内燃机怠速控制的模型和方法设计

内燃机怠速控制的模型和方法设计

D. Hrovat and Jing Sun

Ford Research Laboratory, P.O. Box 2053, MDI170 SRL, Dearborn, MI48121, USA

(Received March 1997; in final form June 1997)

摘要：本文调查应用于怠速控制（ISC）的不同的内燃发动机模型和控制设计方法。发动机线性模型用于控制系统的分析与综合，非线性模型用于计算机的仿真和控制的设计验证。调查内容包括在生产中经常出现经典设计及那些基于先进控

制理论等，例如H

和

1

l控制列出50余篇参考文献。

版权©思唯尔出版公司1997

关键词：汽车控制；怠速控制；发动机模型；LQG控制；鲁棒控制；前馈控制。

1.引言

怠速控制（ISC）是最通用和基本的汽车控制问题，它是汽车控制研究人员和从业者面临典型的难题。车辆在城市怠速工况（Jurgen，1995）平均燃料消耗约30％，在未来增加的交通负荷将进一步增加油耗百分比。因此，在空载时优化车辆和传动系统的运行是很重要的，特别是在与进燃料经济性，降低排放量，保证燃烧稳定性好，噪声，振动和舒适性（NVH）方面的需求相矛盾。

通常为了更好的燃油经济性，应该把发动机的转速调得尽可能低。经验表明，定容循环（CVS）怠速每降低100转近似于每加仑可以多行一英里以促进燃油经济性。速度不应过低以至于影响汽车NVH，附件（例如，发电机，）性能，燃烧质量。例如，必须防止发动机熄火可能性的所有操作。此外，怠速附近的过渡工况应平稳控制。

发动机怠速控制的主要目标是尽管有空调，动力转向，发电机等附件负载扰动和突增的汽车传动动力使转矩不均匀时也要维持所需的转速。此外，针对大批量生产的发动机工作在不同的怠速条件（荷载，温度）应能有效的控制，包括不同运行年限，不同的驾驶客户，在千里之外巨变环境条件。

怠速控制器的主要是输入量是发动机转速。其他的的输入量还包括节气门位置，车辆速度，自动变速器负荷不同的前馈指标，空调，动力转向和电池充电系统和其他测量量，如发动机冷却液温度和气压，反映环境的操作条件。主控输出或执行方案通过控制发动机空气供给量。空气的控制是通过一个节流旁通阀，顾名思义，大多数供给的实现是空气流绕过进气歧管主节流板（关闭）。旁路阀还在启动时提供空气，并突然减速时作为一个电子缓冲器。这可以防止熄火和有利于从高转速到怠速的平稳过渡。在一些供给系统中，旁通阀的补充由一些不同的负载信号触发电磁阀供给（Probst，1993）。作为一种替代旁路阀（S），它可以由油门直接控制（简称电子节气门控制），通过直流或步进电机代替传统的机械控制。

当空气控制路径提供大量的控制权限，其缺点是相关性降低，由于进气歧管动力学和附随从进气到做功的延迟。一个更快的执行路径是通过点火控制。这通常是推迟点火伴与它的最大扭矩生产能力有关。为了实现扭矩降低和增加控制，进入（怠速）ISC模式时点火往往是提前一定的角度。点火控制的缺点是有限的，因为过多的延迟会导致燃烧的不稳定性，催化剂过热，发动机熄火。由于点火线圈的限制点火时刻变化也是有限制因素的。空燃比有时也作为第三个输入变量控

制发动机怠速（Baumgartner 等人，1986）。然而在大多数情况下，空燃比这个变量是为实现排放控制的目的，而不是用于速度调节。因此，一个好的怠速（ISC ）设计会巧妙地利用空气和点火的优势互补控制路径。

ISC 的问题是非常适合闭环控制并可为评估不同的先进控制方法的一个基准。本论文的环顾不同的发动机怠速（ISC ）模型和相应的控制技术。包括基于常见的生产车辆的传统设计方法，以及不同于“现代”控制的替代品，如LQ ，H ∞，μ~综合，和1l ~优化为基础的方法。本文的重点将是在福特汽车公司。不

