2.3.3　柴油机的控制策略

(1)控制策略的含义

在自动控制领域中,针对任何一个受控对象,都会有相应的控制目标。为了实现这些控制目标,必须有对应的控制方法。这些控制方法总的集合被称为控制策略。

在前文的叙述中,我们已了解到电控柴油机的一些执行器,其中最重要的是电控燃油系统。对这些执行器实现有效的控制,是使柴油机实现正常工作、发挥最大效能、保持最小油耗、获得最佳排放效果的必要条件。针对任何一种控制需求,必须制订对应的控制策略。

在ECU软件工程中提到的控制策略,常包含着更广的含义。我们常将处理任何一种通过控制过程实现的信号采集、处理、控制输出的方法统称为控制策略。因此,可将控制策略理解为ECU软件为实现一项工作(信号采集、处理、控制)而制订的具体方法。对于电控柴油机的控制策略,可以做以下区别:

1)结构设置策略

结构设置策略是与柴油机结构布局设置有关的方法和规划。例如:对于曲轴的信号齿,必须考虑它的结构设置。前面介绍的60-2曲轴齿、4+1凸轮轴齿的设置就是一种使用较多的结构。不同的选择将有不同的使用结果。有的电控发动机的凸轮轴信号齿在一个循环内只产生一个脉冲信号,我们称单齿信号结构。

如果将前面所提到“60-2”与“4+1”相配合,可以使柴油机不仅可依靠曲轴和凸轮轴信号的配合实现正常工作逻辑,而且仅依靠凸轮也能使柴油机实现较正常的运行,实现在曲轴信号故障时“缓慢回家”。而单齿信号凸轮则难以实现这一功能。尽管这一功能并不是车辆必需的,但从结构设计时就考虑清楚其对功能的影响是很重要的,避免到了后期实现时受到限制。从前面对于“60-2”与“4+1”结构的介绍中可以看出,由于曲轴信号每循环内重复两次,即使用有缺齿的信号轮,也无法通过曲轴信号实现对相位的确认。凸轮轴周内只转一圈,通过凸轮齿上的特征位置可以确定相位起点。

凸轮轴信号轮一般都较小,不易在凸轮轴信号轮上布置太多的齿,因此常用的方法是通过凸轮齿上的特征确定曲轴相位的起点,而由曲轴齿计数来实现对相位的较准确定位。了解了这一点后,也可以在对曲轴齿和凸轮轴齿的结构设计上采用不同的策略。例如:在曲轴信号轮上不设置缺齿,这样可以简化加工工艺。但这样在曲轴和凸轮轴的信号波形上就不易判别工作相位的正确与否,只能完全靠设计和安装的正确性来保证。另外,一种结构布局策略还要影响相应的软件设计方案,需要细致地加以规划。

对于常用的60-2这种带有缺齿的方案,在结构设计时要注意:曲轴缺齿的安装位置要保证当缺齿通过传感器时,所有气缸都不会处在供油位置区域。这是由于在缺齿位置时无法对供油时机做精确定位,因此无法满足供油定位需求。

2)信号传感器设置策略

为柴油机控制提供一种外界输入信号,就必须设置对应的传感器。在电控柴油机基础模型EDBM中设置了以下传感器:

① 曲轴转角传感器和凸轮轴转角传感器。设置这两个传感器的共同作用是通过它们提供的信号,获得柴油机转速数据、相位数据和角加速度数据。

② 进气温度压力传感器。设置这个传感器的目标是获得进气温度和压力数据,通过结合气缸容积完成热力学计算,获得气缸的进气量。这一进气量是控制每缸每循环最大允许供油量的基本依据,可实现避免柴油机工作时产生黑烟。用一个进气流量传感器也能取得同样的效果。但进气流量传感器的价格远高于进气温度压力传感器,因此一般较少采用。

③ 冷却液温度传感器。冷却液温度指标可表达当前的柴油机热状态,根据柴油机热状态可设置不同的怠速目标和对供油量、供油提前角做不同的调整。这些都会决定柴油机运行质量的细节。

