涡轮增压器电控放气阀研究现状与发展展望.pdf

第4 6 卷第6 期 2 0 1 7 年1 2 月 小型内燃机与车辆技术 塑垒些 堕r I E R N A LC O M B U S T I O NE N G I N EA N DV E H I C L ET E C H N I Q U E V 0 1 4 6N o 6 D e c 2 0 1 7 涡轮增压器电控放气阀研究现状与发展展望 室凯麟倪计民石秀勇 同济大学汽车学院上海2 0 1 8 0 4 摘要 在分析总结大量文献资料的基础上 对现在研究较深入的涡轮增压器电控放气阀系统控制 原理进行了归纳和软硬件系统对比 分析了各个研究机构设计的该系统的特点 并讨论展望了带电控 放气阀涡轮增压器的发展方向问题 关键词 涡轮增压器电控放气阀内燃机 中图分类号 T K 4 1 1文献标识码 A文章编号 2 0 9 5 8 2 3 4 2 0 1 7 0 6 0 0 7 7 1 2 C u r r e n tS t a t u sa n dO u t lo o ko fE le c t r icC o n t r o lo f T u r b o c h a r g e rW a s t e g a t e T o n gK a ilin N iJ im in S h iX iu y o n g S c h o o lo f A u t o m o t iv eS t u d ie s T o n g j iU n iv e r s it y S h a n g h m 2 0 1 8 0 4 C h in a A b s t r a c t O nt h eb a s iso fa n a ly z in ga n ds u m m a r iz in gala r g ea m o u n to fd o c u m e n t sa n dlit e r a t u r e t h isp a p e rg iv e sa llin s ig h tin t ot h ep r in c ip leo fc o n t r o l o ft u r b o c h a r g e rw a s t e g a t en o w a d a y s c o m p a r e sd if f e r e n t h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n f ig u r a t io n sf r o mv a r io u sc o n t r o ls y s t e m s a n da n a ly z e st h ec h a r a c t e r is t ic so ft h e s e s y s t e m s F in a llyt h ed e v e lo p m e n td ir e c t io no ft u r b o c h a r g e rw a s t e g a t ec o n t r o lisd is c u s s e d K e y w o r d s T u r b o c h a r g e r E le c t r icc o n t r o l W a s t e g a t e I n t e r n a l c o m b u s t io ne n g in e 引言 传统装备放气阀 放气阀开启压力为固定值 该 值由执行器内弹簧预紧力决定 涡轮增压器受限于 较窄的高效功率调速范围 此时涡轮只能根据常用 功率范围进行选取 无法实现增压压力的自动控制 和连续可调 柴油机中的供油 燃烧和增压等主要系 统特性随着柴油机转速 负荷等主要运行参数的变 化而发生显著的改变 尤其是增压系统 具有典型的 纯延时特性 中国机动车保有量逐年增多 排放法规也1 3 趋 严格 为了满足排放法规和人民对于节能环保的要 求 就要实现对电控技术 模拟优化技术 涡轮增压 技术和后处理技术等的联合应用 一般来说 在涡轮 增压技术上有如下要求 匹配良好的涡轮增压器并 带放气阀可满足欧 排放标准 采用可变喷嘴涡轮 增压器可满足欧 排放标准 欧 标准以上则要使 用装配电控可变喷嘴的涡轮增压器 发展电控涡轮增压器 使涡轮增压器的调节与 发动机工况的变化相协调 实现无级调节 使发动机 在全工况范围内与废气涡轮增压器达到最佳匹配 从而达到发动机性能的全面优化 传统涡轮增压器控制使用一个简单的机械废气 阀或基于爆震信号的电控策略放气阀 在瞬态响应 发动机冷启动以及增压和爆震控制策略方面存在缺 陷 而且不能根据发动机工况做出废气阀开度的相 应调整 增压压力控制系统连同点火控制系统和供 油系统使用相同的控制输入参量 发动机转速 节气 门位置 发动机温度和进排气歧管压力 以改善发动 机工作稳定性和输出转矩特性 减小涡轮延时 提高 作者简介 童凯麟 1 9 9 3 一 男 硕士研究生 主要研究方向为发动机节能与减排 7 8小型内燃机与车辆技术第4 6 卷 爆震控制成功率 实现节气门快速响应 1 增压系统 1 1 基于二级的增压系统 北京理工大学张海民 魏名山都尝试采用基于 一种紧凑型二级增压系统 以二级增压系统为基 础进行装配电控放气阀的探索 系统中的电控放气 阀机械结构与普通阀门结构使用相似的阀门 