CN104246186B - 带有学习和线性化功能的用于控制可变几何形状涡轮机的叶片的系统 - Google Patents

带有学习和线性化功能的用于控制可变几何形状涡轮机的叶片的系统 Download PDF

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Abstract

在此披露了一种用于对供应机动车辆的内燃发动机的可变几何形状涡轮机的叶片加以控制的系统，该系统包括：一个减法器(5)，该减法器能够确定一个涡轮增压压力设定点与测量值之间的偏差；一个调节器(4)，该调节器能够发送一个针对可变几何形状涡轮机的叶片的输出控制信号；基于该发动机的旋转速度和一个扭矩设定点的一个叶片位置图谱(3)；以及用于确定学习条件的一个确定装置(1)，该确定装置能够将一个控制信号发送给用于学习该控制的一个学习装置(2)，该学习装置能够基于该图谱和该调节器的信号发送一个对叶片控制信号的校正值，该学习装置(2)能够在收到来自该确定装置(1)的一个信号之后学习这些预定位信号。

Description

带有学习和线性化功能的用于控制可变几何形状涡轮机的叶 片的系统
技术领域
本发明的技术领域是发动机控制、并且更确切地讲是对装配有可变几何形状涡轮机的发动机的控制。
背景技术
用于内燃发动机的涡轮增压器具有与一个压缩机相结合的一个涡轮机，以便增大允许进入发动机的汽缸中的空气量。该涡轮机被放置在排气歧管的出口处并且由排气驱动。在某些涡轮机中，通过改变这些叶片的取向来调制由排气提供给涡轮机的功率。这样的涡轮机被称作可变几何形状涡轮机(VGT)。安装在与涡轮机相同的轴线上的压缩机压缩进入进气歧管的空气。
使用了一个致动器来控制该涡轮机的这些叶片的打开和关闭。该致动器的控制信号是由一个电子控制单元(ECU)提供的，并且其使得使用一个压力传感器能够控制该进气歧管中的涡轮增压压力。涡轮增压压力的水平随着涡轮增压柴油发动机的性能水平的提高而提高。其结果是，对于涡轮增压器的需求在不断增加。因此尽可能准确地控制涡轮增压器以防止它们受损并且提高加速过程中车辆的性能是重要的。
当前，控制涡轮增压压力仅仅涉及使涡轮增压压力(Psural,mes)的测量值与一个涡轮增压压力设定点(Psural,cons)相关联。通常是根据发动机的旋转速度和燃料流速来图谱绘制这个涡轮增压压力设定点的。一个控制器则通过调制VGT的叶片的位置来将涡轮增压压力调节至该设定点。
此外，这些叶片的位置不是直接受控的。事实上，控制涡轮增压通常涉及使用一个螺线管来调制叶片控制杆所附接到其上的一个呼吸器的减压(或加压)水平。呼吸器是指带有由气体致动的并且经受一个弹簧的回弹力的一个可移动膜片的一个构件，该膜片被机械地联接至一个控制杆。因此，只要减压产生的力等于回位弹簧的力该叶片控制杆的位置就是稳定的。
为了改善控制回路的响应时间，可以对该控制器添加一个用于该阀门或这些叶片的预定位值。这个预定位值可以是一个关于发动机的旋转速度和燃料流速的图谱的形式、或者是一种用于使得涡轮增压器的行为模型化、也被称作模型控制的算法的形式。某些控制系统使用关于致动器的位置的信息，并且被不准确地称作叶片位置反馈控制系统。这些信息使得有可能在涡轮增压受控之前控制该致动器的或该控制杆的位置。一些控制系统使用级联控制，即控制涡轮增压之后控制涡轮增压致动器的位置。这种涡轮增压控制于是给该致动器提供了一个位置设定点。
预定位使得有可能针对一个给定的设定点涡轮增压压力匹配一个叶片控制值。预定位是基于在一个标称发动机上实施的测试来标定的。
因此该控制系统的总漂移和离散使得预定位对于涡轮增压设定点是不适合的，并且正是控制器对控制信号中的这些差异加以弥补。该控制器消除该设定点与涡轮增压压力的测量值之间的差值。然而，不管所使用的控制器的类型如何，反馈都不是瞬时的并且响应时间取决于该系统中的离散和漂移。
在高负荷瞬态状态下(>75％的满负荷)，就涡轮增压响应时间和发动机可靠性而言漂移和离散可能具有显著的影响。
