CN110987452B - 一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法，涉及内燃机控制技术领域。本发明步骤为：步骤1：设置负载转矩和节气门开度，使得发动机系统处于稳态状态，采用均值模型来描述从进气到转矩产生的动态过程，根据均值建模原理建立发动机的进气歧管动态模型、转矩模型和转速模型；步骤2：进气歧管压力观测器设计；步骤3：改变节气门开度或者改变负载，发动机系统在非平衡点的运行，测量当前时刻的进气质量流量以及发动机转速，根据发动机转速得到观测器

的值；根据进气质量流量、发动机转速以及观测器

的值得出歧管压力估计值

从而得发出动机转矩估计值。本方法够有效的估算出发动机的输出转矩，估算逻辑简单易于实现。

Description

一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法

技术领域

本发明涉及内燃机控制技术领域，尤其涉及一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法。

背景技术

汽车发动机结构复杂、控制变量众多，是典型的非线性复杂被控对象。由于发动机系统涉及多个子控制回路，为协调各个子控制回路，确保发动机动力快速稳定输出，基于扭矩的控制策略成为当前发动机的基本控制方式。在该策略下，让发动机实际输出转矩快速精准地跟踪期望转矩是其关键问题之一。传统的转矩估计方法是以“离线标定,在线查表”的前馈控制方法为主，这种方法虽然算法简单计算量低，但是需要大量的标定工作，且由于发动机工作条件复杂多变、零部件磨损老化等原因导致不可避免的存在标定误差，因而不能保证扭矩的精确估计。随着发动机的节能减排控制技术向精细化方向发展，要求对转矩的精准估计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法，本方法够有效的估算出发动机的输出转矩，估算逻辑简单易于实现。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法，包括如下步骤：

步骤1：设置负载转矩和节气门开度，使得发动机系统处于稳态状态，采用均值模型来描述从进气到转矩产生的动态过程，根据均值建模原理，建立发动机的进气歧管动态模型、转矩模型和转速模型，在空燃比λ下，使气缸内油气混合物适时点燃至充分燃烧，气体膨胀做功，产生指示功率，指示功率与转速的比得到平均指示转矩，而发动机实际输出转矩则是平均指示转矩减去摩擦转矩，得到发动机实际转矩与进气歧管压力和转速的多项式；

步骤1.1：建立进气歧管动态模型；

在等温假设条件下进气歧管的动态过程主要体现在歧管压力的动态变化，根据理想气体方程推导出以下关系式：

式中，p_m是进气歧管压力；

是进气歧管压力变化率；R代表理想气体常数，T_m代表进气歧管内气体温度，V_m代表进气歧管的体积；

是通过节气门孔口进入歧管的空气质量流量，

是进入气缸内的空气质量流量；

假设进气歧管内的空气是不可压缩的，同时忽略了摩擦力和惯性效应，根据伯努利方程通过节气门孔口进入歧管的空气质量流量如下式所示：

式中，c_d代表流量系数；ρ是空气流密度；p_a为节气阀上游压力，D代表节流阀的直径；φ代表节气阀的开度，φ₀是节气阀的初始开度；

根据均值建模原理，忽略不同气缸之间进气瞬态特征，进入气缸的空气质量流量是与发动机转速和进气歧管压力有关的函数，如下式所示：

式中，V_d是扫气容积，ω是发动机转速；η_v表示的是容积效率；

将(3)式代入到(1)中，进气歧管动态模型表示如下：

式中，

c₁，c₂通过实验标定和最小二乘辨识方法获得；

步骤1.2：建立转矩模型；

假设缸内油气混合物的质量比例满足理想空燃比以获得最佳的排放性能和燃烧效率，因此喷油量

表示为：

其中，λ表示理想空燃比常数，气缸内油气混合物适时点燃至充分燃烧，气体膨胀做功，产生的平均指示功率p_i为：

式中H_l为燃料低热值，η_i为指示效率；

发动机平均指示转矩τ_i进一步表示为:

其中γ：比热容比；

通过以上分析，发动机实际输出扭矩τ_e表示为平均指示扭矩减去摩擦转矩,即：

其中τ_f为摩擦转矩；

当发动机长时间稳定运行时温度变化基本稳定，则认为摩擦转矩主要取决于发动机转速，为简化描述,将(8)式改写为：

τ_e＝g₁(ω)p_m-g₂(ω) (9)

