CN1474046A - 内燃机输出功率控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及降低踩下汽车加速踏板时的振动(加速冲击)的内燃机输出功率控制装置及其控制方法。其用简单的结构能抑制踩下加速踏板时发生的振动，根据目标扭矩相关值控制输出功率调整部件动作。其具备：振动成分预测部(2)，其使用规定的预测样机根据目标扭矩相关值预测车辆产生的振动成分；反馈修正部(3)，其根据由振动成分预测部(2)预测的振动成分来反馈修正目标扭矩相关值以抑制振动。

Description

内燃机输出功率控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及降低踩下汽车加速踏板时的振动(加速冲击)和变速时振动(变速冲击)的内燃机输出功率控制装置及其控制方法。
背景技术
一般地在踩下汽车加速踏板时(特别是急速踩下汽车加速踏板时)产生振动(加速冲击)。这种加速冲击的起因是由急速踩下汽车加速踏板而发动机扭矩急速变化、其结果对驱动系统产生扭转振动。并且这种驱动系统的扭转振动表现为车体前后方向的振动现象。
为抑制这种随操作汽车加速踏板而产生的驱动系统的振动、把节气门慢慢打开的方法被广泛知晓，但这种方法有损加速感。如图17所示，作为抑制所述振动的现在技术是对节气门开启度-驱动扭矩间的固有传递特性[即激发振动的车辆样机Gp(s)]设置逆函数的补偿器(逆筛选程序)W(s)，通过使用这种前置补偿器控制节气门开启度来抑制扭转振动并提高反应性的技术。
除此以外，还有把一步步的输入信号(加速踏板开启度变化)分成两段输入、所谓两段扭矩输入。
但这种现有技术中设有逆筛选程序W(s)时，虽能把输出的振动成分抵消，但当车辆样机Gp(s)变复杂时存在很难设定最合适的逆筛选程序W(s)的课题。且如图18所示，在两段扭矩输入对抑制振动能得到某种程度的效果，但必须经常已知目标值，不实用。
特开2001-132501号公报公布了检测特定车辆状态，探测包括特定车辆状态量的车辆驱动系统的转动振动成分，根据探测的转动振动成分变更发动机扭矩和变速比来抑制振动的技术。
但这种技术为检测特定的车辆状态量就需要考虑产生该状态量的计时与因产生该状态量而引起的输出功率控制调整量的计时之间的偏移即空载时间的存在，想进行包括空载时间的高精度控制处理的控制处理装置的负担非常大，有实用困难的问题。
发明内容
本发明是鉴于这种问题而提出的，其目的在于提供一种用简单的结构能抑制踩下汽车加速踏板时的振动和变速时振动的内燃机输出功率控制装置及其控制方法。
本发明的目的在于提供一种用简单的结构能抑制踩下汽车加速踏板时的振动和变速时振动的内燃机输出功率控制装置及其控制方法。
为此，本发明内燃机的输出功率控制装置根据目标扭矩相关值控制输出调整部件动作，其包括：振动成分预测部，其根据目标扭矩相关值使用规定的预测样机预测车辆上产生的振动成分；反馈修正部，其根据由所述振动成分预测部预测的振动成分来反馈修正所述目标扭矩相关值以抑制振动。
根据这种结构，由于根据目标扭矩相关值使用规定的预测样机预测车辆上产生的振动成分，并根据该振动成分来反馈修正目标扭矩相关值以抑制振动，所以能预先预测振动，并抑制修正目标扭矩相关值，能在发生前有效地防止要发生的振动。而且是使用根据目标扭矩相关值规定的预测样机预测车辆上产生的振动成分，所以能象反馈实际振动时的那样不必考虑空载时间简化控制处理，能有效抑制振动。所说的输出功率调整部件是例如节气门、点火线圈、喷油嘴。
