CN112020603A - 用于内燃机的速度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的控制方法，其是基于在内燃机速度的参考值(Ref)与测量值(Speed)之间计算的内燃机速度的误差(Err)、通过内燃机速度的反馈控制来执行的，其中，所述控制包括比例组成(P)与积分组成(I)的和(S2)，所述方法包括仅当所述误差的第一符号和内燃机速度的微分的第二符号相互一致时添加微分组成(D)的步骤。

Description

用于内燃机的速度控制方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2018年4月27日提交的意大利专利申请第102018000004932号的优先权，上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于控制内燃机的操作点的控制方法的领域。

背景技术

已知加速器踏板使得驾驶员能够致使内燃机的转速进行变化。

这显然是通过内燃机传递的扭矩的变化的结果。

因此，加速器踏板可以与内燃机的操作的马达点即内燃机速度/扭矩相关，该马达点随着所述踏板的相对倾斜度来表示内燃机的所需扭矩值或目标速度。

内燃机速度和扭矩显然是相互关联的参数；然而，速度控制需要内燃机非常快速的响应。

对内燃机的速度控制由于各种因素引起的内燃机响应的内在延迟而特别棘手，所述各种因素包括呈现出缓慢的响应的进气歧管的容性效应。

在换档或操纵或突然插入负载诸如泵或车辆压缩机期间，或道路坡度突然变化期间，速度控制需要最大的响应速度和响应精度。

速度控制方法基于以下事实：为了改变内燃机的响应，计算相对于参考值的速度误差，并且因此计算受控系统所需的控制变量(扭矩)，以减小或消除所述误差。这显然是反馈控制。

在已知技术中用于控制内燃机速度的典型控制器是PI(比例、积分)型的。换句话说，通过根据所述误差产生各个控制信号的比例控制器和积分控制器在参考值与系统输出的测量值或估计值之间校正误差。各个输出的总和，即生成的各个控制信号的总和，被施加至系统输入端，以使系统输出向参考值汇聚，在这种情况下，参考值是内燃机的速度参考。

还使用微分组成(derivation contribution)从而提供完整的PID将会是非常有利的，这是因为微分项(derivation term)是预期的控制分量，所以微分组成将允许更快的反应。遗憾的是，微分项通常会将高频动态引入系统，从而使得控制不稳定。

在完整的PID控制器中，控制器P、I以及D的输出相加到一起，并且结果施加至要控制的系统的输入端。

由于以上提到的不稳定性，通常不使用微分组成。

发明内容

本发明的目的是提供一种内燃机的控制方法，其允许实现快速但同时稳定且流畅的速度控制。

本发明的基本构思是仅在内燃机速度误差由速度参考值的变化引起的情况下通过包括比例微分、积分微分以及微分组成的PID控制器来提供反馈速度控制，否则控制器是PI，即其仅包括比例组成和积分组成。

换句话说，当以上提到的操作条件发生时，使用完整的PID控制器，其中，各个输出的总和，即生成的各个控制信号的总和，被施加至内燃机的输入端，以使内燃机输出向速度参考值汇聚。

这意指当速度误差由外部干扰引起时，例如由道路坡度的快速变化，或连接至内燃机的动力输出装置的设备的启动等引起时，微分组成不添加至比例组成和积分组成。

为了辨别误差是取决于参考信号的变化还是取决于负载变化的情况，将所述内燃机转速的误差的符号与内燃机转速的微分的符号进行比较就足够了。特别地，如果符号不一致，则速度误差是由负载变化引起的。

下面，“速度”是指“内燃机转速”。

当检测到速度微分为正并且误差为负时，意指内燃机正在加速超过参考值。这通常在负载突然分离时发生。

反之亦然，当速度微分为负并且速度误差为正时，意指内燃机传递的扭矩不足以应对例如突然施加的负载。

因此，根据本发明，当误差符号和微分符号一致时，将微分组成添加至比例控制输出和积分控制输出。

反之亦然，当符号不一致时，不将微分组成添加至积分组成和比例组成。

关于本发明的具体实现方法，当以上提到的符号一致并且为正，或一致并且为负时，可以决定使用微分组成。

根据本发明使用微分组成的事实使得内燃机非常迅速，但是同时避免了将可能使得控制不稳定的高频动态引入控制系统。

“控制器”意指对整个内燃机进行的旋转控制。

根据本发明的优选变型，不仅符号必须一致，而且速度误差的绝对值必须超过预定的第一阈值，并且速度微分的绝对值必须超过第二预定阈值。

根据与前述变型相结合的本发明的优选变型，当仅使用比例组成和积分组成时，内燃机转速的微分(其通常乘以限定以上提到的微分组成的预定参数)被用于修改积分控制器的操作参数，以补偿由负载引起的突然变化。

