组合脉谱对发动机点火正时控制的方法

专利名称：组合脉谱对发动机点火正时控制的方法
组合脉谱对发动机点火正时控制的方法技术领域组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，属于汽车汽油发动机控制领域。
技术背景车用汽油发动机的控制主要分为点火控制和喷油器控制。在控制过程中，控制单元根据基本控制条件查控制脉谱，并且根据各传感器反映的 发动机状态条件对控制脉谱进行修正输出，控制各执行器对目标进行控制。控制分为开 环控制和闭环控制。对发动机点火正时的开环控制主要依据三个基本信号输入，即进气流量信号和节气 门信号确定的发动机负荷信号、发动机转速信号和曲轴位置信号；闭环控制是利用爆震 传感器的信号反馈对点火系统进行调节；控制过程是采用点火提前角的预控制时保留-定的爆燃安全距离法，即控制系统通过爆震传感器识别出某缸发生爆燃后，将该缸的点 火提前角推迟一定的角度(目前普遍的做法是推迟步长为3'CA)，直至没有爆燃发生；然 后再按照设定的周期恢复点火角提前(目前普遍的做法是提前步长为0. 75'CA)，直至没有 爆燃发生，则恢复到预设点火提前角。由于考虑油品质量、气候环境等因素，在台架样 机标定时都留有保守的爆燃安全距离，从而影响功率及油耗。上述控制方法在汽油发动机上得到很好的应用，但现有的脉谱控制策略对下列问题 无能为力-(1) 各传感器及执行器件的制造偏差及使用一段时间的磨损及老化引起的工作特性 改变，更换配件引起的匹配偏差等，从而使控制精度变差；(2) 环境、季节的改变，各种工作介质的的变化(如机械油的粘度改变等)、各种电 器及辅助动力的接入改装、对发动机的操控等引起的负荷变化；(3) 在台架对控制单元优化时测量仪器及处理手段引起的的测量偏差以及未曾考虑 在内的其它未知因素等；(4) 各传感器的信号传递时滞、控制单元的运算过程时滞、执行器件的运动时滞等 带来的控制实时性偏差等；(5) 爆燃安全距离和定步长调整法造成功率损失与油耗增加。以上这些因素的影响只应用台架优化的基本点火脉谱显然偏离控制目标；以各传感 器反馈的各种状态信号由于各种时滞效应只能对控制数据修正局部的偏差，而不能完全 控制目标偏差，使发动机未能达到合理的使用。 发明内容本发明要解决的技术问题是针对目前汽油发动机的控制方式所存在的问题，提供一种能在工作过程中根据发动机相关特性改变和发动机使用条件改变而自适应生成动态 脉谱参数的策略，进而提供一种与原有台架标定的脉谱参数组合控制的组合脉谱参数对 发动机控制的方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该组合脉谱对发动机点火正时控制的 方法，其特征在于包括基本脉谱参数和动态脉谱参数，基本脉谱参数是经过台架标定 或经过台架及道路参数优化标定的脉谱参数，动态点火正时脉谱参数是控制系统自学习 在线自标定和自优化生成的脉谱参数，基本点火正时脉谱参数和动态点火正时脉谱参数 构成组合脉谱参数，通过控制系统按点火正时控制策略对汽油发动机点火正时进行自适 应控制。脉谱参数的组成是不同工况分区的若干个子脉谱参数区域之和，每个区域都按该区 域的控制目标值分为闭环控制目标和开环控制区域。控制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、传感器信号、信号调 理电路、电源检测、功率驱动电路，传感器信号通过信号调理电路与微处理器相连，铁 电存储器与小脑关节控制器CMAC互联，小脑关节控制器CMAC与微处理器互联，微处理 器与功率驱动电路相连，功率驱动电路与点火模块相连。动态点火正时脉谱参数的生成方法是，根据工况条件和使用条件的变化以及发动机 自身因素变化学习生成的一系列点火正时自适应参数，该点火正时自适应参数在工作过 程中按工况依据条件变化对点火正时自适应学习和经验聚类，反复应用和实时修正而不 断刷新；动态点火正时脉谱参数的生成方法由以下几个步骤产生-a、点火正时脉谱生成区域的确定以某一工况条件下的控制点火正时的基本修正脉 谱，以及表征此刻工况条件的相关各特征信号值为数据节点，以该节点的基本修正脉谱参数y为中心值，确定Ay，对Ay的确定将考虑如下几个方面，其一是以期望点火正时 和实际点火正时偏差，其二是经选频检波的爆震信号选通概率在5%以内，其三是火焰信 号角小于一个给定的阈值；对以上三方面确定取小后，按进气压力的变化率与曲轴转角 加速度双因素拟合，确定基本参考半径，找出动态脉谱生成区域(y—Ay， y+Ay);b、 动态点火正时脉谱生成寻优区域的确定在同维空间区域利用该数据节点中表征 该工况与点火正时相关的各特征信号值的变化率大小进行动态点火正时脉谱生成趋势判定，从而判定更小的区域是在(y—Ay)还是在(y+Ay)—边，确定后以(y—Ay)或(y十 Ay)区域的中值为目标逼近后的新节点，并且以该目标为中心，确定新的逼近后的动态 点火正时脉谱生成区域，如此反复，不断逼近，直到最小的区域min(y — Ay， y + Ay) 出现，该区域为寻优区域；c、 动态点火正时脉谱的生成当表征该工况的相关各特征信号值趋近于一个近似于 零的常数e时，以及进行概率统计处理的相关特征信号的概率分布在允许的范围内，确 定min(y—Ay, y+Ay)中的中值点y ，该点即为生成的动态点火正时脉谱参数；d、 确定动态点火正时脉谱重复以上过程a-c,并且在全过程小脑关节控制器CMAC 对点火正时控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和进行经验聚类， 当相关各特征信号值的变化率e及相关特征信号的概率分布稳定在一个允许的变化范围 内时，确定该动态点火正时脉谱参数，存入铁电存储器，此时，确定的动态点火正时脉 谱参数和所对应的点火正时相关各特征信号值为一组数据节点，该节点即为动态点火正 时脉谱参数，该动态点火正时脉谱参数的集合构成动态脉谱；e、 对动态点火正时脉谱的刷新生成的动态点火正时脉谱在控制过程中，由于发动 机自身特性及使用环境改变，使其点火正时控制目标也有所变化，其所组成的数据节点 在进行a-d的过程时，当相关各特征信号值的变化率e及相关特征信号的概率分布稳定 在一个不允许的变化范围内时，重新生成新的动态点火正时脉谱参数，经小脑关节控制 器CMAC对点火正时控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和经验聚 类确定，对原来数据节点地址单元刷新；利用爆震传感器信号的发生概率分布和火焰电离传感器信号反映的火焰信号角时间 概率统计以及曲轴位置加速度等信号值的经验聚类，自适应学习生成不同工况及条件下 的动态脉谱参数。控制策略包括点火正时组合控制策略和修正控制策略或其他控制策略。 点火正时的组合控制策略和修正控制策略-a、 组作用对象作用于组合点火正时脉谱，对应于相同或非常相近的点火正时目 标查表条件，既有其本点火正时脉谱，又有生成的动态点火正时脉谱时，即作用条件是 该工况所对应的控制目标具有动态点火正时脉谱；b、 组合原则；对同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件，即数据节点既有存在于基本点火正时脉谱的，也有存在于动态点火正时脉谱的，当组成数据节点的元素中，相关各特征信号值相同而目标参数不同时，选动态点火正时脉谱参数；点火正时相关各 特征信号值不完全相同但目标参数相同时，对该不相同特征信号值分别按前一循环值与 当次循环值计算变化率，比较该变化率，取小判优，确定点火正时脉谱参数；相关各特 征信号值相同而目标参数相差较大时，取两目标中值按动态点火正时脉谱生成策略进行 逼近生成新的动态点火正时脉谱参数插入动态点火正时脉谱中；
c、 组合方法从动态点火正时脉谱中选择动态点火正时脉谱参数后，原同工况、同 条件或同工况具有非常相近的条件下的基本点火正时脉谱参数被屏蔽；动态点火正时脉 谱参数对控制目标进行控制，当被确定使用的动态点火正时脉谱参数在对点火正时目标 控制时，相关各特征信号值的变化率无法稳定在允许范围内时，放弃该动态点火正时脉 谱参数，回到该工况、该条件下的基本点火正时脉谱，应用动态点火正时脉谱生成策略 重新学习生成；
d、 以上组合作用下，通过对部分控制目标的动态点火正吋脉谱参数应用，对同一工 况，或代换一部分基本点火正时脉谱参数，或取代该工况下的全部基本点火正时脉谱；
在纠偏逼近中，使用的修正控制策略是
该修正策略由常规修正策略和小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略组成常规修正 策略是来自反映发动机工况的相关各传感器的特征信号值对基本点火正时脉谱的修正， 这一部分在常规控制方式下输出基本修正点火正时控制执行器对点火正时目标进行控 制；小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略中， 一是采用新的相关各传感器的特征信号处
理方式对不可直接测得量进行软测量方法推断，以及推断而得到软测量特征信号值对基
本点火正时脉谱进行修正；二是利用小脑关节控制器CMAC通过期望目标对实际目标进行 纠偏，并在纠偏过程中进行权值匹配而自适应学习相关各传感器的特征信号值对基本点 火正时脉谱进行修正，三是通过各传感器给出的特征信号变化率，以及软测量推定的特 征信号变化率确定逼近范围，不断按变化率逼近最小偏差范围对基本点火正时脉谱进行 修正
该修正策略由常规修正策略和小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略组成常规修正
策略是来自反映发动机工况的相关各传感器的特征信号值对基本点火正时脉谱的修正，
这一部分在常规控制方式下输出基本修正点火正时控制执行器对点火正时目标进行控
制；小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略中， 一是采用新的相关各传感器的特征信号处
