用于内燃机的控制系统和控制方法以及内燃机的制作方法

用于内燃机的控制系统和控制方法以及内燃机的制作方法
【专利摘要】用于内燃机的控制系统包括主控制器(301)，所述主控制器(301)将反馈值与设定点值进行比较，并且产生主输出。所述反馈值是在所述内燃机中的过程(101)中测量的动态量的指示。次控制器(302)接收输入值，并根据传递函数产生次输出。所述输入值是影响所述过程(101)的可测量扰动的指示。组合器(303)接收所述主输出和所述次输出，并将所述主输出和所述次输出的组合作为控制信号传送给致动器(104)。所述次控制器(302)接收所述主输出或其导数，并至少部分地基于将所述主输出保持在固定值的目标来调整所述传递函数。
【专利说明】
用于内燃机的控制系统和控制方法从及内燃机
技术领域
[0001] 本发明总体设及诸如大型柴油机的内燃机的技术。具体地，本发明设及在内燃机 的操作期间利用反馈控制来控制内燃机的动态量的值的方式。
【背景技术】
[0002] 操作诸如大型柴油机的现代化内燃机设及设置并运行大量反馈控制环路W控制 作为发动机的操作的一部分而发生的各个过程(process)。图1是应用了反馈控制的过程 101和控制器102的示意图。传感器103监测过程101的状态并产生反馈值，反馈值是诸如压 力、溫度、速度、频率、流速、表面水平等的测量的动态量的指示。控制器102比较反馈值和设 定点值，并基于比较产生输出。输出构成了 W改变过程101的状态为目标使得反馈值和设定 点值之间的差变得尽可能小的致动器104的控制信号。已知的反馈控制方案可W包括例如 比例控制、积分控制、和/或微分控制。在运些反馈控制方案中，修正动作的强度取决于目前 与设定点值的差值（比例）、目前和之前的差值的加权总和(积分）、或者差值随时间的斜率 (微分）。
[0003] 扰动是会改变过程101的状态的因子。可测量的扰动是其影响为事先已知的和/或 能W合理的准确度在线测量的那些扰动。另外，存在不可测量扰动，不可测量扰动可包括例 如部件在过程101中的机械磨损。不可测量扰动对过程101的影响是难W预测的（如果不是 不可能预测）。
[0004] 诸如图1中的纯闭环反馈控制包括固有缺点，即它只对在过程中已经发生了的影 响起作用，因此包括特定的延迟和动态。图2示出了如何通过增加前馈控制元件至少部分地 解决运种缺点。除了之前关于图1解释的元件之外，图2所示的控制系统包括前馈控制器 201。前馈控制器201被配置为接收指示当前实际可测量扰动的一个或更多个输入值。前馈 控制器201产生至少部分基于其输入值的输出。反馈控制器102和前馈控制器201的输出端 都被连接到组合器202,组合器202将两者的组合作为控制信号传送给致动器104。组合不必 是直接相加，而直觉认为致动器104应该影响过程101的状态的方式考虑运两个控制器的输 出。
[0005] 作为示例，我们可W认为过程101是共轨燃料喷射，传感器103监测将燃料输送到 喷射器W喷射到内燃机的汽缸的燃料输送管线中的压力。在该示例中，致动器104驱动控制 流量控制阀，流量控制阀控制流入到燃料输送管线（即，燃料轨)的燃料。喷射持续时间的刻 意增加是可测量扰动。根据图1，如果只应用了反馈控制，则增加的喷射持续时间将引起压 力下降。传感器103将下降的压力值传送给反馈控制器102,然后反馈控制器102将尝试通过 利用致动器104进一步打开流量控制阀来补偿测量的压力下降。反馈控制环路中的延迟和 动态将意味着共轨压力的特定瞬时下降是不可避免的。
[0006] 如果使用图2的控制系统，则前馈控制器201将实时地接收关于喷射持续时间增加 的信息。然后前馈控制器201能通过产生输出信号来快速地做出反应，在输出信号经过组合 器202之后，输出信号比上述的简单反馈控制情况更快地增加流入到燃料轨的燃料。