特别地，积分控制器包括饱和器，该饱和器基于速度误差和所述内燃机的速度微分使朝向内燃机的控制信号饱和。

微分组成比其他比例组成和积分组成响应更快，但是微分组成用于干预积分组成，从而最小化内燃机响应的过冲和下冲，而不影响其稳定性。

从以上可以清楚地看出，不产生被添加至比例组成和积分组成以最小化过度延伸的信号；而是，微分组成被用于应对突然的负载变化。

优选地，根据积分组成、比例组成以及微分组成的和获得的信号没有饱和。

权利要求书描述了本发明的优选变型，从而形成了本说明书的组成部分。

附图说明

本发明的其他目的和优点将根据以下对本发明的实施方式示例(及其变型)的详细描述以及根据出于纯粹说明性而非限制性目的提供的附图而变得清楚，其中：

图1示出了基于本发明的实现方式示例的控制图；

图2a和图2b示出了根据本发明的另一实现方式示例的以互斥方式使用的两个等效控制图；

图3详细示出了图2b的控制图的框图。

附图中相同的数字和相同的附图字母表示相同的元件或部件。

在本说明书的上下文中，术语“第二”组成部分并不暗指“第一”组成部分的存在。所述术语仅用于清楚起见，并且不应当以限制的方式理解。

具体实施方式

图1使用框图示出了控制示例的示例。

根据控制内燃机的ECU处理单元的工作频率，以离散的时间递归地执行控制。

内燃机在图1中以内燃机的块示出。

旋转传感器，例如应用至驱动轴的音轮，提供内燃机速度的测量。

此外，加速器踏板或适用于给予参考速度的任何车辆装置例如自动化变速器或动力输出装置根据目标内燃机速度产生参考信号Ref。

通过图1左侧的第一个加法器节点S1从目标速度Ref中减去测量的速度Speed，从而生成(速度)误差Err。

相同的(速度)误差值被传送至块P和块I的输入端，而速度信号被传送至提供PID控制的块D的输入端。

控制器P、I以及D的输出在图1右侧的加法器节点S2处汇聚，以控制内燃机。通常，控制器在输入端接收速度信号，并且关于相对标称扭矩产生相对于内燃机必须传递的扭矩百分比的控制信号。

微分组成D由内燃机转速的微分ΔSpeed乘以固定或可调参数KD来给出。

符号块(Sign block)在输入端接收以上提到的误差以及来自微分块D的速度的微分ΔSpeed，并且比较相对符号，从而通过开关来允许或不允许微分D的输出流入加法器节点S2。

因此，当开关使得微分能够输出时，获得完整的PID控制，否则获得PI型控制。

优选地，当两个符号都为正以及当两个符号都为负时，符号块启用微分控制器的组成。

根据本发明的优选变型，符号块不仅比较符号，而且验证在两者都为正时速度误差超过第一预定正阈值以及微分超过第二预定正阈值。当关于符号的一致性和超出相应阈值的两个条件都满足时，则使用微分组成。

因此，还超过了阈值(正向地和/或负向地)的验证代表了比符号的唯一一致性更具限制性的条件。

反之亦然，当两个符号都为负时，符号块验证速度误差低于第三预定负阈值，并且微分组成低于第四预定负阈值。当关于符号一致和超过相应阈值的两个条件都满足时，则使用微分组成。

当第一阈值和第三阈值的模(绝对值)彼此相等并且第二阈值和第四阈值彼此相等时，则符号块在以下情况下启用所述微分控制：以上提到的符号一致，并且速度误差的绝对值超过预定的第一阈值，并且速度微分的绝对值超过第二预定阈值。