理方式对不可直接测得量进行软测量方法推断以及模糊推断而得到软测量特征信号值对
基本点火正时脉谱进行修正；二是利用小脑关节控制器CMAC通过期望目标与实际目标进
行纠偏过程中进行权值匹配而自适应学习的相关各传感器的特征信号值对基本点火正时脉谱进行修正，三是通过各传感器给出的特征信号变化率，以及软测量推定的特征信号 变化率确定逼近范围，不断按变化率逼近最小偏差范围对基本点火正时脉谱进行修正。
各相关传感器信号包括油门踏板信号，发动机的曲轴位置及转速信号、上止点信号、 转矩信号、喷油脉宽信号、节气门位置信号、燃油温度信号、供电回路电压信号、水温 传感器信号、进气压力信号，空燃比信号、EGR率信号，以及爆震信号传感器和火焰电离 传感器在几个循环的概率分布之间的多因素相关拟合。
控制系统根据发动机与点火正时相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋势 对部分时滞偏差过大的控制目标进行给定点火正时期望值预测控制，同时以预测控制目 标值为数据节点，利用小脑关节控制器CMAC的自适应逼近调整能力和学习能力，降低或 消除各方面信号滞后带来的误差；
控制系统还根据发动机与点火正时相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋 势进行经济模式、动力模式、正常模式判定，在不同的控制模式下自适应选定不同的点
火正时闭环控制目标进行控制；在控制过程中，通过控制和学习交替进行，对模式目标 进行优化，并在今后的控制中依据条件的改变，不断修改和被优化；
同一工况下点火提前角有多个闭环控制目标，当条件发生变化时，控制模式也发生 改变，如经济模式和功率模式时的目标不同，控制系统根据控制策略，利用各工况条件 参数进行模式分析判定，通过选定模式而自动选定该工况下的闭环控制目标之 一进行闭 环控制。工况是指中小负荷工况、大负荷工况，起动工况、加减速工况以及怠速工况。
与现有技术相比，本发明组合脉谱对发动机点火正时控制的方法所具有的有益效果 是由于采用了以自适应学习方法合成的组合脉谱参数控制方式，使得被控系统发生改 变和未知变化对发动机的影响得到了修正，从而提高了开环控制时的控制精度和速度。 也利用动态脉谱参数的规划和生成，对闭环控制目标进行了修正和选定，改善了发动机 自身条件变化时反馈信号确定单一造成的发动机控制系统无法响应，通过自适应学习控 制产生动态脉谱参数的策略提前预测控制，最大可能的修正了各种时滞效应带来的控制 滞后，提高了控制的实时性。


图1本发明实施例的电路原理框图； 图2点火正时控制方案示意图； 图3自适应方案示意图； 图4实现控制过程程序流程框图； 图5控制系统电路原理图。图l-5是本发明的最佳实施例。其中图5中Ul微处理器、U2缓存器、U3锁相 环、U5运算放大器、U6运算放大器、U7反相器、U8门电路、U9 CAN通信接收器、 U10锁相环、Ull微处理器、U12锁存器、U13动态储存器、U14存储器、U15扩展门、 U16-U17开关量驱动器、OPl—OP3光电耦合器、Tl-T4升压器、BT1-BT4功率驱动管、 DE1-DE4稳压管、VR1-VR2可调电阻、R1—R19电阻、CI—C26电容、D1—D3 二极 管、Ql三极管、Ll-L2电感、Yl-Y2晶振、Sl开关。
具体实施例方式
实施过程
本发明提出的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法体现在常规控制器(发动机中 央控制器ECU)和小脑关节控制器CMAC根据控制策略对控制功能的实现中；以下结合附 图l-5对实施过程说明。
如图l所示控制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、传感器 信号、信号调理电路、电源检测、功率驱动电路，传感器信号通过信号调理电路与微处 理器相连，铁电存储器与小脑关节控制器CMAC互联，小脑关节控制器CMAC与微处理器 互联，微处理器与功率驱动电路相连，功率驱动电路与点火模块相连。
相关传感器信号主要包括进气压力信号、节气门位置信号、冷却水温度信号、曲 轴位置信号、喷油脉宽信号、爆震传感器信号、电压检测信号等。
微处理器由32位的CPU内核，内置常规控制器控制策略和算法、各类脉谱及其它相 关控制目标数据及通信总线处理器等。
小脑关节控制器CMAC由另一片32位微处理器为内核，与外部电路构成；其内置自适 应学习算法及控制策略，与主微处理器共同组成控制系统核心，接受外部信号变化，根 据策略及时作出决策，进行自适应学习聚类刷新动态脉谱参数，发出指令控制外部执行 机构动作和运行。
铁电存储器对系统基本点火正时脉谱参数进行备份，经自适应学习后参与工况控制后 被判定为使系统按要求稳定工作的那部分动态脉谱参数也会作为经验数据存入其中。微 处理器判定系统失控时会自动将基本固态脉谱参数从铁电存储器写入微处理器中。
