CN111502846A

CN111502846A - 一种发动机怠速控制气路扭矩的方法

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Publication number: CN111502846A
Application number: CN202010266906.3A
Authority: CN
Inventors: 秦龙; 刘磊; 郑建波; 张珍
Original assignee: Dongfeng Motor Corp
Current assignee: Dongfeng Motor Corp
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2040-04-07
Also published as: CN111502846B

Abstract

本发明涉及发动机怠速控制技术领域，公开了一种发动机怠速控制气路扭矩的方法，包括以下步骤：S1：判断是否激活怠速闭环控制，若是，执行步骤S2，若否，则不请求怠速气路扭矩；S2：根据发动机的转动惯量初始值J_Engine及转动惯量固定变化率ΔJ_CreepDelta获取怠速闭环控制中的转动惯量J，根据f和k确定储备扭矩时间常数λ；S3：根据λ、进气系统时间常数τ_Air和J计算得到PID控制的P项参数、D项参数和I项参数；S4：根据P项参数、D项参数和I项参数计算气路储备扭矩的P项扭矩M_P、D项扭矩M_D和I项扭矩M_I；S5：根据M_P、M_D和M_I计算得到怠速气路扭矩M_AirFinal。能够解决现有技术中控制气路扭矩时采用常规PID控制，控制参数较多，标定复杂，标定工程师需要做大量标定工作的问题。

Description

一种发动机怠速控制气路扭矩的方法

技术领域

本发明涉及发动机怠速控制技术领域，具体涉及一种发动机怠速控制气路扭矩的方法。

背景技术

怠速指空档,不加油门空转时状态。怠速过高，油耗高，浪费。怠速过低，怠速不稳或者起动困难。合适的怠速能可靠的维持发动机运转的最低转速。怠速转速波动对车内人员的舒适感，排放和油耗，以及NVH均会带来影响。而且由于发动机在生产制造过程中的加工偏差、发动机实际使用过程中的老化磨损、油品质量等原因、不同电器负载的干扰、发动机不同燃烧模式、以及发动机在不同缸燃烧不连续，都会对发动机的怠速控制造成一定的影响。

现有技术中发动机怠速采用普通的PID控制。发动机点火做功燃烧后进行转速控制，具有一定的时滞，时滞作为工业被控对象所具有的普遍特性,很大程度上制约着控制系统的控制效果,特别是当时滞较大时,常规PID控制器控制效果变差,甚至出现不稳定的现象。

另外普通的PID控制参数较多，标定复杂，标定工程师需要做大量的标定工作。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种发动机怠速火路扭矩的控制方法，能够解决现有的怠速气路扭矩控制方法采用PID控制时，控制参数较多，标定复杂，标定工程师需要做大量的标定工作。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提供一种发动机怠速控制气路扭矩的方法，包括以下步骤：

S1：判断是否激活怠速闭环控制，若是，执行步骤S2，若否，则不请求怠速气路扭矩；

S2：根据发动机的转动惯量初始值J_Engine及转动惯量固定变化率ΔJ_CreepDelta获取怠速闭环控制中的转动惯量J，根据目标怠速和实际转速的转速差n_Diff和转速变化率dn_Eng标定的时间系数f，根据时间系数f和时间常数系数k确定储备扭矩时间常数λ；

S3：根据储备扭矩时间常数λ、进气系统时间常数τ_Air和转动惯量J计算得到PID控制的P项参数、D项参数和I项参数；

S4：根据PID控制的P项参数、D项参数和I项参数计算气路储备扭矩的P项扭矩M_P、D项扭矩M_D和I项扭矩M_I；

S5：根据P项扭矩M_P、D项扭矩M_D和I项扭矩M_I计算得到怠速气路扭矩M_AirFinal。

在上述方案的基础上，所述的判断是否激活怠速闭环控制，具体包括：

判断发动机是否满足实际转速超过目标怠速的第一转速且怠速闭环控制中气路扭矩低于第一扭矩，若是，则不激活怠速闭环控制，若否，则激活怠速闭环控制。

在上述方案的基础上，所述的根据转动惯量初始值J_Engine及转动惯量固定变化率ΔJ_CreepDelta获取怠速闭环控制中的转动惯量J，具体包括：

当动力链系统未连接时，转动惯量J＝J_Engine,此时发动机的转动惯量J_Engine为第一定值；

当传动链系统从未连接过渡到连接状态过程中，转动惯量J从J_Engine逐步以固定变化率ΔJ_CreepDelta增至J_Engine+J_CreepMax为第二定值，达到最大值J_Engine+J_CreepMax后维持该最大值J_Engine+J_CreepMax，J_CreepMax为转动惯量最大增量；