传动 轴 摇臂和传动销 放气阀集成在高压机涡轮上 有 结构紧凑 质量小的优点 1 1 1 2 基于单机的增压系统 天津大学王振等基于对一款1 5 LV V T 增压汽 油机的开发 该汽油机基本参数如表1 所示 3 1 上海交通大学邬静川 叶飞帆等人在B 6 1 3 5 一 表1 1 5 LV V T 原型机的基本参数 型号 1 5 L V V T 型式直列四缸四冲程 双顶置凸轮轴 带进气V v T 缸径 m m7 5 冲程 m m8 4 8 标定功率 k W 8 3 最大转矩 N n 1 1 4 7 Z G 2 0 柴油机上进行了泄放增压空气的试验研究 采 用配备电控放气阀的单机涡轮增压系统 阿尔托大学的S e r g e yS a m o k h in 以及合肥工业大 学的郑天威将四缸涡轮增压汽油发动机作为研究对 象 其采用放气阀结构如图1 所示M 图1 增压器放气阀结构图 1 3 基于M a t la b S im u lin k 的柴油机整体模型 阿尔托大学的S e r g e yS a m o k h in 对带电控废气旁 通阀的增压器及柴油机整体建立了非线性模型 模 型包含两个主要部分 气道和原动机 气道模型 进 气歧管和排气歧管的压力 压气机功率和排气泄压 阀执行机构动力学 是基于所谓的 充排法 这种方 法假设进排气管储存一定的气流 原动机建模要基 于牛顿运动学第二定律 且是在M a t la b S im u lin k 中 建立模型 7 密歇根大学的P a t r ic kG o r z e lic 等人对一款四缸 增压汽油机同时建立了一维G T P o w e r 模型和基于 S im u lin k 的M V E M 发动机平均值模型 闻 1 4 基于汽油机的增压系统 国内外研究最多的是汽油机增压器的放气阀控 制系统 1 0 1 1 4 1 1 5 1 9 阎 刎阎陶旧 3 l 由于汽油机的排气温 度高 存在爆震问题 空燃比需控制在化学计量空燃 比附近的狭窄区域 与柴油机涡轮增压系统相比具 有不同的控制机理 对控制系统提出了更高的要求 密歇根大学的P a t r ic kG o r z e lic 采用带有博格华纳 K 0 4 涡轮增压器的4 缸2 L 发动机is 湖南大学的罗 海鹏使用了博格华纳公司的K P 3 5 和K P 3 1 两级涡 轮增压器与一款1 4 L 汽油机进行匹配研究 9 1 奥尔 良大学的G u illa u m eC o lin 针对某款O 6 L 三缸发动 机 并对该发动机建立基于M A T L A B x P C T a 昭e t 环境 的实时仿真模型 1 0 li 联合信号公司的R u s s e llJ W a k e m a n 所研究的 增压压力控制器也可实现对点火和喷油的控制 可 以使用普通控制器输入量 发动机转速信号 节气门 位置信号 发动机温度信号 歧管压力信号 从而改 善发动机的稳定性和性能 减少涡轮增压滞后 改进 爆震控制 提升节气门响应 切 上海交通大学的尹紫叵基于机械增压器 比较 了传统真空旁通阀和电子旁通阀的特性 试验表明 低速时节油率为4 0 2 高速时节油率为6 6 2 中 转速时节油率为1 4 2 1 3 热那亚大学的M a r e lliS 使用了多种不同方法评 第6 期童凯麟等 涡轮增压器电控放气阀研究现状与发展展望 7 9 价了在定压和脉冲状态下的涡轮效率 1 4 瑞典林雪平大学的A n d r e a sT h o m a s s o n 对4 缸 汽油机建立M V E M 模型 并对涡轮增压器废气旁通 阀执行机构建立了质量弹簧阻尼器模型 1 5 t 司 2 控制系统原理 北京理工大学张海民设计了基于分布式电子控 制的放气阀系统 并在某柴油机进行了试验验证 该 控制系统实现了系统之间数据共享及较高的增压调 节精度 增压调节控制器通过C A N 总线与E C U 通 信 该实验选用了两个两位两通电磁阀 并与机体上 所设计的装置形成三位三通阀 1 控制系统采用增量 式数字P I D 算法与P W M 方式相结合的方法对电磁 阀进行独立控制 增量式数字P I D 算法是根据实际 增压压力的偏差值 利用比例 积分 微分 通过线性 组合构成控制量 进而改变输出P W M 信号的脉宽 经过功率放大后控制电磁阀开启 该方法具有结构 简单 参数调整容易等优点 与集中式控制相比 分布式控制系统通过C A N 总线实现了与柴油机E C U 的通信 无需对柴油机 E C U 进行重新设计 具有很好的可扩展性 同时简化 了E C U 的设计 提高了系统的可靠性 天津大学王振等在模拟分析的基础上进行试 验 实现增压器与发动机的快速匹配以及对整机性 能做出准确预测 3 1 上海交通大学邬静川 叶飞帆等人设计的模糊 运算是控制器的核心 它的基础是由人工控制经验 归纳整理而成的模糊控制规则 常用的模糊控制规 则是2 输入l输出 分别对应控制对象输出的偏差 口和偏差步化率c 以及控制器输出量u 其控制器结 构如图2 所示 其所设计的控制器输人为实测的 多个循环平均值的最大爆发压力 与设定值之 差 以及其差的变化率 输出为送至电动调节阀的控 制信号 它与一定的阀位对应 控制程序由B A S I C 和 汇编语言相结合方式编成 其中采样和模糊控制部 废气门 执行器 7 r P W