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文/甲瑞说
编辑/甲瑞说
扭矩是动力传动系统中的一项基本状态变量。动力传动的运动控制质量高度依赖于扭矩生成的准确性和动力学。通过打开或关闭节气门来调节气体流量是控制汽油燃烧发动机扭矩的传统方式。
除了节气门和提前角，现代发动机还可以通过直接控制混合物或间接影响能量效率来控制扭矩。协调这些扭矩控制变量是电子控制单元的主要任务之一。
除了产生驱动扭矩外，还必须考虑其他目标。大量的变量和子过程之间的显著非线性或相互关联使得通过传统的基于映射的控制方法越来越难以满足控制质量要求。因此，对发动机控制新方法的研究是一个重要的研究领域。
在这种方法中，我们使用替代变量代替真实的物理控制变量来控制发动机扭矩。这些替代变量被用作辅助控制系统的设定点。它们可以看作是相对于扭矩最大值的扭矩差异。这种方法的一个优点是我们可以用线性模型来描述受控子系统。
因此，我们可以使用标准设计方法来构建扭矩控制器。当然，我们必须考虑变量约束。由于线性化，所得到的控制结构可以用于传统的控制器硬件。对于上位控制器，使用基于状态空间模型的模型预测控制器，因为这种控制方法可以考虑约束条件，以及设定点和干扰过程。
过程和扭矩生成 燃烧和控制变量，汽油发动机在压力/容积图中的四个循环。平均发动机扭矩是由图中两个封闭区域的能量差解释的。 较大的区域描述了压力和容积在压缩和燃烧过程中的关系。较小的区域表示充气循环。
为了获得良好的效率，上部区域应尽可能大，下部区域应尽量小。在理论上，最佳效率由恒容循环所代表。
发动机的最大扭矩基本上取决于在充气循环期间进入燃烧室的新鲜空气质量。通过注入适当的燃油量，可以调整所需的空气/燃料混合物。空气燃料比称为λ值。如果新鲜空气的质量与燃料的质量相等，则λ值为1。
由于多种原因，在燃烧循环期间实际上永远不会完全燃烧。因此，在循环之后，仍然会有一些新鲜空气和未反应的燃料颗粒。通过增加燃料质量可以实现更完全的空气反应。
这导致提供燃油并因此增加潜在的发动机扭矩。最大扭矩在大约λ=0.9时达到。如果λ值增加，扭矩将逐渐减小。因此，可以通过调节燃油来实现直喷发动机的快速扭矩变化。λ的最大值受到混合物可燃性的限制。
目前，由于尾气后处理，大多数汽油发动机要求λ=1。然而，在特殊要求的情况下，可以暂时改变λ值。
除了空气和燃料外，扭矩可以通过许多其他变量来控制，比如提前角或由废气循环系统调整的剩余废气量。对于涡轮增压发动机，空气流量除了取决于节气门位置外，还取决于涡轮增压器的压力，这可以通过压缩机或废气涡轮来控制。
压力增压导致燃烧室内最大空气质量增加，从而使最大扭矩增加，即使发动机的排量较小。 由于空气系统的质量惯性，直到达到所需增压压力为止，需要一定的时间。
涡轮增压过程的能量来自燃气流，这引起了扭矩负载，可能导致非最小相系统行为。 除了上述考虑的变量之外，还有其他可想象的影响扭矩的变量。 此外，发动机的总扭矩可以通过协调负载控制来影响。
例如，可以通过负载电动发电机来产生负的驱动扭矩。反过来，可以通过突然解除负载来产生快速的正差异扭矩。这种扭矩变化比通过节气门控制快得多。 在混合动力车辆中，我们有许多额外的控制变量和可用于扭矩控制的参数。
有关内燃机构造和功能的更多细节可参考Schäfer和Basshuysen 2002，Guzella和Onder 2004以及Pulkrabeck 2004的描述。
对于控制工程目的，汽油发动机的扭矩产生过程是多变量和非线性的。它具有大量的输入变量，一个主要的被控变量以及一些其他的控制目标，比如与排放和效率有关的燃烧质量。
不同子系统的动态行为产生了进一步的问题，特别是对于控制算法的实施而言。例如，通过调节提前角可以快速改变扭矩。通常，为了获得最佳效率，我们使用导致最佳效率的提前角。
然而，为了实现最快速的扭矩降低，降低效率可能是有帮助的，这样引擎的扭矩就可以通过提前角得到很好的调控。快速的扭矩降低在换挡操作时是必要的。在怠速控制模式下，快速的扭矩干预可以增强闭环的稳定性和动态特性。
快速的负载变化也需要产生快速的扭矩变化。在许多情况下，子过程的动态取决于发动机转速和负载。扭矩控制器使用快速还是缓慢的控制变量取决于动态性、效率和排放要求。大多数时候，操纵变量的范围是有限的。
在通常使用的“最佳效率”模式下，我们只能通过提前角来降低扭矩。对于特殊情况，控制器会选择一个协调的永久偏移量来确定最优提前角。因此，存在一个“增压储备”用于快速提升扭矩。
由于效率的原因，这种扭矩差异尽可能小，并且我们对控制变量有一个强烈的正边界。这应该在控制方法中予以考虑。
发动机扭矩控制是一个复杂的多变量问题。除了扭矩外，我们还必须控制其他变量，如λ值、效率、废气再循环等。子过程是时变、非线性和耦合的。控制变量具有较强的边界特性。
正如前面提到的，发动机扭矩主要取决于新鲜空气质量，作为最大燃油质量的基础。传统上，空气质量通过进气口内的节气门进行控制。在增压发动机中，节气门前的压力可以通过涡轮增压器或压缩机进行控制。