当传动链系统再次退出至未连接状态过程中，转动惯量再次从当前转动惯量逐步以固定变化率-ΔJ_CreepDelta减至第一定值J_Engine，达到最小值J_Engine后维持该最小值J_Engine。

在上述方案的基础上，所述的根据时间系数f和时间常数系数k确定储备扭矩时间常数λ，具体包括：λ＝f×k×k_Air，

其中：k_Air为请求进气量与实际进气量的反应时间差，k为时间常数系数k。

在上述方案的基础上，确定时间系数f包括以下步骤：

当在催化器起燃阶段或退出起燃后在预设时间内，f根据转速差、转速变化率和时间系数的关系表确定，当退出起燃阶段并延时预设时间后，f根据第转速差、转速变化率和时间系数的关系表确定。

在上述方案的基础上，确定时间常数系数k包括以下步骤，

根据发动机水温、风扇状态、空调离合器结合状态和传动链结合状态确定时间常数系数k：

根据标定的发动机水温T_Coolant和系数k(T_Coolant)的关系表确定系数k(T_Coolant)；

当风扇激活或者空调离合器结合时，电器负载系数k₁为小于1的固定值，当风扇未激活且空调离合器未结合时，系数k₁取1；

当传动链处于连接过程或者已连接的状态时，传动链系数k₂取小于1的固定值，当传动链处于未连接状态时，传动链系数k₂取1；

且k＝min[k(T_Coolant),k₁,k₂]。

在上述方案的基础上，所述的计算得到PI控制的P项参数、I项参数和D项参数，具体包括：

在上述方案的基础上，根据公式M_P＝k_p×n_Diffrad×f₃(n_Diff)确定气路扭矩的P项扭矩M_P，

其中，n_Diffrad为将发动机转速差转化为弧度的转速差，即

f₃(n_Diff)根据标定的目标怠速和实际转速差n_Diff与f₃(n_Diff)的关系表确定。

在上述方案的基础上，根据公式

确定气路扭矩的D项扭矩M_D，

其中，dn_IdleSpd为目标怠速的变化率，dn_Eng为发动机实际转速变化率，f₃[(dn_IdleSpd-dn_Eng),n_Diff]根据标定的(dn_IdleSpd-dn_Eng)、n_Diff和f₃[(dn_IdleSpd-dn_Eng),n_Diff]关系表确定。

在上述方案的基础上，根据公式M_I(n+1)＝M_I(n)+M_IIncredent确定I项扭矩，

其中M_I(0)＝M_IInitial；

I项扭矩初始值M_IIntial为固定值，取怠速闭环刚激活是的信息，

其中C为固定值，M_IIncredent＝Δt×n_Diffrad×k_I×f₄(n_Diff)-M_AntiWindUp，其中，Δt为每次I项累加的时间周期；

为目标怠速和实际转速差n_Diff的函数；

M_AntiWindUp为反积分饱和扭矩；

M_AntiWindUp为上一时间周期Δt的(M_P+M_I)与M_AirFinal之间的差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明引入储备扭矩时间常数λ，作为模糊的滤波参数，对于标定工程师而言，主要的标定工作为不同工作时间段的时间系数f，便可得到储备扭矩时间常数λ，极大减轻了标定工作；且不管外部电器负载如何变化，以及发动机起燃控制，根据标定好的时间系数f，气路P项扭矩、I项扭矩和D项扭矩均能进行自动调整，标定工作小，标定方法简单可靠。由于气量的调节对扭矩的响应延迟大，在控制中加微分D项可提前放大偏差值，起到超前控制的效果。本发明采用模糊PID控制，有效提高了控制系统的鲁棒性和动态稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中发动机怠速控制火路扭矩的方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

