陳 杰 張 瀛 趙玉靜 趙曉飛 吳 鏑 李亞丹

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 前言

隨著被控對(duì)象不斷增加與控制精度不斷提高，汽車電子控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，控制難度也越來(lái)越大?；谂ぞ氐陌l(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，能有效協(xié)調(diào)整個(gè)車輛系統(tǒng)的內(nèi)、外部扭矩需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)[1]。

德國(guó)BOSCH公司的Gerhardt J等人提出了基于扭矩的車用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)[2]，以物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)簡(jiǎn)化提煉，得到了以車輛扭矩為核心的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，但他們僅從理論上闡述了基于扭矩的控制系統(tǒng)，并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試和驗(yàn)證中。英國(guó)Ricardo公司的Heintz N等人提出了一種協(xié)調(diào)所有扭矩需求的框架結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，為未來(lái)功能的擴(kuò)充提供了足夠空間[3]。張凡武在基于扭矩的思想上開(kāi)發(fā)出了控制系統(tǒng)模型并將其運(yùn)行于自主研發(fā)的ECU系統(tǒng)中[4]。本文介紹了自主研發(fā)的控制算法，包括進(jìn)氣系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、怠速控制等，并結(jié)合WoodWard公司的MotoTron快速原型進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中存在著多種內(nèi)、外部的影響因素，如駕駛員需求、怠速控制、巡航控制、附件需求等，這些因素都直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)由于沒(méi)有統(tǒng)一接口，各子系統(tǒng)的工作均會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)的輸出產(chǎn)生影響。即不論是內(nèi)部功能需求還是外部功能需求，其優(yōu)先級(jí)不得不在每個(gè)子系統(tǒng)中單獨(dú)定義，因此易導(dǎo)致同時(shí)出現(xiàn)相互矛盾的要求。各個(gè)扭矩需求缺乏中心協(xié)調(diào)會(huì)造成不同的扭矩需求之間產(chǎn)生相互影響，特別是在工況點(diǎn)切換的過(guò)程中，最終導(dǎo)致不同子系統(tǒng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)之間具有很強(qiáng)的相互依賴性。

在基于扭矩協(xié)調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中，首先ECU采集所有的扭矩需求，然后確定不同的扭矩需求優(yōu)先級(jí)并進(jìn)行協(xié)調(diào)，最終優(yōu)先實(shí)現(xiàn)最重要的扭矩需求。其中，加速踏板開(kāi)度信號(hào)反映了駕駛員的駕駛意圖，ECU在協(xié)調(diào)完其它扭矩需求后，最終計(jì)算出目標(biāo)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。此外，還可以通過(guò)扭矩的測(cè)量，對(duì)指示扭矩進(jìn)行閉環(huán)控制，或利用發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型設(shè)計(jì)一套扭矩在線估算算法對(duì)扭矩進(jìn)行估算，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩閉環(huán)控制。

基于扭矩的控制系統(tǒng)主要包含兩個(gè)核心的協(xié)調(diào)功能，即扭矩需求管理和扭矩轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

扭矩需求管理器的主要任務(wù)是優(yōu)先級(jí)處理，通過(guò)某種對(duì)最小值/最大值的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入扭矩管理器的參數(shù)都是內(nèi)部和外部的需求，其可以被定義為扭矩值或效率值。

在扭矩轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的功能中，將目標(biāo)扭矩需求轉(zhuǎn)化成有效的控制輸出，這些輸出主要包括節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、點(diǎn)火正時(shí)和噴油正時(shí)（包括各缸獨(dú)立斷油）等。此外，采用渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)還需要考慮對(duì)廢氣閥的控制。

3 基于扭矩的控制策略及模型

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部需求扭矩主要來(lái)自最高轉(zhuǎn)速限制、怠速控制、爆震控制、部件保護(hù)等；而外部需求扭矩主要來(lái)自與整車相關(guān)的需求扭矩，如踏板扭矩、巡航控制扭矩、變速器、整車附件等。內(nèi)部和外部的需求扭矩進(jìn)行協(xié)調(diào)后，得到總的需求扭矩。需求扭矩經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)后分為氣路扭矩和火路扭矩，氣路扭矩主要是通過(guò)改變氣缸內(nèi)進(jìn)氣充量來(lái)實(shí)現(xiàn)，由氣路扭矩計(jì)算得到期望進(jìn)氣量，再由期望進(jìn)氣量計(jì)算節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，同時(shí)計(jì)算各缸實(shí)際噴油量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路的控制；火路扭矩通過(guò)曲軸正時(shí)控制器計(jì)算期望點(diǎn)火角，當(dāng)扭矩干涉點(diǎn)火角的標(biāo)志位置高時(shí)，期望點(diǎn)火角就會(huì)被設(shè)置為最終的點(diǎn)火角而輸出。