④ 燃油温度传感器。在电控单体泵系统和电控分配泵系统中都配有这一传感器。这是由于当燃油温度升高后油泵的有效供油行程会下降。因此,需要根据燃油温度做一定量的补偿。

⑤ 轨压传感器。在共轨系统中设置这一传感器,用于结合供油时间,确定供油量。

⑥ 加速踏板传感器。对传统的柴油机,加速踏板应该属于车辆的组成部分。但对电控柴油机来说,柴油机工作已经密不可分地与加速踏板的动作结合在一起,因此,应将加速踏板看作柴油机的一个“分离的”部件。

电控柴油机设置上述传感器,可以看成是传感器配置策略的最基本方案。如果需要更多的性能,则必须设置更完备的传感器策略。

如果要使用EGR部件来降低氮氧化物,则会增加EGR阀的位置传感器。

如果要使用VNT(可调喷嘴环增压器)设备,则会增加喷嘴环位置传感器。

如果要引入对空调、动力转向、空气压缩机等功率设备的协调控制机制,则要分别设置对应的开关信号传感器。

3)信号输入策略

这里是指各传感器信号的输入。传感器信号是ECU实现控制的依据,因此必须及时地向ECU提供最新的传感器信号。输入策略包括信号的输入频度或称采样频率、输入信号的时机选择、输入信号的滤波等。实际执行时要综合考虑信号输入策略的影响。

信号的采样频率反映信号更新的速度。较高的采样频率可以使ECU及时得到最新的信号数据。但由于采样操作也会占用ECU的能力资源,因此,过快的采样频率会无谓地耗费ECU的能力。ECU对输入信号的利用是间歇进行的,如果输入的速度快于输入信号的利用频度,则这种快速输入没有意义。

例如:对某信号数据,ECU在柴油机一个工作循环内只利用一次,则如果安排在柴油机一个工作循环内输入两次这一数据,则必将有一次还未利用就被新读入的数据覆盖掉,原来读入时消耗的资源就全都浪费了。另外,有的物理量(如冷却液温度、燃油温度等)在柴油机工作时自身的变化速度不会太快,一般在以秒计的时段内都不会发生突然的显著变化,对于这样的数据当然也不需要频繁地读入。

输入信号的时机选择上也要有一定的考虑。输入信号时要占用一定的处理器资源,而有时处理器资源必须先满足一些最重要的处理工作。对于目前的柴油机控制而言,最重要的控制是供油控制。因此,如果考虑将信号读入操作的时机选择在不可能出现供油操作的曲轴相位区域,就可以保证对供油控制不会有影响。将信号读入操作和后续的处理都放在处理器较空闲的时间内做合理的分布安排,处理器的能力资源就会得到较好的利用。

对于目前实际系统在输入信号采样方面的情况的观测告诉我们,模拟量输入信号常会由于一些不易预知的偶然原因产生采样偏差。因此要采用必要的技术手段将一些可以判知为异常的数据剔除掉,这就是数据的滤波。目前常用的方法是通过软件处理实现滤波。当然,这也会消耗一定的处理器资源。在处理这些工作时也要考虑到建立任务的时机。

以上所述的只是一般的原则。针对早期的处理器,对这些原则的把握常常能够成为系统成败的关键。但近年来由于单片机自身功能的快速发展,其处理能力越来越强。在控制柴油机运行这样的任务中,对于建立任务时机的考虑已经不是太重要的问题了。从已经在使用中的一些柴油机控制系统的运行情况看,对于输入功能的集中使用并没有给系统功能带来不利影响,而这种处理方式简化了程序的逻辑结构,提高了软件编制工作的效率。但适当注意这一问题仍是有益的。

4)信号处理策略

信号的处理策略与信号的输入策略是配合工作的。例如:柴油机的转速传感器早期多用同步电动机来产生与转速成正比的电压信号。尽管这种设备能够直接获得转速数据,但其作用也仅限于获得转速数据。采用信号齿轮结合传感器的方案,尽管得到的信号要经过特定的处理过程才能得到转速数据,但是,通过不同的数据处理策略,可以得到多种转速数据满足不同的需求。如:可以求出瞬态转速,从中可以看出转速随相位的波动;可按每气缸分别计算平均转速,从中分析出各气缸工作的一致性;可以求出曲轴运行的角加速度,从而解决单缸失火等运行故障判别问题等。

