Ay, y+Ay)中的中值点ym,点即为生成的动态节气门开度脉谱参数;
d、 确定动态节气门开度脉谱:重复以上过程a-c,并且在全过程小脑关节控制器 CMAC对节气门开度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e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,确定该动态节气门开度脉谱参数,存入铁电存储器,此时,确定的动 态节气门开度脉谱参数和所对应的节气门开度相关各特征信号值为一组数据节点,该节 点即为动态节气门开度脉谱参数,该动态节气门开度脉谱参数的集合构成动态脉谱;
e、 对动态节气门开度脉谱的刷新:生成的动态节气门开度脉谱在控制过程中,由 于发动机自身特性及使用环境改变,以及节气门控制模式、自动巡航、怠速工况等,使 其节气门开度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,当确定 其相关各特征信号值变化率e改变以及相关特征信号的概率分布不在允许的变化范围 时,重新生成新的动态节气门开度脉谱参数,经小脑关节控制器CMAC对节气门开度控 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。控制策略包括节气门开度脉谱组合控制策略和节气门开度修正控制策略或其他控 制策略。
节气门开度组合控制策略和修正控制策略:
a、 组合作用对象:作用于组合节气门开度脉谱,对应于相同或非常相近的节气门 开度目标査表条件,既有基本节气门开度脉谱,又有生成的动态节气门开度脉谱时,即 作用条件是该工况所对应的控制目标具有动态节气门开度脉谱;
b、 组合原则;对同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件,即数据节点既有 存在于基本节气门开度脉谱的,也有存在于动态节气门开度脉谱的,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,选动态节气门开度脉谱参数;节气 门开度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,确定节气门组合脉谱 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节气门开度 脉谱生成策略进行逼近生成新的动态节气门开度脉谱参数插入动态节气门开度脉谱中;
C、组合方法:从动态节气门开度脉谱中选择动态节气门开度脉谱参数后,原同工 况、同条件或同工况具有非常相近的条件下的基本节气门开度脉谱参数被屏蔽;动态节 气门开度脉谱参数对控制目标进行控制,当被确定使用的动态节气门开度脉谱参数在对 节气门开度目标控制时,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 动态节气门开度脉谱参数,回到该工况、该条件下的基本节气门开度脉谱,应用动态节 气门开度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节气门开度脉谱参数应用,对同 一工况,或代换一部分基本节气门开度脉谱参数,或取代该工况下的全部基本节气门开 度控脉谱;
控制系统对节气门开度的期望目标按修正策略以及动态节气门开度脉谱的生成策 略、组合策略选择最佳节气门开度控制目标进行逐步纠偏逼近控制,在控制过程中通过 自适应学习和经验聚类,生成动态节气门开度脉谱使对节气门开度目标的控制达到快速 响应和高精度;
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节气门开度脉谱的 修正,这一部分在常规控制方式下输出基本修正节气门开度脉谱通过可调占空比双向驱动电机对空燃比目标进行控制;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节气门开度脉谱进行修正;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节气门开度脉谱进行修正,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节气门脉谱进行修正。
各相关传感器信号为发动机上的传感器信号以及采用软测量方式推断出的特征信 号,主要包括: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、点火提前角信 号、巡航设定信号。其中,若利用辅助进气系统对空燃比强制调节时,对氧传感器信号 进行了特殊的处理,即利用氧传感器的电压信号变化率和采集喷油脉宽变化率按空燃比 改变趋势进行空燃比目标逼近调节。
控制系统根据发动机与节气门开度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空燃比期望值预测控制,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节气门开度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 的节气门开度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:起动工况、暖机工况、怠速工况、大负荷工况,加减速工况、空燃比闭 环控制工况以及全节气门控制工况。
与现有技术相比,本发明组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,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节气门控制的影响得到了修正,使控制更加精确,改善了发 动机自身条件变化时反馈信号确定单一造成的节气门控制单元无法快速响应,并通过适 时提前预测控制,最大可能的修正了各种时滞带来的控制滞后,提高了控制实时性。本 发明还对自动巡航功能进行了改进,采用实际车速与目标车速偏差大于某一阈值时,通过对驱动电机调占空比的方式对节气门柔性控制,提高了行车安全性。 附图说明
图1本发明控制系统电路原理框图;
图2电子节气门控制方案示意图;
