TWI564478B - 引擎怠速控制的適應性控制方法 - Google Patents

Description

引擎怠速控制的適應性控制方法

本發明係涉及一種控制方法，特別是應用於引擎怠速控制的適應性控制方法。

交通運輸是能源使用非常重要的一環，甚或牽動著民生與經濟，在全世界都在高喊節能減碳的呼聲中，車廠早已開始尋求內燃機以外的可能性，如油電複合動力、燃料電池、鋰鐵電池等等。其中，燃料電池、鋰鐵電池等純電動車輛因為尚未被大量生產、材料、技術不成熟等因素，售價方面始終偏高，無法被大多數的消費者所接受；另外，受到充電設備尚未普及以及充電時間長等限制，消費者對於純電動車的續航力以及方便性始終抱持疑慮。因此，除了以引擎為主要動力源的串並聯式油電複合動力系統以外，以電動車為主體，搭載增程器引擎的增程式電動車也提供了另一個選項。此種增程式電動車除了排放量能夠遠低於以引擎為主要動力源的車輛，更可以彌補純電動車為人所顧慮的充電時間以及續航力問題。為了維持增程器引擎的運轉穩定，一良好的引擎管理系統(engine management system,EMS)的建立就非常重要。

怠速控制是引擎管理系統中一項重要的功能。由於引擎在怠速運轉時正好處於引擎耗油、排放汙染表現最差的運轉條 件，因此一控制效果良好的怠速控制系統除了使引擎在怠速時維持良好的穩定性以外，對於油耗的降低以及汙染排放的減少也能有顯著的改善。造成引擎的怠速不穩定的主要原因之一是引擎進氣系統中積碳的產生。在引擎管理系統未接收到扭力命令的情況下，怠速控制系統便須介入維持引擎轉速的穩定運轉，而現行引擎怠速控制多半使用具有固定增益值的控制器來進行引擎的怠速控制，惟，同一組增益值不一定能適用於不同的運轉環境，因此，業界中需要能夠根據引擎運轉動態即時更新控制器的增益值之引擎怠速控制方法，讓引擎能夠在不同的運轉環境下還是能夠維持引擎怠速運轉的穩定性。

基於上述理由，本發明的目的在於提供一種能夠根據引擎運轉動態即時更新控制器增益值的適應性控制方法，藉此在不同的運轉環境下將引擎穩定維持在怠速運轉。

本發明的另一目的，在於提供一種適應性控制方法，能夠考量進氣動態的實際運作中造成的延遲，藉此在提高引擎運轉穩定性的同時增加燃油效率並減少汙染。

為達成前述目的，本發明提供一種引擎怠速控制的適應性控制方法，包括以下步驟：一模型建立步驟、一系統判別步驟、一增益值更新步驟以及一控制步驟。所述模型建立步驟係建立一控制導向模型，其中，控制導向模型係以均值引擎(mean value engine model)模型為基礎推導出的迴歸模型(regression model)。所述系統判別步驟係藉由一系統判別模組使用遞迴最小平方法(recursive least square,RLS) 進行線上系統參數判別，並且將其判別的系統參數更新至控制導向模型中，以反應引擎當下的運轉動態。所述增益值更新步驟係利用系統判別模組更新的系統參數根據當下引擎的運轉動態調整一控制架構的增益值(gain determinant)。所述控制步驟係根據經調整的增益值利用控制架構控制引擎的運作。

根據本發明的一實施例，所述控制導向模型係以引擎的進氣動態、扭力動態以及節氣門一階動態為架構而建立。

根據本發明的一實施例，所述系統判別步驟中所判別的系統參數包括節氣門系統參數。

根據本發明的一實施例，所述控制步驟進一步包括透過該控制架構根據該控制導向模型所調整的增益值下達點火控制命令以及節氣門控制命令，以控制引擎的點火正時以及節氣門開度。

根據本發明的一實施例，所述控制架構係包括一適應性控制器以及一節氣門前饋控制模組。其中，所述適應性控制器包括用以控制節氣門開度的一比例積分控制器(PI controller)，以及用以控制點火正時的一比例控制器(P controller)。

根據本發明的一實施例，所述適應性控制方法進一步包括一前饋控制步驟，當扭力負載加諸到引擎時，該系統判別模組使用RLS法判別加諸到引擎的扭力負載，且該節氣門前饋控制模組根據所判別的扭力負載以及更新後的控制導向模型計算對應扭力負載的節氣門目標開度。

