2.3.3　柴油機(jī)的控制策略

(1)控制策略的含義

在自動(dòng)控制領(lǐng)域中,針對任何一個(gè)受控對象,都會(huì)有相應(yīng)的控制目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這些控制目標(biāo),必須有對應(yīng)的控制方法。這些控制方法總的集合被稱為控制策略。

在前文的敘述中,我們已了解到電控柴油機(jī)的一些執(zhí)行器,其中最重要的是電控燃油系統(tǒng)。對這些執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)有效的控制,是使柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)正常工作、發(fā)揮最大效能、保持最小油耗、獲得最佳排放效果的必要條件。針對任何一種控制需求,必須制訂對應(yīng)的控制策略。

在ECU軟件工程中提到的控制策略,常包含著更廣的含義。我們常將處理任何一種通過控制過程實(shí)現(xiàn)的信號(hào)采集、處理、控制輸出的方法統(tǒng)稱為控制策略。因此,可將控制策略理解為ECU軟件為實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)工作(信號(hào)采集、處理、控制)而制訂的具體方法。對于電控柴油機(jī)的控制策略,可以做以下區(qū)別:

1)結(jié)構(gòu)設(shè)置策略

結(jié)構(gòu)設(shè)置策略是與柴油機(jī)結(jié)構(gòu)布局設(shè)置有關(guān)的方法和規(guī)劃。例如:對于曲軸的信號(hào)齒,必須考慮它的結(jié)構(gòu)設(shè)置。前面介紹的60-2曲軸齒、4+1凸輪軸齒的設(shè)置就是一種使用較多的結(jié)構(gòu)。不同的選擇將有不同的使用結(jié)果。有的電控發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸信號(hào)齒在一個(gè)循環(huán)內(nèi)只產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào),我們稱單齒信號(hào)結(jié)構(gòu)。

如果將前面所提到“60-2”與“4+1”相配合,可以使柴油機(jī)不僅可依靠曲軸和凸輪軸信號(hào)的配合實(shí)現(xiàn)正常工作邏輯,而且僅依靠凸輪也能使柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)較正常的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)在曲軸信號(hào)故障時(shí)“緩慢回家”。而單齒信號(hào)凸輪則難以實(shí)現(xiàn)這一功能。盡管這一功能并不是車輛必需的,但從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮清楚其對功能的影響是很重要的,避免到了后期實(shí)現(xiàn)時(shí)受到限制。從前面對于“60-2”與“4+1”結(jié)構(gòu)的介紹中可以看出,由于曲軸信號(hào)每循環(huán)內(nèi)重復(fù)兩次,即使用有缺齒的信號(hào)輪,也無法通過曲軸信號(hào)實(shí)現(xiàn)對相位的確認(rèn)。凸輪軸周內(nèi)只轉(zhuǎn)一圈,通過凸輪齒上的特征位置可以確定相位起點(diǎn)。

凸輪軸信號(hào)輪一般都較小,不易在凸輪軸信號(hào)輪上布置太多的齒,因此常用的方法是通過凸輪齒上的特征確定曲軸相位的起點(diǎn),而由曲軸齒計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)對相位的較準(zhǔn)確定位。了解了這一點(diǎn)后,也可以在對曲軸齒和凸輪軸齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用不同的策略。例如:在曲軸信號(hào)輪上不設(shè)置缺齒,這樣可以簡化加工工藝。但這樣在曲軸和凸輪軸的信號(hào)波形上就不易判別工作相位的正確與否,只能完全靠設(shè)計(jì)和安裝的正確性來保證。另外,一種結(jié)構(gòu)布局策略還要影響相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方案,需要細(xì)致地加以規(guī)劃。

對于常用的60-2這種帶有缺齒的方案,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意:曲軸缺齒的安裝位置要保證當(dāng)缺齒通過傳感器時(shí),所有氣缸都不會(huì)處在供油位置區(qū)域。這是由于在缺齒位置時(shí)無法對供油時(shí)機(jī)做精確定位,因此無法滿足供油定位需求。

2)信號(hào)傳感器設(shè)置策略

為柴油機(jī)控制提供一種外界輸入信號(hào),就必須設(shè)置對應(yīng)的傳感器。在電控柴油機(jī)基礎(chǔ)模型EDBM中設(shè)置了以下傳感器:

① 曲軸轉(zhuǎn)角傳感器和凸輪軸轉(zhuǎn)角傳感器。設(shè)置這兩個(gè)傳感器的共同作用是通過它們提供的信號(hào),獲得柴油機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、相位數(shù)據(jù)和角加速度數(shù)據(jù)。

② 進(jìn)氣溫度壓力傳感器。設(shè)置這個(gè)傳感器的目標(biāo)是獲得進(jìn)氣溫度和壓力數(shù)據(jù),通過結(jié)合氣缸容積完成熱力學(xué)計(jì)算,獲得氣缸的進(jìn)氣量。這一進(jìn)氣量是控制每缸每循環(huán)最大允許供油量的基本依據(jù),可實(shí)現(xiàn)避免柴油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生黑煙。用一個(gè)進(jìn)氣流量傳感器也能取得同樣的效果。但進(jìn)氣流量傳感器的價(jià)格遠(yuǎn)高于進(jìn)氣溫度壓力傳感器,因此一般較少采用。

③ 冷卻液溫度傳感器。冷卻液溫度指標(biāo)可表達(dá)當(dāng)前的柴油機(jī)熱狀態(tài),根據(jù)柴油機(jī)熱狀態(tài)可設(shè)置不同的怠速目標(biāo)和對供油量、供油提前角做不同的調(diào)整。這些都會(huì)決定柴油機(jī)運(yùn)行質(zhì)量的細(xì)節(jié)。