图3自适应方案示意图;
图4节气门控制策略流程图;
图5实现控制过程程序流程框图;
图6控制系统电路原理图。
图1-6是本发明的最佳实施例,图5中:Ul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运算放 大器、Ull反相器、U12门电路、U13、 U14微功耗运算放大器、U15锁相环、U16斯密 特触发器、U17时基电路、U18微处理器、U19锁存器、U20动态储存器、U21存储器、 U22扩展口 、 0P1~0P5光电耦合器、MG2节气门电机、DEI-DE5功率驱动管、Rl—R54 电阻、VR1-VR2可调电阻、C1~C31电容、D1—D8整流二极管、Ql-Q3三极管、LI-L2 电感、Yl-Y2晶振、Sl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电子节气门控制的方法通过控制单元,按设计的控 制策略由常规控制器和小脑关节控制器CMAC对节气门开度力矩电机进行自适应闭环控 制;控制中综合考虑了发动机与车身系统以及道路行驶的相结合性。以下结合附图l-6 对本发明组合脉谱对汽油机节气门控制的方法的实施过程进行说明。
如图l所示:本发明控制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、 模拟信号、数字信号、电源检测及稳压、H桥PWM驱动电路、功率驱动电路,模拟信号 的一部分通过输入调理电路、模拟信号通道与微处理器相连,模拟信号的另一部分通过 输入调理缓冲电路、数字信号通道与微处理器相连,数字信号经数字信号通道、输入调 理缓冲电路与微处理器相连,电源检测及稳压连接微处理器,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H桥PWM驱动电路 相连,H桥PWM驱动电路与节气门力矩电机相连,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。
外部传感器的模拟信号通过输入调理电路将信号输入到微处理器;输入调理电路对模拟信号的处理分两部分:一部分由输入调理电路将信号调理为数字信号经数字信号通 道输入微处理器;另一部分输入调理电路将信号直接经模拟通道输入微处理内部的A / D端口。
模拟信号主要包括:进气压力或进气流量、节气门位置信号、大气压力信号、进气 温度信号、冷却水温度信号、氧传感器信号、环境温度信号、油门踏板信号、系统电压 变化信号等。
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。
数字信号主要有:曲轴位置、喷油脉宽信号、车速信号、爆震信号、空调请求信号、 方向助力请求信号、空挡信号、大灯开关信号及电离子传感器信号等。
电源通过电源检测及稳压电路处理后接入微处理器。电源检测及稳压电路的主要功 能是:给系统各芯片提供稳压电源、给传感器提供工作电源和给RAM提供电源保持。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。
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节气门开度脉谱参数,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节气门开度脉谱参数进行备份,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节气门开度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节气门开度脉谱参数从铁电存储 器写入微处理器中。
H桥式驱动控制电路采用H桥式控制驱动节气门力矩电机等。
功率驱动控制电路采用专用控制驱动芯片和外围电路,驱动有进气阀、电控调速压
气机、比例电磁阀等组成的进气系统。
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:与控制系统相连的信号包括油门踏板信号、节气门位置信号、发动机 工况信号、电源检测信号、及包括CAN收发器、自动巡航信号、车身稳定信号、ABS信 号、变速器信号的车身系统信号、H桥PWM驱动电路、节气门力矩电机、进气控制系统, 油门踏板信号、节气门位置信号、发动机工况信号、电源检测信号、及包括CAN收发器、 自动巡航信号、车身稳定信号、ABS信号、变速器信号的车身系统信号分别与控制系统 相连,控制系统通过H桥PWM驱动电路与节气门力矩电机相连,控制系统与进气控制系 统相连。
反映操纵意图的油门踏板信号是冗余设计的两路互补对称信号,该信号经信号调理 电路处理并A/D转换后送入控制系统,控制系统经采集相关发动机工况信号确定工况 条件,查表输出该工况条件下的节气门开度脉谱参数,并经相关工况条件和使用环境条 件对节气门开度脉谱参数进行修正输出,该输出信号分两路驱动功率H桥对节气门力矩 电机进行PWM控制,并且对进气系统的旁通进气电磁阀、比例电磁阀以及调速电控压 气机进行控制;控制过程中,控制单元采集节气门位置信号对节气门进行反馈闭环控制, 通过C A N总线收发器接受来自车身的自动巡航控制信号、车身稳定信号(即驱动轮与 从动轮状态及方向角参数),ABS刹车状态信号和变速箱力矩状态信号,经信号调理 电路处理送入控制单元,该信号与发动机其它工况信号反映的条件与使用环境成为査表 条件输出节气门开度脉谱参数,该脉谱参数经控制策略所定条件参数修正后输出驱动H 桥电路对节气门力矩电机控制。
如图3所示:按照本发明组合脉谱对发动机电子节气门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节气门开度脉谱参数 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节气门开度脉谱参数, 因而工作一段时间的发动机,其基本节气门开度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节气门开度脉谱参数 也改变的不再相同。
控制单元根据油门踏板信号和相关发动机工况信号确定目前的工况,根据工况决定