对于多种由模拟信号电压值的输入,如冷却液温度、进气温度与压力和燃油温度等,输入后表现为电压值的模拟信号量被模数转换器转为数字量。对于目前采用的16位单片机而言,大多使用10位的模数转换器。所获得的数字量是一个0~1023之间的数。对于有的模拟量而言,这一转换后的值可以直接被用于控制。例如对于加速踏板而言,可以直接利用其输入值来完成控制。但对于大多数具有确定物理含义的信号而言,一般都采用输入信号→对应物理量→控制利用的策略过程。例如:先获得冷却液温度的输入信号数字量,再将这一数字量转换为对应的温度值,然后将这一温度值利用于控制过程。这种做法有两方面的好处。一是可以得到直观的、习惯使用的物理量值,便于调试时的决策。例如:针对50℃的冷却液温度,在控制上应采取何种策略更合适?专业工程人员可以直接做出判断。但如果只根据冷却液温度的数字采样值则难以直接决策。二是有利于元件的代换。实际实现输入信号→对应物理量的过程时,一般都采用关系脉谱的方式来计算确定。对应一种传感器,即有相应的关系脉谱明确其信号量与物理量的对应值。但对于不同产品型号,关系脉谱是不同的。对于某一电控系统,如果更换冷却液温度传感器,只要将对应的关系脉谱更新一下即可,其他的软件部分都不需做任何更改。

如表2⁃13所示是某型冷却液温度传感器用在某型ECU上关系脉谱的简化表达。

关系脉谱是软件系统的一部分,目前许多系统这部分是向用户(柴油机生产商)开放的。柴油机生产商可以根据自己的实际需要采购传感器,通过测试标定获得关系脉谱,然后即可在系统中使用这种传感器。

(2)控制策略的实施方法

对于柴油机控制软件的设计制作而言,其最基础的工作就是制订合理的、可行的控制策略;然后针对确定的控制策略编制对应的程序算法;接着才是通过使用计算机语言编写实际的控制程序。

1)策略制订

制订柴油机控制策略的前提是对柴油机的工作过程控制需求要有深入的了解。近年来,由于柴油机电控技术的普及,许多原来从事柴油机性能研究的专业人员在了解计算机控制技术的前提下,开始介入了柴油机电控的策略制订工作。这促进了柴油机电控技术的实用化。

柴油机控制策略主要需要解决以下控制问题:

① 输入必需的信号并完成这些信号的处理,获得综合的控制数据。

② 定时、定位地产生控制动作,主要是输入动作、供油动作和其他输出控制动作。其中定时主要依赖于软件中的实时中断RmI和自由运行计数器,而定位主要依赖于曲轴中断中的齿位并可配合时间计算来确定。

根据操作要求,对于供油的量和时机做出调节。

上述的控制问题是互相关联的。例如:供油的量会影响到供油时机的调整。控制供油是电控系统最主要的任务。因此,一般先根据主要的条件(转速、加速踏板位置)确定每次供油量,然后针对一些相对次要的条件(冷却液温度、燃油温度、电源电压、进气量等)对每次供油量做出补偿或限定,再确定对应的供油提前角。这种方法适用于大多数情况。

针对柴油机怠速时的控制有一些要特殊处理的要求。此时由于加速踏板没有动作,柴油机完全在自动控制的条件下工作,要自动地处理此时发生的一些运行情况。例如对于目前的电控柴油机车辆,不仅需要在怠速下启动和行驶,还必须在怠速下满足空调、动力转向、空气压缩机等系统的工作条件。因此要想满足对怠速运行的性能需求,就需要详细地制订在怠速条件下针对各种工况变化情况而采取的处理策略。