④ 燃油溫度傳感器。在電控單體泵系統(tǒng)和電控分配泵系統(tǒng)中都配有這一傳感器。這是由于當(dāng)燃油溫度升高后油泵的有效供油行程會(huì)下降。因此,需要根據(jù)燃油溫度做一定量的補(bǔ)償。

⑤ 軌壓傳感器。在共軌系統(tǒng)中設(shè)置這一傳感器,用于結(jié)合供油時(shí)間,確定供油量。

⑥ 加速踏板傳感器。對傳統(tǒng)的柴油機(jī),加速踏板應(yīng)該屬于車輛的組成部分。但對電控柴油機(jī)來說,柴油機(jī)工作已經(jīng)密不可分地與加速踏板的動(dòng)作結(jié)合在一起,因此,應(yīng)將加速踏板看作柴油機(jī)的一個(gè)“分離的”部件。

電控柴油機(jī)設(shè)置上述傳感器,可以看成是傳感器配置策略的最基本方案。如果需要更多的性能,則必須設(shè)置更完備的傳感器策略。

如果要使用EGR部件來降低氮氧化物,則會(huì)增加EGR閥的位置傳感器。

如果要使用VNT(可調(diào)噴嘴環(huán)增壓器)設(shè)備,則會(huì)增加噴嘴環(huán)位置傳感器。

如果要引入對空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空氣壓縮機(jī)等功率設(shè)備的協(xié)調(diào)控制機(jī)制,則要分別設(shè)置對應(yīng)的開關(guān)信號(hào)傳感器。

3)信號(hào)輸入策略

這里是指各傳感器信號(hào)的輸入。傳感器信號(hào)是ECU實(shí)現(xiàn)控制的依據(jù),因此必須及時(shí)地向ECU提供最新的傳感器信號(hào)。輸入策略包括信號(hào)的輸入頻度或稱采樣頻率、輸入信號(hào)的時(shí)機(jī)選擇、輸入信號(hào)的濾波等。實(shí)際執(zhí)行時(shí)要綜合考慮信號(hào)輸入策略的影響。

信號(hào)的采樣頻率反映信號(hào)更新的速度。較高的采樣頻率可以使ECU及時(shí)得到最新的信號(hào)數(shù)據(jù)。但由于采樣操作也會(huì)占用ECU的能力資源,因此,過快的采樣頻率會(huì)無謂地耗費(fèi)ECU的能力。ECU對輸入信號(hào)的利用是間歇進(jìn)行的,如果輸入的速度快于輸入信號(hào)的利用頻度,則這種快速輸入沒有意義。

例如:對某信號(hào)數(shù)據(jù),ECU在柴油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)只利用一次,則如果安排在柴油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)輸入兩次這一數(shù)據(jù),則必將有一次還未利用就被新讀入的數(shù)據(jù)覆蓋掉,原來讀入時(shí)消耗的資源就全都浪費(fèi)了。另外,有的物理量(如冷卻液溫度、燃油溫度等)在柴油機(jī)工作時(shí)自身的變化速度不會(huì)太快,一般在以秒計(jì)的時(shí)段內(nèi)都不會(huì)發(fā)生突然的顯著變化,對于這樣的數(shù)據(jù)當(dāng)然也不需要頻繁地讀入。

輸入信號(hào)的時(shí)機(jī)選擇上也要有一定的考慮。輸入信號(hào)時(shí)要占用一定的處理器資源,而有時(shí)處理器資源必須先滿足一些最重要的處理工作。對于目前的柴油機(jī)控制而言,最重要的控制是供油控制。因此,如果考慮將信號(hào)讀入操作的時(shí)機(jī)選擇在不可能出現(xiàn)供油操作的曲軸相位區(qū)域,就可以保證對供油控制不會(huì)有影響。將信號(hào)讀入操作和后續(xù)的處理都放在處理器較空閑的時(shí)間內(nèi)做合理的分布安排,處理器的能力資源就會(huì)得到較好的利用。

對于目前實(shí)際系統(tǒng)在輸入信號(hào)采樣方面的情況的觀測告訴我們,模擬量輸入信號(hào)常會(huì)由于一些不易預(yù)知的偶然原因產(chǎn)生采樣偏差。因此要采用必要的技術(shù)手段將一些可以判知為異常的數(shù)據(jù)剔除掉,這就是數(shù)據(jù)的濾波。目前常用的方法是通過軟件處理實(shí)現(xiàn)濾波。當(dāng)然,這也會(huì)消耗一定的處理器資源。在處理這些工作時(shí)也要考慮到建立任務(wù)的時(shí)機(jī)。

以上所述的只是一般的原則。針對早期的處理器,對這些原則的把握常常能夠成為系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。但近年來由于單片機(jī)自身功能的快速發(fā)展,其處理能力越來越強(qiáng)。在控制柴油機(jī)運(yùn)行這樣的任務(wù)中,對于建立任務(wù)時(shí)機(jī)的考慮已經(jīng)不是太重要的問題了。從已經(jīng)在使用中的一些柴油機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況看,對于輸入功能的集中使用并沒有給系統(tǒng)功能帶來不利影響,而這種處理方式簡化了程序的邏輯結(jié)構(gòu),提高了軟件編制工作的效率。但適當(dāng)注意這一問題仍是有益的。