的基本节气门开度脉谱参数,该基本节气门开度脉谱通过发动机反馈的相关工况参数, 按修正策略对基本脉谱参数进行修正输出;如怠速工况,控制系统检测冷却水温度确定 发动机转速和对应的基本节气门开度,当水温低于65度时,按暖机策略给出基本节气 门开度脉谱参数,即以目标转速与冷却水温度所对应的节气门开度。反馈的发动机实际 转速与目标转速有差值时,通过怠速工况的相关信号对偏差调整,本方案中,除与目前控制方式类同的常规调整外,使用了小脑关节控制器CMAC的学习控制。
使用小脑关节控制器CMAC,结合传统PID控制(常规控制器)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。
节气门控制策略中引入了自动巡航的车速目标控制、发动机输出力矩目标控制、车 身相关的其它安全控制,如基于车轮力矩状态与转向角的车身稳定系统、基于刹车力矩 和发动机转矩联合控制的的ABS系统等,这些系统牵引动力控制均需要节气门开度控制 的配合。
图3中,
(1) 设被控制输出量力(乂=厶么《?•••),在此条件下连续测量发动机/7个工作循环 的时间t和转速信号、曲轴转角加速度、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、VNT截面开度(有涡轮增压器时)和EGR阀开度信号、蓄电池电压信号、 车轮转速传感器信号以及以上各信号的变化率,并特别处理氧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;对节 气门输出量还考虑了自动巡航的车速目标的调节与节气门开度的关系,也考虑了车轮滑 移、滑转时各车轮的状态,如车轮轮速差别时对制动力的分配和节气门的开度的要求。
以上信号经控制系统并以以下公式
WW WWW
^"o+"!》广I^;o , "o》,+^》,-》,义-o
/=i ''=1 /=i ^=1 /=i
进行拟合计算处理,得到基本控制目标y,
公式中,"。为基本脉谱参数值或传感器信号值,^为控制目标变化率或传感器信
号变化率;/,.第i个循环时间;^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卸=/^1,^,…,)拟合,式中,dl/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,力一Z^, ^'二厶 2,(3) 设计控制律逻辑确定被控制输出量由力-,改为力之后,发动机各被测量的变 化率趋近于零,该趋近于零的值e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。
<formula>formula see original document page 15</formula>
(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"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f,概率分布在允许的范围内),则控制目标y被定义在&-」》J^ZW几何体区域内,得出控制目标空间区域,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节气门开度脉 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,e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:节气门控制策略中包含了操纵控制第略、怠速控制策略、巡航和车速 控制策略、模式控制策略、失效保护策略几个方面。
在操纵控制策略中,油门踏板位置传感器将油门位移转换为模拟电信号,同时节气 门位置传感器也将节气门的实际开度转换为摸拟电信号,这两个模拟信号输出特性相 同,均为近似线性输出,该两个信号通过控制系统比较对节气门闭环控制。
在怠速控制策略中,通过发动机实际转速信号的测量反馈,进行目标转速节气门开 度闭环控制,控制中充分考虑了冷却水温度传感器的信号,这些信号根据基本节气门开 度脉谱调整节气门开度。怠速控制时,通过油门踏板开度检测确定车辆是否在怠速工况, 若在怠速工况,则进入怠速闭环控制,控制中以转速为目标,判定是否在目标转速,决 定力矩电机是停转或正、反转。
在巡航及车速控制策略中,通过期望车速设定和测量实际车速对其比较,进行目标车速节气门开度闭环控制,控制过程中,首先判别车速是否达到设置自动巡航阈值(本 方案为60),并对实际车速与目标车速进行了差量大小判定,通过设定差量阈值(本方 案设为30)的方法,运用占空比调速法进行了节气门调整速度控制,从而使巡航过程中, 由于设定速度过高而由于道路终状况采取措施后的实际车速与之相差过大,恢复巡航后 造成提速冲击这样的柔性调整,提升了安全性。
在模式控制策略中,通过对节气门响应灵敏度方式控制进行功率摸式、经济模式、 正常模式控制,在控制过程中,使用了轮速测量功能。如功率模式时,对节气门力矩电 机进行大占空比高速控制;正常模式时,经济模式时,对节气门力矩电机采用小占空比 慢速控制。
在失效保护策略中,本发明通过可靠性系统检测程序进行了始工作检测与工作过程 监控,当系统出现异常,给出报警信号,同时对节气门电调系统予以切断,以油门踏板 与节气门相联的应急拉杆方式慢速行车。
如图5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(如油门踏板位置)与当前相关传感器 (如转速信号、节气门位置信号)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节气门开度脉谱参数。