M 废气门位置 控制模块 废气门 分用汇编语言 图2 模糊控制器结构 上海联电的倪春生基于基尔霍夫定律和动力学 原理 建立了电机以及执行机构动力学模型 提出了 双闭环电动废气门精确开度控制策略 并进行了试 验验证 其所设计电控废气门结构如图3 所示 使用 了双闭环参数电动废气门精确控制方法旧 其电控 系统的控制逻辑如图4 所示 该控制策略能够实现 对废气阀开度的精确控制要求 阿尔托大学的S e r g e yS a m o k h in 使用了2 种从根 本上不同的放气阀控制方式 鲁棒多变量混合灵 敏度控制方式和基于间接输出的自适应控制 其内 模控制器结构如图5 所示嗣 虽然输入量间的相互作 用比较小但却不能忽视 基于此设计了鲁棒多变量 控制器 对于间接自适应控制方式 使用一个标准P I 控制器进行参考速度跟踪 间接自适应控制的思想 是对在线设备进行辨识 得到其参数的估计 并将其 转化为控制器参数 对于这2 种控制方式的比较 虽然多变量结构 对系统没有任何益处 但是当与最佳P I D 控制器相 比较时 这2 种控制器能展现一定的优势 虽然鲁棒 控制器l生能相当卓越 但代价就是需要更大的输人能 量 自适应算法几乎与P I D 控制器消耗相同的能量 但能得到更快的设备响应和更小的控制信号震荡 2 0 1 2 美国控制会议上A m e yYK a r n ik 声称将内 模控制器应用于放气阀控制 文章得出结论 I C D E 的鲁棒和经典控制方式经过了深人研究 在所有自 实际位置 废气门目标位置 排气背压 图3 电控废气门结构图 增压器 增压压力 小型内燃机与车辆技术 第4 6 卷 图4 电控系统的控制逻辑 P I D 参数2 图5 间接自适应控制算法逻辑 适应控制方式中 所谓的模型参考自适应控制 M R A C 是工程技术人员所熟知并广泛使用的 1 8 1 密歇根大学的Z e n gQ iu 研究了用于放气阀的非 线性内模控制器 I M C 将线性时间不变性系统的逆 基内模控制器系统拓展至非线性系统 利用L T I 和 I M C 设计可用的工具 探讨了准线性参数变化 准 L P V 模型 通过传递函数的准L P V 模型逆控制器设 计未考虑由于参数的变化所产生的影响 其内模控 制器结构如图6 所示 以及文中所述的带准结构化 L P V 逆内模控制器结构如图7 所示 文章中控制器 采用四阶非线性动力学模型 1 9 1 图6 内模控制器结构 图7 带结构化准L P V 逆的内模控制器 A m e yY K a r n ik 采用的内模控制器结构如图8 所示 文章比较了两种实现无差跟踪的方法 即 采 用A n t i W in d u p 逻辑的基于执行器饱和的积分器 并使用一个用以估计模型失配的卡尔曼滤波器 1 8 其中m 为稳态涡轮转速 m 为节流效率 M 为 曲轴转速 7 7 为容积效率 P 为节气门前压力 M 为 涡轮轴转速 A m e yY K a r n ik 在随后的研究中使用双输入双 输出离散控制器 节气门用来跟踪进气歧管压力 放 气阀用来跟踪增压压力 由于追踪稳态增压压力和 第6 期童凯麟等 涡轮增压器电控放气阀研究现状与发展展望 8 l f 1 功率平衡 一者I 一水M A 钢P 卜H 率卜 2 流量平衡涡轮 q q N 流量图 Jk 时间常数 1 涡轮惯性 2 流量系数 3 压气机字符 N 涡轮转速校准 图8A m e yY K a m ik 采用的内模控制器结构 进气歧管压力的要求 需要使用积分控制 因此使用 比例一积分 P I 控制器 所想达到的稳态放气阀指令 前馈 在1 0r a d s 时滤波 包含于旁通阀控制器 1 8 1 福特的M a r ioS a n t illo 使用线性模型预测控制方 式同时对节气门和放气阀进行控制 从而进一步实 现对发动机气流和增压压力的控制 2 0 l 模型预测控 制系统使用简化的预测模型从而减少对内存的占 用 并忽略可变凸轮轴正时 但是这些影响因素在模 型预测控制 M P C 系统变量的鲁棒性分析过程中进 行了考虑 2 0 0 5 年美国控制会议上A m e yY K a r n ik 叙述了 一种系统的非线性平均值模型 将非线性模型在其 多个操作点进行线性化 并使用系统方法对其进行 行为分析 增益调度分散控制策略的设计目标为跟 踪进气歧管和升压压力 用以满足瞬态和稳态的要 求 该系统也进行了执行器响应和增压压力校正时 间之间的平衡 这个平衡是通过一个低阶的易于校 准输出反馈控制器实现的 文中控制器是基于在设 备上模拟的全状态反馈控制器的分析进而开发的 2 1 对于增压系统动力特性不随操作条件而发生变化 相同的控制器结构可以应用于所有工况 执行器的 动作幅度是有限的 则两种积分器都应用A n t i W in d u p 策略 文章基于多变量软件设计 多变量控 制设计是分散控制结构折中设计的一种潜在方法 北京理工大学的刘兴华所设计的控制系统软件 的流程如图9 所示 为了检测电控单元的运行状态 以及减少P I D 调节和标定M A P 所消耗的时间 开发 了实时监控系统 它可以在线改变控制参数 极大地 提高了工作效率C 2 2 1 联合信号公司的R u s s e llJ W a k e m a n 基于传统 图9控制程序流程 8 2小型内燃机与车辆技术 第4 6 卷 