S11‧‧‧模型建立步驟

S12‧‧‧系統判別步驟

S13‧‧‧增益值更新步驟

S14‧‧‧控制步驟

S15‧‧‧前饋控制步驟

第一圖為顯示根據本發明較佳實施例之適應性控制方法的流程圖；第二圖為顯示用於執行本發明較佳實施例之適應性控制方法的系統方塊圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

第一圖為顯示根據本發明較佳實施例之適應性控制方法的流程圖，而第二圖為顯示用於執行本發明較佳實施例之適應性控制方法的系統方塊圖。如第一圖及第二圖所示，根據本發明最佳實施例的適應性控制方法，主要包括：一模型建立步驟S11、一系統判別步驟S12、一增益值更新步驟S13、一控制步驟S14以及一前饋控制步驟S15。

在執行本發明之用於引擎怠速控制的適應性控制方法時，首先，係執行模型建立步驟S11，建立一個控制導向模型。本發明的控制導向模型係以均值引擎(mean value engine model)模型為基礎發展而建構成的迴歸模型(regression model)，用以模擬引擎的運作動態。由於在此架構下的迴歸模型響應輸出足以代表實際引擎動態，因此，在閉迴路系統的佈局中，可以使用此控制導向模型代表實際引擎作為受控體。由於本發明的方法主要係用於解決引擎進氣道積碳所產生的怠速不穩問題，因此，控制導向模型並不需要響應過於複雜的動態；在本發明的較佳實施例中，作為迴歸模型基礎的均質引擎模型係 以一維方式建構而成，並且選擇進氣動態及扭力動態為主要架構，歸納出空氣由節氣門進入直到扭力輸出的完整路徑模型。在本發明的模型建立步驟S11中建立的控制導向模型，係將均值引擎模型分成已知的數值，如節氣門開度、進氣歧管壓力、引擎轉速、點火提前角以及未知待判的系統參數(system parameters)。此外，為了模擬引擎的節氣門的實際動作，本發明的在模型建立步驟S11中建立的控制導向模型，進一步包括一節氣門一階動態，以模擬節氣門實際作動時的遲滯現象。

在控制導向模型建立之後，根據本發明較佳實施例的方法接著執行系統判別步驟S12，透過一系統判別模組使用遞迴最小平方法(recursive least square,RLS)進行線上系統參數判別以得到收斂的系統參數，並且將其判別的系統參數更新至模型建立步驟S11所建立的控制導向模型中，以反應引擎當下的運轉動態。在此值得一提的是，由於本發明的系統判別方法所使用的係遞迴最小平方法，因此，作為待判別系統的引擎模型必須為迴歸模型。此外，由於經由積碳模擬後發現積碳發生的前後只有節氣門系統參數會有較為明顯的變動，因此，在本發明的較佳實施例中係選擇節氣門系統參數進行即時判別，並且在判別之後將節氣門系統參數更新至控制導向模型中。

接著，係執行增益值更新步驟S13，根據系統判別步驟S12中利用RLS方法判別出的系統動態即時調整一控制架構的增益值(gain determinant)。更詳而言之，在增益更新步驟S13中，係將系統判別步驟S12中判別的系統動態以及控制架構納入閉迴路增益值推導，並且利用係數對照法得出適應性增益值關係式，如此一來，經由系統判別步驟S12更新至控制架構的系統參數將會根據動態變化更新 增益值以符合期望的系統動態。

接著，執行控制步驟S14，透過控制架構根據經調整的增益值控制引擎的運作，使得引擎得以在各種狀況下維持良好的效率進行怠速運轉。在本發明的較佳實施例中，控制架構係由一適應性控制器以及一節氣門前饋控制模組所構成，如第二圖所示。本發明所採用的適應性控制器是以基於模型架構進行發展，其係透過一比例積分控制器(PI controller)控制節氣門開度，並且透過一比例控制器(P controller)控制引擎的點火正時。根據更新後的系統參數即時調整控制器的增益值進行控制，可以控制節氣門修正穩態誤差，並且可以控制點火提前角對應暫態的轉速變化。

