混合动力汽车发动机转速控制
摘要：目前，汽车电子控制系统在应用控制理论方面需要解决的难题是，进一
雷蒙罗维设计作品步将已有的控制理论应用于汽车各子系统的控制，这是解决汽车各子系统控制的主要途径。并联式混合动力汽车的控制策略是混合动力汽车研究的重点，而发动机转速控制是并联式混合动力汽车发动机和电动机协调控制的重点研究问题之一。
关键字：控制系统混合动力汽车发动机转速
发动机控制系统一般包括燃油喷射控制、点火时间控制、怠速运转控制、发动机爆燃控制、废气再循环控制、故障诊断和其它相应的控制等。在现代的发动机控制系统中.通常采用闭环控制方式，利用各种传感器来测量发动机的工况，如节气门开度、空气流量、曲轴转角或废气中的氧气含量等。这些信号随后被输送到ECU控制单元、中加以分析处理，ECU的输出信号则可以分别对喷油器、火花塞、涡轮增压器等操作进行较为精确的控制，以便将发动机的油耗、排放、噪声等控制在最佳水平上。与传统的发动机相比，节能效果在15%以上，尾气
排放污染得到了有效控制，还大大提高了汽车的动力性能和驾车的舒适性。下面着重介绍一下控制工程在混合动力汽车发动机转速控制上的应用。
并联式混合动力汽车的控制策略是混合动力汽车研究的重点，而发动机转速控制是并联式混合动力汽车发动机和电动机协调控制的重点研究问题之一。混合动力汽车具有续驶里程长，燃油经济性高，污染少等优点。为了充分发挥其优点，要保证发动机工作在最佳工况，此发动机必须具有转速控制系统，使之在负载变动的情况下仍然能使转速保持在最低油耗区不变，从而达到混合动力汽车节能减排的目的。
1．发动机转速控制策略的研究的重要性
1.1 转速控制问题的提出
自从汽车发明以后，发动机的转速控制问题一直是人们研究的主要课题之一，对于混合动力汽车也不例外。因为混合动力汽车发动机是一个非线性、时滞、时变的动力学系统，这给发动机转速的控制带来了很大的困难，另外由于汽车使用条件和环境的变化，将会带来汽车发动机的某些参数变化，同样给发动机的转速控制增加了难度。
阻尼线
1.2 转速控制的分类
发动机的转速控制主要包括怠速控制和巡航控制两个方面。
所谓怠速是指驾驶者释放加速踏板或汽车离合器分离时，发动机只维持自身以及发电机、空调压缩机等汽车附件运转的运行状态。怠速控制必须保证发动机产生的转矩与所需要的负载转矩保持平衡，在有界的外部扰动条件下维持一定的转速。在现代城市交通中，汽车在行驶过程中由于路况等原因而经常处于热机怠速工况，在此工况下汽车的燃油消耗和污染排放在总的耗油量和排放量中占有相当大的比例，而且随着未来城市交通阻塞的增加这个比例还会进一步的提高。此外，在怠速工况时由于发动机模型参数摄动、汽车负载变化和外界扰动等因素使得发动机转速出现较大的波动，不仅使发动机的油耗增大，而且导致排放质量恶
化，因此对发动机怠速控制策略研究具有及其重要的现实意义。
巡航控制实际上是一个恒速控制系统，其基本控制方式与怠速控制没有本质上的差别，所不同的是，控制器调节的不是怠速调节阀，而是控制发动机节气门。在上个世纪90年代，
人们提出了自动化高速公路的概念。其基本思想是：在高速公路上建立一定的设施(如导向磁块)，当汽车行驶上高速公路后，实现汽车高速、安全的无人驾驶，从而避免因驾驶员疲劳驾驶所引发的交通事故。要实现上述计划，首先要解决汽车速度跟踪的问题，尤其是在发动机的负载变化率较大时(如大功率空调设备启停，爬升坡度较大的路面)的发动机转速跟踪控制。
1.3 并联混合动力汽车的转速控制特点
典型的并联混合动力汽车是指发动机和电动机均可通过位于变速箱前端的转矩耦合器为整车提供动力，这种动力总成因结构紧凑，可实施性强，得到了广泛的应用，但这种结构也面临很多亟待解决的问题，其中最主要的就是发动机的转速控制问题。与传统汽车发动机调速不同的是，并联式混合动力汽车存在多种工况：包括混合驱动工况(发动机和电动机同时驱动整车运行)、行车发电工况(发动机同时驱动电机发电和整车运行)和驻车发电工况(即发动机带动主电机发电工况)，因此对其的转速控制需做如下几点考虑：
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(1)传统汽车发动机调速系统一般对突增突卸载荷的极限工况要求不高，由于混合动力汽车发动机存在各种工况，在工况切换过程中，电动机一般先切换到空载状态，这样导致发动
机负载会突然部分增大或减小，甚至全负荷突增或者突减，这样的激励对转速控制系统来说是相当严厉的，因此需加强系统突增突卸载荷的适应能力；
许渊冲(2)在驻车发电工况时，发动机转速稳定占主导地位，因此该工况需采用相应的转速控制方法，以减小因发动机转速振荡带来的舒适性恶化；
