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技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其是一种内燃机转速控制系统。

背景技术

中国专利CN101749133A提供了一种电控柴油机怠速微调、PTO和定速巡航三合一智能控制方法。该专利的目的是：通过一组四个自复位开关取代互相独立的开关组，在尽量减少软硬件开支的同时，满足柴油机怠速微调、PTO和定速巡航三种控制功能。该专利采用的技术手段和达成效果是：用怠速微调、PTO和定速巡航共用的一组四个自复位开关取代互相独立的开关组，三种功能都使用相同的“目标车速或转速控制器”和“闭环控制器”模块，根据不同的功能，将不同的参数传入上述两个模块；根据车速、转速以及开关信号判断激活怠速微调、PTO和定速巡航中的哪一种功能。该专利的不足及原因是：没有考虑怠速微调、PTO和定速巡航其中两个或两个以上功能同时激活时，“目标车速或转速控制器”和“闭环控制器”的处理策略；该专利的技术领域是电控柴油机领域，电控柴油正常运行时都有最低转速和最高转速限制要求，怠速微调、PTO和定速巡航功能均只能运行在转速限制范围内，该专利没有说明“目标车速或转速控制器”和“闭环控制器”如何达到上述要求。

中国专利CN101275492A提供了一种基于转矩的发动机转速控制方法。该专利的目的是：改善发动机控制系统的整体灵活性，简化执行这种控制的软件需求并提供自动校准过程。通过这样，降低发动机系统的整体运行和开发成本。该专利采用的技术手段和达成效果是：根据所需的节流面积和点火正时确定所需的发动机转速，根据所需发动机转速确定慢速响应转矩和快速响应转矩，根据慢速响应转矩确定所需的进气流量，根据所需的进气流量和进气歧管压力确定所需的节流面积，根据快速响应转矩和所需的进气流量确定所需的点火正时，以此控制发动机运行在所需的发动机转速上。该专利的不足及原因是：该专利以所需的节流面积和点火正时确定所需的发动机转速，但仍然根据所需的发动机转速确定发动机最终运行所需的节流面积和点火正时，在控制逻辑上是互相矛盾的。

中国专利CN1603598A提供了一种怠速转速控制装置。该专利的目的是：能够使发动机转速顺畅进行从反馈控制的怠速状态向开环控制的非怠速状态移动。该专利采用的技术手段和达成效果是：设置节气门的旁通路，在旁通路上设置怠速控制阀；在怠速状态下，控制怠速控制阀使得发动机转速维持在目标转速，再从怠速状态向非怠速状态移动时，直到节气门开度达到规定的基准开度时，将怠速控制阀维持在反馈控制时的阀开度上，在非怠速状态下，当节气门开度达到规定的基准开度时，将怠速控制阀控制在目标阀开度上，从而，即使是在反馈控制中算出的吸入空气量和在开环控制中算出的吸入空气量的差较大时，也可以进行从反馈控制向开环控制的顺利的移动。该专利的不足及原因是：该专利需要在节气门上设置旁通路及其控制旁通路的怠速控制阀，通过控制怠速控制阀使得发动机在怠速状态下运行在目标转速，这样会增加系统复杂度和成本；该专利没有考虑从非怠速状态过渡到怠速状态时的控制策略。

现有技术中主要还存在下列缺点：

1.随着车辆系统越来越复杂，对发动机提出转速控制请求的功能模块越来越多，现有的技术中没有提供当有多个功能模块同时向发动机提出转速控制请求时的处理策略。

2.发动机在运行过程中均有最高转速限制和最低转速限制要求，现有技术中没有提供使发动机运行在转速限制范围内的处理策略。

3.现有技术中没有提供使发动机运行在最小安全转速的控制策略。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种可扩展式的内燃机转速控制系统，可提供车辆系统中多个功能模块同时向发动机提出转速控制请求时的处理策略以及在系统出错情况下使发动机运行在最小安全转速的控制策略。

本发明中，发动机也称为内燃机。本发明采用的技术方案是：

一种可扩展式的内燃机转速控制系统，其特征在于，包括：优先级协调模块、控制参数计算模块、控制量限值计算模块、高转速控制模块、低转速控制模块、最小转速控制模块和逻辑选择模块；