文件FR2831921传授了作为一个整体地使用一个第二积分器来记忆应用于预定位的单一校正值。学习单一值使得有可能补偿任何离散和漂移，但只是在该预定位图谱的一个非常有限的区域内，具有在其他点处引入额外的偏差的风险。
文件FR2872547披露了在发动机的整个运行范围内学习和记忆涡轮增压控制器的校正值。这涉及将针对各个运行点(发动机的旋转速度和扭矩)的涡轮增压控制所作出的校正简单地存储在一个表中，从而使得所述校正不是瞬时应用的。
本发明旨在改善可变几何形状涡轮机的涡轮增压控制。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种用于对供应机动车辆的内燃发动机的可变几何形状涡轮机的叶片加以控制的系统，该系统包括：一个减法器，该减法器能够确定一个涡轮增压压力设定点与一个涡轮增压压力测量值之间的差值；一个比例-积分-微分控制器，该控制器能够输出一个针对可变几何形状涡轮机的叶片的控制信号；一个预定位图谱，该预定位图谱能够根据该发动机的旋转速度和一个扭矩设定点的函数来确定一个叶片位置设定点；以及用于确定学习条件的装置，该确定装置能够向学习控制装置发出一个布尔控制信号，该学习控制装置能够根据从该预定位图谱和该控制器接收的信号的函数输出对于该针对可变几何形状涡轮机的叶片的控制信号的一个校正值，该学习控制装置能够在收到来自用于确定学习条件的该装置的一个信号之后学习这些预定位信号。
用于确定学习条件的装置可以包括输出至一个AND布尔算子的用于确定稳定性条件的装置和用于确定状态条件的装置。
该学习控制装置可以包括对于来自该控制器的积分部分的信号与接收自该预定位图谱的预定位控制信号的一个加法器，以及一个开关，该开关能够根据接收自这个用于确定学习条件的装置的信号的函数来授权将由该加法器确定的值复制到一个控制图谱中。
如果由该加法器确定的值不是可获得的，则该图谱可能能够使得接收自该预定位图谱的这些预定位控制信号线性化。
该控制系统可以包括与该图谱相异的、从该图谱接收输入并且输出至该加法器的一个线性化图谱。
用于确定稳定性条件的装置可以至少包括用于将该车辆的发动机的多个物理参数与多个阈值进行比较的装置，如果所有比较装置都发出一个为真的信号，则用于确定稳定性条件的装置能够输出与该车辆的发动机的运行稳定性相关的一个为真的布尔信号。
用于确定状态条件的装置可以至少包括用于将该车辆的发动机的多个物理参数与多个阈值进行比较的装置，如果所有比较装置都发出一个为真的信号，则用于确定稳状态条件的该装置能够输出与该车辆的环境状态相关的一个为真的布尔信号。
该控制系统可以包括一个乘法器，该乘法器能够使该控制器的积分部分承载的信号与存储在一个加权图谱中的一个预定加权系数相乘，由该乘法器发出的信号作为输入被该加法器接收，以便将该信号添加到接收自该预定位图谱的信号上。
这种加权图谱可以包括取决于该发动机的负荷设定点而处于0％与100％之间的一个预定加权系数。
该叶片控制信号可以是一个打开信号或一个位置信号。
该线性化图谱的这种学习具有的优点涉及实施的简单性、低的RAM需求(最大16*2字节就足以存储一个图谱)、低的响应时间以及高效率补偿叶片控制系统中的漂移和离散。
附图说明
在以下单纯通过非限制性举例并参照附图提供的说明中阐述了本发明的其他目的、特征和优点，在附图中：
-图1示出了一种用于控制可变几何形状涡轮机的叶片的系统的一个第一实施例的主要元件，
-图2示出了用于确定稳定性条件的装置的主要元件，
-图3示出了一种用于控制可变几何形状涡轮机的叶片的系统的一个第二实施例的主要元件，
-图4示出了一种用于控制可变几何形状涡轮机的叶片的系统的一个第三实施例的主要元件，并且
-图5示出了一种用于控制可变几何形状涡轮机的叶片的系统的一个第四实施例的主要元件。
具体实施方式