图1为本发明实施例中发动机怠速控制火路扭矩的方法的流程图。如图1所示，本发明提供一种发动机怠速控制气路扭矩的方法，包括以下步骤：

S1：判断是否激活怠速闭环控制，若是，执行步骤S2，若否，则不请求怠速气路扭矩，即使怠速气路扭矩值为0Nm；

S2：根据发动机的转动惯量初始值J_Engine及转动惯量固定变化率ΔJ_CreepDelta获取怠速闭环控制中的转动惯量J，根据目标怠速和实际转速的转速差n_Diff和转速变化率dn_Eng标定的时间系数f，根据f和时间常数系数k确定储备扭矩时间常数λ；

本发明引入储备扭矩时间常数λ，作为滤波参数，对于标定工程师而言，主要的标定工作为不同工作时间段的时间系数f，便可得到储备扭矩时间常数λ，得到气路储备扭矩的P项扭矩M_P、D项扭矩M_D和I项扭矩M_I，从而根据P项扭矩M_P、D项扭矩M_D和I项扭矩M_I计算得到怠速气路扭矩M_AirFinal，极大减轻了标定工作；且不管外部电器负载如何变化，以及发动机起燃控制，根据标定好的时间系数f，气路P项扭矩、I项扭矩和D项扭矩均能进行自动调整，标定工作小，标定方法简单可靠，本发明采用模糊PID控制，有效提高了控制系统的鲁棒性和动态稳定性。

气路扭矩是由油门踏板开度与发动机转速决定的初始气路扭矩需求，经一系列扭矩协调后，将扭矩转化为期望进气量，并最终指导节气门阀片动作过程的全部扭矩。怠速控制气路扭矩是指由于进气量的变化导致发动机输出扭矩变化的扭矩控制方式。

优选地，所述的判断是否激活怠速闭环控制，具体包括：

在本实施例中，气路扭矩低于第一扭矩为5Nm，气量请求扭矩过小，说明发动机转速很平稳；实际转速超过目标怠速的第一转速为定值30rpm，实际转速过高，且发动机怠速请求气量较小时，转速不用闭环控制。转速差高无需闭环调节，无需控制转速，仅仅是实际转速接近目标转速时，才进入怠速，才需要控制转速。

优选地，所述的根据转动惯量初始值J_Engine及转动惯量固定变化率ΔJ_CreepDelta获取怠速闭环控制中的转动惯量J，具体包括：

在本实施例中，第一定值J_Engine为0.1719kg·m²，第二定值J_Engine+J_CreepMax＝(0.1719+0.1)kg·m²，固定变化率ΔJ_CreepDelta为间隔Δt时间发动机的转动惯量变化0.01kg·m²，本实施例中Δt为10ms。

优选地，所述的根据时间系数f和时间常数系数k确定储备扭矩时间常数λ，具体包括：λ＝f×k×k_Air，

优选地，确定时间系数f包括以下步骤：

在催化器起燃阶段或退出起燃后在预设时间内，在满足转速波动低于第一设定转速的试验环境下，根据n_Diff和dn_Eng标定时间系数f；以及，在退出起燃阶段并延时预设时间后，转速波动低于第二设定转速的试验环境下，根据n_Diff和dn_Eng标定时间系数f。

在本实施例中，第一设定转速为±20r/min，第二设定转速为±15r/min。所有的标定都是基于一个总体目标，根据驾驶性主观评价要求而设定的。在催化器起燃阶段，不管水温多少，风扇情况、电器负载如何变化，以及车辆状态如何变化，怠速在催化器起燃阶段时转速波动低于±20r/min，在怠速其他阶段转速波动低于±15r/min。所以的标定都是围绕这个大的指标而试验得到的。

在本方案的其他参数标定中，也遵循着：在催化器起燃阶段或退出起燃后在预设时间内，在满足转速波动低于第一设定转速的试验环境下，以及，在退出起燃阶段并延时预设时间后，转速波动低于第二设定转速的试验环境下，标定得到其他参数表。具体根据发动机的型号参数等不同设定不同的怠速的各控制参数。在本方案中用例是三缸机，排量1.0L，暖机后怠速的目标转速为850r/min的增压直喷发动机。