4)信號(hào)處理策略

信號(hào)的處理策略與信號(hào)的輸入策略是配合工作的。例如:柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器早期多用同步電動(dòng)機(jī)來產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)。盡管這種設(shè)備能夠直接獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),但其作用也僅限于獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。采用信號(hào)齒輪結(jié)合傳感器的方案,盡管得到的信號(hào)要經(jīng)過特定的處理過程才能得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),但是,通過不同的數(shù)據(jù)處理策略,可以得到多種轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)滿足不同的需求。如:可以求出瞬態(tài)轉(zhuǎn)速,從中可以看出轉(zhuǎn)速隨相位的波動(dòng);可按每氣缸分別計(jì)算平均轉(zhuǎn)速,從中分析出各氣缸工作的一致性;可以求出曲軸運(yùn)行的角加速度,從而解決單缸失火等運(yùn)行故障判別問題等。

對于多種由模擬信號(hào)電壓值的輸入,如冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度與壓力和燃油溫度等,輸入后表現(xiàn)為電壓值的模擬信號(hào)量被模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字量。對于目前采用的16位單片機(jī)而言,大多使用10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所獲得的數(shù)字量是一個(gè)0~1023之間的數(shù)。對于有的模擬量而言,這一轉(zhuǎn)換后的值可以直接被用于控制。例如對于加速踏板而言,可以直接利用其輸入值來完成控制。但對于大多數(shù)具有確定物理含義的信號(hào)而言,一般都采用輸入信號(hào)→對應(yīng)物理量→控制利用的策略過程。例如:先獲得冷卻液溫度的輸入信號(hào)數(shù)字量,再將這一數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值,然后將這一溫度值利用于控制過程。這種做法有兩方面的好處。一是可以得到直觀的、習(xí)慣使用的物理量值,便于調(diào)試時(shí)的決策。例如:針對50℃的冷卻液溫度,在控制上應(yīng)采取何種策略更合適?專業(yè)工程人員可以直接做出判斷。但如果只根據(jù)冷卻液溫度的數(shù)字采樣值則難以直接決策。二是有利于元件的代換。實(shí)際實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)→對應(yīng)物理量的過程時(shí),一般都采用關(guān)系脈譜的方式來計(jì)算確定。對應(yīng)一種傳感器,即有相應(yīng)的關(guān)系脈譜明確其信號(hào)量與物理量的對應(yīng)值。但對于不同產(chǎn)品型號(hào),關(guān)系脈譜是不同的。對于某一電控系統(tǒng),如果更換冷卻液溫度傳感器,只要將對應(yīng)的關(guān)系脈譜更新一下即可,其他的軟件部分都不需做任何更改。

如表2?13所示是某型冷卻液溫度傳感器用在某型ECU上關(guān)系脈譜的簡化表達(dá)。

關(guān)系脈譜是軟件系統(tǒng)的一部分,目前許多系統(tǒng)這部分是向用戶(柴油機(jī)生產(chǎn)商)開放的。柴油機(jī)生產(chǎn)商可以根據(jù)自己的實(shí)際需要采購傳感器,通過測試標(biāo)定獲得關(guān)系脈譜,然后即可在系統(tǒng)中使用這種傳感器。

(2)控制策略的實(shí)施方法

對于柴油機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)制作而言,其最基礎(chǔ)的工作就是制訂合理的、可行的控制策略;然后針對確定的控制策略編制對應(yīng)的程序算法;接著才是通過使用計(jì)算機(jī)語言編寫實(shí)際的控制程序。

1)策略制訂

制訂柴油機(jī)控制策略的前提是對柴油機(jī)的工作過程控制需求要有深入的了解。近年來,由于柴油機(jī)電控技術(shù)的普及,許多原來從事柴油機(jī)性能研究的專業(yè)人員在了解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的前提下,開始介入了柴油機(jī)電控的策略制訂工作。這促進(jìn)了柴油機(jī)電控技術(shù)的實(shí)用化。

柴油機(jī)控制策略主要需要解決以下控制問題:

① 輸入必需的信號(hào)并完成這些信號(hào)的處理,獲得綜合的控制數(shù)據(jù)。

② 定時(shí)、定位地產(chǎn)生控制動(dòng)作,主要是輸入動(dòng)作、供油動(dòng)作和其他輸出控制動(dòng)作。其中定時(shí)主要依賴于軟件中的實(shí)時(shí)中斷RmI和自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器,而定位主要依賴于曲軸中斷中的齒位并可配合時(shí)間計(jì)算來確定。

根據(jù)操作要求,對于供油的量和時(shí)機(jī)做出調(diào)節(jié)。

上述的控制問題是互相關(guān)聯(lián)的。例如:供油的量會(huì)影響到供油時(shí)機(jī)的調(diào)整。控制供油是電控系統(tǒng)最主要的任務(wù)。因此,一般先根據(jù)主要的條件(轉(zhuǎn)速、加速踏板位置)確定每次供油量,然后針對一些相對次要的條件(冷卻液溫度、燃油溫度、電源電壓、進(jìn)氣量等)對每次供油量做出補(bǔ)償或限定,再確定對應(yīng)的供油提前角。這種方法適用于大多數(shù)情況。

針對柴油機(jī)怠速時(shí)的控制有一些要特殊處理的要求。此時(shí)由于加速踏板沒有動(dòng)作,柴油機(jī)完全在自動(dòng)控制的條件下工作,要自動(dòng)地處理此時(shí)發(fā)生的一些運(yùn)行情況。例如對于目前的電控柴油機(jī)車輛,不僅需要在怠速下啟動(dòng)和行駛,還必須在怠速下滿足空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空氣壓縮機(jī)等系統(tǒng)的工作條件。因此要想滿足對怠速運(yùn)行的性能需求,就需要詳細(xì)地制訂在怠速條件下針對各種工況變化情況而采取的處理策略。