图1示出了一种用于控制可变几何形状涡轮机的叶片的系统，该系统包括用于确定学习条件的装置1、学习控制装置2、一个预定位图谱3以及一个控制器4。控制器4和学习控制装置2输出至一个加法器6，该加法器能够发送一个针对可变几何形状涡轮机的叶片的控制信号。
减法器5能够确定一个涡轮增压压力设定点Psural_cons与一个涡轮增压压力测量值Psural_mes之间的差值。所确定的差值被传至一个比例-积分-微分(PID)控制器4。控制器4输出一个对可变几何形状涡轮机的叶片的控制信号。
还示出了能够根据发动机的旋转速度N和一个扭矩设定点Ccons确定一个叶片位置设定点的一个预定位图谱3以及用于确定学习条件的装置1，这个确定学习条件的装置包括输出至一个以参考符号1C标记的AND布尔算子的、用于确定稳定性条件的装置1a和用于确定状态条件的装置1b。
最后，该图示出了接收来自用于确定学习条件的装置1、预定位图谱3以及控制器4的输入的学习控制装置2。学习控制装置2输出至一个加法器6，该加法器接收来自控制器4的输入并且输出至可变几何形状涡轮机的叶片的致动器。
图2示出了用于确定稳定性条件的装置1a包括用于比较发动机旋转速度的装置12、用于比较发动机扭矩的装置13、用于比较涡轮增压压力设定点的装置14、用于比较涡轮增压压力测量值的装置15、以及用于比较可变几何形状涡轮机的叶片的位置的装置16。
用于比较发动机旋转速度的装置12包括确定装置12a和一个存储器12b，该确定装置能够确定作为输入接收的发动机旋转速度的时间导数的绝对值，并且该存储器包括该发动机旋转速度的最大值。该比较装置包括一个比较器12c，该比较器在该发动机旋转速度的导数小于该最大值时发送一个值为1的布尔信号。
其他比较装置具有类似的结构。
用于比较发动机扭矩的装置13包括确定装置13a和一个存储器13b，该确定装置能够确定作为输入接收的发动机扭矩的时间导数的绝对值，并且该存储器包括该发动机扭矩的最大值。该比较装置包括一个比较器13c，该比较器能够在该发动机扭矩的导数小于该最大值时发出一个值为1的布尔信号。
用于比较涡轮增压压力设定点的装置14包括确定装置14a和一个存储器14b，该确定装置能够确定作为输入接收的涡轮增压压力设定点的时间导数的绝对值，并且该存储器包括该涡轮增压压力设定点的最大值。该比较装置包括一个比较器14c，该比较器能够在该涡轮增压压力设定点的导数小于该最大值时发送一个值为1的布尔信号。
用于比较涡轮增压压力测量值的装置15包括确定装置15a和一个存储器15b，该确定装置能够确定作为输入接收的涡轮增压压力测量值的时间导数的绝对值，并且该存储器包括该涡轮增压压力测量值的最大值。该比较装置包括一个比较器15c，该比较器能够在该涡轮增压压力测量值的导数小于该最大值时发出一个值为1的布尔信号。
用于比较可变几何形状涡轮机的叶片位置的装置16包括确定装置16a和一个存储器16b，该确定装置能够确定作为输入接收的可变几何形状涡轮机的叶片位置的时间导数的绝对值，并且该存储器包括该可变几何形状涡轮机的叶片位置的最大值。该比较装置包括一个比较器16c，该比较器能够在该可变几何形状涡轮机的叶片位置的导数小于该最大值时发出一个值为1的布尔信号。
这些比较装置12、13、14、15、16输出至一个由参考符号17表示的AND布尔算子。如果每个比较装置都输出一个值为1的布尔信号，则该布尔算子17输出一个值为1的稳定性条件信号，否则该布尔算子发出一个值为0的布尔信号。
用于确定状态条件的装置1b具有一种与用于确定稳定性条件的装置1a的结构相类似的结构。
用于确定状态条件的装置1b包括用于比较发动机水温的装置、用于比较电池电压装置、用于比较车辆海拔高度的装置、用于比较大气温度的装置、用于比较颗粒过滤器的充满度的装置、用于比较发动机旋转速度的装置、用于比较发动机负荷的装置、以及用于比较涡轮增压压力差值的装置。
用于比较发动机水温的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至多个发动机水温传感器并且经由另一个输入联接至包含该发动机水温的最小温度(例如90℃)的一个存储器。如果所测量出的温度大于这个存储的最小温度，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