所搭建的基于扭矩的GDI汽油機(jī)控制模型以扭矩為中間協(xié)調(diào)模型，將汽油機(jī)各個(gè)變量參數(shù)如節(jié)氣門(mén)位置、空燃比、點(diǎn)火提前角、轉(zhuǎn)速等聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。本模型采用Matlab/Simulink軟件搭建。

3.1 扭矩需求

分別以怠速控制和踏板扭矩為例，闡述系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部扭矩需求的。

3.1.1 怠速控制

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制，首先需要通過(guò)查表的方式由發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前溫度計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速值，既把發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成怠速扭矩需求。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于跛行回家模式、空調(diào)開(kāi)關(guān)打開(kāi)、油門(mén)踏板出現(xiàn)錯(cuò)誤及轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)開(kāi)啟等情況時(shí)，需要考慮其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速值的影響，進(jìn)而采取措施對(duì)其加以修正。當(dāng)?shù)玫桨l(fā)動(dòng)機(jī)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速值后，通過(guò)怠速PID控制器，得到最終的怠速扭矩需求。

怠速扭矩分為火路扭矩和氣路扭矩兩部分：

a. 火路扭矩是由油門(mén)踏板開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的初始火路扭矩需求，經(jīng)一系列扭矩協(xié)調(diào)后，將扭矩轉(zhuǎn)化為目標(biāo)點(diǎn)火角，并最終輸出點(diǎn)火提前角的全過(guò)程扭矩。

b.氣路扭矩是由油門(mén)踏板開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的初始?xì)饴放ぞ匦枨?，?jīng)一系列扭矩協(xié)調(diào)后，將扭矩轉(zhuǎn)化為期望進(jìn)氣量，并最終指導(dǎo)節(jié)氣門(mén)閥片動(dòng)作過(guò)程的全部扭矩。

通過(guò)怠速PID控制器得到的積分扭矩 （I部扭矩）是相同的，而這兩路的差分扭矩（P部扭矩）則是不同的。I部扭矩主要由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值積分計(jì)算得到；P部扭矩主要由目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值乘以標(biāo)定系數(shù)計(jì)算得到。

I部怠速扭矩為：

式中，KI為I部分的比例系數(shù)；ntarget為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值；nactual為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速當(dāng)前值。

P部的火路扭矩為：

式中，Ksetp為P部分的比例系數(shù)。

由式（1）和式（2）計(jì)算得到怠速的火路扭矩：

P部的氣路扭矩：

式中，kleadp為P部分的比例系數(shù)。

由式（1）和式（4）計(jì)算得到怠速的氣路扭矩：

怠速的氣路扭矩和火路扭矩經(jīng)扭矩協(xié)調(diào)管理器處理后影響最終的相對(duì)充氣量和點(diǎn)火角。

3.1.2 踏板扭矩

通過(guò)查表方式由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及踏板開(kāi)度計(jì)算得到踏板需求扭矩：

式中，Lookup2D為二維查表的計(jì)算方法；αpedal為踏板開(kāi)度；γDT為主減速比；Torqueaccessories為附件補(bǔ)償扭矩。

3.2 扭矩協(xié)調(diào)

對(duì)于扭矩協(xié)調(diào)管理器，當(dāng)接收到不同的扭矩需求時(shí)，首先要參考火路扭矩需求的大小以對(duì)氣路扭矩需求加以限制，從而保證氣路扭矩需求處于火路扭矩需求與最大扭矩之間，然后考慮怠速扭矩儲(chǔ)備的需求，最終按重要順序來(lái)協(xié)調(diào)各種扭矩需求。完整的氣路扭矩需求協(xié)調(diào)過(guò)程如圖2所示，其中MIN為計(jì)算輸入量的最小值，MAX為計(jì)算輸入量的最大值。

