实现预控废气再循环系统的控制方法
阅读说明：本技术 实现预控废气再循环系统的控制方法 (Control method for realizing pre-control exhaust gas recirculation system ) 是由 尹丛勃 张振东 崔兴龙 何明宇 朱海兵 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种实现预控废气再循环系统的控制方法,根据所采集的发动机转速和负荷的变化率信号,来确定下一周期预控EGR阀开度的调整量,在实际EGR阀开度的基础上增加EGR阀开度预调整量,完成对EGR阀预开度计算；当前信号采样周期内,控制器根据发动机转速、负荷以及各种修正信号确定EGR阀理想的目标开度,然后和确定的EGR阀预控制开度进行比较,基于两者的误差和误差率通过MAP查表的方式,确定PID调整参数,而非通过多次计算进行PID参数整定的方式完成对EGR开度误差的调节。通过上述预控制EGR系统可以有效解决系统瞬态响应慢的问题,有效的降低了系统的震荡和超调,提高了EGR系统的瞬态响应性。(The invention relates to a control method for realizing a pre-control exhaust gas recirculation system, which determines the adjustment quantity of the pre-control EGR valve opening in the next period according to the collected change rate signals of the engine rotating speed and the load, increases the pre-adjustment quantity of the EGR valve opening on the basis of the actual EGR valve opening, and completes the calculation of the pre-opening of the EGR valve; in the current signal sampling period, the controller determines the ideal target opening degree of the EGR valve according to the rotating speed, the load and various correction signals of the engine, then compares the target opening degree with the determined pre-control opening degree of the EGR valve, determines PID adjusting parameters in a MAP table look-up mode based on the error and the error rate of the target opening degree and the error rate of the EGR valve, and does not complete the adjustment of the EGR opening degree error in a PID parameter setting mode through multiple times of calculation. The problem of slow transient response of the system can be effectively solved by the pre-control EGR system, the oscillation and overshoot of the system are effectively reduced, and the transient response of the EGR system is improved.)
技术领域
本发明涉及一种能源再利用技术，特别涉及一种实现预控废气再循环系统的控制方法。
背景技术
EGR(Exhaust Gas Recycle)废气再循环，即将发动机排气管中的一部分废气，经过EGR系统引入进气歧管，重新和新鲜空气混合后进入气缸，由于废气具有较高的比热以及可以降低燃烧温度的特性，因此EGR系统的引进可以有效降低发动机排放中NOx的排放量。但如果实际EGR率控制不恰当的话，不但达不到降低发动机排放的效果，反而会影响发动机的动力性和燃油经济性，因此对EGR率进行准确的控制显得至关重要。针对这个问题，目前市场大多采用电控EGR系统对废气流量进行控制。