2)程序算法规划

针对控制策略的算法规划,是实现控制策略的下一步工作。算法规划涉及对处理器资源的利用,是具体实现控制策略的实际步骤。由于柴油机工作过程控制决策有时涉及较多计算量,故如何在极短的时间内完成这些计算也是算法规划所要解决的问题。例如:在控制每次供油量时,要涉及“最大供油量”的限值。有如下公式:

　　　　　　　gcyl=m/(α L)

　　={[(p_kV_sε)/(10-6ε-10-6)]/[(RT_k)/(αL)]}/1000

Vcyl=gcyl/γ

式中　p_k——进气压力,MPa;

　　T_k——进气温度,K;

　　V_s——单缸排量,cm3;

　　ε——压缩比,取14;

　　m——单缸进气量,g;

　　R——空气气体常数,J/(kg·K);

　　α——最小过量空气系数,取1.5;

　　L——理论空燃比,g/g,取14.3;

　　gcyl——单缸每循环最大供油质量,g;

　　γ——燃油密度,g/mm3,取0.0005g/mm3;

　　Vcyl——单缸每循环最大供油体积,mm3。

这个公式已经能够较好地满足对最大供油量的限定需求,不会给动力性带来太多不利影响。但是,这个计算式增加了一定的计算量。在柴油机运行的过程中,每缸工作一次都要完成这种计算会对处理器造成很大负担。如果此类的计算负担太大,则ECU难以完成相关的控制工作。

实际处理这类问题的算法规划时,一般都采用脉谱化的处理方式。如:针对上一问题有:gcyl=f(p_k,T_k)。对p_k和T_k按一定的间隔在其有效值范围内取值,然后按上式完成计算,形成gcyl的二维数据表。即:

p_k取值:p_k1,p_k2,…,p_kn

T_k取值:T_k1,T_k2,… ,T_km

而有gcyl[p_ki,T_kj]=f(p_ki,T_kj),这将会获得n×m个gcy值,形成一个平面矩阵,对于任意的(p_k,T_k)变量值,可以用线性插值的方式求得对应的函数值,即:

如有:p_k≤p_k≤p_ki₊₁;T_k≤T_k≤T_kj₊₁

则有:

gcylp₁=geyl[p_ki,T_kj]+(geyl[p_ki₊₁,T_kj]-geyl[p_ki,T_kj])(p_k-p_kj)/(p_ki₊₁-p_kj)

gcylp₂=geyl[p_ki,T_kj₊₁]+(gcyl[p_ki₊₁,T_kj₊₁])-(gcyl[p_ki,T_kj₊₁])(p_k-p_ki)/(p_ki₊₁,T_kj)

gcyl=f(p_k,T_k)=gcylp₁+gcylp₂-gcylp₁(T_k-T_kj )/(T_kj₊₁-T_kj)

以上是较简单的线性插值计算,对比原公式的计算量大大减少。这种方式在实现控制的过程中被普遍采用。

3)程序实现

对于用计算机程序来实现算法,是具体实现策略的技术手段。在这一过程中主要应注意要充分运用对程序的优化和简化,尽量减少源码的容量,以利于在嵌入式系统中实现。实现查表操作的功能时,建立和使用公共的服务函数,这样会很大程度上减少源代码,也有利于源码的调试。

(3)电控柴油机常用控制策略

1)曲轴信号和凸轮轴信号输入策略

处理曲轴齿信号和凸轮轴齿信号的基本需求是为了获得当前齿号。对于曲轴齿号来说从0到119的齿号可以将相位精度定位在6°范围内。进一步的处理可获得更高的位置精度或者时间精度。

利用曲轴信号脉冲的下降沿引发中断,来使ECU捕获发生中断的时机;通过针对缺齿部分脉冲的甄别,能够判别齿计数的开始位置。由于缺齿位置少了2个齿,从图2⁃12中可看出其对应的脉宽是正常脉宽的3倍。