如果此过程有经过自适应学习生成的动态节气门开度脉谱参数存在,控制系统经稳 定性优化判比,若该动态节气门开度脉谱参数更优于基本节气门开度脉谱参数,则输出 的是新生成的动态节气门开度脉谱参数。该动态节气门开度脉谱参数被传感器的反馈信 号进行当前修正,修正后的动态节气门开度脉谱参数对节气门力矩电机控制,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(如节气 门位置信号)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(如节气门开度、转速、喷油脉宽等),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+l)=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(如曲轴转角 加速度、进气压力变化率、电压变化率以及氧传感器信号变化率等),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(经验聚类的生成动态节气门开度脉谱参数被存 储器暂存的数据)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节气门开度脉谱参数值。该动态节气门开度脉谱参 数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值即生成的动态节气门开度 脉谱参数,被存入铁电存储器中,稳定性阚值出现时的各传感器信号值也同时被确定为 决定该动态节气门开度脉谱参数输出的工况条件信号,而与节气门开度目标共同构成数 据节点。同理,在条件发生变化时,重复以上过程,不断生成相对应的动态节气门开度 脉谱参数。
在学习与控制交替进行过程中,生成的动态节气门开度脉谱参数和生成该动态节气 门开度脉谱参数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节气 门开度脉谱参数值按趋势找出寻优区域不断逼近控制,确定最优条件e出现时的数据节 点,这样减少了空间占用率,同时也縮短了动态节气门开度脉谱参数的生成周期。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。
如以上小脑关节控制器CMAC流程,以怠速控制说明该控制器的工作过程。 在当前学习与控制阶段,控制系统中小脑关节控制器CMAC根据前一循环的节气门 力矩电机位置、负荷及电器接入状态以及与之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参数为中心,根据与之相关传感器信号变化 范围(如转速)及信号的变化率范围确定工况条件输入空间〃^= [a,力]X [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参数跟踪修正空间^历= [e, /] X [g,力],如力矩电机调整行程在1到8度,其变化率在0到3,则标准 乘积空间为〃^=[厶《]X [" ];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5",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j)^《50c,k,
其中:so^=^。g[^i0o'&2(jo'''''iM&')]'《=[<?1'«?2' '^r是权系数向量,S =「S 1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,对下一循环中怠速喷油脉宽与电机进行预测控制,经过一段时间(多个循环过程) 的学习聚类,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,
从而使怠速达到精确控制。
如图6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0P1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Ul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、环境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、 P56脚,供微处理器Ul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Ul的A/D 口 P57脚,供微处理器Ul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。
爆震的信号通过由运算放大器U10及其外围电路组成的信号选频放大电路进行放 大处理后,输入到由运算放大器U10E组成的检波电路,检波器的输出信号经过一个非 门缓冲后输入微处理器Ul的P16脚,供微处理器Ul进行分析计算处理。
反相器Ull和门电路U12组成喷油信号脉冲鉴宽电路;喷油信号输入到微处理器 Ul的INTPO 口 P01脚,供微处理器Ul进行分析计算处理。
电离传感器信号通过由微功耗运算放大器U13、 U14及其外围电路组成的恒电位仪 电路和电流检测电路处理后,传感器信号的电位被控制在一个定值,传感器信号经处理 后输入到微处理器U1的P27脚,供微处理器U1进行分析计算处理。电源通过由锁相环U15组成的电源检测电路处理后,通过光电耦合器0P3输入微处 理器U1的P26脚,实时检测电瓶电压量,为系统提供可靠性稳压直流电源。
大灯开关信号、空档位置信号、方向助力信号、空调请求信号通过串接分压电阻转 换为模拟电压信号供斯密特触发器U16整形后,依次输出数字信号输入到微处理器Ul 的P21、 P22、 P23、 P24脚,给微处理器Ul来判断分析发动机工况。
转速信号经过时基电路U17调理后,通过光电耦合器0P4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U18、锁存器U19、动态储存器U20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U20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U18的控 制下参与新工况下的控制器控制。
由扩展口 U26和存储器U25构成预备扩展闪存器,存储系统脉谱MAP数据。
微处理器Ul驱动控制信号经光电耦合器0P4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。