用于比较电池电压的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至多个电池电压传感器并且经由另一个输入联接至包含该电池电压的额定值的一个存储器。如果所测量出的电压大于这个存储的电压，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
用于比较车辆海拔高度的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至该车辆的多个海拔高度传感器并且经由另一个输入联接至包含一个参考海拔高度值(例如0m)的一个存储器。如果所测量出的海拔高度大于这个存储的参考海拔高度，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
用于比较大气温度的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至多个大气温度传感器并且经由另一个输入联接至包含一个最小温度值(例如20℃)和一个最大温度值(例如30℃)的一个存储器。如果所测量出的温度处于这个存储的最小温度与这个存储的最大温度之间，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
用于比较颗粒过滤器的充满度的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至多个传感器或一个颗粒过滤器充满度状态的估算器并且经由另一个输入联接至包含该颗粒过滤器的一个最大充满度值(例如针对空过滤器的0％)的一个存储器。如果所测量出的充满度小于这个存储的最大充满度，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
用于比较发动机旋转速度的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至多个发动机旋转速度传感器并且经由另一个输入联接至包含一个最小旋转速度值(例如1750rpm)和一个最大旋转速度值(例如4500rpm)的一个存储器。如果所测量出的旋转速度处于这个存储的最小旋转速度与这个存储的最大旋转速度之间，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
用于比较发动机负荷的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至多个传感器或一个发动机负荷估算器并且经由另一个输入联接至包含一个阈值发动机负荷值(例如满负荷的75％)的一个存储器。如果所测量出的负荷大于这个存储的阈值负荷值，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
用于比较涡轮增压压力差值的装置包括一个比较器，该比较器经由一个输入联接至多个传感器或关于该涡轮增压压力差值的估算器并且经由另一个输入联接至包含该涡轮增压压力差值的一个最大值(例如30mbars)的一个存储器。如果所测量出的涡轮增压压力差值小于这个存储的涡轮增压压力差值，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
比较装置还包括计算装置，该计算装置经由一个输入联接至一个内部时钟并且经由另一个输入联接比较器的输出。计算装置能够输出一个指明由比较器发出的布尔信号具有布尔值1持续了多长时间的信号。
比较装置包括一个比较器，该比较器接收来自计算装置的以及包含一个最小涡轮增压压力持续时间(例如0.3秒)的一个存储器的输入。