电瓶电压信号通过电源检测处理后接入微处理器，电源检测及稳压电路由DC/DC转 换器、过流过压保护器、电压变化信号变送器及抗干扰电路组成。
功率驱动控制电路采用专用控制驱动芯片和外围电路，驱动点火模块等。
在这里特别说明的是，为便于区别新的控制方法，本发明将传统处理方式和方法，
如PID控制策略的使用等，均定义为常规控制器，常规控制器作为控制系统一部分，控制系统的另一部分称之为小脑关节控制器CMAC。
如图2所示控制系统根据反映转速和上止点位置的曲轴位置信号、反映负荷大小 的进气压力信号、反映空燃比状况的喷油脉宽信号、反映操纵意图的节气门位置信号和 这些信号的多因素相关性，按点火正时控制策略给出基本点火正时脉参数谱。
由于针对点火正时控制相关的工况参数在控制系统中是一个多因素相关过程，点火 正时与发动机转速、负荷、空燃比、冷却水温度、压缩比、、进气压力、燃油辛烷值、混 合气湍流程度、EGR率以及燃烧室的形状均有关系；实施控制时，控制系统采集与点火正 时相关的发动机工况参数，以及闭环控制时的爆震信号，如果有必要时，对火焰信号角(火 焰电离传感器信号)也进行概率统计处理，将有更好的效果，这是因为该传感器可表征燃 烧过程，即测定火焰前峰到达时刻，利用湍流、燃烧学的统计理论和小脑关节控制器CMAC 的软测量处理功能，推算出层流火焰传播速度，从而推算出燃烧持续角而自适应修正点 火正时脉谱参数；特别说明的是基本点火正时脉谱参数将以以上相关因素为基本条件， 通过点火控制策略分为按工况以及条件区分的经济性、动力性、排放性和综合性基本点 火正时脉谱，在控制过程中自适应选择。
常规控制器通过采集与点火正时相关的工况参数对基本点火正时脉谱进行修正输 出，其修正由相关选定开关影响，相关选定开关是针对燃油辛烷值和压縮比设置的，因 为辛烷值不同，燃烧速度也不同，压缩比不同，火焰传播距离和传播时间不同；其中， 辛烷值的选定是根据爆震信号在单位时间内的概率密度或火焰电离传感器和曲轴位置信 号加速度来确定；压縮比选定是按不同发动机的压縮比不同，通过台架试验确定一个影 响常数。特别说明的是组合脉谱参数控制策略对输入常规控制器的点火正时脉谱的作用， 在组合策略的作用下，当有合适动态脉谱参数时，根据控制的判别，当使发动机最稳定 条件时所确定的动态脉谱参数，将在该所有条件具备时，可能全部或部分取代原台架标 定的基本点火正时脉谱参数，此时点火正时控制策略通过组合策略直接将铁电存储器中 该工况、该条件下的动态脉谱参数送入常规控制器，经常规控制器修正处理输出点火正 时修正脉谱参数，该脉谱参数驱动点火控制模块(器)控制火花塞点火。
小脑关节控制器CMAC对修正的点火模块控制目标(脉谱参数)进行自适应学习和跟
踪，并根据发动机相关工况参数的变化率、爆震传感器信号的概率密度分布、火焰电离
传感器的概率密度分布、进气压力变化率、喷油脉宽变化率、节气门位置变化率、曲轴
转角加速度、着火延迟角和燃烧持续角的偏差及偏差变化率按图2和图3给出的方法，
生成点火正时动态脉谱参数，该脉谱参数经寻优条件确定后写入铁电存储器；当点火正
时控制策略判比确定应用组合脉谱参数策略时，点火正时动态脉谱参数在组合策略的作用下，与基本喷油脉谱参数合成组合脉谱参数对发动机点火控制模块(器)进行点火正时 自适应控制。
对于点火正时的自适应控制，综合火焰电离传感器的作用，在这里给出了爆震传感 器信号经选频检波器作用后按n个循环爆震发生的概率在2%-5%以内为最佳点火调整 目标阈值，爆震发生的概率超过这个阈值将延迟点火角；在这个范围内相关传感器的信 号经经验聚类判别被确定为该点火脉谱参数的最佳条件，当部分条件改变时，小脑关节 控制器CMAC将以该阈值为期望目标不断学习与控制，从而取代传统的爆震安全角距离。
如图3所示按照本发明组合脉谱对发动机点火正时控制的方法的自适应控制策略， 一但投入使用的发动机，除开始是通过经台架试验优化的基本点火正时脉谱参数工作外， 由于自适应策略的作用，不断自适应产生新的优化动态点火正时脉谱参数，因而工作一 段时间的发动机，其基本点火正时脉谱参数己或多或少发生改变，即是同时投入使用和 经过相同工作时间后的发动机，其同控制目标的基本点火正时脉谱参数也改变的不再相 同。
控制单元对点火正时系统实施控制将应用基本点火正时脉谱参数，对应于不同的工 况将给出不同的目标值，该目标值由于各种使用环境、条件、传递时滞、机构传动时滞、 特性差异等，与实际目标产生偏差；对实际目标的信号反馈，由于传感器的特性、信号 的传递时滞、信号运算处理过程的时滞等；还包括随机产生的干扰和千扰引起的器件特 性突变等；以上等等因素的存在，影响到控制的实时性和准确性，加上无法"因地制易" 调整的台架标定脉谱参数，使控制系统无法准确确定控制目标。