由微处理器Ul的P116、 P117脚分别输出PWM1、 PWM2控制信号,通过功率驱动器 QE2-QE5组成的H桥驱动电路,经过稳压整流二极管D5-D8组成的整流隔离电路来驱动 控制节气门力矩电机MG1。

Claims (10)

1、组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于:包括基本节气门开度脉谱参数和动态节气门开度脉谱参数,基本节气门开度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,动态节气门开度脉谱参数是控制系统自学习在线自标定和自优化生成的脉谱参数,基本节气门开度脉谱参数和动态节气门开度脉谱参数构成组合脉谱参数,通过控制系统按节气门开度控制策略对汽油发动机节气门开度进行自适应控制。
2、 根据权利要求l所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于: 节气门开度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,每个区域都 按该区域的控制目标值闭环控制。
3、 根据权利要求l所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,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、模拟信号、数字信号、电 源检测及稳压、H桥P服驱动电路、功率驱动电路,模拟信号的一部分通过输入调理电路、 模拟信号通道与微处理器相连,模拟信号的另一部分通过输入调理缓冲电路、数字信号 通道与微处理器相连,数字信号经数字信号通道、输入调理缓冲电路与微处理器相连, 电源检测及稳压连接微处理器,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H桥PWM驱动电路相连,H桥PWM驱动电路与节气 门力矩电机相连,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3所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于: 与控制系统相连的信号包括油门踏板信号、节气门位置信号、发动机工况信号、电源检 测信号、及包括CAN收发器、自动巡航信号、车身稳定信号、ABS信号、变速器信号的车 身系统信号、H桥PWM驱动电路、节气门力矩电机、进气控制系统,油门踏板信号、节气 门位置信号、发动机工况信号、电源检测信号、及包括CAN收发器、自动巡航信号、车 身稳定信号、ABS信号、变速器信号的车身系统信号分别与控制系统相连,控制系统通过 H桥PWM驱动电路与节气门力矩电机相连,控制系统与进气控制系统相连。
5、 根据权利要求1所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于: 动态节气门开度脉谱参数的生成方法是,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自适应参数,该自适应参数在工作过程中按工况依据条件 变化自适应学习和经验聚类,反复应用和实时修正而不断刷新;动态节气门开度脉谱参数的生成方法由以下几个步骤产生:a、 确定动态节气门开度脉谱生成区域:以某一工况条件和控制模式下的基本修正脉谱,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,以期望扭矩和推定扭矩偏差、巡航控制速度期望目标和实际巡航速度 偏差按优先级选定基本参考半径,找出动态脉谱生成区域(y—Ay, y+Ay);b、 确定动态节气门开度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 征该工况与节气门开度相关的各特征信号值的变化率大小进行动态节气门开度脉谱生成 趋势判定,从而判定更小的区域是在(y—Ay)还是在(y+Ay)—边,确定后以(y—Ay) 或(y+Ay)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 的动态节气门开度脉谱生成区域,如此反复,不断逼近,直到最小的区域min(y—Ay, y 十Ay)出现,该区域为寻优区域;c、 动态节气门开度脉谱的生成:当表征该工况的相关各特征信号值的变化率趋近于 一个近似于零的常数e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—Ay, y+Ay)中的中值点yra,该点即为生成的动态节气门开度脉谱 参数;d、 确定动态节气门开度脉谱:重复以上过程a-c,并且在全过程小脑关节控制器CMAC 对节气门开度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e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,确定该动态节气门开度脉谱参数,存入铁电存储器,此时,确定的动态节气 门开度脉谱参数和所对应的节气门开度相关各特征信号值为一组数据节点,该节点即为 动态节气门开度脉谱参数,该动态节气门开度脉谱参数的集合构成动态脉谱;e、 对动态节气门开度脉谱的刷新:生成的动态节气门开度脉谱在控制过程中,由于 发动机自身特性及使用环境改变,以及节气门控制模式、自动巡航、怠速工况等,使其 节气门开度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,当确定其 相关各特征信号值变化率e改变以及相关特征信号的概率分布不在允许的变化范围时, 重新生成新的动态节气门开度脉谱参数,经小脑关节控制器CMAC对节气门开度控制目标 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。
6、根据权利要求5所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于: 控制策略包括节气门开度组合控制策略和节气门开度修正控制策略或其他控制策略。