[0007] 图2的组合控制方案的缺点是前馈控制器201必然基于关于可测量扰动将如何影 响所述过程的假设进行操作。运种假设可能随时间而失去其准确性，或者可能无法考虑到 意想不到的变化。例如，在接纳清洁燃料的新发动机中，通过曲柄角的特定部分增加喷射持 续时间的命令将会导致每个循环喷射的燃料量的特定增加。如果从最后一次喷射器检修开 始已经运行了 5000个小时，和/或如果燃料的稠度不完全是它应该有的稠度，则相同的命令 可能导致喷射的燃料量的明显不同的增加。喷射器的机械磨损和燃料的变化稠度是不可测 量扰动的示例。

【发明内容】

[0008] 下面提供了简要概述，W提供对各种发明实施方式的一些方面的基本理解。该概 述不是本发明的广泛论述。它既没有意在标识本发明的关键或核屯、元素，也不限定本发明 的范围。W下的概述仅W简要形式提供了本发明的一些构思作为对举例说明本发明的实施 方式的更详细描述的前序。
[0009] 需要下面的方法、控制系统和内燃机，其中，控制方案也考虑到不可测量扰动，尽 管它们是不可测量的。控制方案应当是通用的，从而能被应用于控制内燃机中的各种过程。
[0010] 本发明的有利目标通过W下来实现:使用用于反馈控制的主控制器和用于前馈控 制的次控制器，W及额外地使次控制器获知主控制器的输出趋势，使得次控制器的操作能 够W自适应方式被改变。
[0011] 次控制器的期望型的调整(adaptation)可W被实现，使得目标在于将主控制器的 输出保持在固定值，该固定值可能是零或者其它相应的"中性"值。主控制器的中性输出被 限定为在主控制器不试图主动地影响被控过程的状态时所产生的输出。过滤(例如，采用预 定时间窗内的均值或中值)可被应用，W使次控制器的调整集中在主控制器输出的趋势上 而不是在瞬间上。
[0012] 在本专利申请中所提供的本发明的示例性实施方式不被解释为对所附权利要求 书的应用构成限制。动词"包括"在本专利申请中被用作不排除其它未提及的特征的存在的 开放性限定。在从属权利要求中陈述的特征为可相互自由组合，除非另有说明。
[0013] 被认为是本发明的特征的新颖性特征在所附权利要求书中被具体地阐述。但是， 本发明自身针对其构造及其操作方法、W及它的附加目标和优点将通过结合附图阅读特定 实施方式的下面的描述被最佳地理解。
【附图说明】
[0014] 图1示出现有技术的反馈控制方案，
[001引图2示出反馈和前馈控制的已知组合，
[0016] 图3示出自适应的控制系统和方法，
[0017] 图4示出调整(adapt)传递函数的示例，
[001引图5示出调整传递函数的另一示例，
[0019] 图6示出调整传递函数的另一示例，W及
[0020] 图7示出用于控制共轨中的燃料压力的自适应控制系统的应用。
【具体实施方式】
[0021] 通过将示出的实体与控制系统的功能模块关联来将图3读作用于内燃机的控制系 统的示图。另选地，通过将示出的实体与方法步骤关联来将图3读作用于控制内燃机的过程 方法的示图。运两种解释在下面被详细描述。
[0022] 如图3所示，控制系统包括主控制器301，主控制器301被配置为比较反馈值和设定 点值并产生主输出。主输出基于所述比较而形成;作为非常简单的示例，主输出的任何改变 可W与反馈值和设定点值之间的差成比例。主输出与比较结果之间的更复杂关系是可能 的。例如，可能存在根本不会引起主输出改变的最小比较结果的"死区"，和/或主输出的任 意改变与反馈值和设定点值之间的差的比例（如果有的话)可能是线性的、平方的（并且有 符号或指数的，或者它可W具有其它形式。
[0023] 反馈值是在燃机的过程101中测量的动态量的指示。例如，如果待测的动态量是压 力，则感器103是可W将测量的压力转换成相应的电压、电流或电阻值的压力传感器。例如 如果压力的测量是基于由所述压力引起的可逆变形，则反馈值甚至可W是机械位移，但是 因为反馈控制的实现通常设及电子控制系统，所W电子形式的反馈值是优选的。
[0024] 次控制器302被配置为接收输入值并产生次输出。词语"主"和"次"只是为了明确 的字面参考而使用的名称，它们不包括关于例如控制函数的互显著性或者W某种特定顺序 发生的各个控制函数的涵义。输入值被示意地示出为从左边进入次控制器302,并且它是影 响过程101的可测量扰动的指示。