最好根据二次滞后系统的传递函数设定所述规定的预测样机。采用这种结构时对一步步的目标扭矩相关值的变化，二次滞后系统的传递函数其近似性高，所以在使用比较简单的传递函数的同时能有效抑制振动。这时最好把所述传递函数定为1/(s2+2ζω ns+ωn 2)，把用反馈修正部设定的控制增益K定为K＝(ζ′-ζ)·2ωn(其中，ζ′是目标车辆衰减系统数，ζ是实际车辆衰减系统数，ωn是根据变速比设定的固有振动频率，s是拉普拉斯算子)。
所述反馈修正部最好具有对应由所述振动成分预测部预测的振动成分的增加而增大设定控制增益的控制增益可变部。这时由于对应振动成分的增加增大设定抑制振动的方向控制增益，所以能有效抑制振动。
最好把所述振动成分预测和所述反馈修正在内燃机产生输出的至少三行程前实施。这时由于加进了空载时间等的滞后因素，提前实施了预测的反馈修正，所以能有效防止振动。
最好根据汽车加速踏板开启度算出所述目标扭矩相关值，所述输出调整部件的动作根据修正后的目标扭矩相关值进行调整。且采用这种结构时也能有效防止加速时的振动。
本发明内燃机的输出功率控制方法根据目标扭矩相关值控制输出调整部件动作，其包括：振动成分预测步骤，其根据目标扭矩相关值使用规定的预测样机预测车辆上产生的振动成分；反馈修正步骤，其根据由所述振动成分预测步骤预测的振动成分来反馈修正所述目标扭矩相关值以抑制振动。
根据这种结构，根据目标扭矩相关值使用规定的预测样机预测车辆上产生的振动成分，并根据该振动成分来反馈修正目标扭矩相关值以抑制振动，所以能预先预测振动，并抑制修正目标扭矩相关值，能有效地在未发生前防止要发生的振动。而且是使用根据目标扭矩相关值规定的预测样机预测车辆上产生的振动成分，所以能象反馈实际振动时的那样不必考虑空载时间简化控制处理，能有效抑制振动。所说的输出功率调整部件是例如节气门、点火线圈、喷油嘴。
最好根据二次滞后系统的传递函数设定所述规定的预测样机。采用这种结构时对一步步的目标扭矩相关值的变化，二次滞后系统的传递函数其近似性高，所以在使用比较简单的传递函数的同时能有效抑制振动。这时最好把所述传递函数定为1/(s2+2ζωns+ωn 2)，把用反馈修正部设定的控制增益K定为K＝(ζ′-ζ)·2ωn(其中，ζ′是目标车辆衰减系统数，ζ是实际车辆衰减系统数，ωn是根据变速比设定的固有振动频率，s是拉普拉斯算子)。
所述反馈修正步骤最好具有对应由所述振动成分预测步骤预测的振动成分的增加增大设定控制增益的控制增益可变步骤。这时由于对应振动成分的增加增大设定抑制振动的方向控制增益，所以能有效抑制振动。
最好把所述振动成分预测和所述反馈修正在内燃机产生输出的至少三行程前实施。这时由于加进了空载时间等的滞后因素，提前实施了预测的反馈修正，所以能有效防止振动。
最好根据汽车加速踏板开启度算出所述目标扭矩相关值，所述输出调整部件的动作根据修正后的目标扭矩相关值进行调整。且采用这种结构时也能有效防止加速时的振动。
附图说明
图1是用于说明本发明一实施例内燃机输出功率控制装置要部结构的控制方块图；
图2是用于说明本发明一实施例内燃机输出功率控制装置适用的车辆驱动系统样机的模式图；
图3是用于说明本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的目标加速度的图；
图4是用于说明本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的模拟样机的图；
图5是把本发明一实施例内燃机输出功率控制装置中二次滞后系统的级别反应与高次的级别反应进行比较表示的图；
图6是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的要部进行说明的图；
图7是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的作用效果进行说明的图；