使用小脑关节控制器CMAC，结合传统PID控制的点火正时自适应控制策略从二方面 实施控制， 一方面针对点火提前角的偏差进行自适应控制，如通过曲轴位置信号与控制 系统点火提前角控制信号进行求偏差与求偏差变化率，求着火延迟角和燃烧持续角的偏 差，利用排气温度变化率反馈点火正时对燃烧影响，并且通过转速和节气门位置推定空 燃比，进而确定空燃比对点火正时的影响，以及进气系统引射器的作用使火焰信号角变 化推出压气机转速变化对点火正时影响等，即应用确保系统稳定并且保证点火正时目标 性能最优的自校正自适应控制(在线辨识系统)。另一方面是对某一控制目标的相关传感 器信号进行变化率和概率分布跟踪的自适应学习控制，如曲轴转角加速度，爆震及火焰 信号角的概率分布等，即采集传感器反馈量概率统计以及变化率趋势判据与系统稳定性 经验聚类逼近，以及稳定目标后的自学习生成动态点火正时脉谱对目标预测实时控制。
图3中，
(i)设被控制输出量力cy-A 2, J…)，在此条件下连续测量发动机"个工作循环的时间t,和转速信号、节气门位置信号、喷油脉宽信号、进气压力信号、爆震信号、火 焰信号角信号、大气压力信号、水温信号、燃油温度信号、EGR阀开度信号、排气温度信 号、蓄电池电压信号以及以上各信号的变化率，并特别处理火焰电离传感器和爆震传感 器信号，如根据爆震传感器信号经选频检波器作用后按n个循环爆震发生的概率在2% 5 %以内为最佳点火调整阈值，而取代传统的爆震安全角距离。 以上信号经控制系统并以以下公式
A/ W WWW
进行拟合计算处理，得到基本控制目标少，
公式中，^为基本脉谱值或传感器信号值，",为控制目标变化率或传感器信号变化
率；；,第i个循环时间；y,第i个循环的控制目标平均变化量。
(2) 通过拟合的数据再利用关系 =/^1,^， ...，^)拟合，式中，dl/dt， d2/dt,…，
dn/dt，分别为相关测值变化率；将被控制输出量改变为力UZly， " /,么， …人
(3) 设计控制律逻辑确定被控制输出量由7>/改为力之后，发动机各被测量的变化 率趋近于零，该趋近于零的值e被视为最佳条件，该条件下的目标值y被优化选出成为 新的控制目标，以及对应的査表条件改变。
力 - 力，〉0时，有Z)」-, 〉 ￡ ，则力+/ = y,Zy 6^y〉ft)。 _ jo, <0时，有4 - < ￡ ，则力〃 =力+Zy r^y〉o入 力—力-，〉^时，有& — , < f ，则力"=jo —Zly (Zy〉W。 力-力， <。时，有A - A/-, < f,则j0>, = jo -64y〉。入
(4) 以上是以发动机各相关传感器测量值及其变化矢量为反馈参数的对/进行自适 应控制的过程。该过程在"次工作循环中若使发动机平稳工作(各条件特征值参数变化不 大，即有趋近于零的G概率分布在允许的范围内)，则控制目标7被定义在(>-」》W 」W几何体区域内，得出控制目标空间区域，并对区域内不断插值逼进极小空间区域而 进行控制此时表现出的发动机各参数即为发动机最优条件参数，该条件下的目标值即 被优化选出的控制目标。此时该控制目标按规定被经验聚类写入动态脉谱参数区，该地 址若有不合条件的数据时被取代刷新。
(5) 当变化趋势在n次循环中稳定或最佳条件出现时，控制策略对控制单元及发动 机的各时滞效应将按学习的模式进行预测消除，相同事件再次发生时联想控制；工况变 化或同工况下条件变化时再按上述原则，如此反复；(6)以上过程中，n以稳定的鲁棒性为界而确定，e值为一多因素相关微小量常数。 这两个参数在台架数据时反复验证并予以确认。
如图4所示发动机进入工作时，控制系统根据不同的操作条件和各传感器的状态 信号判定发动机当前的工况类别，即基本操作条件与当前相关传感器的状态构成控制系 统选定工况的当前基本工况条件，控制系统根据上述条件确定当前工况，计算输出该工 况下的基本点火正时脉谱参数。
如果此过程有经过自适应学习生成的动态点火正时脉谱参数存在，控制系统经稳定 性优化判比，若该动态点火正时脉谱更优于基本点火正时脉谱，则输出的是新生成的动 态点火正时脉谱参数。该动态点火正时脉谱被传感器的反馈信号进行当前修正，修正后 的动态点火正时脉谱分参数通过驱动电路对各执行器进行控制，如控制点火模块以决定 点火正时；这一过程进行的同时， 一是通过各位置状态信号测量反馈上一循环的执行机 构目标定位情况，控制系统将实际目标值与输出的修正目标值计算偏差及偏差变化率输 入小脑关节控制器CMAC进行自适应权值修正，二是通过前馈方式训练和跟踪获得被控目 标逆模型，若用x(k)表示系统状态，u(k)表示控制向量时，对执行机构的控制描述为 x(k+l)=g[x(k)， x(k)];三是控制系统通过对与控制目标相关的传感器信号在规定循环 周期内算出其信号量的变化率，通过变化率确定变化趋势，以确定控制方向，通过控制 策略利用该变化趋势预测给出期望输出目标，通过与实测目标的偏差和偏差变化率计算， 各相关传感器信号的变化率计算，不断修正权值，按各变化率趋近于零的稳定性趋势， 逼近控制目标。