[0025] 次控制器302中的次输出的产生根据传递函数发生。传递函数的简单示例是时间 独立的传递函数
[0026] s = s(i)
[0027] 根据该传递函数，每个输入值i得到相应的输出S。可W使用更复杂的传递函数:例 如，如果输出S应当不仅取决于输入i，而且还取决于输入到达次控制器302的时间t，则我们 可W写出通用表达式
[002引 s = s(i，t)
[0029] 根据下面的通用公式在特定时间t处将产生的输出值s(t)可W包括目前输入的值 i(t)和一些先前输入的值的加权和
[0030]
[0031 ] 其中an是总和权重，i (t-n)是在时间t、（t-1)、（t-2)、. . .（t-N)处的输入值。本发 明对传递函数不设任何特定限制，但是在图形示出和示例中，最直观使用将每个输入值映 射到相应输出值的时间独立的一对一的关系。
[0032]组合器303被连接W从主控制器301接收主输出W及从次控制器302接收次输出。 组合器303被连接W将主输出和次输出的组合作为控制信号传送给致动器104,致动器104 进而被配置为影响过程101。本文中所使用的词语"组合"被宽泛地理解。它可W表示主输出 和次输出的简单之和，或者它可W表示加权和、过滤的和、和/或考虑了运两种控制器的输 出并具有适合驱动致动器104从而实现对过程101的期望影响的可能的值的范围的一些其 它结果。
[0033] 次控制器302被连接W接收主输出本身和/或它的一些导数。运里所使用的词语 "导数"表示"从其获得的一些值"，因此它不限于例如时间导数。运里所说的导数的示例是 例如在预定时间窗口内的主输出的均值或中值。
[0034] 次控制器302被配置为至少部分地基于将主输出维持在固定值的目的而调整它的 传递函数。该固定值优选是所谓的中性值;换句话说，在次控制器中调整传递函数的动作目 的在于实现W下情况:主控制器不尝试主动地影响被控制的过程101的状态。
[0035] 在下面通过一些示例并参考图4、图5和图6示出调整传递函数。在图4中，最左边的 情况示出了传递函数最初采用相对平滑曲线的形式。在某个时刻，次控制器知道主输出（或 其导数，如上所述)具有值Δ 1。次控制器被配置为通过与值Δ 1相等或成比例(相等是具有线 性比例常数1的线性成比例的特殊情况）的常数增大或缩放由传递函数给出的所有输出而 做出响应。将传递函数的所有输出放大Δι在图4的中间部分被示出。如果我们假设传递函 数最初是s = s(i)的形式，则现在是s = s(i)+Ai。作为替代，如果由传递函数给出的所有输 出W与值Ai成比例的常数aAi被缩放(而不是增大），则新的传递函数将是s = aAis(i)的 形式。W比例常数a进行缩放和W比例常数b增加的组合，新的传递函数被表示为s = aAis (i)+b Δ1。
[0036] 成比例的概念可W被概括为表示增大或缩放常数的幅值W增加值Δ 1明确并单一 地的增加的所有情况。因此，限制为成比例的从属关系例如是线性成比例、指数成比例、对 数成比例、W及分段限定为成比例。
[0037] 同时，图4的中间部分示出主输出（或其导数，如上所述）的下一个值被接收，并具 有值-Δ 2。在已知影响该主输出的生成的时段内，次控制器的输入i具有某些其它的相对大 的值，为此原因新接收到的主输出（或其导数)的圆十字符号出现在输入/输出图形的右侧 部分。在图4的右部分示出在调整传递函数中次控制器的下面的响应:此时，次控制器通过 将传递函数的所有输出增大值-A 2而做出响应。因此，调整传递函数的动作意味着在运种 情况下将传递函数曲线向上或向下移动由主输出(或其导数)所指示的量。