参数g₁(ω)和g₂(ω)是与发动机转速相关的函数；

步骤1.3：建立转速模型；

发动机活塞做功产生的转矩推动曲轴旋转，转速动态根据Newton定律获得：

式中J是发动机转动惯量系数，τ_l代表作用在曲轴上的负载转矩，

代表发动机转速的动态变化率；

步骤2：进气歧管压力观测器设计；

利用Lyapunov稳定性分析方法设计进气歧管压力观测器；考虑到发动机转速是能测量的，因此根据步骤1得出发动机系统的动态模型如下式所示：

其中

代表进气歧管压力观测器，

代表进气歧管压力估计值,

代表转速估计值，

代表进气歧管压力估计值的动态变化率；

代表发动机转速估计值的动态变化率；

定义进气歧管压力误差

发动机转速误差

建立发动机系统的误差动态模型，如下式形式：

根据以上误差动力学模型，使发动机系统误差动态模型满足李雅普诺夫稳定性，确定观测器

的形式如下所示：

其中r是调节增益，r>0，即当时间t→∞误差

步骤3：改变节气门开度或者改变负载，发动机系统在非平衡点的运行，为了测量此时发动机的转矩，发动机的转速状态和歧管压力状态将会动态调整，在此过程中测量当前时刻的进气质量流量以及发动机转速，根据发动机转速得到观测器

的值；将测量的进气质量流量、发动机转速以及观测器

的值带入公式(14a)中计算歧管压力的动态变化进而获得歧管压力估计值

将已知的g₁(ω)和g₂(ω)以及算出的歧管压力估计值

根据公式(14c)得发出动机转矩估计值；具体公式如下所示：

所述步骤1.2中，参数g₁(ω)和g₂(ω)通过稳态标定和多项式拟合技术获得发动机扭矩模型中参数辨识，具体方法为在固定转速条件下，发动机转矩和进气歧管压力呈现出公式(9)所示的线性关系，模型参数g₁(ω)和g₂(ω)通过多项式拟合实现，具体公式如下；

其中，p₁、p₂、p₃、p₄、q₁、q₂、q₃、q₄代表常数。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法，本发明通过设计歧管压力观测器可以直接通过发动机转速测量值和进气质量流量测量值来估计歧管压力，不需要安装额外的传感器，降低了成本，克服了传感器安装困难、有效期使用短的弊端；本发明是根据转速信号来估计发动机转矩值，不仅能在稳态的情况下估计出发动机的转矩信息，而且瞬态状态下也能估计出发动机的转矩值，在满足实时性的条件下，也能实现更高精度的要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的汽油发动机系统示意图；

图3为本发明实施例提供的发动机扭矩、转速和歧管压力关系图；

图4为本发明实施例提供的发动机扭矩模型参数拟合示意图，其中，a为参数g₁(ω)拟合示意图；b为参数g₂(ω)拟合示意图；

图5为本发明实施例提供的转矩估计逻辑图；

其中，1-进气质量流量传感器，2-进气歧管，3-火花塞，4-转速传感器，5-曲轴，6-燃烧废气排气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中发动机采用某公司的3.5升排量的6缸汽油发动机为例，如图2所示；

本方法的基本逻辑如图5所示，在发动机转速和进气质量流量可测的条件下，首先，给定一个任意的负载转矩和节气门开度，使得发动机系统处于稳态状态，给定动力学系统中状态的初值，一般转速状态的初值为转速传感器的测量值，歧管压力的初值可以假定发动机转矩值等于负载转矩条件通过(14c)反算出；其次，改变节气门开度或者改变负载，系统的平衡被破坏，发动机的转速状态和歧管压力状态将会动态调整，在此过程中测量进气质量流量以及发动机转速，同时根据(14a)计算歧管压力的动态变化获得歧管压力的估计值；最后，根据(14c)，获得发动机转矩的估计值。

本实施例的方法如下所述。

本发明提供一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：设置负载转矩和节气门开度，使得发动机系统处于稳态状态，采用均值模型来描述从进气到转矩产生的动态过程，根据均值建模原理，建立发动机的进气歧管动态模型、转矩模型和转速模型，在合适的空燃比λ下，使气缸内油气混合物适时点燃至充分燃烧，气体膨胀做功，产生指示功率，指示功率与转速的比得到平均指示转矩，而发动机实际输出转矩则是平均指示转矩减去摩擦转矩，得到发动机实际转矩与进气歧管压力和转速的多项式；

步骤1.1：建立进气歧管动态模型；

在等温假设条件下进气歧管的动态过程主要体现在歧管压力的动态变化，根据理想气体方程推导出以下关系式：

式中，p_m是进气歧管压力；

是进气歧管压力变化率(实际指的就是进气歧管内压力的动态变化，因为这些公式都是和时间相关的，不同的时间变化率不尽相同)；R代表理想气体常数，T_m代表进气歧管内气体温度，V_m代表进气歧管的体积；