2)程序算法規(guī)劃

針對控制策略的算法規(guī)劃,是實(shí)現(xiàn)控制策略的下一步工作。算法規(guī)劃涉及對處理器資源的利用,是具體實(shí)現(xiàn)控制策略的實(shí)際步驟。由于柴油機(jī)工作過程控制決策有時(shí)涉及較多計(jì)算量,故如何在極短的時(shí)間內(nèi)完成這些計(jì)算也是算法規(guī)劃所要解決的問題。例如:在控制每次供油量時(shí),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——進(jìn)氣壓力,MPa;

　　T_k——進(jìn)氣溫度,K;

　　V_s——單缸排量,cm3;

　　ε——壓縮比,取14;

　　m——單缸進(jìn)氣量,g;

　　R——空氣氣體常數(shù),J/(kg·K);

　　α——最小過量空氣系數(shù),取1.5;

　　L——理論空燃比,g/g,取14.3;

　　gcyl——單缸每循環(huán)最大供油質(zhì)量,g;

　　γ——燃油密度,g/mm3,取0.0005g/mm3;

　　Vcyl——單缸每循環(huán)最大供油體積,mm3。

這個(gè)公式已經(jīng)能夠較好地滿足對最大供油量的限定需求,不會(huì)給動(dòng)力性帶來太多不利影響。但是,這個(gè)計(jì)算式增加了一定的計(jì)算量。在柴油機(jī)運(yùn)行的過程中,每缸工作一次都要完成這種計(jì)算會(huì)對處理器造成很大負(fù)擔(dān)。如果此類的計(jì)算負(fù)擔(dān)太大,則ECU難以完成相關(guān)的控制工作。

實(shí)際處理這類問題的算法規(guī)劃時(shí),一般都采用脈譜化的處理方式。如:針對上一問題有:gcyl=f(p_k,T_k)。對p_k和T_k按一定的間隔在其有效值范圍內(nèi)取值,然后按上式完成計(jì)算,形成gcyl的二維數(shù)據(jù)表。即:

p_k取值:p_k1,p_k2,…,p_kn

T_k取值:T_k1,T_k2,…?,T_km

而有g(shù)cyl[p_ki,T_kj]=f(p_ki,T_kj),這將會(huì)獲得n×m個(gè)gcy值,形成一個(gè)平面矩陣,對于任意的(p_k,T_k)變量值,可以用線性插值的方式求得對應(yīng)的函數(shù)值,即:

如有:p_k≤p_k≤p_ki₊₁;T_k≤T_k≤T_kj₊₁

則有:

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)

以上是較簡單的線性插值計(jì)算,對比原公式的計(jì)算量大大減少。這種方式在實(shí)現(xiàn)控制的過程中被普遍采用。

3)程序?qū)崿F(xiàn)

對于用計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)算法,是具體實(shí)現(xiàn)策略的技術(shù)手段。在這一過程中主要應(yīng)注意要充分運(yùn)用對程序的優(yōu)化和簡化,盡量減少源碼的容量,以利于在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)查表操作的功能時(shí),建立和使用公共的服務(wù)函數(shù),這樣會(huì)很大程度上減少源代碼,也有利于源碼的調(diào)試。

(3)電控柴油機(jī)常用控制策略

1)曲軸信號(hào)和凸輪軸信號(hào)輸入策略

處理曲軸齒信號(hào)和凸輪軸齒信號(hào)的基本需求是為了獲得當(dāng)前齒號(hào)。對于曲軸齒號(hào)來說從0到119的齒號(hào)可以將相位精度定位在6°范圍內(nèi)。進(jìn)一步的處理可獲得更高的位置精度或者時(shí)間精度。

利用曲軸信號(hào)脈沖的下降沿引發(fā)中斷,來使ECU捕獲發(fā)生中斷的時(shí)機(jī);通過針對缺齒部分脈沖的甄別,能夠判別齒計(jì)數(shù)的開始位置。由于缺齒位置少了2個(gè)齒,從圖2?12中可看出其對應(yīng)的脈寬是正常脈寬的3倍。

盡管這是在柴油機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的情況,但由于齒夾角只有6°,可以認(rèn)為鄰齒間轉(zhuǎn)速改變不會(huì)太大。因此可以確定以下策略:在曲軸中斷處理程序中,對每個(gè)齒的脈寬都進(jìn)行記錄。當(dāng)本次脈寬超過上次脈寬2倍時(shí),則認(rèn)為當(dāng)前齒為缺齒后第1齒,可編為0號(hào)或60號(hào)齒。由于曲軸信號(hào)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)重復(fù)兩次,圖2?12中曲軸的兩處缺齒信號(hào)是曲軸信號(hào)輪上同一處缺齒引發(fā)的。因此單靠曲軸信號(hào)盡管可以確定缺齒后第1齒,但無法確定是0號(hào)齒還是60號(hào)齒。

為了確定是0號(hào)齒還是60號(hào)齒,我們同時(shí)考慮對凸輪軸齒信號(hào)的處理。在我們的模型中,凸輪軸齒是4+1布局,其中多齒下降沿在前后兩齒下降沿的前1/4處。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),每個(gè)工作循環(huán)凸輪軸齒信號(hào)循環(huán)一次。每當(dāng)輸入口捕獲到下降沿信號(hào)時(shí),會(huì)如同曲軸信號(hào)處理那樣記錄本次信號(hào)與上次信號(hào)間的脈寬。如果發(fā)現(xiàn)本次脈寬小于上次脈寬的1/2,則判定當(dāng)前齒是多齒,齒計(jì)數(shù)不變;如果發(fā)現(xiàn)本次脈寬大于上次的2倍,則認(rèn)為當(dāng)前齒是1號(hào)齒。其他的情況齒計(jì)數(shù)加1,在配合凸輪軸計(jì)數(shù)時(shí),曲軸的0號(hào)齒可以很容易地確定:當(dāng)明確當(dāng)前曲軸齒是缺齒后第1齒時(shí),檢查當(dāng)前的凸輪齒號(hào),如果當(dāng)前凸輪齒號(hào)是2,則當(dāng)前曲軸齒號(hào)是0,否則應(yīng)是60。