尽管这是在柴油机匀速转动时的情况,但由于齿夹角只有6°,可以认为邻齿间转速改变不会太大。因此可以确定以下策略:在曲轴中断处理程序中,对每个齿的脉宽都进行记录。当本次脉宽超过上次脉宽2倍时,则认为当前齿为缺齿后第1齿,可编为0号或60号齿。由于曲轴信号在一个工作循环内重复两次,图2⁃12中曲轴的两处缺齿信号是曲轴信号轮上同一处缺齿引发的。因此单靠曲轴信号尽管可以确定缺齿后第1齿,但无法确定是0号齿还是60号齿。

为了确定是0号齿还是60号齿,我们同时考虑对凸轮轴齿信号的处理。在我们的模型中,凸轮轴齿是4+1布局,其中多齿下降沿在前后两齿下降沿的前1/4处。当柴油机转动时,每个工作循环凸轮轴齿信号循环一次。每当输入口捕获到下降沿信号时,会如同曲轴信号处理那样记录本次信号与上次信号间的脉宽。如果发现本次脉宽小于上次脉宽的1/2,则判定当前齿是多齿,齿计数不变;如果发现本次脉宽大于上次的2倍,则认为当前齿是1号齿。其他的情况齿计数加1,在配合凸轮轴计数时,曲轴的0号齿可以很容易地确定:当明确当前曲轴齿是缺齿后第1齿时,检查当前的凸轮齿号,如果当前凸轮齿号是2,则当前曲轴齿号是0,否则应是60。

通过这样的计数,相位定位可达到齿一级的精度。但是,由于在我们的模型中,每一齿的曲轴转角为6°,也就是说,这种定位的精度不会过6°曲轴转角。要实现更细的控制精度,就要考虑进一步的策略。

通过齿计数(针对曲轴和凸轮轴信号齿)和对应的齿脉宽,可以求得动态的平均转速和角速度。以计算每循环平均速度为例:使用120个元素的数组记录每个齿对应的脉宽,求得这些脉宽的累加和,即为曲轴转两圈的累计时间。由此可以算出当前每循环平均转速。当计数到下一个齿的脉宽时,在原来的脉宽累加和中减去原数组中对应本齿的原脉宽值,加上本次新的本齿脉宽值,可以算出新的累加和,并得到新的每循环平均转速。同时,用新的齿脉宽值替代数组中对应齿的脉宽值,为下一轮计算准备好数据。以上方法称为移动平均计算法,用类C语言表达为:

2)输入信号处理策略

从传感器输入的信号主要有开关信号和模拟信号两类。对于开关信号,在普通的自动控制技术中一般要通过一定的延时来重复读入,来消除由于开关振动引起的信号抖动。对于模拟信号,则需要对输入的信号做软件滤波处理,通过多次采样的结果,过滤掉其中由于偶然的信号波动造成的无效数据。

① 信号的输入时机。由于大多数信号都是处在动态变化的过程中,所以需要每隔段时间就更新原来输入的数据。对于开关信号,也可以通过中断的方式输入,例如:一旦在输入线上出现高电平就引发中断,转到中断服务程序上做对应处理。但事实上对于目前大多数ECU中的处理器而言,有中断功能的输入口一般都较少,需要用于必须快速响应的处理项目。而对于一般可能有的开关信号输入,如空调开关、空气压缩机开关、助力转向开关和前照灯开关等,由于需要的响应速度都不是太快,因此都是与模拟信号的输入方式一样,采用定时执行输入口扫描的输入操作方式来实现的。

在 RTI_Sub函数中加入以下代码:

　　这一段代码的含义,是每隔约0.5s执行一次进气温度值的输入任务。

对于目前ECU中常用的单片机,其信号采集速度是非常快的。例如:对于飞思卡尔9s12DJ256芯片而言,用于一次模数转换过程的时间只有7μs;而对开关信号的采样时间远不到1μs。因此,在实际的ECU软件中,可以每隔一个短时间将所有的开关信号和模拟信号统一输入更新一次。常用的有两种方法:一种是定时式;另一种是定位式。上一段代码中反映的就是定时式的方式。无论在柴油机的任何工况下,都是每隔一固定时间输入一次信号。这种方法简单易行且只要ECU开始运行信号输入就开始工作;而定位式的方式是针对曲轴位置实现对输入操作的控制,一般可以柴油机每工作循环或若干个循环采样一次。