是通过节气门孔口进入歧管的空气质量流量，

是进入气缸内的空气质量流量；

假设进气歧管内的空气是不可压缩的，同时忽略了摩擦力和惯性效应，根据伯努利方程通过节气门孔口进入歧管的空气质量流量如下式所示：

式中，c_d代表流量系数；ρ是空气流密度；p_a为节气阀上游压力，可以认为与大气压力相同；D代表节流阀的直径；φ代表节气阀的开度，φ₀是节气阀的初始开度；通过上式可以看出，通过孔口的空气质量流量具有较强的非线性特点。

此外，对于典型的四冲程汽油发动机，从歧管流出的空气质量流量

实际上是由进气歧管压力和单个气缸入口压力的差值决定的。根据均值建模原理，忽略不同气缸之间进气瞬态特征，进入气缸的空气质量流量是与发动机转速和进气歧管压力有关的函数，如下式所示：

式中，V_d是扫气容积，ω是发动机转速，单位是弧度每秒；η_v表示的是容积效率；通常发动机转速和进气歧管压力有关，为了简化模型，本文将容积效率认为是常数。

将(3)式代入到(1)中，进气歧管动态模型表示如下：

式中，

c₁，c₂通过实验标定和最小二乘辨识方法获得；

步骤1.2：建立转矩模型；

为了推导扭矩的模型，假设缸内油气混合物的质量比例满足理想空燃比以获得最佳的排放性能和燃烧效率，因此喷油量

表示为：

其中，λ表示理想空燃比常数，气缸内油气混合物适时点燃至充分燃烧，气体膨胀做功，产生的平均指示功率p_i为：

式中H_l为燃料低热值，η_i为指示效率；

式(6)代表了发动机的平均指示功率,相应的发动机平均指示转矩τ_i进一步表示为:

其中γ：比热容比(即理想气体的定压比热容比上定容比热容得到的比值)。

通过以上分析，发动机实际输出扭矩τ_e表示为平均指示扭矩减去摩擦转矩,即：

其中τ_f为摩擦转矩，其取值受到发动机转速、温度等参数的影响；

当发动机长时间稳定运行时温度变化基本稳定，则认为摩擦转矩主要取决于发动机转速，为简化描述,将(8)式改写为：

τ_e＝g₁(ω)p_m-g₂(ω) (9)

参数g₁(ω)和g₂(ω)是与发动机转速相关的函数，通过稳态标定和多项式拟合技术获得发动机扭矩模型中参数辨识，如图3所示的发动机扭矩、转速和进气歧管压力之间的静态关系，可以看出在固定转速条件下，发动机转矩和进气歧管压力呈现出公式(9)所示的线性关系，模型参数g₁(ω)和g₂(ω)通过多项式拟合实现，拟合结果如图4所示，具体公式如下；

其中，p₁、p₂、p₃、p₄、q₁、q₂、q₃、q₄代表常数。

步骤1.3：建立转速模型；

发动机活塞做功产生的转矩推动曲轴旋转，转速动态根据Newton定律获得：

式中J是发动机转动惯量系数，τ_l代表作用在曲轴上的负载转矩，

代表发动机转速的动态变化率；

步骤2：进气歧管压力观测器设计；

在绝大多数量产的商用发动机中，由于成本原因不会配备歧管压力传感器。为实现转矩的估计，将利用Lyapunov稳定性分析方法设计进气歧管压力观测器；考虑到发动机转速是可测量的，因此根据步骤1得出发动机系统的动态模型如下式所示：

其中

代表进气歧管压力观测器，

代表进气歧管压力估计值,

代表转速估计值，

代表进气歧管压力估计值的动态变化率，

代表发动机转速估计值的动态变化率；

为了推导上述系统观测器的形式，定义进气歧管压力误差

发动机转速误差

建立发动机系统的误差动态模型，如下式形式：

根据以上误差动力学模型，可以得出以下结论。使发动机系统误差动态模型满足李雅普诺夫稳定性，确定观测器

的形式如下所示：

其中r是调节增益，r>0，即当时间t→∞误差

步骤3：改变节气门开度或者改变负载，发动机系统在非平衡点的运行，为了测量此时发动机的转矩，发动机的转速状态和歧管压力状态将会动态调整，在此过程中测量当前时刻的进气质量流量以及发动机转速，根据发动机转速得到观测器

的值；将测量的进气质量流量、发动机转速以及观测器

的值带入公式(14a)中计算歧管压力的动态变化进而获得歧管压力估计值

将已知的g₁(ω)和g₂(ω)以及算出的歧管压力估计值

根据公式(14c)得发出动机转矩估计值；实现对进气歧管压力进行在线估计，进而根据模型获得发动机的实时转矩。具体公式如下所示：

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种基于转速信号的内燃机转矩软测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：设置负载转矩和节气门开度，使得内燃机处于稳态状态，采用均值模型来描述从进气到转矩产生的动态过程，根据均值建模原理，建立内燃机的进气歧管动态模型、转矩模型和转速模型，在空燃比λ下，使气缸内油气混合物适时点燃至充分燃烧，气体膨胀做功，产生指示功率，指示功率与转速的比得到平均指示转矩，而内燃机实际输出转矩则是平均指示转矩减去摩擦转矩，得到内燃机实际转矩与进气歧管压力和转速的多项式；