(3)并联式混合动力汽车由于增加主电动机，使系统惯性有比较明显的提高，换档过程中，在动力中断机动力恢复过程中需要尽快调整发动机转速，以减少换档时间，提高整车的动力性，因此需减少系统的响应时间。
综上所述，说明作为混合动力汽车控制问题的另一个重点，发动机转速控制策略的研究具有及其重要的现实意义。因此，本章对混合动力汽车发动机的转速控制问题进行了研究，研究多工况下发动机转速控制的基本策略，并通过相应的仿真试验，验证所提出的控制方法的可行性。
2．转速控制问题的研究现状
转速控制的主要目标是在系统具有非线性和不确定性以及外部扰动的基础上维持期望的发
动机转速。由于发动机是一个典型的非线性、时滞、时变的动力学系统，这给发动机转速控制带来了很大的困难。有关发动机的转速控制的研究已经做了大量的工作，主要集中在以下四个个方面：第一类为最优控制方法，采用Ll前馈最优控制器和LQG最优控制器，借助前馈控制器进行快速可测扰动补偿，利用后者获得良好的速度跟踪和稳态负载扰动补偿性能给出一种最优转速控制方法，该控制器在多个速度设置点都可以实现有效的转速控制。
第二类为自适应控制方法，前者采用节气阀开度作为控制输入对考虑了时延的非线性发动机模型进行怠速控制；后者设计自适应滑模怠速控制器，针对存在可测干扰噪声和模型误差的被控对象进行了转速控制。
第三类为滑模控制方法，通过非线性状态转换和局部线性化将系统模型转化为线性形式，基于可达性条件提出离散滑模控制方法应用于被控对象以获得很好的转速跟踪和抗干扰性能。将怠速控制和巡航控制看作一个问题，采用输入输出
线性化技术将非线性发动机模型转化为线性系统，然后借助滑模控制方法实现发动机的转速调节；在考虑系统参数不确定和负载转矩扰动未知的情况下，利用滑模控制方法对发动
机的怠速工况进行控制，控制结果表明该方法具备一定的鲁棒性。
第四类为智能控制方法，比如基于神经网络的控制和模糊逻辑控制方法、模糊控制方法以速度误差和速度误差的变化率作为控制器的输入，以节气阀开度和点火提前角作为控制器的输出对发动机的转速进行控制。发动机转速控制问题是一种复杂的动态非线性不确定问题。上文中提出的基于线性或非线性发动机模型的各种控制方法在一定程度上实现了转速控制目标，但是它们大多数忽略了发动机模型中进气冲程到做功冲程的时延，这在实际控制应用中是必须要考虑的。同时以上的控制方法多数仅仅以节气阀的开度作为控制输入进行转速控制，在考虑时延的情况下会引起发动机转速周期性的波动、甚至会造成停车。因此本章在考虑发动机模型中时延问题的基础上，设计一种新型的滑模控制器，以节气阀开度和点火提前角两个量作为控制信号，利用节气阀开度作为主要控制输入保证发动机稳态的扰动补偿和速度跟踪性能，借助点火提前角作为辅助控制输入来补偿发动机模型中的时延和实现瞬态的扰动补偿。灵岩山佛学院
3．混合动力汽车发动机非线性模型
用于发动机动态控制的数学模型主要有以下三种：基于观测器的模型、内燃机控制模型和
平均值内燃机模型，其中平均值模型是一种典型的面向控制分析的发动机模型，具有既可以描述发动机动态特性，又不需很大的模型运算量的特点，因而此类模型在发动机电控系统和发动机实时模拟系统的设计中得到了广泛应用。对研究对象为四缸火花点燃式汽车发动机，针对转速控制问题进行了适当的修改简化后得到发动机均值模型如图所示：该模型主要分三个动态子模型：进气歧管内空气质量流量子模型、燃油蒸气与油膜动态特性子模型以及动力输出子模型。
混合动力汽车发动机非线性模型
4．现代控制理论在汽车领域的应用
现代控制理论发展迅速，并已在汽车电子控制系统中取得了许多成功的应用。如采用可控vhdl数字电路设计教程
元件对汽车悬架系统进行控制，可获得主动悬架，这种悬架能根据车辆系统的运动状态和当前的激励大小主动作出反应，以抑制车辆的运动状态，使悬架处于最优的减振状态，以满足不同的需求。目前，汽车电子控制系统在应用控制理论方面需要解决的难题是，进一步将已有的控制理论应用于汽车各子系统的控制，这是解决汽车各子系统控制的主要途径。作为基础产业的汽车制造业，汽车电于控制技术具有举足轻重的地位，并在将来一定会取得更大的进展。
参考文献：
【1】姜久春，李景新，张欣．PHEV动力总成系统的仿真分析研究．电子测量与仪器学报．2005
【2】李国岫，李秀杰．并联式混合动力电动汽车动力总成控制策略的研究．公路交通科技．2005
【3】徐向阳，张万奎．汽车电气与电子控制技术〔M〕．北京:机械工业出版社，1999
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