图8是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的作用效果进行说明的图；
图9是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的固有振动频率的变化进行说明的图；
图10是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的固有振动频率的变化进行说明的图；
图11是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的误差影响进行说明的图；
图12是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的作用效果进行说明的图；
图13是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的作用效果进行说明的图；
图14是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的控制增益可变部(控制增益可变步骤)进行说明的图；
图15是对本发明一实施例内燃机输出功率控制装置的控制增益可变部(控制增益可变步骤)进行说明的图；
图16是把本发明一实施例内燃机输出功率控制装置适用于汽油发动机和柴油发动机时表示控制对象动作特性的图；
图17是说明现有技术的图；
图18是说明现有技术的图。
具体实施方式
根据附图对本发明一实施例内燃机的输出功率控制装置进行说明。且下面是将本发明适用于具备把加速踏板与节气门电连接的所谓节气门双线式节气门装置发动机(汽油发动机)的情况进行说明。
首先，用图1说明本发明的主要部件，如图所示，该车辆设有控制器(控制装置或ECU)1，其把加速踏板开启度信息APS(目标扭矩相关值：Target)作为输入信号，根据该输入信号发出控制节气门(输出功率调整部件)动作的输出信号TPS。
在该控制器1上设有预测补偿器(Prediction Compensator)1a，在该预测补偿器1a内设有：振动成分预测部(振动成分预测步骤)2，其使用根据输入信号规定的预测样机Gp(s)′预测车辆上产生的振动成分；反馈修正部(反馈修正步骤)3，其根据由该振动成分预测部2预测的振动成分(预测值)来反馈修正输入信号以抑制振动。
在此，振动成分预测部2中规定的预测样机Gp(s)′，具体说就是二次滞后系统的传递函数G(s)，在把ζ定为实际车辆衰减系统数，把ωn定为对应变速比设定的固有振动频率时，可表示为：
G(s)＝1/(s2+2ζωns+ωn 2)。
用反馈修正部3修正的控制增益K，在把ζ′定为目标车辆衰减系统数时，可表示为：
K＝(ζ′-ζ)·2ωn。
且预测补偿器1a内的函数C(s)是把输入(本实施例中是加速踏板开启度APS)变换成输出(同样地是节气门开启度TPS)的函数，没有特别的限定，各种函数可适用。在本实施例为使说明简略化、下面就以C(s)＝1进行说明。
在本发明中，预测补偿器1a由于不包括所述特开2001-132501号公报技术中所必须考虑的空载时间，所以其结果能简化预测补偿器，能从目标值(Target)到预测值(Prediction)间构成各种控制方法。例如为通过状态反馈把车辆振动更加降低而能附加(Poleassignment)任意的衰减。如图1所示，在本实施例也考虑到有非线形性的情况(汽车用发动机对加速踏板操作产生的扭矩中有非线形性)，附加了对速度施加相反力这样简单的衰减。
在本实施例，是不损害加速感而抑制车辆振动的控制发动机输出功率的装置，图3是一般加速时车体前后加速度的波形。根据该波形附加补偿器1a时，关注①～③这三个要素设定目标加速度。下述的①～③对应于图3的①～③。