步骤1.1：建立进气歧管动态模型；

在等温假设条件下进气歧管的动态过程体现在进气歧管压力的动态变化，根据理想气体方程推导出以下关系式：

式中，p_m是进气歧管压力；

是进气歧管压力变化率；R代表理想气体常数，T_m代表进气歧管内气体温度，V_m代表进气歧管的体积；

是通过节气门孔口进入进气歧管的空气质量流量，

是进入气缸内的空气质量流量；

假设进气歧管内的空气是不可压缩的，同时忽略了摩擦力和惯性效应，根据伯努利方程通过节气门孔口进入进气歧管的空气质量流量如下式所示：

式中，c_d代表流量系数；ρ是空气流密度；p_a为节气阀上游压力，D代表节流阀的直径；φ代表节气阀的开度，φ₀是节气阀的初始开度；

根据均值建模原理，忽略不同气缸之间进气瞬态特征，进入气缸的空气质量流量是与内燃机转速和进气歧管压力有关的函数，如下式所示：

式中，V_d是扫气容积，ω是内燃机转速；η_v表示的是容积效率；

将(3)式代入到(1)中，进气歧管动态模型表示如下：

式中，

c₁，c₂通过实验标定和最小二乘辨识方法获得；

步骤1.2：建立转矩模型；

假设缸内油气混合物的质量比例满足理想空燃比以获得最佳的排放性能和燃烧效率，因此喷油量

表示为：

其中，λ表示理想空燃比常数，气缸内油气混合物适时点燃至充分燃烧，气体膨胀做功，产生的平均指示功率p_i为：

式中H_l为燃料低热值，η_i为指示效率；

内燃机平均指示转矩τ_i进一步表示为:

其中γ：比热容比；

通过以上分析，内燃机实际输出扭矩τ_e表示为平均指示扭矩减去摩擦转矩,即：

其中τ_f为摩擦转矩；

当内燃机长时间稳定运行时温度变化基本稳定，则认为摩擦转矩取决于内燃机转速，为简化描述,将(8)式改写为：

τ_e＝g₁(ω)p_m-g₂(ω) (9)

参数g₁(ω)和g₂(ω)是与内燃机转速相关的函数；

步骤1.3：建立转速模型；

内燃机活塞做功产生的转矩推动曲轴旋转，转速动态根据Newton定律获得：

式中J是内燃机转动惯量系数，τ_l代表作用在曲轴上的负载转矩，

代表内燃机转速的动态变化率；

步骤2：进气歧管压力观测器设计；

利用Lyapunov稳定性分析方法设计进气歧管压力观测器；考虑到内燃机转速是能测量的，因此根据步骤1得出内燃机的动态模型如下式所示：

其中

代表进气歧管压力观测器，

代表进气歧管压力估计值,

代表转速估计值，

代表进气歧管压力估计值的动态变化率；

代表内燃机转速估计值的动态变化率；

定义进气歧管压力误差

内燃机转速误差

建立内燃机的误差动态模型，如下式形式：

根据以上误差动力学模型，使内燃机误差动态模型满足李雅普诺夫稳定性，确定观测器

的形式如下所示：

其中r是调节增益，r＞0，即当时间t→∞误差

步骤3：改变节气门开度或者改变负载，内燃机在非平衡点的运行，为了测量此时内燃机的转矩，内燃机的转速状态和进气歧管压力状态将会动态调整，在此过程中测量当前时刻的进气质量流量以及内燃机转速，根据内燃机转速得到观测器

的值；将测量的进气质量流量、内燃机转速以及观测器

的值带入公式(14a)中计算进气歧管压力的动态变化进而获得进气歧管压力估计值

将已知的g₁(ω)和g₂(ω)以及算出的进气歧管压力估计值

根据公式(14c)得出动机转矩估计值；具体公式如下所示：

所述步骤1.2中，参数g₁(ω)和g₂(ω)通过稳态标定和多项式拟合技术获得内燃机扭矩模型中参数辨识，具体方法为在固定转速条件下，内燃机转矩和进气歧管压力呈现出公式(9)所示的线性关系，模型参数g₁(ω)和g₂(ω)通过多项式拟合实现，具体公式如下；

其中，p₁、p₂、p₃、p₄、q₁、q₂、q₃、q₄代表常数。

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