电控放气阀缺点的分析 进一步改进电控系统及其 控制策略 从而避免瞬态响应区域 改善发动机冷启 动 实现增压和爆震联合控制 这种控制方式相对开 环系统在节气门瞬态响应和操纵性能方面有所改 善 捌 控制器软件中存储有增压设定点组成的曲面 如图1 0 所示 根据发动机各个传感器传来的信号选 择增压设定点 再根据发动机当前温度进行修正 这 个系统是通过比例一积分一微分 P I D 控制器保证系 统的稳定和足够的响应速度 密歇根大学的P a t r ic kG o r z e lic 等介绍了一种基 于先前工作的T I S O 结构的系统整定方法 以及在计 及节气门和放气阀条件下 中等工况的最优喷油策 略 其协调控制器能提高在高负载情况下的转矩响 应 同时保留了节气门和旁通阀2 种控制方式所固 图1 0增压曲面 有的调节效率 文章采用了增压器放气阀与节气门 联合控制的方式如图1 1 所示 节气门一放气阀联合调节仅调节放气 一 放气阀 节气门 角击 区域1区域2 区域3 图11 节气门一放气阀联合控制区域 1 小负荷时 放气阀保持大开度 仅对节气门开 度进行调节如图中区域1 所示 2 中等负荷时 联合控制放气阀与节气门 但稳 态节气门位置维持在p 3 大负荷时 节气门全开 仅对放气阀进行调 节 8 0 东风汽车技术中心的李铁东等为了解决涡轮增 压器的压力波动和压力不足 通过如下3 种措施使 增压压力在全工况范围内得到优化 1 提高电磁阀弹簧刚度 2 改进电磁阀的控制方式 3 进行系统调节和改进零部件设计 2 3 1 合肥工业大学的郑天威所采用的涡轮泄压阀模 型结构如图1 所示用 其电子控制系统遵循v 字形开 发流程 基于A S C E T 嵌入式软件开发 并使用A S C E T 的离线仿真功能对各子模块进行模拟 仿真验 证其功能 图1 2 中将控制系统分为进气气路控制模 型 左侧黄色 增压压力控制模型 中间绿色 以及 增压执行器控制模型 右侧蓝色 广东机电职业技术学院的薛矫智在对增压条件 下发动机进气状态 增压压力的控制目标 增压压力 的控制方法的分析基础上 确定了增压压力的理想 控制值 2 4 1 上海交通大学的刘博等在二级涡轮增压器的基 础上 为了解决系统响应慢 瞬态过渡时间长的缺 点 研究了包含前馈模块的控制器 控制器具有比例 环节和积分环节的P I 反馈控制器 针对不同工况设 计了增压压力的P I 反馈控制模块参数以加快瞬态 第6 期 童凯麟等 涡轮增压器电控放气阀研究现状与发展展望8 3 发动机 转速 N 节气门 游压力 节气门位置角度信号 发动机转速 节气门通过节气 上游压门期望质 力量流量 进气歧管中心段压力 温度 压力修正因子 通过节气门质量流量计算模块 加速踏板的规范化角度 相对期望充量 发动机转速 期望增压压力 增压控制激活信号 空气过滤器后最小压力 期望增压压力计算模块 增压压力期望值 增压压力实际值 增压执行器期望提升值 增压P I D 控 增压动态补偿1 制修正 增压动态补偿2 增压动态补偿3 增压控制器模块 U 涡轮上游 l巷垫熟墼连梯度 爆压执行器 I 蠹彗蓍 粤 霸望葚弄一 期望质量流量 7 T 中冷器上游压力 涡轮计算功率 L lllb d a 期望值 实际值 增压器上游压力 通过涡轮废气 翦催华牡辨排 期望质量流量 气压力 温度 一一 望警罂垄鎏薤誊籍蒋质 涡轮上游废气 垦墨堕墨 增压执行器期望提升计算模块 增压执行器期望提升暑lll 鍪态 执行器控制压 泄压阀控压变化力动态补偿标 准值 涡轮上游废气 爆压控制器 质量流量 校正系数 增压r 控制修正霭盖凳蠹望蓉 增压执行器压力设定值计算模块 废气泄压阀控压变 涡轮上游废气质量流量 增压执行器当前提 废气泄压阀控制压力期望值 通过涡轮当前标准 增压执行器压力当前位置计算模块 图1 2 汽油机涡轮增压电子控制系统整体策略 响应能力 设计了柴油机的瞬态加载工况和稳态干 扰工况 稳态工况下 实际增压压力要尽量趋近于期 望增压压力 并具有抗干扰的能力 瞬态工况下 控 制器应能够快速调节增压压力收敛到新工况下的期 望值 调节时间要尽量短 而且不能出现过度的超调 和振荡 为了实现以上要求 需要对可调二级增压柴 油机的增压压力控制策略进行研究 利用瞬态可调 二级增压柴油机的平均参数模型对增压压力的控制 策略进行了计算研究 直流无刷电机控制的蝶阀 其 响应过程可以用一阶延迟过程来代表圆 即 替 瓦圭可 1 M 一 s L s l 一 上海交通大学的尹紫恒对带放气阀的二级增压 系统进行了仿真模拟 设计了以放气阀作为调节装 置的紧凑型二级增压系统 1 3 湖南大学的罗海鹏对两级增压系统进行了仿真 模拟和试验验证 分析了汽油机与两级涡轮增压器 的匹配和性能 为实现改善低速转矩特性 动态响应 特性和燃油经济性提供了新方法 9 热那亚大学的M a r e lliS 计及放气阀条件下 对 U 压执行 占空比 比了在稳态和排气脉冲情况下的涡轮效率值 1 4 瑞典林雪平大学的A n d r e a sT h o m a s s o n 研究了 基于放气阀不同开度条件下 柴油机的排放性能差 异 1 5 峋 联合信号公司的R u s s e llJ W a k e m a n 瑞士苏黎 世联邦理工大学的L a r sE r ik s s o n 奥尔良大学的 G u illa u m eC