對(duì)于火路扭矩需求協(xié)調(diào)，其過(guò)程與氣路扭矩協(xié)調(diào)類似，因此不再贅述。

3.3 扭矩實(shí)現(xiàn)

經(jīng)扭矩協(xié)調(diào)后的變量分為氣路和火路兩路，氣路扭矩用來(lái)計(jì)算氣路扭矩需求和扭矩預(yù)留值;火路扭矩需求按照標(biāo)志位信息分為點(diǎn)火扭矩需求和斷油扭矩需求。

扭矩需求通過(guò)查表得到期望進(jìn)氣量和期望點(diǎn)火角，其用于進(jìn)氣系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、點(diǎn)火系統(tǒng)的干涉。

4 快速原型的測(cè)試

快速原型仿真是實(shí)時(shí)仿真的一種，其處于產(chǎn)品研發(fā)的算法設(shè)計(jì)階段與具體實(shí)現(xiàn)階段之間,是產(chǎn)品研制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[5,6]?？焖僭蜏y(cè)試的基本原理是用快速原型控制器硬件替代產(chǎn)品控制器硬件，通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)將建模與仿真階段所形成的控制算法模型下載到快速原型控制器中，并連接實(shí)際被控對(duì)象而進(jìn)行控制算法的實(shí)物驗(yàn)證。

本文基于扭矩的控制算法都是利用Simulink軟件實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)Simulink模型連接傳感器、控制器和執(zhí)行器，將傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。圖3為傳感器、控制器和執(zhí)行器3者的關(guān)系簡(jiǎn)圖，其中不體現(xiàn)時(shí)間調(diào)度、繼電器控制以及CAN總線標(biāo)定協(xié)議（CCP協(xié)議）等外圍控制條件等。

模型完成后，按照定制的配置要求使用RTW自動(dòng)生成代碼[7]，由gcc編譯器將代碼轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行文件，其中包括3個(gè)文件即程序文件（SRZ格式）、數(shù)據(jù)文件（A2L格式）和庫(kù)文件（DLL格式）。將此3個(gè)文件下載到MotoTron快速原型中，然后將發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器和執(zhí)行器通過(guò)線束連接到快速原型上，即可到臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試。利用數(shù)據(jù)采集工具記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)狀態(tài)、怠速狀態(tài)以及踏板開(kāi)度為3%時(shí)的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，主要監(jiān)控噴油脈寬和點(diǎn)火起始角。

5 試驗(yàn)設(shè)備及結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

將模型下載到ECU中后，就可以在臺(tái)架上對(duì)控制器進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段、怠速階段和加速階段工況下，對(duì)比噴油脈寬和點(diǎn)火提前角在臺(tái)架試驗(yàn)和模型仿真中的結(jié)果，從而驗(yàn)證控制器中代碼運(yùn)行的正確性。

5.2.1 噴油脈寬試驗(yàn)結(jié)果

圖4為起動(dòng)時(shí)噴油脈寬試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比?？梢钥闯觯谄饎?dòng)階段噴油量呈逐漸減少的趨勢(shì)，其中工況點(diǎn)1為起動(dòng)開(kāi)始瞬間，其值近似為8 ms。圖5為起動(dòng)時(shí)噴油脈寬試驗(yàn)值與仿真值差值百分比，該值計(jì)算公式（該公式也適于怠速時(shí)及踏板動(dòng)作時(shí)噴油脈寬的偏差百分比計(jì)算）為：

式中，tiEXP為噴油脈寬試驗(yàn)值；tiSIM為噴油脈寬仿真值。

從圖4和圖5可以看出，在起動(dòng)初始階段，誤差較大，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況趨于穩(wěn)定，誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。起動(dòng)時(shí)，噴油脈寬是根據(jù)相對(duì)燃油量與轉(zhuǎn)換因子相乘得到，其中轉(zhuǎn)換因子是在標(biāo)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行軌壓和油溫修正得到，而相對(duì)燃油量是由發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、噴射次數(shù)查表先得到加濃因子，再與充氣效率計(jì)算得到。經(jīng)過(guò)分析可知，產(chǎn)生誤差的主要原因是標(biāo)定數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定偏差。