[0038] 因为根据图4所示的模型的调整传递函数的每个步骤移动整个传递函数曲线，所 W优选的是调整所依据的值是主输出值的某个被过滤后的版本，比如在相对长的时间窗内 的均值或中值。另外，运种调整传递函数的方案最适合于W下情况:其中，我们可W合理地 确定传递函数的形式，但离散地出现且相对罕见地发生的不可测量扰动构成了调整的依 据。运种不可测量扰动的示例是燃料确切组成的改变。当近乎空的燃料箱用与之前不同的 燃料源填满时，对发动机可用的燃料确切组成可能相对突然地改变，但在此之后或多或少 地保持原样，直到下次填满。
[0039] 在图5中，最左边部分示出与图4中上面相同的起点：传递函数的初始形式是相对 平滑的曲线，并且主输出值(或其导数)被发现在次控制器的特征输入是ii的时段期间具有 量值(magnitude) Δ 1。但是，在运种情况下，次控制器不开始移动整个传递函数曲线。相反， 它将所述主输出（或其导数)与输入值A i的特定子范围相关联，子范围包括表征获取所述 主输出（或其导数）的时段的输入ii。次控制器局部地调整传递函数，从而用与所述主输出 (或其导数)成比例的值增大之前形式的传递函数针对所述子范围内的输入所给出的输出。
[0040] 图5的中间部分示出了运种局部调整的示例。在输入值Δ?的子范围内，传递函数 曲线被拉伸，从而达到在原始传递函数曲线上面A 1的点。为了在传递函数曲线上不产生中 断，调整的影响和各个输入与之前提到的特征输入之间的差成反比。另一种可能是切除原 始传递函数曲线在输入值A i的子范围内的一段，并将运一段向上平移Δι，但运会自然地 导致传递函数曲线在子范围A i的两端处的中断。
[0041 ]在数学上，调整的传递函数可被表示为：
[0042]
[0043] 其中t(i)是在输入值Δ?的子范围内定义的增大函数。图5的中间部分还示出了下 一个接收的主输出（或其导数)与明显较大的同时输入的值相关联，并比（原始)传递函数曲 线低A 2。图5的最右部分示出了如何还在传递函数已经被局部调整的情况下，使得用与所 述主输出（或其导数)成比例的值增大先前形式的传递函数针对合适的子范围（未独立示 出）内的输入给出的输出。同样地，图形上看，结果看起来像是拉伸了传递函数曲线，从而使 传递函数曲线的一部分到达出现圆十字符号的点。
[0044] 通过运种方式重复地调整传递函数最终调整传递函数曲线，使得W它调整后的形 式，它经过在已经接收到相应主输出（或其导数)的输入/输出平面中的所有点。运种调整的 方案非常适合难W仅基于预先存在的信息准确地限定最优传递函数的情况。
[0045] 图6示出了调整传递函数的另一示例。在运种情况下，次控制器具有自组织映射或 神经网络的特性，它被连接W接收两个不同且相互独立类型的输入值。在该示意图中，我们 假设每个可能的一对接收值(输入1，输入2)使次控制器产生次输出，次输出的值通过图中 的相应箭头的相位角(相对水平方向朝右的角度)来表达。传递函数等于从每个可能的一对 输入值到相应输出值的明确映射。
[0046] 在图6的左边，我们假设主输出（或其导数)在次控制器中被接收，所述主输出设及 特定特征对值（（输入1，输入2)被次控制器接收的时段，如点601所示。我们还假设先前与该 对输入值相关联的次输出值是从点601到右上方用虚线表示的那个。接收的主输出（或其导 数）W于上面在图4和5中所应用的方式类似的方式定义了新的次输出值603:假设如果次输 出已经具有值603,则相应的主输出将具有中性值。
[0047] 图6的左手部分中的另一个假设是与图5关联使用的"输入值的子范围"的概念在 自组织映射或神经网络中具有相应的二维形式。换句话说，改变与点601相关联的输出值的 影响将会"扩散(bleed)"到它的最接近的周围，并引起与相邻点相关联的输出值的类似(仍 然较小）的改变。将受到影响的点是那些适合在楠圆区域604中的点。图6的右手侧示出了在 进行了整个调整循环之后的自组织映射或神经网络。虚线示出了与那些点相关联的先前输 出值，针对所述那些点限定了新输出值作为调整传递函数的一部分(注意到实际点601的先 前值在右边没有被更多地示出，运是因为它已经在左手部分被示出）。
