基于扭矩的汽油机控制模型开发及验证

1 基于扭矩的控制策略
发动机扭矩需求主要分为内部扭矩需求和外部 扭矩需求。 内部需求扭矩根据不同工况可以选择来 自最高转速限制、怠速控制、爆震控制、部件保护等； 而外部扭矩需求来自于整车相关的扭矩需求， 如踏 板扭矩、巡航控制扭矩、变速箱、整车附件等。来自内 部和外部的需求扭矩进行协调后， 得到总的需求有 效扭矩。 由于控制系统的控制变量产生的是指示扭 矩，因此需要把需求有效扭矩转化为需求指示扭矩， 在总的需求有效扭矩的基础上加上摩擦扭矩和泵气 扭矩，得到总的需求指示扭矩。总的需求指示扭矩在 MBT 点火角和理论 空 燃 比 的 条 件 下 转 化 为 理 论 需 求空气量。由于在发动机实际工作过程中，点火提前 角并不是始终在 MBT 点，空燃比也并不始终是理论 空燃比， 需要在空气路补偿这种偏离， 即加大进气 量， 在控制模型中采用的是点火角效率和空燃比效 率，最终得到实际需求空气量。实际需求空气量通过 节气门模型转化为需求的节气门位置。 控制系统控 制节气门到需求的节气门位置后， 根据空气模型算 得此时实际的空气量， 通过空气量和空燃比模型确 定的空燃比得到需求燃油量。 需求的点火提前角根 据此时实际工况查表得到。 图 1 是基于扭矩的控制 策略整体框图。
扭矩 转化 为空 气量
空气量转化 为有效截面 积
度后，通过实际转速与基本目
交流发电机扭矩
有效截面积 转化为节气 门开度
实际转速
标怠速转速的差值查表，确定
比例积分微分项，与怠速基本
需求扭矩相加， 得到怠速实际需求扭矩， 通过闭环
PID 控制使怠速转速维持在目标怠速转速。
1.4 节气门模型
节气门模型在扭矩模型中非常重要， 其作用是
根据期望进气量算得期望进气管压力， 然后根据期
基于扭矩的汽油机控制模型开发及验证 / 张凡武
设 计·研 究
采用前馈—反馈控制与学习 MAP 相结合开发出了 一种新的扭矩控制逻辑， 最终达到了指示扭矩误差 小于 5 Nm 的开发目标［4］。
在通过大量调研国外控制模型的基础上， 本文 在 Matlab/Simulink 环 境 下 开 发 出 了 基 于 扭 矩 的 汽 油机控制系统，并将控制模型写入开发型 ECU 硬件 在台架上进行了验证。
准
p p0
（1）
式中， m觶 为流量；P 为出口压力；P0 为进口压力；T 为 出口温度；T0 为进口温度；准 为节气门开度； Aef f P0
姨RT0 为音速流量。
图 5 为节气门模型的逻辑框图。 首先根据大气
压力和进气温度得到密度修正系数， 通过期望进气
图 4 怠速控制系统模型
量除以密度修正系数得到标准条件下的流量。 然后
传统汽车节气门的刚性连接方式使得发动机管 理系统不能综合考虑车辆的运行状况给出最期望的 控制效果。 电子节气门的出现为先进发动机管理系 统的实现铺开了道路。 电子节气门开度并不完全由 加速踏板位置决定， 而是由控制单元对电机进行控 制，驱动节气门到达期望的开度。 因此，节气门的实 际开度并不完全与驾驶员的操作一致， 它是一种柔 性的连接方式。 这种方式能根据驾驶员的需求愿望 以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保 证车辆最佳的动力性和燃油经济性， 并具有牵引力 控制、巡航控制等控制功能，提高安全性和驾乘舒适 性［1］。 与此对应，原来基于节气门的控制系统改为基 于扭矩的控制系统。
1.1 传感器来自百度文库号处理模型 对于控制系统来说， 首先要进行传感器信号处
理。 输入变量为传感器 AD 值，首先判断是否超出最 大最小限值。 如果超过，则输出相应的故障状态。 如 果传感器 AD 值在正常范围以内， 则对其进行一阶 滤波。 滤波后的传感器 AD 值根据传感器是线性还 是非线性选择对应的处理方式得到实际的物理值， 如压力、温度等。考虑到传感器使用时间长后可能会 发生零点漂移，设置了可标定的补偿模块。有时物理 值虽然在范围内，但是与实际值存在差异，所以设置 范围内诊断。 最后根据传感器所处的状态选择输出 的物理值。如果传感器正常，则直接输出处理好的结 果；如果传感器损坏，则输出默认值和故障码。 图 2 是信号处理模型框图。