如果在至少等于这个存储的最小持续时间的一个持续时间内所测量出的涡轮增压压力差值是小于这个存储的涡轮增压压力差值的，比较器就发出一个布尔信号1，否则该比较器发出一个布尔信号0。
这些比较装置输出至一个AND布尔算子。如果每个比较装置都输出一个值为1的布尔信号，则该布尔算子输出一个值为1的状态条件信号。
布尔算子17和该布尔算子经由它们的输出联接至一个由参考符号1c表示的AND布尔算子。
如果该稳定性条件信号和该状态条件信号各自具有布尔值1，则认为满足这些学习条件。布尔算子1c然后发出一个具有布尔值1的学习条件信号。
这种叶片控制装置使得有可能学习和记忆对于一个使可变几何形状涡轮机叶片的控制线性化的图谱的校正。这些校正是在靠近于该可变几何形状涡轮机的叶片的控制特性的一个参考点中学习的，并且这些校正使得有可能补偿和考虑螺线管阀和气动呼吸器中主要的漂移源和离散源。
这些校正是仅仅针对有负载下的运行点来学习的，这是着眼于仅仅在具有高发动机负荷特征(>75％的满负荷)的瞬态运行范围中补偿漂移和离散。此外，控制线性化图谱的校正的应用是根据该发动机负荷设定点来加权的，以便在离散和漂移具有有限影响、即当发动机负荷低时的点处不妨碍涡轮增压器的运行。
再次参照图1可以看到的是，学习控制装置2包括能够执行使控制器4的积分部分与接收自预定位图谱3的预定位命令相加的一个加法器2b。如果用于确定学习条件的装置1指示已经符合所有的学习条件，则开关2c授权将由加法器2b确定的值复制到一个控制图谱2d中。图谱2d的x轴涉及从预定位图谱3接收的值，而y轴表示从加法器2b接收的校正后的值。
学习图谱2d结合有一个线性化图谱和一个具有学习值的图谱。如所示出的，如果已经符合这些学习条件则学习图谱2d记忆这个从加法器2b接收的值。然而，如果已经针对这些学习条件学习了一个值的话，该学习图谱能够使一个校正值与这个接收自预定位图谱3的值相关联。这个接收自学习图谱2d的校正值与这个接收自控制器4的值在加法器6内相加。加法器6发出一个控制信号给该可变几何形状涡轮机的叶片控制致动器。
可替代地，如图3中示出的，使用一个线性化图谱30有可能使线性化与学习不相关联。
预定位图谱3是由线性化图谱30来校正的。线性化图谱30使得有可能根据这个接收自预定位图谱3的预定位信号来输出一个线性化的预定位信号。
在发生任何学习之前，该线性化图谱是一条斜率为1的直线、即一台标称发动机所使用的初始线性化(或参考)曲线以确定该涡轮增压器的预定位。
线性化图谱30是通过将一个校正值加到其发出的信号上来本身校正的。这种添加是通过输出至加法器6的一个加法器31来执行的。
这个校正值是从学习控制装置2接收的并且是取决于控制器4的积分部分和接收自预定位图谱3的信号的。如果符合所有这些学习条件，则这种校正是通过一个与以上相对于图1所描述的相类似的机构在学习图谱2d中学习的。
图4展示了在一个高速涡轮机的叶片的位置控制的背景下的学习和线性化。如所示出的，该图与图1的不同之处为存在一个叶片位置控制器4a、一个预定位图谱3a以及带有学习功能的、用于使这些叶片的位置线性化的装置2a。这些元件因为它们的输出信号而与图1中的元件不同。在这种情况下，这些输出信号是叶片位置信号，而由元件2、3和4发出的信号是这些叶片在一个关闭位置与一个打开位置之间的一个相对位置处的标准叶片控制信号。
即使使用位置控制明显减小了离散和漂移对致动器(特别是该螺线管阀和呼吸器中的)影响，提供对包含在涡轮增压压力控制回路的预定位图谱3a与加法器6之间的一个线性化图谱的学习也可能是有利的。对位置设定点的线性化图谱的学习使得有可能补偿该系统中的漂移和离散以用于对叶片控制杆上至这些叶片来进行控制。
在以上描述的每个实施例中，学习该图谱的一个点之后跟的是对相邻的点加以插值，从而使得能够维持该控制的连续性。
此外，由于仅仅是针对在重负荷(>75％的满负荷)下的发动机运行点来进行对该线性化图谱的学习，所以该图谱的学习是根据发动机负荷设定点来加权的。这样确保了在离散和漂移具有有限影响时(低的发动机负荷)不会妨碍涡轮增压的运行。