o lin 使用电磁气动式旁通阀控制机构 通 过改变占空比来改变P W M 阀的开度 进而改变执行 器压力室的压力 实现对阀门开度的控制 控制器主 要信号来源为进气歧管压力传感器 测量压气机出 气口与节气门体之间的压力近似代替压气机叶片出 口压力 控制系统软件含有一张由增压压力点构成 的曲面 每一个点由各种输入信号作用下的最优增 压压力确定 如果实际增压压力大于设定点压力 由 P I D 控制器调节放气阀门开度 实现对增压压力的 调节 其中P I D 控制器的作用是确保增压过程的稳 定性以及足够的响应速度 P I D 控制器中的积分环 节会保持原有占空比 但比例和微分环节会对占空 比进行校正 比例环节可以修正实际增压压力与设 置点压力值的偏差 并使实际增压压力回到设定值 小型内燃机与车辆技术第4 6 卷 微分环节提供一个描述进气压力变化的函数 误差 的变化率 起到了模拟系统的阻尼作用 比例与微 分环节的总增益作为可用源压力和大气压力的函 数 P I D 控制器在实际增压压力高于或在一定范围 内小于设定值的情况下都会起作用 这个起作用的 压力带是可控制的 不对控制策略进行大调整的情 况下 P I D 控制器允许有小的震荡和超调 1 0 1 2 1 5 1 6 埘 瑞士苏黎世联邦理工大学的L a r sE r ik s s o n 分别 在燃油经济性和最佳操作性条件下设计控制器 在 燃油经济性条件下 低负荷时废气旁通阀完全开启 节气门用于控制负载 只有在节气门全开时旁通阀 开度减小 保证进气歧管压力高于环境压力 在最佳 操作性条件下 由于增压器转速是限制动态响应性 的重要因素 为保证增压器高转速 尽量减小废气旁 通阀开度 在此策略下 节气门用于控制负荷 放气 阀仅用作限制增压压力 文章研究了保证燃油经济 性条件下控制器的设计方法闭 奥尔良大学的G u illa u m eC o lin 设计了用于非线 性系统的鲁棒控制器 用于控制配备增压器的气流 通道 文章基于一个小型汽油机 提出了一个比基于 查表控制器响应更快 更系统 更廉价的综合计算鲁 棒控制器 文章所提出的控制策略基于文献 2 7 1 所提 出的线性控制理论 用带有不确定性的均值线性模 型表征系统的非线性 1 0 奥尔良大学的G u illa u m eC o lin 也尝试设计了用 于控制进气歧管压力的I M C 控制器 控制对象为节 气门 和用于控制增压压力的神经线性预测控制器 控制对象为放气阀 在发动机台架上对该控制方 案进行测试 并与建议的控制器相比 其控制表现优 异 但却提高了在系列车型上标定的难度 文章所使 用的I M C 控制器有如下优点 直观简单 容易实现 只需要设计滤波器参数 I M C 中的模型可以是系统 的物理模型 也可以是从数据中识别的模型 文章所 使用M P C 模型预测控制器 或R H C 滚动时域控制 器 已经成为线性系统或者带有大时间常数的非线 性系统的常用控制器 M P C 使用一个精确的模型来 预测过程的未来响应 并使用算法优化未来过程表 现 在一般情况下 M P C 在线求解 在每个采样时刻 有限的视野开环最优控制问题 根据涉及状态和控 制的系统动力学和约束 线性M P C 控制器采用线性 模型来预测过程表现 所以结果或者结果的一部分 可以离线计算 放气阀所使用的M P C 控制器作为非 线性预测的神经网络模型 线性神经预测控制保证 在快速时间常数的非线性系统中的应用网 法国石油研究院的P h ilip p eM o u lin 设计了一种 用于升压压力控制的物理模型 以理想的曲轴输出 转矩为控制目标 并在车辆上进行测试 该方案也提 高了在系列车型上标定的难度 文章提出了单独控 制放气阀的方案 并发现增压器控制中所产生的超 调不会对节气门有任何影响 文章所采用的控制策 略基于约束运动规划和反馈线性化 其应用于简化 的增压系统模型 首先建立面向控制的模型 然后在 考虑到执行器的局限性和积分器的抗饱和的基础 上 建立基于模型的控制策略 2 8 1 因为文献 2 0 中所用的简单控制器会出现超调 现象 1 工业上常用增益调度P I D 控制 然而P I D 控制器的参数整定比较困难 在标定和鲁棒性方 面也存在问题 文章首先对于时域模型进行标准化 和线性化 再对标准化 线性化后准确的控制系统 进行分析和综合 因此 在一个经典的闭环控制方 案中 必须添加标准化和去标准化模块 其接口如图 1 3 所示 控制器 图1 3 标准化线性控制器与非线性系统之间的接1 2 1 第6 期 童凯麟等 涡轮增压器电控放气阀研究现状与发展展望8 5 奥尔良大学的G u illa u m eC o lin 使用非线性模型 预测控制 N M P C 他指出早先使用的控制器为P I D 控制器 其缺点是会产生超调 设定点跟踪性能较 差 由于非线性模型的使用 N M P C 控制策略基于在 线求解非凸优化问题 这需要一个重要的计算负载 从数据中获取神经网络模型往往比第一性原理模型 的时间和工作耗费更少 如果使用N M P C 策略构建 神经模型 那么这个控制方式称为神经预测控制 由 于神经网络模型较容易推导 可以从每个采样时间 提取线性模型用于控制器的设计 从而实现线性预 测控制 I A V 公司的L D a u b le r 林茨大学的O r t n e rP 以 