基于扭矩协调的GDI汽油机控制系统研究与开发

陈 杰 张 瀛 赵玉静 赵晓飞 吴 镝 李亚丹

（1.长城汽车股份有限公司技术中心；2.河北省汽车工程技术研究中心）

1 前言

随着被控对象不断增加与控制精度不断提高，汽车电子控制系统变得越来越复杂，控制难度也越来越大。基于扭矩的发动机控制系统可克服传统发动机控制系统的缺点，能有效协调整个车辆系统的内、外部扭矩需求，使发动机工作在最佳状态[1]。

德国BOSCH公司的Gerhardt J等人提出了基于扭矩的车用发动机控制系统架构[2]，以物理系统为基础，通过简化提炼，得到了以车辆扭矩为核心的发动机控制策略模型，对发动机控制策略的开发具有重要的指导意义，但他们仅从理论上阐述了基于扭矩的控制系统，并没有实际应用于发动机台架测试和验证中。英国Ricardo公司的Heintz N等人提出了一种协调所有扭矩需求的框架结构，该系统采用模块化的设计思想，为未来功能的扩充提供了足够空间[3]。张凡武在基于扭矩的思想上开发出了控制系统模型并将其运行于自主研发的ECU系统中[4]。本文介绍了自主研发的控制算法，包括进气系统、喷油系统、点火系统、怠速控制等，并结合WoodWard公司的MotoTron快速原型进行台架测试。

2 发动机控制系统

发动机电子控制系统中存在着多种内、外部的影响因素，如驾驶员需求、怠速控制、巡航控制、附件需求等，这些因素都直接影响发动机的运行工况。传统的发动机电子控制系统由于没有统一接口，各子系统的工作均会对发动机控制参数的输出产生影响。即不论是内部功能需求还是外部功能需求，其优先级不得不在每个子系统中单独定义，因此易导致同时出现相互矛盾的要求。各个扭矩需求缺乏中心协调会造成不同的扭矩需求之间产生相互影响，特别是在工况点切换的过程中，最终导致不同子系统的标定数据之间具有很强的相互依赖性。

在基于扭矩协调的发动机电子控制系统中，首先ECU采集所有的扭矩需求，然后确定不同的扭矩需求优先级并进行协调，最终优先实现最重要的扭矩需求。其中，加速踏板开度信号反映了驾驶员的驾驶意图，ECU在协调完其它扭矩需求后，最终计算出目标节气门开度。此外，还可以通过扭矩的测量，对指示扭矩进行闭环控制，或利用发动机平均值模型设计一套扭矩在线估算算法对扭矩进行估算，从而实现发动机扭矩闭环控制。

基于扭矩的控制系统主要包含两个核心的协调功能，即扭矩需求管理和扭矩转换实现，如图1所示。

扭矩需求管理器的主要任务是优先级处理，通过某种对最小值/最大值的选择来实现。输入扭矩管理器的参数都是内部和外部的需求，其可以被定义为扭矩值或效率值。

在扭矩转化实现的功能中，将目标扭矩需求转化成有效的控制输出，这些输出主要包括节气门开度、点火正时和喷油正时（包括各缸独立断油）等。此外，采用涡轮增压的发动机还需要考虑对废气阀的控制。

3 基于扭矩的控制策略及模型

发动机内部需求扭矩主要来自最高转速限制、怠速控制、爆震控制、部件保护等；而外部需求扭矩主要来自与整车相关的需求扭矩，如踏板扭矩、巡航控制扭矩、变速器、整车附件等。内部和外部的需求扭矩进行协调后，得到总的需求扭矩。需求扭矩经过协调后分为气路扭矩和火路扭矩，气路扭矩主要是通过改变气缸内进气充量来实现，由气路扭矩计算得到期望进气量，再由期望进气量计算节气门开度，同时计算各缸实际喷油量，从而实现对气路的控制；火路扭矩通过曲轴正时控制器计算期望点火角，当扭矩干涉点火角的标志位置高时，期望点火角就会被设置为最终的点火角而输出。

所搭建的基于扭矩的GDI汽油机控制模型以扭矩为中间协调模型，将汽油机各个变量参数如节气门位置、空燃比、点火提前角、转速等联系起来，进行统一协调控制。本模型采用Matlab/Simulink软件搭建。