类似于图1，图5示出已经添加了一个乘法器7和一个加权图谱8。乘法器7使控制器4的积分部分承载的信号与一个预定加权系数相乘。来自乘法器7的结果作为输入被加法器2b接收，以便将该结果加到接收自预定位图谱3的信号上。取决于该发动机的负荷设定点，该预定加权系数是在0％与100％之间。这个系数可以被存储在加权图谱8中。
如在此示出的，基于图1展示的第一实施例，可以针对其他实施例中的每一个实施例对来自控制器4的积分信号加以加权。
该控制系统使得有可能着眼于限制涡轮机产生的损伤和磨损来控制可变几何形状涡轮机的叶片。

Claims (9)

1.一种用于对供应机动车辆的内燃发动机的可变几何形状涡轮机的叶片加以控制的系统，其特征在于，该系统包括
一个减法器(5)，该减法器能够确定一个涡轮增压压力设定点与一个涡轮增压压力测量值之间的差值，
一个比例-积分-微分控制器(4)，该控制器能够输出一个针对可变几何形状涡轮机的叶片的叶片控制信号，
一个预定位图谱(3)，该预定位图谱能够根据该发动机的旋转速度和一个扭矩设定点的函数来确定一个叶片位置设定点，以及
用于确定学习条件的装置(1)，该用于确定学习条件的装置能够向学习控制装置(2)发出一个布尔控制信号，
该学习控制装置(2)能够根据接收自该预定位图谱(3)和该控制器(4)的这些信号的函数来输出对这个针对可变几何形状涡轮机的叶片的叶片控制信号的一个校正值，
该学习控制装置(2)能够在收到来自所述用于确定学习条件的装置(1)的一个信号之后学习接收自预定位图谱(3)的预定位信号，
其中，该学习控制装置(2)包括
用于将来自该控制器(4)的积分部分的信号和接收自该预定位图谱(3)的预定位信号相加的第一加法器(2b)，以及
一个开关(2c)，该开关能够根据接收自所述用于确定学习条件的装置(1)的信号的函数来授权将由该第一加法器(2b)所确定的值复制到一个控制图谱(2d)中。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述用于确定学习条件的装置(1)包括输出至一个AND布尔算子(1c)的用于确定稳定性条件的装置(1a)和用于确定状态条件的装置(1b)。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中如果由该第一加法器(2b)确定的值不是可供使用的，则该控制图谱(2d)能够使接收自该预定位图谱(3)的预定位信号线性化。
4.如权利要求1所述的控制系统，包括与该控制图谱(2d)相异的、从该预定位图谱(3)接收输入并且输出至第二加法器(6)的一个线性化图谱(30)。
5.如权利要求2所述的控制系统，其中用于确定稳定性条件的装置(1a)至少包括用于使该车辆的发动机的多个物理参数与多个阈值相比较的装置，
如果所有比较装置都发出一个为真的信号，则用于确定稳定性条件的该装置(1a)能够输出与该车辆的发动机的运行稳定性相关的一个为真的布尔信号。
6.如权利要求2所述的控制系统，其中用于确定状态条件的装置(1b)至少包括用于使该车辆的发动机的多个物理参数与多个阈值相比较的装置，
如果所有比较装置都发出一个为真的信号，则用于确定状态条件的该装置(1b)能够输出与该车辆的环境状态相关的一个为真的布尔信号。
7.如权利要求1至6中任一项所述的控制系统，包括一个乘法器(7)，该乘法器能够使该控制器(4)的积分部分承载的信号与存储在一个加权图谱(8)中的一个预定加权系数相乘，
由该乘法器(7)发出的信号作为输入被该第一加法器(2b)接收，以便将该信号加到从该预定位图谱(3)接收的信号上。
8.如权利要求7所述的控制系统，其中该加权图谱(8)包括取决于该发动机的负荷设定点而处于0％与100％之间的一个预定加权系数。
9.如权利要求1至6中任一项所述的控制系统，其中该叶片控制信号是一个打开信号或一个位置信号。
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