通過這樣的計(jì)數(shù),相位定位可達(dá)到齒一級(jí)的精度。但是,由于在我們的模型中,每一齒的曲軸轉(zhuǎn)角為6°,也就是說,這種定位的精度不會(huì)過6°曲軸轉(zhuǎn)角。要實(shí)現(xiàn)更細(xì)的控制精度,就要考慮進(jìn)一步的策略。

通過齒計(jì)數(shù)(針對曲軸和凸輪軸信號(hào)齒)和對應(yīng)的齒脈寬,可以求得動(dòng)態(tài)的平均轉(zhuǎn)速和角速度。以計(jì)算每循環(huán)平均速度為例:使用120個(gè)元素的數(shù)組記錄每個(gè)齒對應(yīng)的脈寬,求得這些脈寬的累加和,即為曲軸轉(zhuǎn)兩圈的累計(jì)時(shí)間。由此可以算出當(dāng)前每循環(huán)平均轉(zhuǎn)速。當(dāng)計(jì)數(shù)到下一個(gè)齒的脈寬時(shí),在原來的脈寬累加和中減去原數(shù)組中對應(yīng)本齒的原脈寬值,加上本次新的本齒脈寬值,可以算出新的累加和,并得到新的每循環(huán)平均轉(zhuǎn)速。同時(shí),用新的齒脈寬值替代數(shù)組中對應(yīng)齒的脈寬值,為下一輪計(jì)算準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。以上方法稱為移動(dòng)平均計(jì)算法,用類C語言表達(dá)為:

2)輸入信號(hào)處理策略

從傳感器輸入的信號(hào)主要有開關(guān)信號(hào)和模擬信號(hào)兩類。對于開關(guān)信號(hào),在普通的自動(dòng)控制技術(shù)中一般要通過一定的延時(shí)來重復(fù)讀入,來消除由于開關(guān)振動(dòng)引起的信號(hào)抖動(dòng)。對于模擬信號(hào),則需要對輸入的信號(hào)做軟件濾波處理,通過多次采樣的結(jié)果,過濾掉其中由于偶然的信號(hào)波動(dòng)造成的無效數(shù)據(jù)。

① 信號(hào)的輸入時(shí)機(jī)。由于大多數(shù)信號(hào)都是處在動(dòng)態(tài)變化的過程中,所以需要每隔段時(shí)間就更新原來輸入的數(shù)據(jù)。對于開關(guān)信號(hào),也可以通過中斷的方式輸入,例如:一旦在輸入線上出現(xiàn)高電平就引發(fā)中斷,轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序上做對應(yīng)處理。但事實(shí)上對于目前大多數(shù)ECU中的處理器而言,有中斷功能的輸入口一般都較少,需要用于必須快速響應(yīng)的處理項(xiàng)目。而對于一般可能有的開關(guān)信號(hào)輸入,如空調(diào)開關(guān)、空氣壓縮機(jī)開關(guān)、助力轉(zhuǎn)向開關(guān)和前照燈開關(guān)等,由于需要的響應(yīng)速度都不是太快,因此都是與模擬信號(hào)的輸入方式一樣,采用定時(shí)執(zhí)行輸入口掃描的輸入操作方式來實(shí)現(xiàn)的。

在 RTI_Sub函數(shù)中加入以下代碼:

　　這一段代碼的含義,是每隔約0.5s執(zhí)行一次進(jìn)氣溫度值的輸入任務(wù)。

對于目前ECU中常用的單片機(jī),其信號(hào)采集速度是非常快的。例如:對于飛思卡爾9s12DJ256芯片而言,用于一次模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的時(shí)間只有7μs;而對開關(guān)信號(hào)的采樣時(shí)間遠(yuǎn)不到1μs。因此,在實(shí)際的ECU軟件中,可以每隔一個(gè)短時(shí)間將所有的開關(guān)信號(hào)和模擬信號(hào)統(tǒng)一輸入更新一次。常用的有兩種方法:一種是定時(shí)式;另一種是定位式。上一段代碼中反映的就是定時(shí)式的方式。無論在柴油機(jī)的任何工況下,都是每隔一固定時(shí)間輸入一次信號(hào)。這種方法簡單易行且只要ECU開始運(yùn)行信號(hào)輸入就開始工作;而定位式的方式是針對曲軸位置實(shí)現(xiàn)對輸入操作的控制,一般可以柴油機(jī)每工作循環(huán)或若干個(gè)循環(huán)采樣一次。

通過在曲軸中斷處理函數(shù)中的齒計(jì)數(shù),將輸入數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)定位在某一個(gè)齒位置。這種方法的好處是隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的上升,采樣速度也隨之同步加快,數(shù)據(jù)的更新速度與轉(zhuǎn)速的加快相適應(yīng),能夠完成更及時(shí)的控制。但這種方法顯然只是當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才有機(jī)會(huì)執(zhí)行輸入操作。而當(dāng)柴油機(jī)無轉(zhuǎn)速時(shí)則輸入數(shù)據(jù)也都不更新了,這會(huì)無法滿足啟動(dòng)過程對數(shù)據(jù)的需求。因此,在柴油機(jī)停止時(shí)不能采用這種信號(hào)輸入方式。