①振动的降低：因为是与想加速意志相反的负方向的加速，所以附加了衰减，定为0.10以下，以不给乘客不适。
②上升时间的保持：由于上升时间(从目标值的10％直到90％的时间)是给予加速感的原因，所以尽量不要损失。
③目标值的跟踪：是用于司机能驾驶的条件。在一定程度的时间后用汽车加速踏板收敛到指示值，以不进行由控制结果不到目标值而引起的司机反馈操作。
1、制作车辆样机
根据图2制作车辆样机。该车辆样机包括：驱动系统扭转样机，其由发动机11～变速箱12～差动装置13～轮胎14构成；车辆运动样机，其考虑了把驱动系统扭转振动传递给车体用的各支架和悬挂装置等的弹性。该车辆运动样机制作成飞轮、齿轮、轮胎是三个自由度、悬浮体是一个自由度、动力装置(发动机及变速箱)和刚体车身具有前后、上下、旋转的三个自由度共计十个自由度的二维非线形样机。并且考虑它们的衰减，用矩阵表示成下式(1)。
[M]{X″}+[C]{X′}+[K]{X}＝{F}    ……(1)
其中，[M]：10×10惯性矩阵
[C]：10×10衰减矩阵
[K]：10×10刚性矩阵
{F}：10×1力矢量
{X}：10×1变位矢量
{X′}：速度(一阶微分)
{X″}：加速度(二阶微分)
上式的各矩阵通过实车试验进行了参数修正。
图4表示了整个模拟样机的概要。如图所示，模拟样机由样机预测补偿器1a、发动机样机EM和有十个自由度的车辆样机VM这三个部分构成。在本实施例中，作为发动机样机EM，使用发动机全性能特性图和滞后要素。滞后要素中考虑在吸入管的吸入滞后(一次滞后)和从吸气到燃烧行程的三个行程滞后并作为扭矩变换的行程滞后(空载时间)。在发动机全性能特性图中，变速箱负载信息从车辆样机VM输入。车辆样机VM输出车辆前后振动信息。
2、预测样机的降阶
一般n次系统的从输入u(s)向输出y(s)的传递函数能用下式(2)来表示。
G(s)＝y(s)/u(s)＝(bmsm+bm-1sm-1+…+b1s+b0)/(sn+an-1sn-1+…+a1s+a0)……(2)
但在谋求实时控制性的控制中使用普及型的MPU(Micro ProcessingUnit)来演算式(2)的高次传递函数从演算速度和精度方面是不利的。因此在不牺牲样机本来特性的范围内需要适当地降阶。
对有步骤的加速踏板开启度变化(APS)或节气门开启度变化(TPS)成为输出的车体前后加速度(或传递轴角加速度)的输出波形、从其波形特征来看能近似于作为二次滞后系统的反应(参照图5)。即当把从APS到车体前后加速度的传递特性定为G(s)时，G(s)能用下式(3)近似表示。
G(s)≈(KPωn 2)/(s2+2ζωns+ωn 2)    ……(3)
在式(3)中，KP是比例增益，ζ、ωn分别是车体前后振动的衰减系统数和固有振动频率(基本次数)，s是拉普拉斯算子。
把式(3)作为预测样机可构成预测样机补偿器1a。
在此，作为预测样机补偿器1a考虑了图6所示的反馈控制系统。在图6中，函数F(s)把输入的加速踏板开启度(APS)换算为输出扭矩，函数F-1(s)把输入的扭矩换算为节气门开启度(TPS)。
如上所述，在该反馈控制系统的振动成分预测部2具有二次滞后系统的传递函数G(s)＝1/(s2+2ζωns+ωn 2)和把从传递函数G(s)输出的变位x微分并把变位速度dx/dt(图中用x′表示)输出的微分部。反馈修正部3根据振动成分预测部2预测的振动成分dx/dt，构成相对来自函数F(s)的输出反馈修正衰减扭矩以抑制振动。
在此输出信号u(s)可使用输入信号r(s)用下式(4)表示。
u(s)＝r(s)-[K·s/(s2+2ζωns+ωn 2)]u(s)                                   ……(4)
因此，从输入信号r(s)到输出信号u(s)的闭环传递函数成为下式(5)。