当系统自适应学习的经验聚类信号与基于变化率达到稳定阈值的偏差变化率最小以 及偏差最小时，该预测控制目标被确定为将要选定的动态点火正时脉谱值。该脉谱值被 送于暂存器中用于对控制目标的输出，重复前述的过程，不断计算前一循环的各相关变 化率，在当前循环中控制和学习，在下一循环中预测输出。学习与控制交替进行。
当稳定性阈值出现时，该预测控制目标的动态脉谱参数值即生成的动态点火正时脉 谱，被存入铁电存储器中，稳定性阈值出现时的各传感器信号值也同时被确定为决定该 脉谱输出的工况条件信号。同理，在条件发生变化时，重复以上过程，不断生成相对应 的动态点火正时脉谱。
在学习与控制交替进行过程中，生成的动态点火正时脉谱和生成该动态点火正时脉
谱时的各相关传感器的信号值按控制策略中的数据处理原则被聚类优化存储；优化的原
则分两个方面， 一是不断对基本工况条件和记忆的操作条件对动态点火正时脉谱值按趋
势找出寻优区域不断逼近控制，确定最优条件e出现时的数据节点，这样减少了空间占用率，同时也縮短了动态点火正时脉谱的生成周期。二是采用紧凑型地址空间存储策略， 避免多余单元重新分配地址，即采用统一地址求余运算得到训练存放权值的空间，以满 足硬件实现要求。
如以上小脑关节控制器CMC流程，对点火正时控制的工作过程。 在当前学习与控制阶段，控制系统中小脑关节控制器CMAC根据前一循环的的点火提 前角位置、曲轴转角加速度、进气压力变化率、空燃比变化率、水温及进气温度变化率， 按最小区间逼进寻优的点火提前角脉谱参数中同工况和同条件的脉谱参数值为数据节 点，与之相关传感器信号变化范围(如转速)及信号的变化率范围确定工况条件输入空间 〃《=[a，力]X [c， 根据预测目标和实际目标偏差范围及偏差变化率范围确定脉 谱参数跟踪修正空间 〃历=[e， / ] x [a力],如曲轴转角加速度在1到10，其变化 率在0到3，则标准乘积空间为〃g= [7， 70] X [ft 并选取合适的量化级数， 给出初始权系数矩阵，以当前与之相关传感器信号变化及信号的变化率和当前执行器位 置信号及信号变化率为数据节点，选取合适的参数和空间超几何体半径，根据给定的样 本找出包含该点的空间超几何体，确定选择矩阵5"，此时小脑关节控制器CMAC的输出定
义在以激活节点为中心的超几何体上的基函数线性组合，即》,=《/^^，其中
^^血g[i^,)A"),…A")X^'&' a]"是权系数向量，s =[《]为权系数选择向量，
这样对于每个样本，只需局部调整权系数即可。这样经不断学习与控制，不断重复以上 过程，学习与控制交替进行，生成符合要求的动态脉谱参数，对下一循环中点火提前角 进行预测控制，再根据爆震和火焰传导角阈值概率分布，确定输入空间，以及确定与引
射器相关的执行器调整输入空间，选择矩阵s，经过一段时间(多个循环过程)的学习经验
聚类，通过多次逼近达到了实际目标值，最大能力的消除了时滞带来的控制偏差，从而 使点火正时达到精确控制。
如图5所示微处理器Ul的31、 32脚分别与存储器U16的29、 24脚相连，40脚 通过电阻Rl接VCC高电平，通过电容Cl接地，通过开关Sl接地；微处理器Ul的73、 74脚之间接有晶振Y1，并且通过电容C2、 C3接地；
进气压力传感器的信号经过缓存器U2进入锁相环U3进行V/F转换处理后，通过光 电耦合器0P1输入到微处理器Ul的A/D 口 P50、 P51脚，供微处理器Ul进行分析计算处 理。
节气门位置信号经降压后输入到运算放大器U5放大处理后，输入到微处理器U1的 A/D 口P46脚，供微处理器U1进行分析计算处理。爆震的信号通过由运算放大器U6及其外围电路组成的信号选频放大电路进行放大 处理后，输入到由运算放大器U6E组成的检波电路，检波器的输出信号经过一个非门缓冲 后输入微处理器U1的P16脚，供微处理器U1进行分析计算处理。
反相器U7和门电路U8组成喷油信号脉冲鉴宽电路；喷油信号输入到微处理器U 1的 INTP0 口P01脚，供微处理器U1进行分析计算处理。
曲轴位置传感器信号输入到磁变换器U9进行转换处理后，输入到微处理器U1的A/D 口 P57脚，供微处理器Ul进行分析计算处理。
电源通过由锁相环U10组成的电源检测电路处理后，通过光电耦合器OP3输入微 处理器U1的P26脚，实时检测电瓶电压量，为系统提供可靠性稳压直流电源。
微处理器Ull、锁存器U12、动态储存器U13构成小脑关节控制器CMAC，在微 处理器Ul的控制下，依据内置控制策略自适应学习，并对受空燃比目标值进行调节逼近； 动态储存器U19是闪存存储器，其对类聚调节参数进行刷新存储，在微处理器U17的控 制下参与新工况下的控制器控制。
由扩展口 U15和存储器U14构成预备扩展闪存器，存储系统脉谱MAP数据。
微处理器Ul利用其I/O端口 P30-P37，通过开关量驱动器U16、 U17对点火信号进 行采集与反馈分析判比处理后，通过功率驱动管BT1 -BT4对发动机的点火进行实时控 制。
权利要求