及博世公司的D ie t e rS c h w a r z m a n n 采用传统的用于 商用车上的控制策略 其中包括一个带有增益调度 和由静态M A P 所确定的前馈项的线性控制器 这些 基本控制器在应用于非线性系统的线性控制技术时 所体现的缺陷有 1 系统性能和鲁棒性之间无法在全工况范围内 获得令人满意的协调 2 该系统的标定工作量大 作为控制器参数 前馈 M A P 图和校正必须根据每个工况点进行调整 2 9 3 I A V 公司的L D iu b le r 采用基于模型的增益调 度 冽 亚眠大学的S O u e n o u G a m o 采用滑模控制阁 奥尔良大学的G u illa u m eC o lin 采用预测控制 3 3 删 哥 伦比亚大学的M e r t e nJ u n g 与X iu k u nW e i采用H 控 制方法陋3 叼 然而上述控制策略是基于系统的线性模 型 为了得到良好的增压性能和鲁棒性之间的权衡 需要进行大量的校准 基于此 基于系统的模型能够 提出更好的控制方式 奥尔良大学的G u illa u m eC o lin 与X iu k u nW e i采用了识别技术 3 7 1 A m e yYK a m ik 等 人建立了系统的物理模型并考虑到一些操作环境的 影响因素 如大气压力 2 0 艄1 3 7 1 3 控制系统硬件 北京理工大学张海民控制单元M C U 选用I n f i n e o n X C l6 7 1 6 F 增压调节控制器通过C A N 总线与 E C U 通信 主E C U 以2 5 0k p s 的波特率向M C U 发送 2 9 位标识符的扩展帧 帧格式为数据帧 发送的数据 包括发动机实时转速 油门开度及增压压力信号 M C U 将接收到的信号进行解析 计算 确定该工况 下的控制量 向执行器驱动机构输出控制脉冲信号 系统通过对增压压力进行闭环控制 从而间接实现 对放气阀开度的连续调节 1 1 上海交通大学邬静川 叶飞帆等人开发的M C U 为M I C 一8 0 是以Z 8 0 为C P U 的八位机 并加装了1 2 位的D A 和A D 接口 上止点脉冲和转角信号由专 用通道输人 用作气缸压力采样的同步信号 电动调 节阀由D F 一1 型伺服放大器驱动 计算机输出的控制 信号经D A 变换成电压信号作为伺服放大器的输 入 由于伺服放大器的比例特性 只要获得一个电压 信号就可将阀调节到对应的位置 不需计算机的进 一步参与M 北京理工大学的刘兴华使用基于I n f in e o n X C l6 7 C 一1 6 F 的控制单元 硬件结构如图1 4 所示 从总线上接收到的电子控制单元判断参数是发动机 转速 负荷和进气管压力阎 卜 C A N 卜 I n f in e o n 功 发 总线 旷 窒 电 动 X C l6 7 C I 八 放 磁 机 通讯 1 6 F 旷 大 叫 阀 1接口 一 器 E C UM C U N 电路 N 图1 4 控制系统硬件结构图 联合信号公司的R u s s e llJ W a k e m a n 闭环控制 的主要传感器是进气歧管压力传感器 其它涉及到 的传感器还有爆震传感器 发动机温度传感器 节气 门位置传感器 曲轴位置传感器 其执行器预紧力相 对传统机械执行器预紧力要小 从而在较小控制压 力条件下即可开启 但这个控制压力由微处理器控 制的电磁阀进一步控制 微处理器信号来源为增压 器与节气门体之间的压缩空气压力 1 2 1 密歇根大学的P a t r ic kG o r z e lic 中所述协调控制 器基于二输入单输出 T I S O 架构 利用非线性发动 机平均值模型的线性化 控制器可通过经典频率响 应技术进行调整 8 1 合肥工业大学的郑天威加速踏板角度信号为计 算期望增压压力的主控信号 环境温度 环境大气压 力等是修正信号 为了使系统具有更好的多样性 适 应性和精确性 将系统分成若干子模块 如图1 5 所 示 控制信号有两个来源 一是发动机的各个传感器 信号 二是其它部件对增压器的控制信号用 4 展望 在对已做研究分析综合的基础上 需要对带电 控放气阀的涡轮增压器作进一步研究 1 由于间接自适应控制方式存在噪声 是未来 进行算法研究的新课题 小型内燃机与车辆技术第4 6 卷 进流 基础值计算 簧彝 动态修正 量算H F M 阈值诊断 期基础值计算 增 静忿1 嗲止 辱 动态修正 算期望值输出 传进气压力传感器 控制偏差计算 璧进气温度传感器 增参数计算 器节气门位置传感器 箍P I D 计算 覆控制偏差监 口 口 r 目H 算l 7 大气压力传感器 鍪测与恢复 自适应控制输出 增压压力计算模块 馗蜴 虚霍通过涡轮的期望质量流量 发动机状态计算模块 暮弄 涡轮使用率计算 W G 占空比 诊断调度模块 嚣算 执行器期望提升计算 离合器信号获取模块 耋 圣詈箍蠢毳 压位 执置 增压执行器的当前位置计算 磊婪通过w G 标准空气质量流量计算 系统的输人 系统的模块化控制作用 图1 5 增压控制系统硬件 2 对于非线性I M C 控制系统 需要用一个准 L P V 模型表达非线性动力学模型 3 为非线性I M C 控制系统开发特殊的准L P V 模型结构 4 对于已设计过的I M C 系统专用滤波器进行基 于仿真的鲁棒性分析 未来需要继续进行调谐滤波 