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汽车科技第 2 期 2010 年 3 月
基于扭矩的汽油机控制模型开发及验证
张凡武
（东风汽车公司 技术中心，武汉 430056）
摘要：开发了基于扭矩的控制模型，包括传感器信号处理模型、扭矩模型、怠速模型、节气门模型、空气系统模型、起
动控制模型等。 为了验证基于扭矩的控制系统，将基于扭矩的控制系统写入自主开发硬件，在发动机台架上进行了
发动机扭矩控制性能， 定义为发动机瞬态响应 能力，对发动机扭矩控制有直接影响，如车辆响应， 驾驶性能和燃油经济性。 通用公司的 Michael 开发 了精确的扭矩控制模型， 来研究参数变化对控制系 统 造 成 的 影 响 ［2］。 为 了 管 理 越 来 越 多 的 子 系 统 ， BOSCH 发 展 了 一 种 叫 作 CARTRONIC 开 放 式 的 结 构用来构建整个车辆控制系统［3］。 由于节气门位置 和进气量的非线性关系， 而且温度和压力在不同工 况下不同，造成扭矩和进气量的控制出现偏差，日立 公 司 的 Shinya Satou 等 为 了 提 高 扭 矩 控 制 的 精 度 ，
内部需求扭矩 转速限制 怠速控制 爆震控制 ...
外部需求扭矩 踏板 变速箱
巡航 附件
发动机损 失扭矩
摩擦扭矩 泵气扭矩
发动机效率损失 点火效率
空燃比效率
需求的点 火提前角
总的需求 发动机指 示扭矩
需求的空 气质量
节气门 模型
需求的节 气门位置
空气
需求的
模型 空燃比模型 燃油质量
图 1 基于扭矩控制策略整体框图
测试。 结果表明发动机起动迅速，起动时间在 3 s 以内。 怠速转速稳定，怠速转速波动在±10 r/min 以内。 进怠速和出
怠速时过渡平滑。 瞬态工况过渡平滑，发动机最高转速运转稳定。 基于扭矩控制模型扭矩控制精度在 5%以内。 试验
结果表明自主开发的系统控制功能基本完备，能较好地满足扭矩控制要求。
驾驶员通过踩踏板直接要求的是传动轴输出的 扭矩，相对于基于节气门的控制系统，采用基于扭矩
收 稿 日 期 ：2009-12-12 作者简介：张凡武 （ 1968— ），男，湖北公安人，高级工程师，硕士，主 要从事发动机控制系统开发及整车网络构建。
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的控制系统能直接控制发动机发出的扭矩； 并且基 于扭矩的控制系统的模块化结构可扩展性强， 增加 的车载附件对发动机的扭矩需求， 只需要在增加附 件后增加对应的扭矩需求即可；另外，系统内还有许 多功能子系统运行时会要求对转矩进行补偿， 就会 经常出现相互矛盾的要求， 转矩控制策略能够区分 出这些相互矛盾的需求的优先程度， 并执行最至关 重要的需求。
关键词：汽油发动机；控制模型；扭矩；电子节气门
中 图 分 类 号 ：U461.6
文 献 标 志 码 ：A
文章编号：1005-2550 （2010）02-0016-06
Development and Verification of the Control Model Based on Torque
ZHANG Fan-wu （Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430056，China） Abstract:A control model based on torque was developed，including signal processing model，torque model，idle model， throttle model，airflow model，start control model and so on. In order to verify the performance of the control model，some experiments were conducted on the test bench. The results indicated that the engine could start up