现有较成熟的电控EGR系统一般由ECU(电子控制单元)、EGR阀位置传感器、步进电机执行器、氧传感器，带复位弹簧的EGR阀等部分组成。ECU完成数据采集、工况判断、各子程序的协调、控制信号的输出等功能。传感器包括转速、加速踏板位置、冷却液温度以及进气压力等传感器。步进电机的旋转运动通过螺旋机构变成直线运动推动EGR阀与复位弹簧平衡，确定EGR阀位置。由试验得到各工况下的EGR阀位置MAP图存入ECU。在发动机运行时，由ECU根据发动机转速和负荷基本信号及温度等修正信号计算出符合当时工况的EGR阀位置，ECU将确定好的目标EGR阀开度转换为EGR电磁阀脉宽调制(PWM)信号，调节电磁阀控制信号的占空比，从而改变EGR电磁阀的开启和关闭时间，使得废气通过EGR系统流向进气管。控制逻辑如图1所示电控EGR阀驱动执行流程图。EGR阀门的实际开度通过位移传感器反馈到ECU，对于实际EGR开度与目标EGR开度存在的误差，一般采用PID进行调节来消除误差，即利用位移传感器的反馈信号对EGR阀门进行闭环控制，提高控制进度，闭环控制示意图如图2所示。
上述控制过程的废气需要经过排气管、EGR冷却器、EGR阀、压缩机后进入进气歧管，这造成废气经过的结构偏多，同时对于实际EGR阀开度与目标EGR阀开度存在的误差使用传统的PID控制会造成整定参数的计算量较复杂，并且在调整过程系统会出现超调以及震荡的现象，因此通过上述控制方式得到的实际EGR阀开度与当前的发动机运行工况所对应的理想EGR目标开度有很大的差距，EGR率的滞后很严重，会使发动机瞬态运行工况的燃油经济性以及动力性偏差，排放不理想。
发明内容
本发明是针对传统的PID控制方法在调节时变非线性的EGR系统的过程中易出现超调和震荡现象，使得EGR系统响应偏慢，造成实际EGR率控制不准的问题，提出了一种实现预控废气再循环系统的控制方法，通过发动机负荷和转速的变化率，结合时序的调整，基于当前EGR阀开度完成对发动机下一信号采样周期的的EGR阀开度的预控；对预控制确定的EGR阀的开度和下一信号采样周期发动机工况所对应的理想EGR阀开度存在的误差，采用一种MAP查表PID控制。
本发明的技术方案为：一种实现预控废气再循环系统的控制方法，具体包括如下步骤：
1)控制单元在每个采样周期采集当前节气门位置信号以及发动机转速信号进行转换计算，得到采样周期对应的两组信号：第一组信号为发动机转速信号和负荷信号；第二组信号为发动机转速变化率信号和负荷变化率信号；
2)根据当前第一组信号得到基本废气再循环阀开度，同时结合当前采集时刻的冷却液温度以及进气温度对基本废气再循环阀开度进行修正，通过查表已标定好的废气再循环阀开度脉谱图，确定当前发动机工况的目标废气再循环阀开度；
3)根据前一周期的第二组信号预测当前周期的废气再循环阀开度预控改变值，与前一周期的废气再循环阀实际开度，得到当前周期的废气再循环阀预开度；
4)将步骤2)得到的当前目标废气再循环阀开度与步骤3)得到的废气再循环阀预开度进行误差和误差率计算，如果两者不存在误差，则废气再循环阀预开度即为当前发动机运行状态的废气再循环阀开度，PID参数不需调整进行废气再循环阀开度控制；如果存在误差，根据误差和误差率，通过查表对PID参数进行调整后完成对废气再循环阀开度的调整。
本发明的有益效果在于：本发明实现预控废气再循环系统的控制方法，通过预控EGR阀开度和目标EGR阀开度存在的误差，根据误差和误差变化率通过MAP查表的方式确定PID调节的比例、积分以及微分三部分的调整系数，而不是通过传统的反复计算进行PID整定来消除误差，有效的降低了系统的震荡和超调，提高了EGR系统的瞬态响应性。
附图说明
图1为电控EGR阀驱动执行流程图；
图2为EGR电控系统闭环控制示意图；
图3为本发明实现预控废气再循环系统的控制方法操作流程图；
图4为现有EGR系统控制方法示意图；
图5为本发明实现预控废气再循环系统的控制方法示意图；
图6为本发明电控EGR系统图。
具体实施方式
如图3所示本发明实现预控废气再循环系统的控制方法操作流程图，包括如下步骤：
一、ECU控制单元将采集到的节气门位置信号以及发动机转速信号转换计算处理为两种信号：第一信号为发动机转速和负荷信号；第二信号为发动机转速和负荷变化率信号。两种信号发送时存在时序顺序，转速和负荷变化率信号相对转速和负荷信号的发送有5ms的延时；
二、第一信号发动机转速和负荷信号用于判断发动机的基本状态，同时考虑冷却液温度以及进气温度对基本EGR阀开度的修正作用，通过查表已标定好的EGR阀开度脉谱图，确定当前发动机工况的理想EGR阀开度，其作用是：和上一信号采样周期确定的EGR阀的预开度作对比；发动机转速和负荷变化率信号用于确定预控制EGR阀开度变化趋势和调整量，理想的预控EGR阀开度调整量通过已标定好的MAP图查表确定；
三、在对当前信号采集周期的EGR阀的开度调节完成后，然后基于负荷变化率和转速变化率确定的预控制EGR阀开度的调整量，在当前周期已完成的EGR阀开度的基础上，再加上预控制EGR阀开度的调整量，完成对下一信号采集周期发动机工况所对应的EGR阀开度的预控制；