器的工作 同时使用的I M C 系统的极限也需要在典 型系统条件下进行评价 5 对于模型预测控制 M P C 系统的未来工作包 括 对额外参数的鲁棒性评估 以及引入基于气门正 系统输出 时的其它限制 比如 在考虑节气门开度较小时的浪 涌和涡轮增压器速度保护 另外 还可以开发用于测 试非线性对象模型和测力计的精确模型预测控制器 M P C 6 对于已经成熟的电控节气门和放气阀 未来 工作重点在于实施车辆上控制器的应用和对于控制 器的鲁棒性能评价 另外 非线性控制策略着重关注 提升放气阀响应 最后 应计及其它系统的执行器对 放气阀的影响 如外部废气再循环系统和可变凸轮 正时系统 第6 期童凯麟等 涡轮增压器电控放气阀研究现状与发展展望 参考文献 l张海民 杨青 刘兴华 等 增压系统废气旁通阀的分布式 电子控制 J 车用发动机 2 0 1 2 6 1 0 1 3 2 魏名山 张志 方金莉 等 带有放气阀的二级增压系统的 设计与试验 J 内燃机学报 2 0 0 9 2 7 2 1 6 6 1 7 0 3 王振 祖炳锋 付光琦 等 涡轮增压汽油机的匹配研究及 性能预测 c 中国内燃机学会燃烧节能净化分会 中国内 燃机学会燃烧节能净化分会2 0 1 0 年学术年会论文集 重 庆 中国内燃机学会燃烧节能净化分会 2 0 1 0 5 5 5 5 5 9 4 邬静川 顾宏中 叶飞帆 增压柴油机高工况放气的模糊控 制研究 J 中国造船 1 9 9 1 3 7 6 8 l 5 叶飞帆 邬静川 顾宏中 带放气阀的增压系统性能研究 J 宁波大学学报 理工版 1 9 9 1 4 1 1 0 5 1 1 1 6S e r g e yS a m o k h in K a i Z e n g e r R o b u s ta n da d a p t iv ew a s t e g a t e c o n t r o lo f t u r b o c h a r g e d in t e r n a lc o m b u s t io n e n g in e s C A m e r ic a nC o n t r o lC o n f e r e n c e A C C 2 01 4 7 郑天威 基于A S C E T 的汽油机涡轮增压控制策略研究 D 合肥 合肥工业大学 2 0 1 4 8P a t r ic kG o r z e lic E r ikH e lls t r o m A n n aS t e f a n o p o u lo u e ta 1 Ac o o r d in a t e da p p r o a c hf o rt h r o t t lea n dw a s t e g a t ec o n t r o lin t u r b o c h a r g e ds p a r kig n it io ne n g in e s C T a iy u a n C h in a C o n t r o la n dD e c is io nC o n f e r e n c e C C D C 2 0 1 2 9 罗海鹏 汽油机两级增压系统的匹配与性能研究 D 长 沙 湖南大学 2 0 1 4 1 0G C o lin Y C h a m a illa r d B B e H ic a u d R o b u s tc o n t r o lf o rt h e a irp a t ho fad o w n s iz e de n g in e J P r o c e e d in g so ft h eI n s t it u t io n o fM e c h a n ic a l E n g in e e r s P a r tD J o u r n a l o fA u t o m o b ile E n g in e e r in g 2 0 1 1 2 2 5 7 9 3 0 9 4 3 1 1G C o lin Y C h a m a illa r d G B lo c h e ta 1 L in e a r iz e dn e u r a l p r e d ic t iv ec o n t r 0 1 At u r b o c h a r g e dS Ie n g in ea p p lic a t io n 叨 S A EP a p e r2 0 0 5 0 1 0 0 4 6 1 2R u s s e ll J W a k e m a n D a n n yO W r ig h t C lo s e dlo o pt u r b o c h a r g e rc o n t r o l w it ht r a n s ie n tw a s t e g a t ef u n c t io n s C S A E P a p e r8 6 0 4 8 7 1 3 尹紫恒 机械增压器旁通阀控制方式与油耗及试验研究 J 内燃机与配件 2 0 1 4 5 1 4 7 1 4M a r e lliS C a p o b ia n c oM S t e a d ya n dp u ls a t in gf lo we f f ic ie n c y o faw a s t e g a t e d t u r