7、根据权利要求6所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于: 节气门开度组合控制策略和修正控制策略:a、 组合作用对象:作用于组合节气门开度脉谱,对应于相同或非常相近的节气门开 度目标査表条件,既有基本节气门开度脉谱,又有生成的动态节气门开度脉谱时,即作用条件是该工况所对应的控制目标具有动态节气门开度脉谱;b、 组合原则;对同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件,即数据节点既有存 在于基本节气门开度脉谱的,也有存在于动态节气门开度脉谱的,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,选动态节气门开度脉谱参数;节气门 开度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,确定节气门组合脉谱参 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节气门开度脉 谱生成策略进行逼近生成新的动态节气门开度脉谱参数插入动态节气门开度脉谱中;C、组合方法:从动态节气门开度脉谱中选择动态节气门开度脉谱参数后,原同工况、 同条件或同工况具有非常相近的条件下的基本节气门开度脉谱参数被屏蔽;动态节气门 开度脉谱参数对控制目标进行控制,当被确定使用的动态节气门开度脉谱参数在对节气 门开度目标控制时,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 节气门开度脉谱参数,回到该工况、该条件下的基本节气门开度脉谱,应用动态节气门 开度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节气门开度脉谱参数应用,对同一 工况,或代换一部分基本节气门开度脉谱参数,或取代该工况下的全部基本节气门开度 脉谱;控制系统对节气门开度的期望目标按修正策略以及动态节气门开度脉谱的生成策 略、组合策略选择最佳节气门开度控制目标进行逐步纠偏逼近控制,在控制过程中通过 自适应学习和经验聚类,生成动态节气门开度脉谱使对节气门开度目标的控制达到快速 响应和高精度;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节气门开度脉谱的修 正,这一部分在常规控制方式下输出基本修正节气门开度脉谱通过可调占空比双向驱动 电机对空燃比目标进行控制;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节气门开度脉谱进行修正;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节气门开度脉谱进行修正,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 小偏差范围对基本节气门脉谱进行修正。
8、 根据权利要求7所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于: 各相关传感器信号为发动机上的传感器信号以及采用软测量方式推断出的特征信号,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、点火提前角信号、巡航设 定信号。
9、 根据权利要求7所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特征在于: 控制系统根据发动机与节气门开度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空燃比期望值预测控制,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节气门开度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 节气门开度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。
10、 根据权利要求2、 4或7所述的组合脉谱对发动机电子节气门控制的方法,其特 征在于:工况是指:起动工况、暖机工况、怠速工况、大负荷工况,加减速工况、空燃 比闭环控制工况以及全节气门控制工况。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C56 Change in the name or address of the patentee

Owner name: SHANDONG SHENPU TRAFFIC TECHNOLOGY CO., LTD.

Free format text: FORMER NAME: SHANDONG SHENPU AUTOMOTIVE CONTROL TECHNOLOGY CO., LTD.

CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 255086 room 521, building E, hi tech Pioneer Park, Zibo hi tech Industrial Development Zone, Zibo, Shandong

Patentee after: Shandong Shenpu Traffic Technology Co., Ltd.

Address before: 255086 room 521, building E, hi tech Pioneer Park, Zibo hi tech Industrial Development Zone, Zibo, Shandong

Patentee before: Shandong Shenpu Automotive Control Technology Co., Ltd.

EXPY Termination of patent right or utility model
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20100421

Termination date: 20141220