同的ISC 模型和控制策略的相关经验进行了总结而且，以比较评估相对的优点和可能的缺点。此外，福特公司外有代表性的例子也简要讨论。

2. 怠速模型 除了神经网络和基于模糊逻辑控制器以外，由于ISC 的设计模型的需要以布置动力学有关控制技术被大量应用。因为在ISC 控制主要有利发动机本身布置。本次调查将主要集中在火花点火式，四冲程，内燃机，怠速运行工况。怠速工况是发动机转速较低时（通常是

在500到1000 转每分），发动机转矩在小转矩到中转矩之间，节气门关闭。

第一个ISC 发动机研究模型由Powell （1979），Dobner （1980），Powell 和Powers （1981）和Coats 和fruechte （1983），基于前辈Hazell 和 Flower （1971）模型的简化。典型发展过程是模型从一个非线性发动机燃烧扭矩动力学（平均值）的发展。这样的模型是一系列原理混合导出，包括物理定律，使用经验获得的动态响应鉴别技术，发动机的空气质量流量（MAF ）的稳态数据，速度和扭矩的函数关系，节气门和旁通阀开度，歧管压力（绝对）ＭＡＰ，空燃比和点火（Powell and Cook ，1987；Powell ，1987）

图1所示Butts 等人（1995）开发一个典型的非线性的发动机转矩控制模型。该模型包括：

● 一个非线性函数关1f 系位于的稳态质量流量m ∙

和控制输入信号旁通

阀占空比1μ之间。

● 歧管充填动力学产生一个平均压力P ，假定整个流体分布均匀。

● 空气和燃油变化使扭矩延迟。

● 发动机泵气效率2f 与转速Ｎ和进气歧管压力Ｐ有一个非线性函数关系。

● 稳态动态测量的发动机扭矩3f 与缸内质量流量m

，发动机转速Ｎ，

空燃比Ａ／Ｆ，点火提前角ＳＡ为一个函数关系。

● 发动机的转动动力学包括飞轮和叶轮的惯性。

该模型不包括废气再循环（EGR ）动力学，由于EGR 在怠速时不使用。同时，燃料通道壁润湿的影响已忽视的，假设他们通过一个单独的瞬态燃油策略适当补偿。它也假定操作阀在亚声速流动区域（典型的低负荷运行条件），其中的流动率与通过阀门的压降无关，而只与阀门的开度有关的函数。

以上模型可以简化为一个的线性模型很得到一个恒定因子空燃比的方程，（sobolak ，1983；Takahashi 等人，1985；Jackson,，1988；Mills ，1992）。相应的模型如图2所示，以5.0L V8发动机与位于空挡的传动系统和空调（Mills ，1992）。很好的得到了与怠速工况下宽范围的的实验测试数据的关系，随着占主导地位的模式的频率从2.15变化到4.弧度/秒和相应的阻尼比从0.27到0.46。由于假设为线性结构模型和一个恒定的空燃比一些计算模型的调整参数是必需的（通常在10-20％），（Mills ，1992）。

进一步的模型简化是可能的，注意到图2，从旁通阀输入到发动机的输出转速Ｎ有一个二阶传递函数延迟期。二阶动力学是由于两个一阶动态要素：流体充填动力学和发动机旋转动力学。纯延迟项是由于进气到做功行程的延误，通常是约180到360度曲轴转角，对于一些燃油喷射方案的值可能甚至更大（Hrovat 等人，1996）。这种延迟在ISC 的问题不应该被忽略，因为它往往构成闭环动力学系统主要组成。

一个线性离散模型的模型被莫里斯等人（1981）使用，它作为一个基于“灰箱”的基础上的开发模型（S ａｎS ，1988）。更具体地，模型构建基于基本物理、参照辨识技术用于在发动机测功机上获得相关参数的Landau 模型。此外，作者改变独立变量时间为曲轴转角。这减少与发动机的转速有关的模型参数变化，尽管发动机ISC 工况下转速变化相对较小。

相似的用点火控制转速的控制路径，减少延迟时间，并没有其他因素增加。简化模型如图3所示。它的作用路径通过类似点火提前，它会有负载转矩扰动，