通过在曲轴中断处理函数中的齿计数,将输入数据的时机定位在某一个齿位置。这种方法的好处是随着柴油机转速的上升,采样速度也随之同步加快,数据的更新速度与转速的加快相适应,能够完成更及时的控制。但这种方法显然只是当曲轴转动时才有机会执行输入操作。而当柴油机无转速时则输入数据也都不更新了,这会无法满足启动过程对数据的需求。因此,在柴油机停止时不能采用这种信号输入方式。

② 模拟信号输入后的滤波。前面提到了由于输入过程的不稳定可能产生个别异常的信号,造成模拟输入量信号失常,这些异常的信号应通过软件滤波的方式去除掉。这里介绍一种常用的软件滤波方式的算法。

设定数组变量Data[6]和Data1[6],用最初的4个输入量填入Data[1]~Data[4],将它们的平均值填入Data[0]。然后每次输入数据后:

a.采集新的输入量填入Data[5],将Data数组元素对应赋值给Data1数组元素。

b.对 Datal数组元素做排序。

c.对 Datal数组中 Datal[1]~Datal[4]求出平均值,将这一值赋给Data[0],执行Data [2]→Data[1]、Data[3]→Data[2]、Data[4]→Data[3]、Data[5]→Data[4]。

d.将Data[0]作为本次采样的输出值。

由以上算法策略中可以看出,对于异常值将会在排序后被舍弃掉,不会对其后实际得到的平均输出值有影响。

3)基本控制过程策略

在此对电控柴油机基础模型EDBM的基本控制过程做一下描述。参照本章图2⁃5,从主程序流程图开始。

当ECU加电后,软件从主程序开始执行。主循环开始之前,主要是先完成一些系统初始化功能,也会完成控制层的初始化设置,如对某些变量置初值等。当然,也可能会有较复杂的控制任务开始执行(例如机内时钟启动等)。在完成初始化基本设置后程序会打开各个中断标记(称为开中断),然后程序会进入主循环部分。

在主循环中,主要是单纯地重复执行任务服务函数TS。这一函数的功能在前文已介绍。它只是使当前任务队列中排在最前的任务得到执行。如果当前没有被激活的任务,则TS什么也不做,只是做循环运行,等待任务来临和响应中断。

当开中断后,所有已经设置好的中断功能都会开始工作。这主要是实时中断(RTI)、曲轴信号中断、凸轮信号中断和供油计时中断等。但如果此时柴油机未启动,曲轴信号等运行中断信号都还不会有,只有实时中断开始工作。实时中断中会执行对传感器信号输入任务的定时激活,激活后这些信号输入任务会在主循环中得到执行。因此,各模拟量和开关量传感器的信号输入更新都开始正常实现了。至此我们已经能够获得了动态的冷却液温度、进气温度、进气压力、燃油温度和加速踏板位置这些数据。开始启动后,曲轴信号中断、凸轮信号中断都开始发生。每发生一次这些中断,就会进入一次对应的服务程序,完成对应的工作。这些工作的完成实现了以下目标:提供了实时的转速值;提供了当前的齿号,而齿号从结构上定位了柴油机的当前相位;提供了供油控制参数;还能提供更进一步的数据,如曲轴角加速度等。不过这些数据是用于更细化的控制的,对于基本的运行控制还用不上。

当启动转速达到一定值时,按柴油机控制的需求,应该向气缸内供油了。以后的工作过程都要靠供油来保证。但是,柴油机不同的运行状态,对于供油方式的要求有很大不同。例如:启动时的运行目标是实现顺利地启动,此时加速踏板位置处在完全放开的状态;而启动实现后,加速踏板如果还是处在完全放开的状态,我们一般说柴油机进入怠速暖机过程。这时的控制目的有着不同的要求,对于供油的方式也有不同的要求;如果加速踏板被踩动,则可理解为操作者希望提供更多的油量,满足车辆启动、负载增加的需求。