1、组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于包括基本点火正时脉谱参数和动态点火正时脉谱参数，基本点火正时脉谱参数是经过台架标定或经过台架及道路参数优化标定的脉谱参数，动态点火正时脉谱参数是控制系统自学习在线自标定和自优化生成的脉谱参数，基本点火正时脉谱参数和动态点火正时脉谱参数构成组合脉谱参数，通过控制系统按点火正时控制策略对汽油发动机点火正时进行自适应控制。
2、 根据权利要求1所述的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于点 火正时脉谱参数的组成是不同工况分区的若干个子脉谱参数区域之和，每个区域都按该 区域的控制目标值分为闭环控制目标和开环控制区域。
3、 根据权利要求1所述的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于控 制系统包括微处理器、小脑关节控制器CMAC、铁电存储器、传感器信号、信号调理电路、 电源检测、功率驱动电路，传感器信号通过信号调理电路与微处理器相连，铁电存储器与小脑关节控制器CMAC互联，小脑关节控制器CMAC与微处理器互联，微处理器与功率 驱动电路相连，功率驱动电路与点火模块相连。
4、 根据权利要求1所述的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于动态点火正时脉谱参数的生成方法是，根据工况条件和使用条件的变化以及发动机自身沐J 素变化学习生成的一系列点火正时自适应参数，该点火正时自适应参数在工作过程中按工况依据条件变化对点火正时自适应学习和经验聚类，反复应用和实时修正而不断刷新； 动态点火正时脉谱参数的生成方法由以下几个步骤产生a、 点火正时脉谱生成区域的确定以某一工况条件下的控制点火正时的基本修正脉 谱，以及表征此刻工况条件的相关各特征信号值为数据节点，以该节点的基本修正脉谱参数y为中心值，确定Ay，对Ay的确定将考虑如下几个方面，其一是以期望点火正时 和实际点火正时偏差，其二是经选频检波的爆震信号选通概率在5%以内，其三是火焰信 号角小于一个给定的阈值；对以上三方面确定取小后，按进气压力的变化率与曲轴转角 加速度双因素拟合，确定基本参考半径，找出动态脉谱生成区域(y—Ay， y+Ay);b、 动态点火正时脉谱生成寻优区域的确定在同维空间区域利用该数据节点中表征 该工况与点火正时相关的各特征信号值的变化率大小进行动态点火正时脉谱生成趋势判 定，从而判定更小的区域是在(y-Ay)还是在(y+Ay)—边，确定后以(y—Ay)或(y + Ay)区域的中值为目标逼近后的新节点，并且以该目标为中心，确定新的逼近后的动态点火正时脉谱生成区域，如此反复，不断逼近，直到最小的区域min(y — Ay， y + Ay) 出现，该区域为寻优区域；c、 动态点火正时脉谱的生成当表征该工况的相关各特征信号值趋近于一个近似于 零的常数e时，以及进行概率统计处理的相关特征信号的概率分布在允许的范围内，确 定min(y—Ay， y+厶y)中的中值点y ，该点即为生成的动态点火正时脉谱参数；d、 确定动态点火正时脉谱重复以上过程a-c，并且在全过程小脑关节控制器CMAC 对点火正时控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和进行经验聚类， 当相关各特征信号值的变化率e及相关特征信号的概率分布稳定在一个允许的变化范围 内时，确定该动态点火正时脉谱参数，存入铁电存储器，此时，确定的动态点火正时脉 谱参数和所对应的点火正时相关各特征信号值为一组数据节点，该节点即为动态点火正 时脉谱参数，该动态点火正时脉谱参数的集合构成动态脉谱；e、 对动态点火正时脉谱的刷新生成的动态点火正时脉谱在控制过程中，由于发动 机自身特性及使用环境改变，使其点火正时控制目标也有所变化，其所组成的数据节点 在进行a-d的过程时，当相关各特征信号值的变化率e及相关特征信号的概率分布稳定 在一个不允许的变化范围内时，重新生成新的动态点火正时脉谱参数，经小脑关节控制 器CMAC对点火正时控制目标进行自适应学习和跟踪，以及对偏差进行逼近调整和经验聚 类确定，对原来数据节点地址单元刷新；利用爆震传感器信号的发生概率分布和火焰电离传感器信号反映的火焰信号角时间 概率统计以及曲轴位置加速度等信号值的经验聚类，自适应学习生成不同工况及条件下 的动态脉谱参数。
5、 根据权利要求l所述的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于控 制策略包括点火正时组合控制策略和修正控制策略或其他控制策略。