② 模擬信號(hào)輸入后的濾波。前面提到了由于輸入過程的不穩(wěn)定可能產(chǎn)生個(gè)別異常的信號(hào),造成模擬輸入量信號(hào)失常,這些異常的信號(hào)應(yīng)通過軟件濾波的方式去除掉。這里介紹一種常用的軟件濾波方式的算法。

設(shè)定數(shù)組變量Data[6]和Data1[6],用最初的4個(gè)輸入量填入Data[1]~Data[4],將它們的平均值填入Data[0]。然后每次輸入數(shù)據(jù)后:

a.采集新的輸入量填入Data[5],將Data數(shù)組元素對應(yīng)賦值給Data1數(shù)組元素。

b.對 Datal數(shù)組元素做排序。

c.對 Datal數(shù)組中 Datal[1]~Datal[4]求出平均值,將這一值賦給Data[0],執(zhí)行Data [2]→Data[1]、Data[3]→Data[2]、Data[4]→Data[3]、Data[5]→Data[4]。

d.將Data[0]作為本次采樣的輸出值。

由以上算法策略中可以看出,對于異常值將會(huì)在排序后被舍棄掉,不會(huì)對其后實(shí)際得到的平均輸出值有影響。

3)基本控制過程策略

在此對電控柴油機(jī)基礎(chǔ)模型EDBM的基本控制過程做一下描述。參照本章圖2?5,從主程序流程圖開始。

當(dāng)ECU加電后,軟件從主程序開始執(zhí)行。主循環(huán)開始之前,主要是先完成一些系統(tǒng)初始化功能,也會(huì)完成控制層的初始化設(shè)置,如對某些變量置初值等。當(dāng)然,也可能會(huì)有較復(fù)雜的控制任務(wù)開始執(zhí)行(例如機(jī)內(nèi)時(shí)鐘啟動(dòng)等)。在完成初始化基本設(shè)置后程序會(huì)打開各個(gè)中斷標(biāo)記(稱為開中斷),然后程序會(huì)進(jìn)入主循環(huán)部分。

在主循環(huán)中,主要是單純地重復(fù)執(zhí)行任務(wù)服務(wù)函數(shù)TS。這一函數(shù)的功能在前文已介紹。它只是使當(dāng)前任務(wù)隊(duì)列中排在最前的任務(wù)得到執(zhí)行。如果當(dāng)前沒有被激活的任務(wù),則TS什么也不做,只是做循環(huán)運(yùn)行,等待任務(wù)來臨和響應(yīng)中斷。

當(dāng)開中斷后,所有已經(jīng)設(shè)置好的中斷功能都會(huì)開始工作。這主要是實(shí)時(shí)中斷(RTI)、曲軸信號(hào)中斷、凸輪信號(hào)中斷和供油計(jì)時(shí)中斷等。但如果此時(shí)柴油機(jī)未啟動(dòng),曲軸信號(hào)等運(yùn)行中斷信號(hào)都還不會(huì)有,只有實(shí)時(shí)中斷開始工作。實(shí)時(shí)中斷中會(huì)執(zhí)行對傳感器信號(hào)輸入任務(wù)的定時(shí)激活,激活后這些信號(hào)輸入任務(wù)會(huì)在主循環(huán)中得到執(zhí)行。因此,各模擬量和開關(guān)量傳感器的信號(hào)輸入更新都開始正常實(shí)現(xiàn)了。至此我們已經(jīng)能夠獲得了動(dòng)態(tài)的冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、燃油溫度和加速踏板位置這些數(shù)據(jù)。開始啟動(dòng)后,曲軸信號(hào)中斷、凸輪信號(hào)中斷都開始發(fā)生。每發(fā)生一次這些中斷,就會(huì)進(jìn)入一次對應(yīng)的服務(wù)程序,完成對應(yīng)的工作。這些工作的完成實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo):提供了實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速值;提供了當(dāng)前的齒號(hào),而齒號(hào)從結(jié)構(gòu)上定位了柴油機(jī)的當(dāng)前相位;提供了供油控制參數(shù);還能提供更進(jìn)一步的數(shù)據(jù),如曲軸角加速度等。不過這些數(shù)據(jù)是用于更細(xì)化的控制的,對于基本的運(yùn)行控制還用不上。

當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí),按柴油機(jī)控制的需求,應(yīng)該向氣缸內(nèi)供油了。以后的工作過程都要靠供油來保證。但是,柴油機(jī)不同的運(yùn)行狀態(tài),對于供油方式的要求有很大不同。例如:啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)行目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)順利地啟動(dòng),此時(shí)加速踏板位置處在完全放開的狀態(tài);而啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)后,加速踏板如果還是處在完全放開的狀態(tài),我們一般說柴油機(jī)進(jìn)入怠速暖機(jī)過程。這時(shí)的控制目的有著不同的要求,對于供油的方式也有不同的要求;如果加速踏板被踩動(dòng),則可理解為操作者希望提供更多的油量,滿足車輛啟動(dòng)、負(fù)載增加的需求。

總之,啟動(dòng)后對供油控制的要求,必須細(xì)分為不同的情況。可以說表現(xiàn)出了柴油機(jī)控制中針對不同情況的不同要求。為了實(shí)現(xiàn)滿意的控制,目前的處理方式是將柴油機(jī)工作狀態(tài)根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行數(shù)據(jù)和加速踏板值做出判斷,將其歸入某一“工況”。而針對每個(gè)工況設(shè)置不同的控制策略通過軟件實(shí)現(xiàn)控制,以滿足各工況不同的具體控制需求。