圖6和圖7分別為怠速時(shí)噴油脈寬的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比。可以看出，該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)噴油脈寬進(jìn)行較好的控制，其偏差百分比控制在11%左右。產(chǎn)生偏差的主要原因是怠速階段許多參數(shù)并不是通過(guò)計(jì)算得到，而是采用查MAP表的方式獲取，因此MAP表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。在現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)還不完備，因此通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲取的許多數(shù)據(jù)都存在一定偏差，進(jìn)而造成怠速時(shí)噴油脈寬存在一定偏差。

圖8和圖9分別為踏板動(dòng)作時(shí)噴油脈寬的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比，此時(shí)模擬車輛加速踏板開(kāi)度為3%時(shí)的情況?？梢钥闯觯瑖娪兔}寬偏差呈逐步減小的趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。這是由于試驗(yàn)時(shí)加速踏板目標(biāo)值由之前的5%設(shè)定為3%后，其變化存在一定的時(shí)滯。工況點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的實(shí)際加速踏板開(kāi)度為3.5%，工況點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的為3.1%，其后的工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的均穩(wěn)定在3%，這與偏差百分比的變化趨勢(shì)一致，從這一方面也驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)邏輯的正確性。最終噴油脈寬偏差百分比控制在7%左右，取得較好的控制效果。

5.2.2 點(diǎn)火提前角試驗(yàn)結(jié)果

圖10和圖11分別為起動(dòng)時(shí)點(diǎn)火提前角的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比。從圖10中可以看出，在起動(dòng)初始階段，點(diǎn)火提前角較小，其后點(diǎn)火提前角迅速增大并趨于穩(wěn)定。其中工況點(diǎn)1為起動(dòng)開(kāi)始瞬間，其值近似為4°。這是由于在起動(dòng)初始階段，催化器系統(tǒng)需要快速起燃，為達(dá)到正常工作所需的溫度需要采用較小的點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火提前角的偏差百分比為：

式中，zwoutEXP為噴油脈寬試驗(yàn)值；zwoutSIM為噴油脈寬仿真值。

從圖10、圖11中可以看出，在起動(dòng)初始階段誤差較大，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況趨于穩(wěn)定，誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定。起動(dòng)時(shí)，點(diǎn)火提前角根據(jù)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度查表計(jì)算得到。經(jīng)過(guò)分析可知，產(chǎn)生誤差的主要原因是由于標(biāo)定數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定偏差，通過(guò)后期的標(biāo)定工作，可以將偏差進(jìn)一步縮小。

圖12和圖13分別為怠速時(shí)點(diǎn)火提前角的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比?？梢钥闯?，該系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)噴油脈寬進(jìn)行較好控制，其偏差百分比控制在1%左右，能夠滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)要求。

圖14和圖15分別為踏板動(dòng)作時(shí)點(diǎn)火提前角的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比及偏差百分比，此時(shí)模擬車輛加速踏板開(kāi)度為3%時(shí)的情況。可以看出，點(diǎn)火提前角的波動(dòng)被控制在4%左右，取得了較好的控制效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于Simulink模型的算法完成后，用模型自動(dòng)生成的可執(zhí)行文件下載到快速原型控制器中，并連接實(shí)際被控對(duì)象，進(jìn)行控制算法的實(shí)物驗(yàn)證。臺(tái)架測(cè)試的結(jié)果表明，所研發(fā)的控制策略可以使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)，并在怠速和小負(fù)荷工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 Mencher B,Jessen H,Kaiser L,et al.Preparing for Cartronic interface and New Strategies for Torque Coordination and Conversion in a Spark Ignition Engine Management System.SAE Paper 2001-01-0268.

2 Gerhardt J,H?nninger H,Bischof H.A New Approach to Functional and Software Structure for Engine Management Systems-BOSCH ME7.SAE Paper 980801.

3 Heintz N,Mews M,Stier G,et al.An Approach to Torque-Based Engine Management Systems.SAE Paper 2001-01-0269.

4 張凡武.基于扭矩的汽油機(jī)控制模型開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證.汽車科技，2010，（3）：16～21.

5 陳杰，李剛，仇玉林，等.基于Simulink模型的數(shù)據(jù)定標(biāo)問(wèn)題研究.汽車技術(shù)，2012,（11）:17～19.

6 雷葉紅，張記華，張春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)研究.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2005,（10）:131～135.

7 李強(qiáng)，王民鋼，楊堯.快速原型中Simulink模型的代碼自動(dòng)生成.電子測(cè)量技術(shù)，2009,（2）：28～31.