四、根据当前信号采样周期(上述步骤三此时为上一信号采样周期完成的动作)获取的负荷和转速信号判断当前的发动机运行基本状态，同时考虑冷却液温度以及进气温度的对EGR阀开度的修正作用，通过查表已标定好的理想的EGR阀开度MAP值，确定理想状态的目标EGR阀开度。
五、确定当前信号采集周期(步骤四)的目标EGR阀开度和上一信号采集周期(步骤三)的预控EGR阀开度两者之间的误差和误差率。如果两者不存在误差，则上一采样周期的预控制EGR开度即为当前发动机运行状态的EGR阀开度，PID参数不需调整进行EGR阀开度控制；如果存在误差，根据误差和误差率，通过查表对PID参数进行调整后完成对EGR阀开度的调整。
步骤五所用的MAP查表PID具体为：根据目标EGR开度与预控EGR率的开度的误差和误差率，通过MAP查表的方式，确定比例、积分、微分部分的调整系数的大小。前期通过台架试验和实车标定确定上述P、I、D三部分系数，然后以误差和误差率为因变量确定参数MAP图。通过这种MAP查表确定PID调整参数的方式，可以很好的克服传统的PID整定的计算量大，且容易出现延时、超调以及震荡的问题。其操作流程图如图3所示。
根据图3流程图，本技术方案的实施步骤详述如下:在上一信号采样周期内完成对EGR阀开度调节的基础上，根据发动机转速和负荷变化率确定当前周期的EGR阀预控开度。根据当前信号采样周期的发动机转速和负荷等信号确定当前发动机状态所对应的目标EGR阀开度，如果EGR阀预控制开度和理想EGR阀开度不存在误差，上一信号采样周期的预控EGR阀开度即为当前发动机状态所对应的的实际EGR阀开度，如果两者存在误差，则根据两者的误差和误差率，进行PID脉谱查表，直接确定比例、积分以及微分三部分的调节参数，经过PID调整后确定实际的EGR阀开度。在当前信号采样周期已经完成对EGR阀开度调节的基础上，基于当前转速和负荷变化率，通过MAP查表的方式确定EGR阀开度变化量，根据EGR阀实际开度和预控EGR阀开度调整量，完成对下一信号采样周期的EGR阀开度的预控制。
本发明的关键点在于通过计算当前发动机转速和负荷的变化率，确定EGR阀开度预控制量，下次采样信号采样还未开始之前，在当前已完成的EGR阀开度基础上增加预控EGR阀开度调整量来对下一采样周期的EGR阀开度进行预调节。计算EGR阀预控制开度和当前信号采样周期发动机状态所对应的目标EGR阀开度所存在的误差，如果不存在误差，则此时的预控EGR阀开度即为当前采样周期的EGR阀开度；如果存在误差，则根据误差和误差率，查表PID调整系数脉谱图，确定最佳调整参数，而不是经过计算进行整定，大大提高了响应速度，有效避免了系统震荡。通过上述预控制EGR系统可以有效解决系统瞬态响应慢的问题，能够快速精确的达到需求的目标EGR率，进而提高汽油机的燃油经济性以及动力性。
控制软件方面采用一种基于发动机转速和负荷变化率的预控EGR阀开度计算模块；对于误差的调整，本发明相对传统的PID控制进行了改进，基于误差和误差变化率通过MAP查表的方式直接对PID进行参数进行确定，而不是通过反复误差的计算整定，极大地减少了计算量，避免了传统的PID调节造成的系统震荡和超调等问题。本发明与现有EGR调节系统控制方案的对比图如图4，5所示，图4为现有EGR控制系统方案，图5为本发明EGR控制系统方案。
通过图4与图5两种EGR控制系统的方案的对比，本发明的优势之处在于：(1)通过上一信号采样周期的发动机转速和负荷变化率，来预测当前信号采集周期的发动机的运行状况，在上一信号采样周期的EGR阀实际开度的基础上增加预控制EGR阀开度调整量，完成对当前信号周期EGR阀开度的预控制。可以达到快速响应当前发动机所对应的理想目标EGR阀开度的目的；(2)对于预控制EGR阀开度与当前发动机所对应的理想目标EGR阀开度的误差，做以下处理：计算两者的误差和误差率，通过前期标定误差和误差率所对应的PID控制里比例、积分以及微分部分所对应的理想控制系数，完成对误差以及误差率MAP查表PID调节。通过前期参数MAP的标定，可以有效解决传统的PID调整中参数整定过程中存在的计算量大，超调以及系统震荡等问题。通过MAP查表PID的方式，可以快速消除目标EGR阀开度和预控EGR阀开度之间的误差，使EGR系统快速响应汽油机当前运行状况所对应的的目标EGR阀开度；(3)通过预控制EGR控制系统，可以有效解决EGR的瞬态响应问题，能够有效提高发动机的动力性、燃油经济性以及排放。
图6所示电控EGR系统，数据采集模块对采集的数据进行数字滤波，并对传感器的故障进行判断。控制模块根据数据采集模块处理后的数据对发动机实时工况进行判断，并查询相关的EGR阀开度脉谱图，对EGR阀目标开度和EGR阀预控开度进行计算。PID模块根据预控EGR阀开度和目标EGR阀开度进行比较，对误差进行PID调节。EGR阀驱动模块利用脉冲调制信号(PWM)通过驱动电机对EGR阀的开度进行调节。通信模块的作用是实现EGR控制模块与其他EMS(发动机管理系统)功能模块的信息交互。诊断模块的主要作用是用于诊断CAN通讯是否正常以及检测EGR阀是否出现卡顿等不正常的落座现象。