[004引图6中从两个输入到一个(次)输出的映射可被概括，使得次控制器可W具有任意 数量的相互依赖和/或相互独立的输入，只要传递函数被明确地定义为从输入值的每一个 可能组合到相应次输出值的映射。
[0049]图7示出了诸如共轨型的大型柴油机的内燃机中的先前所描述的控制系统一种可 能的实际应用。在图的右下是燃料输送管线701和用于将来自燃料输送管线701的燃料喷射 到内燃机的汽缸(未示出）的一个或多个喷射器702。待测的动态量是燃料输送管线701中的 燃料压力。传感器103被配置为测量燃料压力并向主控制器301提供反馈值，该反馈值是测 量的燃料压力的指示。致动器104是被配置为调节到燃料输送管线701中的燃料703的流量 的流量控制设备。
[0050] 次控制器302的输入值是一个或多个喷射器702的喷射持续时间的指示。喷射持续 时间的刻意增加目的在于增加发动机的输出功率，并要求相应地增加到燃料输送管线701 中的燃料的流量。因此，在次控制器302接收到指示喷射持续时间增加的输入时，次控制器 302产生经过组合器303到达致动器104并增大燃料流量的次输出。
[0051] 不可测量扰动包括由于难W或不可能预测的原因使得燃料流量的该增加不准确 所有运种因子。例如，如果流量控制设备磨损了，则致动器104的特定移动可能使燃料流量 增加太多或太少。通过包含传感器103和主控制器301的环路的反馈控制校正燃料压力，并 且次控制器302W主控制器301所产生的主输出的形式接收关于针对校正出现的需求的知 识。如果燃料流量初始增加的太小，则主控制器301产生将致动器104再进一步移动一点的 主输出。次控制器302注意到此，所W次控制器302知道喷射持续时间进行类似增加的下一 时间，已经处于第一位置的次控制器302应当比先前更多地移动致动器104。
[0052] 相似的原理可被应用于控制内燃机上的多个过程。为了保证W上所给出的描述的 应用性，有利的是，如果更积极(proac t i ve)的输入信号和更消极(reac t i ve)的输入信号是 可用的，则更积极的信号被用作次控制器的输入，而更消极的信号被用作反馈给主控制器 的反馈值。例如，如果在双燃料发动机中使用引燃燃料喷射(或者在单一气体燃料发动机中 使用引燃气体喷射），则控制引燃燃料压力(或引燃气体压力），使得关于引燃持续时间的信 息被用作次控制器的输入，并且测量的引燃输送管线中的压力用作到主控制器的反馈值。 另外，在双燃料或气体燃料发动机中，主气体压力控制成为被关注的问题，使得主气体持续 时间被用作次控制器的输入值，并且主气体压力用作到主控制器的反馈值。
【主权项】
1. 一种用于内燃机的控制系统，所述控制系统包括： -主控制器（301)，其被配置为将反馈值与设定点值进行比较，并且基于所述比较产生 主输出，其中，所述反馈值是在所述内燃机中的过程(101)中测量的动态量的指示， -次控制器(302)，其被配置为接收输入值，并从所述输入值根据传递函数产生次输出， 其中，所述输入值是影响所述过程(101)的可测量扰动的指示，以及 -组合器(303)，其被连接以接收所述主输出和所述次输出，并将所述主输出和所述次 输出的组合作为控制信号传送给致动器(104)，所述致动器(104)被配置为影响所述过程； 其中，所述次控制器(302)被连接以接收所述主输出或其导数，并被配置为至少部分地 基于将所述主输出保持在固定值的目标来调整所述传递函数。2. 根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述固定值是中性值。3. 根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述次控制器(302)被连接以接收所述主 输出的导数，该导数代表所述主输出在预定时间窗内的均值或中值。4. 根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述次控制器(302)被配置为 通过用与接收到的过滤后的主输出值成比例的常数增大或缩放由所述传递函数所给出的 输出来对所述过滤后的主输出值做出响应。