总之,启动后对供油控制的要求,必须细分为不同的情况。可以说表现出了柴油机控制中针对不同情况的不同要求。为了实现满意的控制,目前的处理方式是将柴油机工作状态根据当前的运行数据和加速踏板值做出判断,将其归入某一“工况”。而针对每个工况设置不同的控制策略通过软件实现控制,以满足各工况不同的具体控制需求。

4)工况区分策略

在我们的实例中,用全局变量A_Mode来描述柴油机工况。针对A_Mode的不同值,实施不同的控制策略。但各工况之间的转换是有特定条件的,对柴油机的运行工况做以下区分:

① 停止工况(stop condition)。设定 A_Mode值为0。基本描述的是柴油机停止运行时的工况状态。当柴油机ECU加电后,在初始化运行时会将A_Mode置为0。

② 启动工况(start condition)。设定A_Mode值为1。描述的是柴油机启动运行时的工况状态。

③ 怠速工况(idle condition)。设定A_Mode值为2。怠速工况描述的是启动完成后加速踏板没有动作时的工况状态。

④ 常规工况(normal condition)。设定A_Mode值为3。常规工况描述的是操作加速踏板对柴油机实现正常工作操作的工况状态。

⑤ 限速工况(limit condition)。设定A_Mode值为4。限速工况描述的是柴油机转速进入限速区后的工况状态。

⑥ 超速工况(Overspeed Condition)。设定A_Mode值为5。超速工况描述的是柴油机转速超过最高限速时的工况。

各工况之间的转换关系如图2⁃16所示。

停止工况是开机后就会进入的一个工况状态。启动时,当转速的提高达到某一限定值时,则会进入启动工况开始供油;如果在启动工况时转速下降到限定值则会回到停止工况。启动工况只可能由停止工况进入,如果启动失败将会回到停止工况;如果启动过程成功则会进入怠速工况。

怠速工况可由启动工况由于启动成功而进入,如果在怠速状态下由于载荷过大造成转速过低,则会回到停止工况;在怠速工况下如果踩下加速踏板,则会进入常规工况;在常规工况下如果松开加速踏板,则会回到怠速工况。

常规工况可由怠速工况通过操作加速踏板而进入。在常规工况下,如果松开加速踏板将会回到怠速工况;如果由于载荷过大造成转速过低则会回到停止工况;如果转速升高超过限速转速则会进入限速工况,在限速工况下如果转速降低则会回到常规工况。

限速工况是为了对速度超限做限制而设置的。其基本的控制目标是使转速不再上升,但应尽量保持转速平稳。在常规工况下如果转速上升超过限速转速,则会进入限速工况;在限速工况下如果转速下降,则会回到常规工况。

超速工况是一种最终保护状态。通过中断供油避免转速的上升。

在实际使用时,还要对各工况间的转换条件做细化的描述。另外,在实际应用中,常常对工况的区分做更细致的处理。一般来说对工况的区分做得越细致,则对柴油机的控制策略就可能越有针对性。因此,工况区分的细致程度常可以反映策略方案的完备程度。

5)各工况处理策略

对各工况的设置和区分的目标是针对不同工况分别制订对应的控制策略并在控制软件上加以实现。各工况的控制策略,其控制的对象主要是供油量、供油时机和喷油规律。其控制的依据都是根据输入数据和输入数据处理所得到的工况状态。

① 停止工况。进入停止工况后,必须切断供油,并重新初始化所有的供油参数,为启动做好准备。

② 启动工况。处于启动工况时,主要是根据当前转速、冷却液温度来设置合适的每次供油量和供油提前角,满足启动时对于动力性和排烟限制的要求。另外,要设置由启动工况进入怠速工况的条件(例如:连续若干次转速测试值高于某值)。一旦条件满足,则认为启动成功,进入怠速工况;如果连续若干次转速测试值持续下降,则认为启动操作失败,转为停止工况。