所述优先级协调模块用来接收不同功能模块的转速控制请求，根据预先确定的优先级选择转速控制请求队列中优先级最高的功能模块的转速控制请求作为激活的转速控制请求；功能模块即转速控制请求模块；

所述控制参数计算模块用来根据激活的转速控制请求确定高转速控制模块、低转速控制模块以及最小转速控制模块需要的控制参数；

所述控制量限值计算模块用来根据内燃机运行状态确定高转速控制模块、低转速控制模块、最小转速控制模块以及逻辑选择模块中控制变量的限值；

所述高转速控制模块用来限制内燃机转速不超过激活的转速控制请求中的最高内燃机运行转速；

所述低转速控制模块用来限制内燃机转速不低于激活的转速控制请求中的最低内燃机运行转速，当激活的转速控制请求中最高内燃机转速和最低内燃机转速相等时，低转速控制模块控制内燃机以定转速模式运行在激活的转速控制请求中的转速请求值；

所述最小转速控制模块用来在低转速控制模块控制内燃机以定转速模式运行在激活的转速控制请求中的转速请求值工况下，保护内燃机运行在内燃机要求的最小安全转速之上；

所述逻辑选择模块用来根据内燃机运行状态和激活的转速控制请求选择输出高转速控制模块、低转速控制模块以及最小转速控制模块中其中一个模块的计算值。

进一步地，所述的功能模块至少包括下列转速控制请求模块：高低怠速控制转速请求子模块。

更进一步地，所述的功能模块还包括下列转速控制请求模块：外部转速控制请求子模块、巡航控制转速请求子模块、外部取力装置转速请求子模块。

进一步地，述的优先级协调模块，可以根据需求增加和删减转速控制请求队列中的功能模块，其中，高低怠速控制转速请求子模块一直存在；

优先级协调模块预先给转速控制请求队列中每一个功能模块分配一个优先级，其中，高低怠速控制转速请求子模块的优先级最低，只有无其它子模块的转速控制请求时，才能激活高低怠速控制转速请求子模块。

进一步地，所述的控制参数计算模块，其根据激活的转速控制请求模块发出的最低内燃机运行转速与高低怠速控制转速请求子模块发出的最低内燃机运行转速取最大值，得到低转速控制模块的目标低转速点；根据激活的转速控制请求模块发出的最高内燃机运行转速与高低怠速控制转速请求子模块发出的最高内燃机运行转速取最小值并且与目标低转速点取最大值，得到高转速控制模块的目标高转速点；将高低怠速控制转速请求子模块发出的最低内燃机运行转速或一特定的转速值作为最小转速控制模块的目标最低转速点。

进一步地，所述的高转速控制模块，其主要由一个比例控制器和一个积分控制器组成；高转速控制模块中的比例控制器和积分控制器的输入为目标高转速点与当前内燃机转速的偏差；高转速控制模块中的比例控制器和积分控制器的输出连接一个加法器；当内燃机转速有超过目标高转速点趋势时，高转速控制模块根据目标高转速点和当前内燃机转速的偏差进行闭环调节，使内燃机转速稳定在目标高转速点；

所述的低转速控制模块，其主要由一个比例控制器，一个积分控制器和一个微分控制器组成；低转速控制模块中的比例控制器，积分控制器和微分控制器的输入为目标低转速点与当前内燃机转速的偏差；低转速控制模块中的比例控制器，积分控制器和微分控制器的输出连接一个加法器；当内燃机转速有低于目标低转速点趋势时，低转速控制模块根据目标低转速点和当前内燃机转速的偏差进行闭环调节，使内燃机转速稳定在目标低转速点；

所述的最小转速控制模块，其主要由一个比例控制器，一个积分控制器组成；最小转速控制模块中的比例控制器和积分控制器的输入为目标最低转速点和当前内燃机转速的偏差；当转速控制请求队列中非高低怠速控制转速请求子模块的转速控制请求模块激活时，当内燃机转速有低于目标最低转速点趋势时，根据目标最低转速点和当前内燃机转速的偏差进行闭环调节，使内燃机转速稳定在目标最低转速点。