u(s)/r(s)＝(s2+2ζωns+ωn 2)/[s2+2(ζ+K/2ωn)ωns+ωn 2]             ……(5)
而且从输入r(s)到输出y(s)传递函数根据式(3)和式(5)可得到下式(6)。
y(s)/r(s)＝[u(s)/r(s)][y(s)/u(s)]＝(KPωn 2)/[s2+2(ζ+K/2ωn)ωns+ωn 2]……(6)
且式(6)中通过由
ζ′＝ζ+K/2ωn                                                              ……(7)
置换，用调整增益K能得到定为目标的衰减系统数ζ′。
在此，在图1所示的反馈修正部3也可设置设定控制增益K的控制增益可变部(控制增益可变步骤)(省略图示)。增益K若从式(7)决定目标衰减系统数ζ′和固有振动频率ωn则一律是决定值，但再使目标衰减系统数ζ′根据车体振动振幅的速度而变化，就能调整增益K的效果程度(作用的程度)。例如既可以如图14所示在一定振动速度范围内设定目标衰减ζ′＝1的增益起作用，也可以如图15所示在规定的振动速度范围内使增益不起作用地设置不感带地。
而且，通过这种对应振动成分的增加使抑制振动的方向控制增益变大的可变设定能提高振动抑制效果。
3、确认模拟预测样机补偿器效果
表示加速振动最成为问题的最大变速比(例如一速)中由补偿器1a的抑制振动效果。
模拟条件是把补偿器1a离散化(抽样时间＝10ms)，使成为输入的APS在0.1秒间一步步地变化到目标值来确认制动效果。该结果如图7所示，能确认通过插入补偿器1a大幅度地减少了车体前后振动的振幅。图8中虚线表示了加速踏板开启度的变化，对这种一步步的汽车加速踏板开启度变化设置补偿器1a抑制振动时，用实线所示的特性控制节气门开启度。
在本实施例的补偿器1a，也考虑了当有因乘车人员的增减及装载而产生的车重变动和因实际变速比与目标变速比的差而产生共振频率误差等时，由补偿器1a的抑制振动效果降低的情况。
于是，对由这种误差引起的补偿器的性能恶化进行了分析。具体说就是由乘车人员增加等车重增加了260kg(把每一个人的体重定为65kg、设想除了司机有四人乘车)时模拟共振频率变化。图9表示了变速比2.3，图10表示了变速比1的情况。该结果能确认在各变速比都有不到2％的频率变化，而没有大幅度的共振频率变化。
接着设想由计量误差和其他外界干扰而对实际共振频率产生-30％～+30％的误差时，分析离散补偿器的性能恶化(参照图11)。其结果能确认当考虑加速性时、+侧的误差即计量共振频率比实际共振频率高时性能恶化少。
且能确认即使有一些误差时，通过插入补偿器1a系统也没有不稳定。
4、确认实车试验的振动抑制
接着进行实车试验并确认效果。试验条件固定在加速冲击最大的最低段(变速比＝2.3)，确认从缓减速状态液压变矩器的直结离合器是直结状态。排除用直结离合器减小加速冲击的影响，在发动机旋转数是1500rpm时进行再加速。为使加速条件一致，把扭矩变化的最大值固定在110Nm。图12表示车体前后加速度，图13表示发动机扭矩变化。根据这些图的结果，通过使用本发明内燃机的输出功率控制装置能不使加速性恶化地把振动(冲击)减小到容许范围内的0.08G。
如上述，因为使用规定的预测样机从本发明的输入加速踏板开启度信息(目标扭矩相关值)预测车辆产生的振动成分、根据振动成分反馈修正汽车加速踏板开启度来抑制振动，所以能预先预测振动并将其抑制地修正汽车加速踏板开启度，能有效地抑制振动的产生。另外，由于使用规定的预测样机从输入加速踏板开启度信息预测车辆产生的振动成分，所以能象反馈实际振动时的那样不必考虑空载时间等简化控制处理，能高效抑制振动。