6、 根据权利要求5所述的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于点 火正时的组合控制策略和修正控制策略点火正时的组合控制策略和修正控制策略a、 组合作用对象作用于组合点火正时脉谱，对应于相同或非常相近的点火正时目 标査表条件，既有其本点火正时脉谱，又有生成的动态点火正时脉谱时，即作用条件是 该工况所对应的控制目标具有动态点火正时脉谱；b、 组合原则；对同工况、同条件或同工况具有非常相近的条件，即数据节点既有存在于基本点火正时脉谱的，也有存在于动态点火正时脉谱的，当组成数据节点的元素中，相关各特征信号值相同而目标参数不同时，选动态点火正时脉谱参数；点火正时相关各特征信号值不完全相同但目标参数相同时，对该不相同特征信号值分别按前一循环值与 当次循环值计算变化率，比较该变化率，取小判优，确定点火正时组合脉谱参数；相关 各特征信号值相同而目标参数相差较大时，取两目标中值按动态点火正时脉谱生成策略 进行逼近生成新的动态点火正时脉谱参数插入动态点火正时脉谱中；c、 组合方法从动态点火正时脉谱中选择动态点火正时脉谱参数后，原同工况、同 条件或同工况具有非常相近的条件下的基本点火正时脉谱参数被屏蔽；动态点火正时脉 谱参数对控制目标进行控制，当被确定使用的动态点火正时脉谱参数在对点火正时目标 控制时，相关各特征信号值的变化率无法稳定在允许范围内时，放弃该动态点火正时脉 谱参数，回到该工况、该条件下的基本点火正时脉谱，应用动态点火正时脉谱生成策略 重新学习生成；d、 以上组合作用下，通过对部分控制目标的动态点火正时脉谱参数应用，对同一工 况，或代换一部分基本点火正时脉谱参数，或取代该工况下的全部基本点火正时脉谱；在纠偏逼近中，使用的修正控制策略是该修正策略由常规修正策略和小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略组成常规修正 策略是来自反映发动机工况的相关各传感器的特征信号值对基本点火正时脉谱的修正， 这一部分在常规控制方式下输出基本修正点火正时控制执行器对点火正时目标进行控制；小脑关节控制器CMAC的逼近修正策略中， 一是采用新的相关各传感器的特征信号处理方式对不可直接测得量进行软测量方法推断，以及推断而得到软测量特征信号值对基本点火正时脉谱进行修正；二是利用小脑关节控制器CMAC通过期望目标对实际目标进行 纠偏，并在纠偏过程中进行权值匹配而自适应学习相关各传感器的特征信号值对基本点 火正时脉谱进行修正，三是通过各传感器给出的特征信号变化率，以及软测量推定的特 征信号变化率确定逼近范围，不断按变化率逼近最小偏差范围对基本点火正时脉谱进行 修正。
7、 根据权利要求6所述的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于各相关传感器信号包括油门踏板信号，发动机的曲轴位置及转速信号、上止点信号、转矩 信号、喷油脉宽信号、节气门位置信号、燃油温度信号、供电回路电压信号、水温传感器信号、进气压力信号，空燃比信号、EGR率信号，以及爆震信号传感器和火焰电离传感 器在几个循环的概率分布之间的多因素相关拟合。
8、 根据权利要求6所述的组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，其特征在于控 制系统根据发动机与点火正时相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋势对部分 时滞偏差过大的控制目标进行给定点火正时期望值预测控制，同时以预测控制目标值为数据节点，利用小脑关节控制器CMAC的自适应逼近调整能力和学习能力，降低或消除各 方面信号滞后带来的误差；控制系统还根据发动机与点火正时相关各传感器的特征信号变化率判定工况变化趋 势进行经济模式、动力模式、正常模式判定，在不同的控制模式下自适应选定不同的点火正时闭环控制目标进行控制；在控制过程中，通过控制和学习交替进行，对模式目标 进行优化，并在今后的控制中依据条件的改变，不断修改和被优化-,同一工况下点火提前角有多个闭环控制目标，当条件发生变化时，控制模式也发生 改变，如经济模式和功率模式时的目标不同，控制系统根据控制策略，利用各工况条件 参数进行模式分析判定，通过选定模式而自动选定该工况下的闭环控制目标之一进行闭 环控制。
全文摘要
组合脉谱对发动机点火正时控制的方法，属于汽车汽油发动机控制领域。包括基本点火正时脉谱参数和动态点火正时脉谱参数，基本点火正时脉谱参数是经过台架标定或经过台架及道路参数优化标定的脉谱参数，动态点火正时脉谱参数是控制系统自学习在线自标定和自优化生成的脉谱参数，基本点火正时脉谱参数和动态点火正时脉谱参数构成组合脉谱参数，通过控制系统按点火正时控制策略对汽油发动机点火正时进行自适应控制。由于采用了以自适应学习方法合成的组合脉谱控制方式，使得被控系统发生改变和未知变化对发动机的影响得到了修正，从而提高了开环控制时的控制精度和速度。提高了控制的实时性。
文档编号F02P5/15GK101285446SQ20071030191
公开日2008年10月15日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年4月9日
发明者宫春勇, 华 赵, 高小群 申请人:山东申普汽车控制技术有限公司