為了進一步改善控制效果，在本發明的較佳實施例所提供的控制方法中，進一步包括了一前饋控制步驟S15。由於引擎在正常怠速運轉時扭力的負載為零，因此，在首次進行系統判別步驟S12時，並不會將扭力負載加入系統判別模組所判別的參數中。當扭力負載被加諸至引擎時，其轉速變化會更加明顯，為了讓節氣門開度加速到達目標開度，因此，本發明的方法加入了前饋控制步驟S15，透過控制架構中的節氣門前饋控制模組進行節氣門前饋控制。更詳而言之，請參閱第二圖，當扭力負載被加諸至引擎時，引擎轉速(亦即，引擎的曲軸旋轉速度)明顯有所變化，系統判別模組根據引擎轉速的變化利用RLS法判別出加諸在引擎上的扭力負載並且將所述扭力負載加入系統判別模組所判別的系統參數中，節氣門前饋控制模組根據系統判別模組判別出的扭力負載以及更新後的控制導向模型計算出對應扭力負載的節氣門目標開度，以減少控制架構的修正時間。前饋控制步驟S15係在增益值更新步驟S13之後執行。

透過本發明所提供的適應性控制方法，可以使得引擎怠速運轉時控制器的增益值可以根據引擎實際的動態調整，藉此提升引擎怠速運轉的穩定性、改善引擎油耗及污染相關表現並且增進車輛的乘坐品質及舒適性；此外，本發明透過前饋控制步驟進一步改善控制的效果，由點火提前結果可觀察到，加入前饋控制的點火補償明顯減少，其代表節氣門響應較快，不需要過多點火補償即可有較佳的控制效果，而當積碳發生時，適應性控制與前饋控制的加入對於控制效果確實有明顯的改善。

以上所述僅係本發明的實施例及其應用範例，當不可用以限定本發明可實施的範圍，而任何熟知此技藝一般技術者根據本文內容所能完成的各種改良及變化，均應視為不脫離本發明實質內容而涵蓋於下文所申請專利範圍內者。凡是利用本文內容及所附圖式而達成的等效結構，不論是直接或間接應用於此技藝或其他相關技術領域，均應視為屬於本發明的申請專利範圍內。

S11‧‧‧模型建立步驟

S12‧‧‧系統判別步驟

S13‧‧‧增益值更新步驟

S14‧‧‧控制步驟

S15‧‧‧前饋控制步驟

Claims (7)

1. 一種用於引擎怠速控制的適應性控制方法，該方法包括以下步驟：一模型建立步驟，建立一控制導向模型，其中，該控制導向模型係以均值引擎(mean value engine model)模型為基礎推導出的迴歸模型(regression model)；一系統判別步驟，透過一系統判別模組使用遞迴最小平方法(recursive least square,RLS)進行線上系統參數判別，並且將判別的系統參數更新至該控制導向模型中；一增益值更新步驟，利用該系統判別模組更新的系統參數根據當下引擎的運轉動態調整一控制架構的增益值(gain determinant)；以及一控制步驟，根據經調整的增益值利用該控制架構控制引擎的運作；進一步包括一前饋控制步驟，該控制架構包括一節氣門前饋控制模組，當扭力負載加諸到引擎時，該系統判別模組使用RLS法判別出加諸到引擎的扭力負載並且將所述扭力負載加入該系統判別模組所判別的系統參數中，該節氣門前饋控制模組根據該系統判別模組所判別的扭力負載以及更新後的控制導向模型計算出對應扭力負載的節氣門目標開度，其中，該前饋控制步驟係在增益值更新步驟後執行。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之適應性控制方法，其中，該控制導向模型係以引擎的進氣動態及扭力動態為架構 而建立。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之適應性控制方法，其中，該控制導向模型進一步包括模擬節氣門遲滯的節氣門一階動態。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之適應性控制方法，其中，該系統判別步驟中所判別的系統參數包括節氣門系統參數。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之適應性控制方法，其中，該控制步驟進一步包括透過該控制架構根據該控制導向模型所調整的增益值下達點火控制命令以及節氣門控制命令，以控制引擎的點火正時以及節氣門開度。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之適應性控制方法，其中，該控制架構包括一適應性控制器。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之適應性控制方法，其中，該適應性控制器包括用以控制節氣門開度的一比例積分控制器(PI controller)，以及用以控制點火正時的一比例控制器(P controller)。