5. 根据权利要求1至3中的任一项所述的控制系统，其中，所述次控制器(302)被配置为 通过将接收到的主输出或其导数与输入值的特定子范围相关联并且通过局部地调整所述 传递函数使得用与所述主输出或其导数成比例的值增大所述传递函数针对所述子范围内 的输入所给出的输出，来对所述主输出或其导数做出响应，所述输入值的特定子范围包括 针对获取所述主输出或其导数的时段具有特征的输入。6. 根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述次控制器(302)被配置为用与各个输入 和所述特征输入之间的差成反比例的值增大所述传递函数针对所述子范围的输入给出的 输出。7. 根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中： -所述动态量是燃料输送管线(701)中的燃料压力， -所述输入值是将来自所述燃料输送管线（701)的燃料喷射到所述内燃机的汽缸中的 一个或更多个喷射器(702)的喷射持续时间的指示，以及 -所述致动器（104)是被配置为调节到所述燃料输送管线（701)中的燃料（703)的流量 的流量控制设备。8. -种内燃机，所述内燃机包括： -燃料输送管线(701)， -一个或更多个喷射器(702)，其将来自所述燃料输送管线（701)的燃料喷射到所述内 燃机的汽缸中，以及 -根据权利要求1所述的控制系统， 其中，所述动态量是所述燃料输送管线(701)中的燃料压力，所述输入值是所述喷射器 (702)中的一个或更多个的喷射持续时间的指示，并且所述致动器（104)是被配置为调节到 所述燃料输送管线(701)中的燃料(703)的流量的流量控制设备。9. 一种控制内燃机中的过程(101)的方法，所述方法包括以下步骤： -测量所述过程(101)中的动态量并产生指示测量的动态量的反馈值， -将所述反馈值与设定点值进行比较(301)，并基于所述比较产生主输出， -根据传递函数从输入值产生（302)次输出，所述输入值是影响所述过程（101)的可测 量扰动的指示， -使用所述主输出和所述次输出的组合(303)作为到用于影响所述过程（101)的致动器 (104)的控制信号，以及 -至少部分地基于将所述主输出保持在固定值的目标使用所述主输出或其导数来调整 (302)所述传递函数。10. 根据权利要求9所述的方法，其中，基于将所述主输出保持在中性值的目标来调整 所述传递函数。11. 根据权利要求9或10所述的方法，其中，使用所述主输出或其导数包括采用所述主 输出在预定时间窗内的均值或中值。12. 根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，其中，所述主输出的所述导数是过滤 后的主输出值，并且调整所述传递函数包括用与所述过滤后的主输出值成比例的常数增大 或缩放由所述传递函数给出的输出。13. 根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，其中，所述主输出或导数与输入值的 特定子范围相关联，所述输入值的特定子范围包括针对获取所述主输出或其导数的时段具 有特征的输入，并且局部地调整所述传递函数使得用与所述主输出或其导数成比例的值增 大所述传递函数针对所述子范围内的输入所给出的输出。14. 根据权利要求13所述的方法，其中，用与各个输入和所述特征输入之间的差成反比 例的值增大所述传递函数针对所述子范围内的输入所给出的输出。15. 根据权利要求9至14中的任一项所述的方法用于控制共轨型柴油机的共轨(701)中 的燃料压力的用途。
【文档编号】F02D41/38GK105934575SQ201480072006
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年12月17日
【发明人】汤姆·凯丝, 弗雷德里克·奥斯特曼
【申请人】瓦锡兰芬兰有限公司