进一步地，所述的控制参数计算模块，其根据当前内燃机工况，传动系状态，整车行驶状态来确定高转速控制模块，低转速控制模块，最小转速控制模块中的各控制器的控制参数，包括比例调节参数、积分调节参数以及微分调节参数。

进一步地，所述的控制量限值计算模块，用于计算高转速控制模块、低转速控制模块和最小转速控制模块中的限值，包括比例调节输出限值、积分调节输出限值、微分调节输出限值，以及高转速控制模块、低转速控制模块和最小转速控制模块各自总的输出限值。

进一步地，所述的控制参数计算模块，其根据当前内燃机转速和油门踏板开度来决定高、低转速控制模块中的积分控制器的冻结状态；当油门踏板开度大于开度阈值且内燃机转速大于目标低转速加上第一转速阈值，低转速控制模块中的积分控制器冻结，高转速控制模块中的积分控制器解冻；当内燃机转速小于等于目标低转速点，低转速控制模块中的积分控制器解冻，高转速控制模块中的积分控制器冻结。

进一步地，所述的控制参数计算模块，当内燃机完成启动控制时，根据当前内燃机转速和冷却水温查表得到一个初始化控制值或者将前一时刻启动控制的控制值作为低转速控制模块的积分控制器的输出初始化值；当目标低转速点和目标高转速点相同时，将当前内燃机的输出控制值（扭矩或者油量）作为低转速控制模块的积分控制器的输出初始化值；当低转速控制模块的积分控制器冻结时，将其输出值赋值给高转速控制模块的积分控制器器作为高转速控制模块的积分控制器的输出初始化值；

当内燃机转速小于等于目标低转速点，此时低转速控制模块的积分控制器解冻时，将上一次冻结时该积分控制器计算值乘以初始化系数作为低转速控制模块的积分控制器的输出初始化值。

进一步地，所述的逻辑选择模块，其根据当前发动机转速和转速设定点的关系来确定转速控制系统最终输出高转速控制模块、低转速控制模块和最小转速控制模块三者中哪一个模块的计算值；其选择逻辑是：

当目标高转速点HiN等于目标低转速点LoN，高转速控制模块输出HiPID取低转速控制模块计算值LoPIDLtd，低转速控制模式输出LoPID也取低转速控制模块计算值LoPIDLtd；

当目标高转速点HiN不等于目标低转速点LoN且低转速控制模块积分控制器冻结时，高转速控制模块输出HiPID根据内燃机转速的不同取不同的取值，当内燃机转速大于目标高转速点减去偏移转速阈值时，高转速控制模块输出HiPID取高转速控制模块计算值HiPIDLtd；否则取驾驶员需求值DrvDem；低转速控制模块输出LoPID取0；

当目标高转速点HiN不等于目标低转速点LoN且低转速控制模块积分控制器不冻结时，高转速控制模块输出HiPID取驾驶员需求值DrvDem，低转速控制模块输出LoPID取低转速控制模块计算值LoPIDLtd；

当目标最低转速点大于目标低转速点时，最小转速控制模块输出MinPID取最小转速控制模块的计算值MinPIDLtd；当目标最低转速点小于等于目标低转速点时，最小转速控制模块输出MinPID取低转速控制模块计算值LoPIDLtd；

最终转速控制系统输出SpdGovOut计算过程如下：在高转速控制模块输出HiPID与驾驶员需求值DrvDem之间取最小值，然后与低转速控制模块输出LoPID与最小转速控制模块输出MinPID之间的最大值取最大值作为最终的输出。

本发明的优点在于：

首先，可以根据车辆系统的要求，灵活地删除和增加对发动机提出转速控制请求的功能模块。

其次，当有两个或两个以上功能模块对发动机提出转速控制请求时，可以根据预先确定的优先级激活优先级最高的转速控制请求功能模块。

最后，在系统出错时，可以控制发动机运行在最小安全转速。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的优先级选择请求队列示意图。