在本实施例中，当在催化器起燃阶段或退出起燃后在预设时间内，在本例中，预设时间为1.2s，f为：

当退出起燃阶段并延时预设时间后，f为：

优选地，确定时间常数系数k包括以下步骤：

根据标定的发动机水温T_Coolant和系数k(T_Coolant)的关系表确定系数k(T_Coolant)。在本实施例中，

水温(℃)	-30	-20	-10	0	40	50	100
								k(T<sub>Coolant</sub>)	1.1	1.08	1.06	1.05	1.03	1.02	1.01

当风扇激活或者空调离合器结合时，电器负载系数k₁为小于1的固定值，风扇未激活且空调离合器未结合时，系数k₁取1。

当传动链处于连接过程或者已连接的状态时，传动链系数k₂取小于1的固定值，传动链处于未连接状态时，传动链系数k₂取1。

且k＝min[k(T_Coolant),k₁,k₂]。

在本实施例中，当风扇激活或者空调离合器结合时，电器负载系数k₁取固定值0.5，当传动链处于连接过程或者已连接的状态时，传动链系数k₂取固定值0.8。

优选地，所述的计算得到PI控制的P项参数、I项参数和D项参数，具体包括：

其中，τ_Air为进气系统时间常数，反映进气系统的气路扭矩迟滞，即从请求进气到气量经过节气门进入气缸燃烧做功的时间延时。由发动机转速n_Eng和负荷rho共同决定，即τ_Air＝f(n_Eng,rho)。发动机转速n_Eng越小或者负荷rho越小，进气系统时间常数τ_Air越大，该值由发动机台架标定得到。其中，rho为复荷。

在本实施例中，n_Eng,rho和τ_Air的关系表如下：

优选地，根据公式M_P＝k_p×n_Diffrad×f₃(n_Diff)确定气路扭矩的P项扭矩M_P，其中，n_Diffrad为将发动机转速差转化为弧度的转速差，即

在本实施例中，

转速差n<sub>Diff</sub>(r/min)	-200	-50	-10	0	10	50	200
								f<sub>3</sub>(n<sub>Diff</sub>)	1.1	1.08	1.05	1	1.05	1.09	1.1

优选地，根据公式

确定气路扭矩的D项扭矩M_D，其中，dn_IdleSpd为目标怠速的变化率，dn_Eng为发动机实际转速变化率，f₃[(dn_IdleSpd-dn_Eng),n_Diff]根据标定的(dn_IdleSpd-dn_Eng)、n_Diff和f₃[(dn_IdleSpd-dn_Eng),n_Diff]关系表确定。

在本实施例中，

优选地，根据公式M_I(n+1)＝M_I(n)+M_IIncredent确定I项扭矩M_I，

其中：M_I(0)＝M_IInitial，M_IIntial为I项扭矩初始值，

其中C为固定值，M_IIncredent＝Δt×n_Diffrad×k_I×f₄(n_Diff)-M_AntiWindUp，Δt为每次I项累加的时间周期；f₄(n_Diff)由目标怠速和实际转速差n_Diff决定；M_AntiWindUp为上一时间周期Δt的(M_P+M_I)与M_SparkFinal之间的差。

转速差n<sub>Diff</sub>(r/min)	-200	-50	-10	0	10	50	200
								f<sub>4</sub>(n<sub>Diff</sub>)	1.05	1.04	1.02	1	1.01	1.05	1.06

在本实施例中，本实例C为-300r/min/s。M_AntiWindUp为反积分饱和扭矩；M_AntiWindUp为上一时间周期Δt的(M_P+M_I)与M_SparkFinal之间的差。即将限制前的火路扭矩与限制后的火路扭矩差值，作为I项反积分饱和扭矩值。具体地，M_AntiWindUp(n+1)＝[M_P(n)+M_I(n)]-M_SparkFinal(n)。

最终的怠速气路扭矩M_AirFinal，其根据(M_P+M_I+M_D)得到，并将其限制在最大值和最小值内，最小值为火路扭矩M_SparkFinal，最大值为怠速火路扭矩与一定固定值之和M_SparkFinal+C_Reserve。C_Reverse本实例中取2Nm，及时补救异常怠速波动。火路扭矩是由油门踏板开度与发动机转速决定的初始火路扭矩需求，经一系列扭矩协调后，将扭矩转化为目标点火角，并最终输出点火提前角的全过程扭矩。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。