把所述规定的预测样机根据二次滞后系统的传递函数设定，但由于二次滞后系统的传递函数对一步步的输入的变化近似性高，所以能在使用比较简单的传递函数的同时有效抑制振动。
通过设置在反馈修正部3的控制增益可变设定部对应由振动成分预测部2预测的振动成分的增加而把控制增益设定得很大，所以对应振动成分的增加，抑制振动的方向控制增益设定大，能有效抑制振动。
只要把所述振动成分预测和所述反馈修正在发动机产生输出的至少三个行程前实施，就加进空载时间等的滞后要素提前实施预测的反馈修正，所以能有效防止振动。
最好根据加速踏板开启度算出所述目标扭矩相关值，所述输出调整部件的动作根据修正后的目标扭矩相关值进行调整。且在采用这种结构时也能有效防止加速时的冲击。
对本发明的实施例作了说明，但本发明不限定于上述结构，在不脱离本发明旨趣的范围内可有各种变形。例如上述实施例中作为输出调整部件的一例对适用于节气门的情况作了说明，但作为输出调整部件也能适用于点火线圈和喷油嘴。本实施例对在汽油发动机上适用本发明的情况作了说明，但当然在柴油发动机上也能适用。这时如图16所示，除了把输出置换成燃料喷射量以外，与上述实施例一样地进行控制。

Claims (10)

1、一种内燃机的输出功率控制装置，其根据目标扭矩相关值控制输出调整部件动作，其特征在于，包括：振动成分预测部(2)，其使用规定的预测样机根据目标扭矩相关值预测车辆上产生的振动成分；反馈修正部(3)，其根据由所述振动成分预测部(2)预测的振动成分来反馈修正所述目标扭矩相关值以抑制振动。
2、如权利要求1所述的内燃机的输出功率控制装置，其中，所述规定的预测样机根据二次滞后系统的传递函数[G(s)]设定。
3、如权利要求1所述的内燃机的输出功率控制装置，其中，所述反馈修正部(3)具有控制增益可变部，其对应由所述振动成分预测部(2)预测的振动成分的增加来增大设定控制增益。
4、如权利要求1所述的内燃机的输出功率控制装置，其中，所述目标扭矩相关值[r(s)]根据加速踏板开启度(APS)算出，所述输出调整部件根据修正后的目标扭矩相关值[u(s)]控制。
5、如权利要求2所述的内燃机的输出功率控制装置，其中，当确定ζ′是目标车辆衰减系统数、ζ是实际车辆衰减系统数、ωn是根据变速比设定的固有振动频率、s是拉普拉斯算子时，所述传递函数是1/(s2+2ζωns+ωn 2)，用所述反馈修正部设定的控制增益K是K＝(ζ′-ζ)·2ωn。
6、一种内燃机的输出功率控制方法，其根据目标扭矩相关值控制输出调整部件动作，其特征在于，包括：振动成分预测步骤(2)，其使用规定的预测样机根据目标扭矩相关值预测车辆上产生的振动成分；反馈修正步骤(3)，其根据由所述振动成分预测步骤(2)预测的振动成分来反馈修正所述目标扭矩相关值以抑制振动。
7、如权利要求6所述的内燃机的输出功率控制方法，其中，所述规定的预测样机根据二次滞后系统的传递函数[G(s)]设定。
8、如权利要求6所述的内燃机的输出功率控制方法，其中，所述反馈修正步骤(3)具有控制增益可变部，对应由所述振动成分预测步骤(2)预测的振动成分的增加来增大设定控制增益。
9、如权利要求6所述的内燃机的输出功率控制方法，其中，所述目标扭矩相关值[r(s)]根据加速踏板开启度(APS)算出，所述输出调整部件根据修正后的目标扭矩相关值[u(s)]控制。
10、如权利要求7所述的内燃机的输出功率控制方法，其中，当确定ζ′是目标车辆衰减系统数、ζ是实际车辆衰减系统数、ω n是根据变速比设定的固有振动频率、s是拉普拉斯算子时，所述传递函数是1/(s2+2ζωns+ωn 2)，用所述反馈修正部设定的控制增益K是K＝(ζ′-ζ)·2ωn。
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