因此，在第一阈值与第三阈值之间定义了第一间隔，并且在第二阈值与第四阈值之间定义了第二间隔，在其中，微分控制器与加法器节点S2断开连接。

因此，在旋转误差/微分3×3阵列中，定义了所谓的“死区”，在其中，微分控制器与加法器节点S2断开连接。

下表示出了作为符号和阈值的函数的微分组成的激活机制的应用示例。

“1”的存在指示在加法器节点S2处添加了微分组成，而“0”指示没有添加微分组成，并且因此与加法器节点S2断开连接。

根据与前述变型中的任何一个相结合的本发明的另一优选变型，当符号块将微分控制D的第一输出与第二加法器节点S2断开连接，并且将微分控制D的第二输出连接至积分控制器，特别是连接至参考图3的饱和器Sat_1时，这限制了积分控制器I的贡献。

微分控制的第一输出提供KD*ΔSpeed，而第二输出仅提供ΔSpeed。

因此，图2a和图2b对应于在符号块分别启用或禁用微分控制输出与第二加法器节点S2的连接时存在的等效布置。

因此，根据速度误差Err和速度微分的函数F(Err,ΔSpeed)来使积分组成饱和。

根据本变型，“-1”的存在指示微分组成不用于内燃机的控制，并且如以下所描述的，产生内燃机转速的微分ΔSpeed的微分块的第二输出与积分控制器饱和器相互作用。

此外，为了允许微分块(ΔSpeed)与积分控制器中的饱和器的相互作用，可以建立速度误差和速度微分必须超过的阈值(正向地和/或负向地两者)，以上提到的死区被定义成关于正方形阵列的两个主对角线和次对角线对称。

参考图3，根据本发明的优选变型，积分控制器I(离散时间)可以被示意为存储器，该存储器包含前一步骤中由同一积分控制器I生成的值Int-1(因此，“Int-1”指示其是在“步骤-1”中生成的)，速度误差Err的当前值通过加法器节点S3被迭代地添加至该存储器，其中速度误差Err有利地通过乘法器节点M1乘以积分系数KI。由加法器节点S3执行的求和的结果表示积分控制器I的输出，即以上提到的控制信号，并且同时表示存储器的输入Int-0(即，在“步骤-0”处，即当前步骤中)，该存储器存储输入Int-0用于随后的积分步骤。

根据本发明，饱和器Sat_1被布置在加法器节点S3与存储器块的输入端之间，使得不仅对积分控制器输出进行限制，而且对包含在积分控制器中的存储器块进行限制。

根据本发明的优选变型，饱和器Sat_1执行相对于零的对称饱和，并且饱和度模由以下公式给出：

|Saturation|＝|K*RadQ{[exp(-|Err|/A)]*[exp(-|ΔSpeed|/B)]}|

其中：

RadQ表示运算符平方根，

exp表示求指数，

|Error|表示以上描述的误差Err的模，

|ΔSpeed|表示内燃机的速度微分ΔSpeed的模。

K、A以及B表示常数值。

内燃机的速度微分可以通过牛顿方程表示：

ΔSpeed＝成本*[(内燃机传递的扭矩)–(由外部负载引起的阻力扭矩)]其中，“成本”通常是内燃机的惯性矩J的倒数。

外部负载包括例如由内燃机引导的车辆行驶的道路坡度或由连接至相关PTO(动力输出装置)的发电机、压缩机或泵提供的阻力扭矩。

CALC块(计算块)基于以下输入：

速度误差Err

速度微分ΔSpeed

来应用以上提到的公式计算饱和度模|Saturation|。

CALC块有两个输出，每个输出指向两个输入：饱和器Sat_1的高和低。

仅在Err和ΔSpeed符号不一致的情况下应用正饱和或负饱和，否则信号被饱和至致动器权限(actuator authority)的+/-100％。

第二饱和器Sat_2优选地布置在乘法器节点M1与加法器节点S3之间，以将控制信号限制在所谓的“致动器权限”的+100％和-100％。对致动器权限实现饱和的原因对于本领域技术人员来说是已知的，并且基本上是旨在避免不必要地要求致动器(内燃机)的性能超过相对标称特性。在这种情况下，致动器是不能传递大于相对速度/标称扭矩图中的相对标称扭矩的内燃机。

根据本发明的优选变型，以上提到的公式是通过查找表在CALC块中实现的，其具有更大的灵活性的优点，因为其允许修改表本身的系数，从而引入了与以上提到的公式的输出的偏差，其更适用于特定的内燃机。此外，查找表允许减少计算负担。