3.1 扭矩需求

分别以怠速控制和踏板扭矩为例，阐述系统是如何实现内部和外部扭矩需求的。

3.1.1 怠速控制

对于发动机怠速控制，首先需要通过查表的方式由发动机当前温度计算出发动机怠速目标转速值，既把发动机怠速目标转速转换成怠速扭矩需求。当发动机处于跛行回家模式、空调开关打开、油门踏板出现错误及转向助力系统开启等情况时，需要考虑其对发动机怠速目标转速值的影响，进而采取措施对其加以修正。当得到发动机怠速目标转速值后，通过怠速PID控制器，得到最终的怠速扭矩需求。

怠速扭矩分为火路扭矩和气路扭矩两部分：

a. 火路扭矩是由油门踏板开度与发动机转速决定的初始火路扭矩需求，经一系列扭矩协调后，将扭矩转化为目标点火角，并最终输出点火提前角的全过程扭矩。

b.气路扭矩是由油门踏板开度与发动机转速决定的初始气路扭矩需求，经一系列扭矩协调后，将扭矩转化为期望进气量，并最终指导节气门阀片动作过程的全部扭矩。

通过怠速PID控制器得到的积分扭矩 （I部扭矩）是相同的，而这两路的差分扭矩（P部扭矩）则是不同的。I部扭矩主要由目标转速和当前转速的差值积分计算得到；P部扭矩主要由目标转速和当前转速的差值乘以标定系数计算得到。

I部怠速扭矩为：

式中，KI为I部分的比例系数；ntarget为发动机转速目标值；nactual为发动机转速当前值。

P部的火路扭矩为：

式中，Ksetp为P部分的比例系数。

由式（1）和式（2）计算得到怠速的火路扭矩：

P部的气路扭矩：

式中，kleadp为P部分的比例系数。

由式（1）和式（4）计算得到怠速的气路扭矩：

怠速的气路扭矩和火路扭矩经扭矩协调管理器处理后影响最终的相对充气量和点火角。

3.1.2 踏板扭矩

通过查表方式由发动机转速及踏板开度计算得到踏板需求扭矩：

式中，Lookup2D为二维查表的计算方法；αpedal为踏板开度；γDT为主减速比；Torqueaccessories为附件补偿扭矩。

3.2 扭矩协调

对于扭矩协调管理器，当接收到不同的扭矩需求时，首先要参考火路扭矩需求的大小以对气路扭矩需求加以限制，从而保证气路扭矩需求处于火路扭矩需求与最大扭矩之间，然后考虑怠速扭矩储备的需求，最终按重要顺序来协调各种扭矩需求。完整的气路扭矩需求协调过程如图2所示，其中MIN为计算输入量的最小值，MAX为计算输入量的最大值。

对于火路扭矩需求协调，其过程与气路扭矩协调类似，因此不再赘述。

3.3 扭矩实现

经扭矩协调后的变量分为气路和火路两路，气路扭矩用来计算气路扭矩需求和扭矩预留值;火路扭矩需求按照标志位信息分为点火扭矩需求和断油扭矩需求。

扭矩需求通过查表得到期望进气量和期望点火角，其用于进气系统和点火系统的计算，实现对发动机喷油、点火系统的干涉。

4 快速原型的测试

快速原型仿真是实时仿真的一种，其处于产品研发的算法设计阶段与具体实现阶段之间,是产品研制过程中的重要环节[5,6]。快速原型测试的基本原理是用快速原型控制器硬件替代产品控制器硬件，通过自动代码生成技术将建模与仿真阶段所形成的控制算法模型下载到快速原型控制器中，并连接实际被控对象而进行控制算法的实物验证。

本文基于扭矩的控制算法都是利用Simulink软件实现的，通过Simulink模型连接传感器、控制器和执行器，将传感器输出的信号经过控制器的运算，实现对执行器的控制，进而实现对发动机的控制。图3为传感器、控制器和执行器3者的关系简图，其中不体现时间调度、继电器控制以及CAN总线标定协议（CCP协议）等外围控制条件等。

模型完成后，按照定制的配置要求使用RTW自动生成代码[7]，由gcc编译器将代码转化为可执行文件，其中包括3个文件即程序文件（SRZ格式）、数据文件（A2L格式）和库文件（DLL格式）。将此3个文件下载到MotoTron快速原型中，然后将发动机的传感器和执行器通过线束连接到快速原型上，即可到台架上进行测试。利用数据采集工具记录下发动机起动状态、怠速状态以及踏板开度为3%时的相关测试数据，主要监控喷油脉宽和点火起始角。