图3为本发明的目标转速计算示意图。

图4为本发明的转速控制系统核心部分示意图。

图5为本发明的控制模块积分冻结状态计算示意图。

图6为本发明的积分控制器初始化过程示意图。

图7为本发明的逻辑选择模块示意图。

图8为本发明的低转速控制模式示意图。

图9为本发明的高转速控制模式示意图。

图10为本发明的定转速控制模式示意图。

图11为本发明的最小转速控制模式示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述的可扩展式的内燃机转速控制系统框图。图1中，根据车辆系统运行的需要，可以激活高低怠速控制转速请求子模块100、外部转速控制请求子模块110、巡航控制转速请求子模块120、以及外部取力装置转速请求子模块130中一个或多个转速控制请求模块，以上所述的转速控制请求模块只是作为本发明的一个实施例，但不限于本发明的实施例。在实际应用中，可以根据车辆系统的需求，灵活地增加和删除转速控制请求模块，这也是本发明的优点之一。当转速控制请求模块被激活后，则向内燃机转速控制系统提出转速控制请求。在优先级协调模块中，根据预先确定的优先级，从请求队列中已经激活的功能模块中，选择优先级最高的功能模块的转速控制请求作为当前的转速控制请求，如图2所示。在控制参数计算模块中，根据请求队列中激活的功能模块提出的转速控制请求计算目标高转速点、目标低转速点和目标最低转速点，如图3所示。同时在控制参数计算模块中，根据优先级协调模块确定的当前转速控制请求模块，来计算高转速控制模块、低转速控制模块和最小转速控制模块需要的控制参数，包括比例调节参数、积分调节参数以及微分调节参数。在控制量限值计算模块中，根据优先级协调模块确定的当前转速控制请求模块，来计算高转速控制模块、低转速控制模块和最小转速控制模块的限值，包括比例调节限值、积分调节限值以及微分调节限值，以及高转速控制模块、低转速控制模块和最小转速控制模块各自总的输出限值。当内燃机转速有超过目标高转速点趋势时，高转速控制模块使内燃机转速稳定在目标高转速点附近。当内燃机转速有低于目标低转速点趋势时，低转速控制模块使内燃机转速稳定在目标低转速点附近。当内燃机转速有低于目标最低转速点趋势时，最小转速控制模块使内燃机转速稳定在目标最低转速点附近。逻辑选择模块，其根据当前内燃机转速和转速设定点的关系来确定转速控制器最终输出高转速控制模块、低转速控制模块和最小转速控制模块三者中哪一个模块的计算值。

图2是优先级选择请求队列示意图。在本发明实施例中，优先级从高到低的是外部转速控制请求子模块110、外部取力装置转速请求子模块130、巡航控制转速请求子模块120。高低怠速控制转速请求子模块100一直存在，且优先级最低。在本发明一个实施例中，外部转速控制请求子模块110和巡航控制转速请求子模块120也处于激活状态。所以，优先级协调模块中根据优先级的高低确定外部转速控制请求子模块110为当前转速控制请求模块。

图3是目标转速计算示意图。从图2所述中可知，处于激活状态的转速控制请求模块有外部转速控制请求子模块110、巡航控制转速请求子模块120和高低怠速控制转速请求子模块100，

目标低转速点是根据激活的转速控制请求模块的低转速请求取最大值得到，因而，目标低转速点LoN根据外部转速控制请求子模块110的低转速请求110_LoN、巡航控制转速请求子模块120的低转速请求120_LoN和高低怠速控制转速请求子模块100的低转速请求100_LoN取最大值得到。目标高转速点是根据激活的转速控制请求模块的高转速请求取最小值且与目标低转速点取最大值得到。因而，目标高转速点HiN根据外部转速控制请求子模块110的高转速请求110_HiN、巡航控制转速请求子模块120的高转速请求120_HiN和高低怠速控制转速请求子模块100的高转速请求100_HiN取最小值，然后再与目标低转速点LoN取最大值得到。目标最低转速点MinN可以通过两种方法确定，一是将高低怠速控制转速请求子模块100的低转速请求100_LoN作为目标最低转速点，另一是将一设定值SETN作为目标最低转速点。