③ 怠速工况。怠速工况控制要满足以下几方面的工作目标。

a.稳定运行。由于怠速工况的特征是加速踏板完全放开,因此,必须由控制系统自动控制供油过程。目前一般采用在怠速下的转速PID控制,其基本控制原理为:设定一个目标转速,通过计算获得当前转速与目标转速的差分和二级差分,根据这些差分值确定对每次供油的调整量。PID的控制效果是使转速能够尽可能地稳定于怠速目标转速值。

b.暖机过程。对于柴油机而言,暖机是指开机后通过在怠速下运行一段时间来实现热状态的建立和平衡,为承受较大负载做好准备的过程。对于较大型的柴油机,暖机是必须严格执行的操作步骤。即使是小型柴油机,在严寒的冬季仍应执行暖机过程以保证设备安全。对于电控柴油机而言,一般用设定怠速目标转速的方式来控制怠速过程。当柴油机在较冷状态(ECU系统能够从冷却液温度值做出判别)下启动后,为了能稳定地实现怠速运行,一般都设置较高的怠速转速目标值。随着冷却液温度的升高,可将这一怠速转速目标值逐步降低。最终完成暖机后,在较低的转速下实现稳定的怠速。

c.怠速带载。怠速下带载的情况主要有怠速下开启较大的功率设备(空调、空气压缩机、前照灯、动力转向泵等)和怠速下起步。怠速下带载也是通过PID控制来实现的,但是,在怠速下起步或行驶,如果载荷较大,会对PID控制的调节能力有较高的要求。为了能实现较大的PID调节能力,有时需要将目标转速调高一些。

④ 常规工况。车辆正常行驶时,一般多数时间运行在常规工况下。在常规工况下每次供油量将主要由操纵者通过加速踏板来控制。一般较大的加速踏板位移量对应较大的每次供油量。但具体实现的加速踏板策略则会有许多细节考虑。例如:在较低的速度下操纵,要求对油量的调节比较细致,单位加速踏板位移量可对应较少的油量改变量;而在较高的速度下操纵,可以让单位加速踏板位移量对应较多的油量改变量。另外,由于要考虑突发性的阻力减小造成车速的自动上升,故可以采用在同一加速踏板位移下,供油量随转速上升而下降的策略,这可以增加操作上的稳定性。

⑤ 限速工况。当柴油机转速接近设定的上限时,要使每次供油量随转速上升而较大幅度地减小。这样会有效地遏制转速继续上升,使转速无法通过加速踏板的控制而继续增加。

⑥ 超速工况。这是为意外事件设置的工况。有了限速工况的制约,柴油机转速一般难以在限速之上继续上升。但如果由于外部原因(如阻力过小)造成转速达到超速转速,则超速控制策略会完全切断燃油的供给,使柴油机停止主动运行。

6)供油时机控制策略

在供油时机选择上,我们实际需求的精度要求要远远高于6°。例如:我们希望供油提前角为11°。在图2⁃12中我们可以看出,上止点对应的位置是缺齿后第11齿(从0号开始编号)的下降沿位置,供油提前角的1°,将对应第9齿后1°的位置。为了解决这一定位精度问题,我们制订如下的曲轴信号处理策略。

先确定供油提前角的11°对应第9齿整齿号,确定11°的供油提前角位置在第9齿整齿后的某一时间到达。由于整齿时都有中断处理发生,故可以准确确定时间。为确定整齿后到达供油位置的时间,设当前的平均角速度为AngleSpeed(单位是1/s)。考虑到在1个齿的短时间内,平均角速度 AngleSpeed不会发生太大变化,我们将当前平均角速度 AngleSpeed看作常数,这样可以得到曲轴转过x(在此x=1°)的时间应为:

t_A=x/(AngleSpeed×180/3.1416) (s)

前面供油驱动中介绍的dt_q1时间段,其实就对应着t_A时间段。获得t_A值后,可以用于实现较精确的供油控制。

要获得上述t_A值的前提是先得到 AngleSpeed(当前角速度)量,因此要求能够及时提供柴油机转速信号供完成上述策略计算时使用。在本小节“曲轴信号和凸轮轴信号输入策略”一段中我们介绍了按齿更新 AngleSpeed值的计算方法。用此方法求得的角速度值能够满足对供油提前角精确定位的需求。