5 试验设备及结果分析

5.1 试验用发动机

将模型下载到ECU中后，就可以在台架上对控制器进行验证。试验用发动机性能参数见表1。

表1 试验发动机性能参数

5.2 试验结果分析

在发动机起动阶段、怠速阶段和加速阶段工况下，对比喷油脉宽和点火提前角在台架试验和模型仿真中的结果，从而验证控制器中代码运行的正确性。

5.2.1 喷油脉宽试验结果

图4为起动时喷油脉宽试验值与仿真值对比。可以看出，在起动阶段喷油量呈逐渐减少的趋势，其中工况点1为起动开始瞬间，其值近似为8 ms。图5为起动时喷油脉宽试验值与仿真值差值百分比，该值计算公式（该公式也适于怠速时及踏板动作时喷油脉宽的偏差百分比计算）为：

式中，tiEXP为喷油脉宽试验值；tiSIM为喷油脉宽仿真值。

从图4和图5可以看出，在起动初始阶段，误差较大，随着发动机工况趋于稳定，误差逐渐减小并趋于稳定。起动时，喷油脉宽是根据相对燃油量与转换因子相乘得到，其中转换因子是在标定的转换系数基础上进行轨压和油温修正得到，而相对燃油量是由发动机温度、喷射次数查表先得到加浓因子，再与充气效率计算得到。经过分析可知，产生误差的主要原因是标定数据与实际情况存在一定偏差。

图6和图7分别为怠速时喷油脉宽的试验值与仿真值对比及偏差百分比。可以看出，该系统能够对发动机怠速时喷油脉宽进行较好的控制，其偏差百分比控制在11%左右。产生偏差的主要原因是怠速阶段许多参数并不是通过计算得到，而是采用查MAP表的方式获取，因此MAP表数据的准确性非常关键。在现阶段开发过程中，由于发动机本体设计还不完备，因此通过台架试验获取的许多数据都存在一定偏差，进而造成怠速时喷油脉宽存在一定偏差。

图8和图9分别为踏板动作时喷油脉宽的试验值与仿真值对比及偏差百分比，此时模拟车辆加速踏板开度为3%时的情况。可以看出，喷油脉宽偏差呈逐步减小的趋势并趋于稳定。这是由于试验时加速踏板目标值由之前的5%设定为3%后，其变化存在一定的时滞。工况点1对应的实际加速踏板开度为3.5%，工况点3对应的为3.1%，其后的工况点对应的均稳定在3%，这与偏差百分比的变化趋势一致，从这一方面也验证了本控制系统逻辑的正确性。最终喷油脉宽偏差百分比控制在7%左右，取得较好的控制效果。

5.2.2 点火提前角试验结果

图10和图11分别为起动时点火提前角的试验值与仿真值对比及偏差百分比。从图10中可以看出，在起动初始阶段，点火提前角较小，其后点火提前角迅速增大并趋于稳定。其中工况点1为起动开始瞬间，其值近似为4°。这是由于在起动初始阶段，催化器系统需要快速起燃，为达到正常工作所需的温度需要采用较小的点火提前角。点火提前角的偏差百分比为：

式中，zwoutEXP为喷油脉宽试验值；zwoutSIM为喷油脉宽仿真值。

从图10、图11中可以看出，在起动初始阶段误差较大，随着发动机工况趋于稳定，误差逐渐减小并趋于稳定。起动时，点火提前角根据转速、发动机温度查表计算得到。经过分析可知，产生误差的主要原因是由于标定数据与实际情况存在一定偏差，通过后期的标定工作，可以将偏差进一步缩小。

图12和图13分别为怠速时点火提前角的试验值与仿真值对比及偏差百分比。可以看出，该系统能够对发动机怠速时喷油脉宽进行较好控制，其偏差百分比控制在1%左右，能够满足开发目标要求。

图14和图15分别为踏板动作时点火提前角的试验值与仿真值对比及偏差百分比，此时模拟车辆加速踏板开度为3%时的情况。可以看出，点火提前角的波动被控制在4%左右，取得了较好的控制效果。

6 结束语

在发动机控制系统开发过程中，基于Simulink模型的算法完成后，用模型自动生成的可执行文件下载到快速原型控制器中，并连接实际被控对象，进行控制算法的实物验证。台架测试的结果表明，所研发的控制策略可以使发动机稳定起动，并在怠速和小负荷工况下稳定运转。

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,Hönninger 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 张凡武.基于扭矩的汽油机控制模型开发及验证.汽车科技，2010，（3）：16～21.

5 陈杰，李刚，仇玉林，等.基于Simulink模型的数据定标问题研究.汽车技术，2012,（11）:17～19.

6 雷叶红，张记华，张春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平台的实时仿真技术研究.系统仿真技术，2005,（10）:131～135.

7 李强，王民钢，杨尧.快速原型中Simulink模型的代码自动生成.电子测量技术，2009,（2）：28～31.