增压的结果是燃烧室内的新鲜空气质量最大。这带来了一些好处。除了节气门或增压压力，空气质量流量也可以通过进气阀的可变冲程来控制。 直接使用空气系统的所有变量进行扭矩控制并不明智。
对于扭矩的产生，汽缸内的空气质量非常重要。因此，更明智的做法是将新鲜空气质量的设定点作为扭矩控制器的输入。这可以通过上述控制变量以及前述的子控制系统来实现。
该方法的一个优点是，子控制系统通常包括用于线性化空气系统的措施。此外，在这种方式下处理边界也更加简单。
通过可变操作进出气门，可以安排在充气周期同时打开两个气门。因此，除了新鲜空气外，一些废气也保留在燃烧室中。这对于燃烧和排放是有利的。在进气门重叠期的情况下，相同质量的新鲜空气需要较为开启的节气门。
这是另一个好处，因为节气门引起的浪费减少了。EGR还可以通过外部回流回路实现。在这里，我们只考虑内部EGR的情况。EGR引起了新鲜空气期望设定值的偏差。这个偏差通常会通过节气门上的控制器进行校正。
正如前面提到的，这种校正相对较慢。如果进气阀的机制允许快速切换，我们可以实现快速的扭矩调整，因为通过进气阀的空气质量变化是即时发生的。
发动机效率的一个重要参数是燃烧的开始时刻。这个时刻主要取决于提前角度。导致最佳效率的点火角度被称为优化提前角度。它取决于发动机转速和混合物的数量。提前角度的延迟导致效率降低和发动机扭矩减小。
提前角度和扭矩之间的关系是非线性的，燃油的数量对于扭矩的产生具有显著影响。正如前面提到的，可以通过lambda来调整扭矩。对于直接喷射概念，如果改变lambda，则扭矩会立即变化。
对于lambda等于1的发动机概念，通过lambda进行扭矩控制是有限的。 其他变量 混合物的质量也影响效率，从而影响扭矩。对于混合物的质量，有几个构造参数很重要。此外，混合物的质量取决于可调节的变量，例如燃油压力，喷射时机或进气阀的位置。
这些参数的设定点主要是为了获得最佳的混合物效率。影响能量转换和扭矩产生的主要变量 从目前的解释中，我们可以得出用于扭矩控制的适当变量：汽缸内的新鲜空气质量，燃油通过喷射阀进行调整，内部废气再循环所有变量都有界限。
为了简化扭矩控制问题，将过程分成几个子控制电路是明智的。以下解释针对具有增压、内部废气再循环、直接喷射和均匀运行的汽油发动机。 最复杂的问题是设计用于新鲜空气控制的子控制系统。
由于新鲜空气和废气再循环之间的强连接，同时在一个子系统中控制它们是有意义的。控制系统必须考虑或补偿许多影响和非线性依赖性。 主要任务是控制充气周期内达到燃烧室的新鲜空气质量和期望的废气量。
控制系统应该抑制扰动并很好地调整新的设定值。另一个要求是控制电路的完整性应该能够用线性模型来描述。 对于控制结构，我们提议使用参考模型控制器。这个控制结构的目标之一是实现电路的期望动态行为。
这种简化建模的要求在这种方式下是隐含的。非线性效应可以通过适当的反向模型来补偿。
在上面解释的方法中，新鲜空气质量被用作主要的控制变量。根据这个空气质量，扭矩的最大可能值为大约λ = 0.9。在修改废气比例的情况下，我们只考虑对新鲜空气的影响，忽略对燃烧质量的影响。增加废气比例会导致新鲜空气减少，从而降低扭矩。
这种影响通过一个特殊的控制器进行补偿，使得废气再循环对发动机扭矩的作用类似于高通滤波器的特性。如果废气再循环对新鲜空气的作用效果比通过节气门更快，那么就可以实现扭矩的快速变化。
对于通过提前角度进行扭矩操纵，不需要使用反馈系统。发动机效率的影响可以通过特性曲线建模。因此，对于这个控制路径，前馈控制是适当的。对于lambda也可以得出同样的结论。
第二级控制系统：通过上述子控制系统，可以确定扭矩控制系统的操纵变量。主要变量是新鲜空气质量、废气、提前角度和lambda的设定值。扭矩和这些变量之间的关系是非线性的。
跟踪扭矩的控制器也必须是非线性的，控制器设计可能会很困难。一种更方便的方法是先通过静态函数对子控制系统进行线性化。在描述的控制方法中，控制变量被一系列部分扭矩设定值替代。
这些部分扭矩代表了所使用的控制变量对整个发动机扭矩的影响。所要控制的系统的整体行为是线性的。
基本控制变量是给定新鲜空气质量下的理论最大扭矩。其他变量可以看作是与参考点的期望扭矩差异。这意味着如果所有的增量变量都设为零，发动机应该产生给定新鲜空气质量下的最大扭矩。
这些差异变量既是扭矩的操纵变量，也是要控制的变量。通过这种方式，可以调整其他静态设定值，例如lambda、剩余废气或提前角度。
从上面的解释中，我们可以得出整个控制结构。扭矩控制器的控制对象包括子控制系统和静态线性化系统。整个系统可以用线性多变量模型描述。只需考虑输入变量的界限。控制对象的输出是发动机扭矩和差异变量。
对于其他情况，时间可能不那么重要，希望以最少的燃油消耗实现所需的扭矩。控制系统应该能够满足所有不同的要求。控制变量并非始终可用。通常，控制变量的范围是有界的。有时它们可能与设定值没有区别。扭矩控制器应该考虑这些界限的可变性。
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