图4是转速控制系统核心部分示意图。其主要由高转速控制模块，低转速控制模块，最小转速控制模块和逻辑选择模块组成。低转速控制模块的输入为目标低转速点LoN，内燃机转速N和控制器控制参数（包括比例，积分，微分控制参数，积分控制器冻结状态等）。当内燃机转速低于目标低转速点时，低转速控制模块会向上增加扭矩或油量使转速上升并稳定在目标低转速点；当内燃机转速高于目标低转速点时，低转速控制模块会向下减少扭矩或油量使转速下降并稳定在目标低转速点。当低转速控制模块积分控制器冻结时，积分控制器输出一个固定的值，此时主要通过比例和微分控制器来调节。根据工况的不同，控制量限值计算模块会传来不同的限制值对积分控制器的输出以及低转速控制模块总的输出进行限制。图4中SUB为减法器，ADD为加法器。高转速控制模块的输入为目标高转速点HiN，内燃机转速N和控制器控制参数（包括比例，积分控制参数，积分控制器冻结状态）。当内燃机转速低于目标高转速点时，高转速控制模块会向上增加扭矩或油量使转速上升并稳定在目标高转速点；当内燃机转速高于目标高转速点时，高转速控制模块会向下减少扭矩或油量使转速下降并稳定在目标高转速点。当高转速控制模块的积分控制器冻结时，积分控制器输出一个特定的值，此时主要通过比例控制器来调节。根据工况的不同，控制量限值计算模块会传来不同的限制值对积分控制器的输出以及高转速控制模块总的输出进行限制。最小转速控制模块的输入为目标最低转速点MinN，内燃机转速N和控制器控制参数（包括比例，积分控制参数）。当内燃机转速低于目标最低转速点时，最小转速控制模块会向上增加扭矩或油量使转速上升并稳定在目标最低转速点；当内燃机转速高于目标最低转速点时，最小转速控制模块会向下减少扭矩或油量使转速下降并稳定在目标最低转速点。最小转速控制模块积分控制器无冻结解冻逻辑，当可以增加积分饱和功能，防止其积分控制器过度饱和影响控制效果。根据工况的不同，控制量限值计算模块会传来不同的限制值对积分控制器的输出以及最小转速控制模块总的输出进行限制。

图5是控制模块积分冻结状态计算示意图。其主要以低转速控制模块积分控制器冻结状态计算为例，高转速控制模块积分控制器冻结状态与之相反。其计算逻辑如下，首先通过20判断当前目标高转速点是否等于目标低转速点，若相等则解冻，若不等则进入21判断。若满足21的条件：油门踏板开度大于开度阈值且内燃机转速大于目标低转速点加上第一转速阈值（这个阈值通常是20～40转/分)，则积分控制器冻结，若不满足则进入23判断。若满足23的条件：内燃机转速小于等于目标低转速点，则积分控制器解冻。

图6是积分控制器初始化过程示意图。对于低转速控制模块积分控制器来说，当积分冻结状态230从1变0（解冻）使，积分控制器初始化为上一次冻结时积分控制器计算值乘以初始化系数得到的值210；当启动完成标志从0变为1时，根据标定选择开关260的不同，可以把启动控制值240或者根据水温和转速查表的值250赋值给积分控制器完成初始化。对于高转速控制模块积分控制器来说，当积分冻结状态290从1变为0时（此时高转速控制模块中的积分控制器解冻，而低转速控制模块的积分控制器冻结），把低转速控制模块积分控制器计算值LoI赋值给高转速控制模块积分控制器完成初始化。图中220和280分别为低转速控制模块积分控制器、高转速控制模块积分控制器正常工作时的计算值。

图7是逻辑选择模块示意图。其根据当前的目标高转速点HiN，目标低转速点LoN，内燃机转速N，低转速控制模块积分控制器冻结状态StILo来决定高、低转速控制模块的输出以及最终的转速控制系统的输出。

当目标高转速点HiN等于目标低转速点LoN，高转速控制模块输出HiPID取370，即低转速控制模块计算值LoPIDLtd，低转速控制模式输出LoPID也取370；

当目标高转速点HiN不等于目标低转速点LoN（即目标高，低转速设定点不相等）且低转速控制模块积分控制器冻结时（内燃机转速大于目标低转速加上第一转速阈值），高转速控制模块输出HiPID根据内燃机转速的不同取不同的取值，当内燃机转速大于目标高转速点减去偏移转速阈值时，HiPID取350，即高转速控制模块计算值HiPIDLtd；否则取360，即驾驶员需求的扭矩或油量(图中的驾驶员需求值DrvDem)；低转速控制模块输出LoPID取0；