4)工況區(qū)分策略

在我們的實(shí)例中,用全局變量A_Mode來描述柴油機(jī)工況。針對A_Mode的不同值,實(shí)施不同的控制策略。但各工況之間的轉(zhuǎn)換是有特定條件的,對柴油機(jī)的運(yùn)行工況做以下區(qū)分:

① 停止工況(stop condition)。設(shè)定 A_Mode值為0。基本描述的是柴油機(jī)停止運(yùn)行時(shí)的工況狀態(tài)。當(dāng)柴油機(jī)ECU加電后,在初始化運(yùn)行時(shí)會(huì)將A_Mode置為0。

② 啟動(dòng)工況(start condition)。設(shè)定A_Mode值為1。描述的是柴油機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的工況狀態(tài)。

③ 怠速工況(idle condition)。設(shè)定A_Mode值為2。怠速工況描述的是啟動(dòng)完成后加速踏板沒有動(dòng)作時(shí)的工況狀態(tài)。

④ 常規(guī)工況(normal condition)。設(shè)定A_Mode值為3。常規(guī)工況描述的是操作加速踏板對柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)正常工作操作的工況狀態(tài)。

⑤ 限速工況(limit condition)。設(shè)定A_Mode值為4。限速工況描述的是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入限速區(qū)后的工況狀態(tài)。

⑥ 超速工況(Overspeed Condition)。設(shè)定A_Mode值為5。超速工況描述的是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超過最高限速時(shí)的工況。

各工況之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2?16所示。

停止工況是開機(jī)后就會(huì)進(jìn)入的一個(gè)工況狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí),當(dāng)轉(zhuǎn)速的提高達(dá)到某一限定值時(shí),則會(huì)進(jìn)入啟動(dòng)工況開始供油;如果在啟動(dòng)工況時(shí)轉(zhuǎn)速下降到限定值則會(huì)回到停止工況。啟動(dòng)工況只可能由停止工況進(jìn)入,如果啟動(dòng)失敗將會(huì)回到停止工況;如果啟動(dòng)過程成功則會(huì)進(jìn)入怠速工況。

怠速工況可由啟動(dòng)工況由于啟動(dòng)成功而進(jìn)入,如果在怠速狀態(tài)下由于載荷過大造成轉(zhuǎn)速過低,則會(huì)回到停止工況;在怠速工況下如果踩下加速踏板,則會(huì)進(jìn)入常規(guī)工況;在常規(guī)工況下如果松開加速踏板,則會(huì)回到怠速工況。

常規(guī)工況可由怠速工況通過操作加速踏板而進(jìn)入。在常規(guī)工況下,如果松開加速踏板將會(huì)回到怠速工況;如果由于載荷過大造成轉(zhuǎn)速過低則會(huì)回到停止工況;如果轉(zhuǎn)速升高超過限速轉(zhuǎn)速則會(huì)進(jìn)入限速工況,在限速工況下如果轉(zhuǎn)速降低則會(huì)回到常規(guī)工況。

限速工況是為了對速度超限做限制而設(shè)置的。其基本的控制目標(biāo)是使轉(zhuǎn)速不再上升,但應(yīng)盡量保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。在常規(guī)工況下如果轉(zhuǎn)速上升超過限速轉(zhuǎn)速,則會(huì)進(jìn)入限速工況;在限速工況下如果轉(zhuǎn)速下降,則會(huì)回到常規(guī)工況。

超速工況是一種最終保護(hù)狀態(tài)。通過中斷供油避免轉(zhuǎn)速的上升。

在實(shí)際使用時(shí),還要對各工況間的轉(zhuǎn)換條件做細(xì)化的描述。另外,在實(shí)際應(yīng)用中,常常對工況的區(qū)分做更細(xì)致的處理。一般來說對工況的區(qū)分做得越細(xì)致,則對柴油機(jī)的控制策略就可能越有針對性。因此,工況區(qū)分的細(xì)致程度常可以反映策略方案的完備程度。

5)各工況處理策略

對各工況的設(shè)置和區(qū)分的目標(biāo)是針對不同工況分別制訂對應(yīng)的控制策略并在控制軟件上加以實(shí)現(xiàn)。各工況的控制策略,其控制的對象主要是供油量、供油時(shí)機(jī)和噴油規(guī)律。其控制的依據(jù)都是根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)處理所得到的工況狀態(tài)。

① 停止工況。進(jìn)入停止工況后,必須切斷供油,并重新初始化所有的供油參數(shù),為啟動(dòng)做好準(zhǔn)備。

② 啟動(dòng)工況。處于啟動(dòng)工況時(shí),主要是根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度來設(shè)置合適的每次供油量和供油提前角,滿足啟動(dòng)時(shí)對于動(dòng)力性和排煙限制的要求。另外,要設(shè)置由啟動(dòng)工況進(jìn)入怠速工況的條件(例如:連續(xù)若干次轉(zhuǎn)速測試值高于某值)。一旦條件滿足,則認(rèn)為啟動(dòng)成功,進(jìn)入怠速工況;如果連續(xù)若干次轉(zhuǎn)速測試值持續(xù)下降,則認(rèn)為啟動(dòng)操作失敗,轉(zhuǎn)為停止工況。