以下示出的查找表的示例以|ΔSpeed|和|Err|作为输入。

在前表中的阵列例如5×5阵列中所示出的值对于本发明的实现方式被认为是最佳的。然而，所述值可以适当变化。

当误差Err为负并且ΔSpeed为正时，所述值为正，而当误差Err为正并且ΔSpeed为负时，表中所示出的每个值都乘以“-1”。

换句话说，饱和器Sat_1关于零对称，并且当误差为负并且ΔSpeed为正时，其指示饱和器上部(正)部分的操作(上限)；反之亦然，当Err为正并且ΔSpeed为负时，其指示饱和器下部(负)部分的操作(下限)。

本方法可以有利地通过用于控制内燃机的ECU(内燃机控制单元)处理单元来实现，该ECU处理单元处理关于内燃机速度和加速器踏板上的压力的信息或者针对来自其他设备的旋转或扭矩的请求，并且因此如以上所描述地控制内燃机。

当程序在计算机上运行时，本发明可以有利地通过包括用于实现方法的一个或更多个步骤的编码装置的计算机程序来实现。因此，应当理解，当所述程序在计算机上运行时，保护范围扩展到所述计算机程序，并且还扩展到包括记录的消息的计算机可读装置，所述计算机可读装置包括用于实现该方法的一个或更多个步骤的程序编码装置。

在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行所描述的非限制性示例的实施方式变型，从而包括对本领域技术人员来说是等同的所有实施方式。

根据以上描述，本领域技术人员能够在不引入另外的构造细节的情况下产生本发明的主题。在不脱离本申请的范围的情况下，包括附图在内的各种优选实施方式中示出的元件和特征可以彼此结合。章节中所描述的与现有技术相关的内容仅被提供来用于更好地理解本发明，并且不代表所描述内容的存在声明。此外，如果没有在详细公开内容中具体地排除，则在关于现有技术的章节中描述的内容应当被认为是详细公开内容的组成部分。

Claims (11)

1.一种用于内燃机的控制方法，其是基于在所述内燃机的速度的参考值(Ref)与测量值(Speed)之间计算的所述内燃机的速度的误差(Err)、通过所述内燃机自身的速度的反馈控制来执行的，其中，所述控制包括比例组成(P)与积分组成(I)的和(S2)，所述方法包括仅在至少出现所述误差的第一符号与所述内燃机速度的微分的第二符号彼此一致时还添加微分组成(D)的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述速度误差超过第一预定正阈值并且所述内燃机速度的微分超过第二预定正阈值时，以及/或者当所述速度误差低于第三预定负阈值并且所述微分组成低于第四预定负阈值时，添加所述微分组成(D)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一阈值的模与所述第三阈值的模一致，并且其中，所述第二阈值的模与所述第四阈值的模一致。

4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：当所述误差的所述第一符号与所述微分组成的所述第二符号至少彼此不一致时，根据以下各项的函数(F(Err,ΔSpeed))来使所述积分组成饱和：

所述内燃机的速度的所述测量值(Speed)的微分(ΔSpeed)，以及

所述速度误差(Err)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述积分组成(I)由以下各项的和(S3)组成：

在当前步骤中计算的误差值(Err)，并且乘以积分系数(KI)，以及

在紧在前的步骤中生成的积分组成值(Int-1)，

并且其中，对所述和应用所述饱和器(Sat_1)。

6.根据权利要求4或5中的一项所述的方法，其中，所述饱和度的绝对值由下式给出：

|Saturation|＝|K*RadQ{[exp(-|Err|/A)]*[exp(-|ΔSpeed|/B)]}|

其中：

RadQ表示运算符平方根，

exp表示运算符求指数，

|Err|表示以上描述的速度误差Err的模，

|ΔSpeed|表示所述内燃机速度的微分ΔSpeed的模，

K、A以及B表示常数值。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述饱和度的所述绝对值由查找表给出，其中，相对值在绝对值方面被包括在所述内燃机的标称扭矩的0％与100％之间。

8.一种计算机程序，包括当所述程序在计算机上运行时适于执行权利要求1至7中任一项的所有步骤的程序编码装置。

9.一种包括注册程序的计算机可读装置，所述计算机可读装置包括当所述程序在计算机上运行时适于执行权利要求1至7中任一项的所有步骤的程序编码装置。

10.一种内燃机，包括：

用于测量相对速度的设备，

处理单元(ECU)，其被配置成基于速度参考信号(Ref)来控制所述内燃机，

所述处理单元被配置成执行根据前述权利要求1至7中任一项所述的控制方法。

11.一种包括根据权利要求10所述的内燃机的车辆或固定设备。

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