当目标高转速点HiN不等于目标低转速点LoN（即目标高，低转速设定点不相等）且低转速控制模块积分控制器不冻结时（内燃机转速小于等于目标低转速点），高转速控制模块输出HiPID取360即驾驶员需求值DrvDem，低转速控制模块输出LoPID取370即低转速控制模块计算值LoPIDLtd；

当目标最低转速点大于目标低转速点时，最小转速控制模块输出MinPID取最小转速控制模块的计算值390MinPIDLtd；当目标最低转速点小于等于目标低转速点时，最小转速控制模块输出MinPID取低转速控制模块计算值LoPIDLtd；

最终转速控制系统输出SpdGovOut计算过程如下：在高转速控制模块输出HiPID与驾驶员需求值DrvDem之间取最小值，然后与低转速控制模块输出LoPID与最小转速控制模块输出MinPID之间的最大值取最大值作为最终的输出。

图8是低转速控制模式示意图。目标低转速设定点LoN为700rpm，目标高转速设定点HiN为2000rpm。一开始油门开度为0，低转速控制模块起作用，使内燃机转速N保持在700rpm附近。随着油门踏板的踩下转速逐渐升高，逐渐脱离低转速控制模式进入驾驶员开环控制模式。由于内燃机转速最高处离目标高转速设定点较远，高转速控制模块输出还是驾驶员需求值，所以高转速控制模块不起最高转速限定作用。随着油门踏板开度的变小转速逐渐下降，低转速控制模块开始起作用，即低转速控制模块的输出值大于驾驶员需求值。最终转速维持在目标低转速设定点附近。

图9是高转速控制模式示意图。目标低转速设定点LoN为700rpm，目标高转速设定点HiN为1200rpm。一开始油门开度为0，低转速控制模块起作用，使内燃机转速N保持在700rpm附近。随着油门踏板的踩下转速逐渐升高，逐渐脱离低转速控制模式进入驾驶员开环控制模式。随着转速的进一步升高，离目标高转速点越来越近，高转速控制模块开始起作用，即高转速控制模块的输出小于驾驶员需求值。此刻，驾驶员需求值相对于被屏蔽，主要通过高转速控制模块来控制内燃机的转速，使其稳定维持在1200rpm附近。随着油门踏板开度的变小，转速逐渐下降，再次进入驾驶员开环控制模式。随着油门踏板开度的进一步降低，低转速控制模块开始起作用，最后使转速稳定在700rpm附近。

图10是定转速控制模式示意图。目标低转速设定点LoN为700rpm，目标高转速设定点HiN为2000rpm。一开始油门开度为0，低转速控制模块起作用，使内燃机转速N保持在700rpm附近。随着油门踏板的踩下转速逐渐升高，逐渐脱离低转速控制模式进入驾驶员开环控制模式。随后目标低转速设定点LoN变为1500rpm，目标高转速设定点HiN变为1500rpm，两者相等进入定转速控制模式。此时驾驶员需求值被屏蔽，转速控制系统调节输出值，是内燃机转速稳定在1500rpm附近。

图11是最小转速控制模式示意图。目标低转速设定点LoN为700rpm，目标最低转速设定点MinN为700rpm，目标高转速设定点HiN为2000rpm。前段控制过程和图10类似，在进入定转速控制模式之后，此时接收到外部的扭矩限制请求，转速控制系统最终的输出被限制，使之无法使内燃机转速稳定在目标转速点1500rpm，随后转速逐渐下降，如果限制值太小，内燃机转速可能会降低到目标最低转速设定点之下，影响内燃机的正常运行。此时最小转速控制模块开始起作用，其输出不会受到外部扭矩限制请求的影响，可以保证使内燃机转速稳定维持在目标最低转速设定点附近。

本发明能够根据车辆系统的要求，动态配置对发动机提出转速控制请求的功能模块；能够处理两个及两个以上的功能模块同时对发动机提出转速控制请求；能够在系统出错情况下使发动机运行在最小安全转速。