③ 怠速工況。怠速工況控制要滿足以下幾方面的工作目標(biāo)。

a.穩(wěn)定運(yùn)行。由于怠速工況的特征是加速踏板完全放開,因此,必須由控制系統(tǒng)自動(dòng)控制供油過程。目前一般采用在怠速下的轉(zhuǎn)速PID控制,其基本控制原理為:設(shè)定一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速,通過計(jì)算獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差分和二級(jí)差分,根據(jù)這些差分值確定對每次供油的調(diào)整量。PID的控制效果是使轉(zhuǎn)速能夠盡可能地穩(wěn)定于怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速值。

b.暖機(jī)過程。對于柴油機(jī)而言,暖機(jī)是指開機(jī)后通過在怠速下運(yùn)行一段時(shí)間來實(shí)現(xiàn)熱狀態(tài)的建立和平衡,為承受較大負(fù)載做好準(zhǔn)備的過程。對于較大型的柴油機(jī),暖機(jī)是必須嚴(yán)格執(zhí)行的操作步驟。即使是小型柴油機(jī),在嚴(yán)寒的冬季仍應(yīng)執(zhí)行暖機(jī)過程以保證設(shè)備安全。對于電控柴油機(jī)而言,一般用設(shè)定怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速的方式來控制怠速過程。當(dāng)柴油機(jī)在較冷狀態(tài)(ECU系統(tǒng)能夠從冷卻液溫度值做出判別)下啟動(dòng)后,為了能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)怠速運(yùn)行,一般都設(shè)置較高的怠速轉(zhuǎn)速目標(biāo)值。隨著冷卻液溫度的升高,可將這一怠速轉(zhuǎn)速目標(biāo)值逐步降低。最終完成暖機(jī)后,在較低的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的怠速。

c.怠速帶載。怠速下帶載的情況主要有怠速下開啟較大的功率設(shè)備(空調(diào)、空氣壓縮機(jī)、前照燈、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等)和怠速下起步。怠速下帶載也是通過PID控制來實(shí)現(xiàn)的,但是,在怠速下起步或行駛,如果載荷較大,會(huì)對PID控制的調(diào)節(jié)能力有較高的要求。為了能實(shí)現(xiàn)較大的PID調(diào)節(jié)能力,有時(shí)需要將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)高一些。

④ 常規(guī)工況。車輛正常行駛時(shí),一般多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在常規(guī)工況下。在常規(guī)工況下每次供油量將主要由操縱者通過加速踏板來控制。一般較大的加速踏板位移量對應(yīng)較大的每次供油量。但具體實(shí)現(xiàn)的加速踏板策略則會(huì)有許多細(xì)節(jié)考慮。例如:在較低的速度下操縱,要求對油量的調(diào)節(jié)比較細(xì)致,單位加速踏板位移量可對應(yīng)較少的油量改變量;而在較高的速度下操縱,可以讓單位加速踏板位移量對應(yīng)較多的油量改變量。另外,由于要考慮突發(fā)性的阻力減小造成車速的自動(dòng)上升,故可以采用在同一加速踏板位移下,供油量隨轉(zhuǎn)速上升而下降的策略,這可以增加操作上的穩(wěn)定性。

⑤ 限速工況。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速接近設(shè)定的上限時(shí),要使每次供油量隨轉(zhuǎn)速上升而較大幅度地減小。這樣會(huì)有效地遏制轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升,使轉(zhuǎn)速無法通過加速踏板的控制而繼續(xù)增加。

⑥ 超速工況。這是為意外事件設(shè)置的工況。有了限速工況的制約,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一般難以在限速之上繼續(xù)上升。但如果由于外部原因(如阻力過小)造成轉(zhuǎn)速達(dá)到超速轉(zhuǎn)速,則超速控制策略會(huì)完全切斷燃油的供給,使柴油機(jī)停止主動(dòng)運(yùn)行。

6)供油時(shí)機(jī)控制策略

在供油時(shí)機(jī)選擇上,我們實(shí)際需求的精度要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于6°。例如:我們希望供油提前角為11°。在圖2?12中我們可以看出,上止點(diǎn)對應(yīng)的位置是缺齒后第11齒(從0號(hào)開始編號(hào))的下降沿位置,供油提前角的1°,將對應(yīng)第9齒后1°的位置。為了解決這一定位精度問題,我們制訂如下的曲軸信號(hào)處理策略。

先確定供油提前角的11°對應(yīng)第9齒整齒號(hào),確定11°的供油提前角位置在第9齒整齒后的某一時(shí)間到達(dá)。由于整齒時(shí)都有中斷處理發(fā)生,故可以準(zhǔn)確確定時(shí)間。為確定整齒后到達(dá)供油位置的時(shí)間,設(shè)當(dāng)前的平均角速度為AngleSpeed(單位是1/s)。考慮到在1個(gè)齒的短時(shí)間內(nèi),平均角速度 AngleSpeed不會(huì)發(fā)生太大變化,我們將當(dāng)前平均角速度 AngleSpeed看作常數(shù),這樣可以得到曲軸轉(zhuǎn)過x(在此x=1°)的時(shí)間應(yīng)為:

t_A=x/(AngleSpeed×180/3.1416)?(s)

前面供油驅(qū)動(dòng)中介紹的dt_q1時(shí)間段,其實(shí)就對應(yīng)著t_A時(shí)間段。獲得t_A值后,可以用于實(shí)現(xiàn)較精確的供油控制。

要獲得上述t_A值的前提是先得到 AngleSpeed(當(dāng)前角速度)量,因此要求能夠及時(shí)提供柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)供完成上述策略計(jì)算時(shí)使用。在本小節(jié)“曲軸信號(hào)和凸輪軸信號(hào)輸入策略”一段中我們介紹了按齒更新 AngleSpeed值的計(jì)算方法。用此方法求得的角速度值能夠滿足對供油提前角精確定位的需求。