quickly，and the start time was within 3 seconds. Additionally the engine could operate steadily in an idle state，and the fluctuation of idle speed is less than ±10r/min. Furthermore the transition from the idle state to other operate state was smooth. Moreover the con trol precision of the torque was within 5%. Experiment results show that the functions of the control model are achieved， and the control model could satisfy the requirement of the torque control. Key words: gasoline engine；control model；torque；electronic throttle
速度密度法计 算实际空气量
确定实际 喷油量
确定实际 喷油脉宽
目标空燃比
图 3 扭矩模型
动机损失扭矩和附件扭矩即
发动机损失扭矩
为怠速基本需求扭矩。 其后扭 矩转换为节气门开度与扭矩 模型一致。 节气门开到需求开
基本目标 怠速转速 冷却水温
+ -
积分项 比例项 微分项
摩擦扭矩 泵气扭矩
+ 附件扭矩 空调压缩机扭矩
附件扭矩 变速箱扭矩
发动机转速 踏板位置
怠速扭矩 运行扭矩 最高转速限制扭矩
扭矩转化为 平均指示压力
点火角效率
空燃比效率
平均指示压力转化为 当量空燃比和 MBT 点
的每缸进气量
实际点火角当量 空燃比的进气量
实际点火角实际 空燃比的进气量
每缸进气量转化 有效截面积转化
为有效截面积
为节气门开度
节气门开 到目标值
传感器 AD值
判断是 否超出 限制
滤波
根据传感器 是线性还是 非线性选择 对应的处理 方式
补偿
范围内 诊断
根据传 感器所 处状态 选择输 出值
图 2 信号处理模型框图
1.2 扭矩模型 扭矩模型首先根据发动机状态选择对应的有效
扭矩需求，包括怠速扭矩、运行扭矩和最高转速限制 扭矩等。 如果为正常的运行扭矩，则 ECU 根据当前 车速和驾驶员踩油门踏板位置， 计算得到当前发动 机转速下的扭矩需求百分比， 由该转速下的最大扭 矩计算出运行需求有效扭矩。 有效扭矩加上整车相 关的扭矩需求， 如附件扭矩和变速箱扭矩后得到总 的有效需求扭矩。 总的有效扭矩需求加上泵气损失 和摩擦损失得到总的指示需求扭矩。 总的指示需求 扭矩转化为平均指示压力， 平均指示压力转化为当 量空燃比和 MBT 点下的每缸进气量。 考虑点火角效 率损失后， 转化为实际点火角当量空燃比下的进气 量； 考虑空燃比效率后得到实际点火角实际空燃比 下的进气量。 然后根据节气门模型将每缸进气量转 化为有效截面积， 再将有效截面积转化为实际节气 门开度。 通过 ETC 实际开度，计算实际进气量，再根 据实际进气量反算实际燃油量，完成喷油燃烧。扭矩 模型框图见图 3。 1.3 怠速模型
根据需求进气流量反查电子节气门开度。 其计算原
理是基于进气温度、进气压力、出口压力、节气门位
置和通过节气门的流量，计算出节气门音速流量，根
据音速流量和节气门位置的关系确定节气门开度。
该原理同样可以应用于 EGR 阀和碳罐阀流量的计
算。 其公式如下：
姨 姨姨 姨0 姨 m觶 =
p p0
×
姨T0 姨T
Aeff P0 姨RT0
怠速模型的框图如图 4 所示。 首先根据冷却水 温确定基本目标怠速转速。 根据该转速查表确定对 应的发动机损失扭矩和附件扭矩， 包括摩擦扭矩和 泵气扭矩、空调压缩机扭矩和交流发电机扭矩等。发
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设 计·研 究
汽车科技第 2 期 2010 年 3 月
根据发动机状态 选择对应的扭矩
泵气损失 摩擦损失