b o c h a r g e r r a d ia lf lo wt u r b in ef o r a u t o m o t iv ea p p lic a t io n J E n e r g y 2 0 11 3 6 1 4 5 9 4 6 5 1 5A n d r e a sT h o m a s s o n W a s t e g a t ea c t u a t o rm o d e lin ga n dt u n in g o faP I Dc o n t r o lle rf o rb o o s tp r e s s u r ec o n t r o l D L in k d p in g U n iv e r s it y 2 0 0 9 1 6A T h o m a s s o n L E r ik s s o n O L e u f v e n e ta 1 W a s t e g a t e a c t u a t o rm o d e lin ga n dm o d e l b a s e d b o o s tp r e s s u r ec o n t r 0 1 I F A CW o r k s h o po nE n g in ea n dP o w e r t r a inC o n t o l 2 0 0 9 4 2 2 6 8 7 9 4 1 7 倪春生 习纲 郭辉 等 涡轮增压器电动废气门精确开度 控制的研究 J 上海汽车 2 0 1 3 8 2 8 3 2 l8 A m e yYK a r n ik M r d j a nJ a n k o v ic I M Cb a s e dw a s t e g a t e c o n t r o l u s in g af ir s to r d e rm o d e lf o r t u r b o c h a r g e d C M o n t r e a l Q C C a n a d a A m e r ic a nC o n t r o lC o n f e r e n c e A C C 2 0 1 2 1 9Q iuZ e n g S u nJ in g M r d j a nJ a n k o v ie e ta 1 N o n lin e a rin t e r n a l m o d e lc o n t r o lle rd e s ig nf o rw a s t e g a t ec o n t r o lo fat u r b o c h a r g e d g a s o lin ee n g in e C P o r t la n d A m e r ic a A m e c a nC o n t r o lC o n f e r e n c e A C C 2 0 1 4 2 0M a r ioS a n t illo A m e yK a r n ik M o d e l p r e d ic t iv e c o n t r o lle r d e s ig nf o rt h r o t t lea n dw a s t e g a t ec o n t r o lo fat u r b o c h a r g e d e n g in e C W a s h in g t o n D C A m e r ic a A m e r ic a nC o n t r o lC o n f e r e n c e A C C 2 0 1 3 2 1 A m e yY K a m ik J u liaH B u c k la n d J imS F r e u d e n b e r g E le c t r o n ict h r o t t lea n dw a s t e g a t ec o n t r o l f o rt u r b o c h a r g e d g a s o lin ee n g in e s C P o r t la n d A m e r ic a A m e r ic a nC o n t r o l A C C 2 0 0 5 2 2L iuX in g h H a Y uL e i L iuF u s h u i e ta 1 D e s ig nf o rc o n t r o l s y s t e m o f w a s t e g a t ev a lv ea c t u a t o r in t u r b o c h a r g e r C C h a n g s h a C h in a I C D M A 2 0 1 0I n t e r n a t io n a lC o n f e r e n c eo n 2 3 李铁东 陈涛 李东升 等 增压汽油机增压压力控制优化 研究 C 中国汽车工程学会汽车发动机分会 2 0 1 3 年 A P C 联合学术年会论文集 宜昌 汽车发动机分会 2 0 1 3 2 5 9 2 6 3 2 4 薛矫智 增压汽油机增压压力的理想控制值 J 公路与汽 运 2 0 0 5 1 6 7 2 5 刘博 邓康耀 张哲 等 可调二级增压柴油机增压压力控 制策略计算研究 J I 内燃机工程 2 0 1 1 3 2 4 1 7